基于水文地球化學信息的東莊壩址滲漏分析

胡廣沖，趙軍海，張 繼，袁 野

(四川省地質工程勘察院集團有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

涇河東莊水庫壩址位于黃河二級支流涇河下游峽谷末端的禮泉縣東莊鄉，距咸陽市80 km，距西安市100 km，距下游峽谷口涇惠渠渠首30 km，距涇河入渭河河口90 km.庫壩區河道深切河谷達200～300 m，從地形來看，其河谷寬高比為0.7，建庫條件優越，淹沒較少，適合修建拱壩.東莊水庫擬建壩址以北2.5 km處為老龍山斷層，壩址以南12 km處發育有張家山斷層，兩斷層之間約300 km2范圍內分布著二疊系砂頁巖、奧陶系的白云巖、灰巖等.灰巖區具有基巖裸露、巖石強度較高及完整性好等特點，使壩區坡岸穩定，利于水庫的修建.同時，灰巖區巖石表面可見發育有溶隙、溶孔、溶洞等巖溶現象.經過多期勘測結果表明，壩區涇河河谷兩側共發現大小溶洞51個，其中31個溶洞分布于壩址以北至老龍山斷層之間，巖溶發育程度受巖性和斷裂的控制[1-5].區內涇河東莊水利樞紐工程自2013年2月24日全面啟動，經現場調查并取樣，對水文地質條件進行了初步地了解分析，以期解決一直以來該地區已建成的水庫不同程度地受到滲漏問題的困擾，對東莊水庫進行巖溶滲漏相關的水文地質問題研究具有重要的理論意義和實際應用價值[6].

本研究將具有指示作用的水化學特征值作為重點研究對象，結合區域水文地質背景調查資料，運用水化學特征分析法、同位素特征分析法等研究壩區水化學特征及涇河河水與地下水水力聯系，進而對壩區灰巖水進行初步滲漏評價.

1 樣品的采集與測試

1.1 樣品的采集

本研究所用的地下水數據均來源于野外調查采樣.野外取樣分兩次進行，2011年1月，相關人員沿涇河及周邊地區選取采樣點，以研究涇河水及灰巖地區水體水化學、埋深的關系，取得水樣19組(DZ01-DZ19).2011年4月又進行了補充采樣，取得水樣12組(DZ20-DZ31)，雨水樣1組.各采樣點均采集4瓶水樣，每瓶50ml，封裝于密閉環境，各采樣點位置如圖1所示.

圖1 采樣點位置示意圖

在采集的31個樣品當中，共包括涇河河水樣7組，涵蓋了壩址區涇河從上游到下游的水樣；灰巖區地下水水樣14組，包括泉水樣與井水樣；松散層孔隙水水樣6組，主要為井水樣；雪水及其他水樣4組，各采樣點樣品類型如表1所示.

表1 采樣點樣品類型

1.2 樣品測試指標與方法

表2 測試項目及測試儀器

2 壩區地下水水化學特征及其分析

2.1 pH值特征分析

灰巖區地下水pH值的范圍為7.57～8.12，松散層孔隙水pH值的范圍為7.52～8.26，均屬于弱堿性水.其中灰巖區地下水除篩珠洞泉(pH=7.57)外，其余的pH值穩定在8.00～8.11之間.松散層孔隙水的pH值變化幅度相對較大，且自東向西不斷減小，逐漸由弱堿性向中性轉化.

圖2 壩區地下水TDS與含量關系圖

圖3 涇河東莊水庫壩區分布圖

2.2 Mg2+/Ca2+比值特征分析

由于方解石的溶解率遠大于白云石，灰巖水中的Ca2+離子含量遠大于Mg2+離子含量，因此，可以用Mg2+/Ca2+比例系數來判斷地下水是來自灰巖還是白云巖，如果地下水來自灰巖含水層，則Mg2+/Ca2+﹤1；如果地下水來自白云巖含水層，則Mg2+/Ca2+系數接近于1.隨著方解石、白云石的不斷溶解，水中PCO2的降低，方解石和白云石溶解速度減慢，這時方解石的降低幅度要遠大于白云石的降低幅度，致使二者溶解度逐漸降低.因此，隨著徑流途徑的增長和水巖作用時間的增加,巖溶水中Mg2+含量增加幅度要大于Ca2+含量,且其二者比值趨近于一區間值[7].

由研究區地下水水位的變化及構造控制作用，可以推斷該區域地下水的整體流向為由西北向東南排泄，沿可能存在的徑流途徑選取代表性的灰巖地下水水樣做Mg2+/Ca2+比值曲線圖如圖4所示.由圖4可知，比值變化范圍為0.23～0.53，說明其地下水主要來源于灰巖含水層.其中，DZ-10篩珠洞泉的Mg2+/Ca2+比值(0.54)較高，推斷其可能為區域灰巖水的集中排泄點.

圖4 巖溶地下水Mg2+/Ca2+比值曲線圖

2.3 δD、δ18O同位素特征分析

δD和δ18O是最常用的環境穩定同位素，對水體的形成、運移及混合等動態特征具有一定的指示作用.已知西安地區的雨水線方程為，

δD=7.498δ18O+6.13 r=0.958

由于涇河東莊水庫擬建壩址距西安很近，故可將此方程作為研究區的雨水線方程[8].分別繪制巖溶地下水和松散層孔隙水的δD-δ18O關系圖如圖5所示，并與該地區雨水線方程進行比較.

圖5 涇河東莊水庫灰巖地下水δD-δ18O關系圖

從圖5可知，除了點DZ-30外，其余的點均位于雨水線的下方，其中DZ-10篩珠洞泉與DZ-20風箱道泉與雨水線較為接近，反映其接受了大氣降水的補給，同時受到一定程度蒸發作用的影響；沙坡斷層以北的水樣點(DZ-20、DZ-23、DZ-26)分散靠近雨水線，沙坡斷層以南水樣點(DZ-02、DZ-03、DZ-04、DZ-10、DZ-28、DZ-29、DZ-30)則集中于雨水線的左下方，這種同位素值的差異性表明二者可能處于不同的流動系統.

由圖6中點DZ-24與點DZ-25落在雨水線上，其余的點與雨水線距離較近，說明松散層孔隙水主要來源于大氣降水，并受到蒸發作用的影響.

圖6 涇河東莊水庫松散層孔隙水δD-δ18O關系圖

3 涇河水與灰巖水水力聯系

3.1 涇河水水化學特征

野外調查共采集了7個涇河水樣，其中DZ-19為老龍山斷層以南砂巖裂隙區內的河水水樣，DZ-16、DZ-27、DZ-12、DZ-31、DZ-11為流經老龍山斷層與張家山斷層之間灰巖地區的河水水樣，DZ-13為黃土臺塬區的河水水樣.

表3 涇河水水化學分析結果

續表3

由以上數據可知，流經砂巖區的涇河河水的pH值為8.83，屬于弱堿性水.至灰巖區pH值變化不大，TDS先升高至1g/L以上，再在點DZ-11處突降至0.4 g/L，各主要離子含量變化如圖7所示.

圖7 壩區涇河河水上游至下游主要離子含量變化

3.2 涇河河水與灰巖水水力聯系分析

圖8 沙坡斷層以北涇河水與灰巖水Piper三線圖

圖9 沙坡斷層以南涇河水與灰巖水Piper三線圖

由圖8可以看出，在沙坡斷層以北地區，涇河河水與灰巖地下水的水化學成分差異較大，兩者的水力聯系不密切.Piper等[9-11]認為，應用三線圖示法能判斷某種水是否是另外兩種水簡單混合的結果，如果水樣C 是水樣A 和B 簡單混合的結果(混合時未發生任何反應)， 那么混合水將落在三線圖中A 和B 的連線上.在圖8中，DZ-20(風道箱泉水)可近似視為DZ-26(涇河旁地下水)與DZ-27(涇河水)簡單混合的結果，且涇河河水所占比例大于灰巖地下水.又知風箱道泉的水位為550m，涇河河水水位約590m，河水水位高于地下水位.故可以推斷，在風箱道泉處，河水補給地下水.

由圖9可以看出，在沙坡斷層以南地區，除DZ-31外，涇河河水與灰巖地下水的水化學成分較類似，兩者水力聯系較為密切.由于DZ-11涇河河水水位為437 m，DZ-10篩珠洞泉水位為456 m，地下水位高于河水位，推斷此處為地下水補給河水.

綜上所述，涇河在流經灰巖地區時，從河水補給地下水逐漸過渡到地下水補給河水.在沙坡斷層以北地區，涇河河水與灰巖水的水化學成分差異較大，而在沙坡斷層以南地區，由于涇河河水與灰巖水的水化學成分比較類似，可以推斷沙坡斷層以南地表水與地下水的水力聯系緊密程度大于沙坡斷層以北地區.這種聯系的緊密程度主要取決于巖溶裂隙的發育程度，一般情況下，在構造較為發育的斷裂帶，巖溶較為發育就意味著地表水與灰巖水的水力聯系更加密切.

4 壩址灰巖水滲漏分析

按巖溶在水庫及壩址中分布的部位，壩址巖溶滲漏可分為鄰谷滲漏、庫首滲漏、壩區滲漏和庫底滲漏五種類型.涇河東莊水庫主要考慮的是鄰谷滲漏和壩區滲漏.

東莊水庫的巖溶邊界為老龍山斷層、張家山斷層、永壽一唐王嶺向斜,三者相交構成的近似三角形“楔形”地區.老龍山斷層以北，水庫回水90 km范圍內均為二疊系砂巖，砂巖裂隙水為壩區灰巖水的補給源之一，故向老龍山斷層以北發生灰巖水滲漏的可能性較小.永壽一唐王嶺向斜軸部為相對隔水的砂頁巖、頁巖和砂礫巖, 在其中東店鄉處，地下水位高達700m左右，可認為此處存在地下水的分水嶺, 故可排除庫區灰巖水向鄰谷滲漏的情況.

涇河東莊水庫灰巖壩區示意圖如圖10所示，如上所述可以得出，從上游到下游，涇河河水由沙坡斷層以北的河水補給地下水，逐漸過渡到篩珠洞泉附近的地下水補給河水，故東莊水庫可能存在的灰巖水滲漏主要發生在沙坡斷層以北地段.在沙坡斷層以北庫區處出露的風箱道泉是接受河水與灰巖水的共同補給所形成的，其流量在一定程度上可以反映此處涇河河水對地下水的補給量.已知風箱道泉流量很小(1.0L/min)，而且涇河河水與灰巖水之間的水化學成分差異較大，且兩者水力聯系不密切，推斷在沙坡斷層以北地區，涇河河水向灰巖庫區的滲漏雖然存在，但滲漏量并不大.

圖10 涇河東莊水庫灰巖壩區剖面示意圖

5 結 論

通過對涇河東莊水庫灰巖壩址區地表水與灰巖水水化學資料的分析表明，涇河在流經灰巖地區時，與灰巖區地下水存在著一定的水力聯系.通過對河水與灰巖水的水化學成分特征值、水位值的對比研究發現，沙坡斷層為阻水斷層，其將壩區灰巖水分隔成南北兩個子系統，其中沙坡斷層以南地區地表水與地下水的水力聯系緊密程度大于沙坡斷層以北地區，這種聯系的緊密性取決于巖溶裂隙的發育程度.

從壩址上游到下游，從涇河河水補給地下水逐漸過渡到地下水補給河水，水庫可能存在的灰巖水滲漏主要發生在沙坡斷層以北地段，能夠在一定程度上反映河水對灰巖水補給量的風箱道泉流量很小，且涇河河水與灰巖水之間的水化學成分差異較大，此處地表水與地下水水力聯系不是十分密切，故涇河河水向灰巖庫區的滲漏雖然存在，但滲漏量并不大.

涇河東莊灰巖壩址處存在一定的灰巖裂隙水滲漏問題，建議對庫壩區的斷層、裂縫、洞穴進行常規處理，在壩基設防滲帷幕灌漿措施，以達到庫壩區防滲漏的目的.