小長沖水庫巖溶滲漏分析與處理

張喬軍

(貴州水利科技開發(fā)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550002)

1 水庫概況

小長沖水庫位于六枝特區(qū)新場鄉(xiāng)的烏江的懶龍橋河一級支流之后壩小河上，烏江屬于長江流域沅江水系。水庫壩址以上匯水面積12.60 km2，壩址以上河段長約3.90 km，河床平均比降為18.70‰，回水長678 m，壩址正常蓄水位1 542.50 m，當(dāng)水庫在非汛期正常運用時按照正常蓄水位運行，總庫容1.57×106m3，壩頂高程1 546 m，工程總體布置由首部樞紐工程、供水灌溉工程兩大部分組成，推薦樞紐布置為混凝土面板堆石壩+右岸岸邊溢洪道+左岸導(dǎo)流兼取水放空隧洞。面板堆石壩最大壩高38 m，水庫主要任務(wù)是解決新場鄉(xiāng)集鎮(zhèn)及周邊農(nóng)村人畜供水，同時兼顧農(nóng)田灌溉用水，工程規(guī)模為小(1)型水利工程。小長沖水庫庫區(qū)碳酸鹽巖熔化問題突出，且?guī)r溶發(fā)育，巖溶滲漏分析是影響水庫安全運行的主要工程地質(zhì)問題。

2 巖溶水文地質(zhì)條件分析

2.1 巖溶形態(tài)

六枝特區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖廣泛分布，由于構(gòu)造裂隙切割，地殼間隙抬升以及濕潤多雨的氣候條件，區(qū)域巖溶強烈發(fā)育。據(jù)庫盆周邊巖溶洼地統(tǒng)計，巖溶發(fā)育率1～3個/km2，各種巖溶形態(tài)眾多，其中以洼地最甚，溶洞、暗河、落水洞、溶隙均有發(fā)育。巖性對巖溶發(fā)育強度的控制作用極為明顯，縱觀全區(qū)，幾乎所有的巖溶洼地、落水洞、暗河系統(tǒng)均發(fā)育為質(zhì)純層厚的C2hn、C3mp和P2m+q強巖溶地層，特別是在可溶鹽巖與非可溶鹽巖的接觸帶上，常發(fā)育有大型的巖溶管道，如s1、s3巖溶泉水。巖溶發(fā)育具不均勻性和向深部減弱的規(guī)律。巖相的不均一變化，特別是構(gòu)造破壞在不同的構(gòu)造部位不一致，近代地質(zhì)作用的選擇性，使巖溶的發(fā)育在不同地段、同一地段的不同深度均不相同。P2q灰?guī)r為巖溶透水層，P1L砂頁巖為相對隔水層，壩址可溶巖地層中未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的巖溶現(xiàn)象，主要巖溶形態(tài)為溶蝕裂隙及層間淺層小溶洞等，但壩址段河流有懸托現(xiàn)象。據(jù)壓水試驗，壩址巖體透水性普遍偏大，滿足防滲要求的巖體埋深較大，強風(fēng)化帶為注水，弱風(fēng)化帶普遍>20 Lu，但微風(fēng)化下部孔深一般在33 m或40 m以下，僅zk1孔為26 m以下，透水率<5 Lu。左岸推測水力坡度15.90%，右岸為18.70%。

水庫右岸經(jīng)zk3鉆孔揭露地下水坡降大且有梁山組(P1L)砂頁巖、粉砂巖相對隔水層分布，經(jīng)帷幕灌漿防滲處理后，滲漏的可能性小；左岸為強巖溶含水層(P2q)經(jīng)zkl岸坡鉆孔揭露地下水高程為1 521.50 m，比正常蓄水位低出21.80 m，zk7河床鉆孔揭露地下水高程為1 507.90 m，比河水位1 514.40 m低出6.50 m，左岸北西面存在低矮鄰谷，庫水沿左岸低鄰谷巖溶管道滲漏的可能性大，可通過防滲帷幕反接庫尾P1L相對隔水層解決。下階段應(yīng)在左岸分水嶺地帶布置水文孔查明左岸地下分水嶺高程，為防滲帷幕走向與防滲邊界設(shè)計提供確切依據(jù)。

2.2 連通試驗

根據(jù)小長沖水庫巖溶水文地質(zhì)條件調(diào)查結(jié)果，小長沖水庫壩址為周邊最低侵蝕基準面，田壩頭-熊井小寨補給區(qū)、灣河-后壩補給區(qū)的地下水及地表水都會在小長沖水庫壩址附近排泄。水庫處在灰?guī)r及炭質(zhì)砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖等相對隔水地層與巖溶透水層相間組成，左岸巖溶洼地、落水洞、巖溶管道、暗河發(fā)育。左岸存在地下低鄰谷滲漏問題，水庫滲漏突出，庫區(qū)地下水主要由后壩小河及右岸洼地通過ks1出伏口排泄出露，匯入庫盆河流，河流進入(P2q)地層，通過裂隙及溶隙方式進入地下暗流，下游水流量逐漸變小。再向左岸低鄰谷地下暗河通道s3泉水排出。根據(jù)巖溶發(fā)育特征，壩址左岸至右岸zk3鉆孔一帶須進行重點防滲處理。

2.3 地下水特征

壩址強弱含水層相間分布，從下游至上游，依次為強巖溶含水層(P2q)、相對隔水層(P1L)，地下水為巖溶裂隙、溶洞水，基巖裂隙水，據(jù)16個鉆孔地下水觀測資料統(tǒng)計(見表1)，右岸地下水高于河水位(1 516.80～1 511.50 m)；左岸地下水低于河水位(1 516.80～1 511.50 m)。

表1 鉆孔水位統(tǒng)計表

3 壩址巖溶滲漏分析

3.1 壩址左岸滲漏

水庫左岸為強巖溶含水層(P2q、P2m)，溶隙、裂隙極為發(fā)育。左岸北西面有一個低矮鄰谷，構(gòu)成左岸地表低鄰谷，谷底高程1 395.00～1 393.20 m，較水庫正常蓄水位<118m左右，受此影響，大沖出伏口s3巖溶泉所經(jīng)過的P2m強巖溶地層NW向發(fā)育的穿洞巖溶管道，為隱伏的地下低鄰谷。地表調(diào)查時發(fā)現(xiàn)該谷地底部有s3泉水出露，平水期流量30～80 L/s，枯期30～40 L/s。據(jù)鉆孔揭露zk7地下水高程為1 507.90 m，河水位高程為1 514.40 m，zk12地下水高程為1 506.10 m，河水位高程為1 514.40 m，zk13地下水高程為1 505.40 m，河水位高程為1 514.40 m，zk14地下水高程為1 503.70m，河水位高程為1 514.40m，據(jù)上述分析，左岸地下分水嶺存在以下兩種：一是鉆孔zk7、zk13一帶，地下水沿下游面滲漏，通過巖溶管道補給s3泉水；二是鉆孔zk12、zk14一帶，地下水沿zk14鉆孔一帶滲漏，補給s3泉水。

水庫蓄水到1 542.50 m高程后，由于地下水雍高，庫水沿左岸分散性向低鄰谷s3泉水滲漏。左岸地下水流向見圖1，巖溶水文地質(zhì)平面圖比例尺1∶10 000。

圖1 左岸巖溶水文地質(zhì)剖面圖

左岸庫盆中前段與庫首河床出露C3mp、P1l、P2q等地層，在可溶巖及其與非可溶巖接觸帶附近，河床及岸坡鉆孔(包括遠岸水文孔)地下水位多低于河床，故左岸庫、壩區(qū)河谷為排泄型河谷，水庫存在嚴重的滲漏問題，必須進行防滲處理才能成庫。建議水工修建防滲面板及土工膜結(jié)合帷幕防滲接P1l相對隔水層予以解決。

3.2 壩址右岸滲漏

水庫南岸依次為相對隔水層(P1l)、強巖溶含水層(P2q)，水庫南岸前段(除壩址區(qū)外)出露P1l相對隔水層且以50°傾角傾向左岸偏下游，本區(qū)域內(nèi)沿其傾向未受地形深切出露，亦無斷裂切割破壞，隔水性能較好，滲漏的可能性小。據(jù)鉆孔揭露zk3地下水高程為1 530.10 m，zk9地下水高程為1 523.50 m，河水位高程為1 514.40 m，基本都比河水位高。水庫蓄水到1 542.50 m高程后，由于地下水雍高，zk9鉆孔附近為相對隔水層，沒有滲漏的可能性；庫水沿zk3鉆孔以南有低鄰谷，但有(P1l)泥頁巖相對隔水層阻隔，沿右岸滲漏沒有可能性，zk3鉆孔向下游滲漏可能性較大，通過防滲帷幕接P1l相對隔水層予以解決。

4 防滲處理

4.1 防滲處理方案

小長沖水庫防滲主要采用左岸鋪蓋+帷幕相結(jié)合防滲、繞壩反接上游P1l相對隔水層防滲兩種方案，根據(jù)水庫地質(zhì)條件進行分析和選取。

水庫區(qū)盆地為懸托型，其壩址區(qū)河水下潛，進入地下水基準面，左岸有地下巖溶管道。用左岸鋪蓋+帷幕相結(jié)合防滲，左岸鋪蓋邊界修建在P1l地層上至趾板，并結(jié)合帷幕灌漿，灌漿防滲底界深入P1l相對隔水層5 Lu以下，庫區(qū)滲漏便無可能性。如果用繞壩反接P1l相對隔水層防滲，根據(jù)本次勘察查明庫水存在通過左岸P2q灰?guī)r地層向穿洞巖溶管道(隱伏低鄰谷)及其出口s3(高程1 395 m，距庫左岸約1.50 km)產(chǎn)生滲漏，必需進行防滲處理。

一般情況下，懸掛式止水帷幕插入不透水層深度越大，地下水繞流距離越長，基坑周圍地下水位降幅越小，對基坑周圍環(huán)境影響也越小，但是工程費用則越高。為此，必須根據(jù)土層滲透特性、含水層厚度等進行懸掛式止水帷幕插入深度的合理確定。根據(jù)連續(xù)性條件、動量守恒定律及達西定律，進行了滲流方程的有限元分析，并提出止水帷幕設(shè)置深度與抽水井深度和水位降幅之間的對應(yīng)關(guān)系，且根據(jù)分析結(jié)果，止水帷幕插入不透水層的深度與抽水深井深度相同時，帷幕能降低基坑外側(cè)水位，且當(dāng)止水帷幕比抽水深井深度大時，帷幕深度的增加降低基坑外側(cè)水位的效果更加顯著。但是插入深度增大會使工程造價隨之增加，為在最佳工程效果和工程造價之間尋求平衡，水庫擬以抽水井深度為止水帷幕插入深度。

全帷幕防滲設(shè)計對帷幕底界考慮出三種方案：方案一：采用全封閉式帷幕，即防滲底界全部進入P1l相對隔水層10 m。根據(jù)zk12、zk7號鉆孔和防滲線周邊zk8、zk10號鉆孔及地表地質(zhì)測繪綜合分析，P1l相對隔水層在全帷幕防滲上最大埋深約190 m，高程為1 352.50 m，低于s3出口42.50 m。方案二：采用懸掛式帷幕，即防滲底界進入勘察期地下水位以下20 m并同時滿足巖體透水率≤5 Lu控制。據(jù)此原則根據(jù)zk12、zk7號鉆孔壓水試驗及短期觀測的鉆孔水位綜合分析防滲帷幕最大深度按抽水井深度確定，約90 m，高程為1 452.50 m，高于s3出口57.50 m。防滲底界至s3處水力坡降約為4%。方案三：采用全封閉式帷幕+懸掛式帷幕，即庫岸中尾部防滲底界全部進入P1l相對隔水層10 m，庫首及中部采用懸掛式帷幕，考慮到巖溶發(fā)育的不均一性、勘察期鉆孔水位的穩(wěn)定性、觀測水位的時限性等因素，防滲底界以s3出口高程按2%左右的坡降反推到帷幕線上，帷幕最大深度按抽水井深度確定，約113 m，高程為1 430 m，高于s3出口35 m。

4.2 防滲處理方案比選

方案一為全封閉式帷幕，可靠性相對高，但防滲底界深，且底界已

5 結(jié)論

文章在分析小長沖水庫巖溶水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，得出水庫總體呈北東向展布，地形封閉良好，兩岸地表分水嶺雄厚，水庫左岸近壩段到k30落水洞為強巖溶地層，壩址左岸約1.60 km處發(fā)育有低矮鄰谷，左岸可能沿巖層走向產(chǎn)生滲漏問題。右岸壩址壩前約470 m處有ks1巖溶泉分布，泉水出露高程1 526 m，比正常蓄水位<16.50 m，且水庫蓄水后庫水將沿ks1出伏點沿巖溶管道反壓回泉水入伏點，造成滲漏。水庫左右岸庫水在近壩段強巖溶含水層(P2q)向右岸及左岸滲漏問題均可通過灌漿防滲解決。小長沖水庫自2020年4月運行以來，蓄水運行完全正常，充分證明了在水庫工程設(shè)計階段對巖溶滲漏分析的準確性及所采取的全封閉式帷幕+懸掛式帷幕防滲措施的適用性。