地下水水位及水溫對水庫滲漏的影響

王森林，鄭克勛

（1.中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院巖土工程有限公司，貴陽 550081；2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081）

在碳酸鹽巖分布區建壩成庫， 水庫巖溶滲漏是主要工程地質問題之一，諸多水庫因巖溶滲漏，導致蓄水無法滿足設計要求，甚至只能廢棄，造成較大經濟損失。在構造發育的地區，地質構造條件對巖溶的發育和發展起控制作用［1］。巖溶發育地區的地下水具有非均質性、敏感性、隱蔽性等特點［2］，常規水文地質勘察手段一般難以達到較好的勘察效果。 地下水滲流特征和溫度特征分析是水庫巖溶滲漏分析的重要手段，已較多地應用于巖溶發育程度劃分、地下水滲流特點的分析及巖體透水性判斷等問題［3］，同時在水電站及水庫滲漏分析中也得到廣泛應用［4］。

某水庫是一座以農業灌溉為主的水利工程，水庫建成后可解決下游318.67 hm2田地的灌溉用水問題，水庫總庫容123.8 萬m3，工程規模為小（一）型，水庫樞紐建筑物由攔河大壩、右岸導流兼輸水隧洞、左岸溢洪道組成。2018 年水庫建成后出現嚴重的滲漏問題，至今未能完成蓄水功能，為此，在2018 年和2019 年分別進行2 期補充勘察工作，本次研究以補充勘察依托，主要通過測定鉆孔鉆進過程中的內、外管地下水位和地下水溫度及地下水位長觀， 查明庫壩區的地下水滲流特征和主要溫度異常區， 為水庫防滲處理設計提供科學依據。

1 工程區基本地質條件

工程區屬于構造侵蝕低中山地貌， 庫區地表分水嶺最高2400～2680 m，一般2250～2450 m 左右，山頂與河床相對高差200～400 m， 平均河床比降為7%，岸坡坡度15°～40°，河谷呈“V”形，為山間狹窄型河谷。 區內巖性主要為： 震旦系上統觀音崖組中段（Zbg2）灰白色白云巖夾少量黃色頁巖，震旦系上統觀音崖組上段下亞段（Zbg3-1）紫紅色頁巖夾灰白色、灰黃色泥巖和頁巖， 震旦系上統觀音崖組上段上亞段（Zbg3-2）深灰色、紫紅色灰巖夾灰黃色泥巖、泥灰巖和灰黃色、 紫紅色鈣質砂巖， 震旦系上統燈影組（Zbd）灰白色薄至中厚層泥質條帶狀白云巖夾黃色、紫紅色泥巖、泥質白云巖，燕山期侵入輝綠巖脈（ζπ35）。工程區構造主要有斷層F1、F2 及F3 和巖體節理裂隙。工程區巖溶形態以巖溶泉、巖溶洼地和溶蝕裂隙為主，壩前溶蝕裂隙發育較廣泛，庫區及大壩下游分別發育7 個（S8～S14）和8 個（S1～S7 及S15） 巖溶泉水點。Zbg3-2地層為強巖溶含水層，Zbg3-1和Zbg2地層為中等巖溶含水層， 其余地層為隔水層或相對隔水層。 地下水類型主要有覆蓋層孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水。 庫區輝綠巖脈至大壩下游鉆孔ZK7 附近為懸托河段， 表現為河水補給地下水的水動力類型， 其余河段表現為地下水補給河水的水動力類型。 試蓄水后在溢洪道附近形成了一個小型覆蓋層滑坡， 庫區無崩塌、 泥石流等不良地質現象發育，如圖1。

圖1 工程區地質平面圖

2 地下水位特征分析

2.1 鉆孔水位長期觀測

對庫壩區各鉆孔（ZK1、ZK301 等13 個）進行水位長期觀測，各鉆孔高程、位置及地下水位特征如表1。 從表1 可看出：除ZK6 外， 其余鉆孔水位均低于正常蓄水位； 除鉆孔ZK1、ZK308、ZK6 和ZK306 外，大壩附近鉆孔水位均低于河水位。總體來看，大壩所處河段地下水埋深普遍較大， 在大壩附近以河水補給地下水為主，表現為懸托河。

表1 鉆孔地下水位統計

2.2 鉆孔內管水位變化分析

鉆孔內管水位揭示鉆孔某一段 （工程中多為壓水試驗段）范圍內的分層地下水位。鉆孔水位跌落說明鉆孔揭穿隔水層，進入富水性較差的地層，上層地下水跌落至下層地下水中； 水位抬升說明鉆孔揭穿承壓含水層的頂板， 承壓水由于水頭壓力作用反升至上層水中。 在鉆孔壓水試驗前后分別測量每一試段的內管水位情況，得到各鉆孔內管水位變化折線，如圖2。

圖2 鉆孔內管水位變化折線圖

從折線圖中可看出：

（1） 鉆孔內管水位總體隨著鉆孔鉆進深度加深逐漸降低，最后穩定在某一高程，受壩址區附近“透水巖體夾隔水巖體”的地質結構特點控制，部分鉆孔內管水位隨鉆進過程呈現多次先降后升的現象，最為明顯的是鉆孔ZK3 在鉆進深度為106 m 和155 m（高程2106.8 m 和2057.8 m） 時均出現大幅下降，后又回升至一定高程。

（2）鉆孔ZK1 和ZK7 的內管水位表現出在某一深度突然大幅度下降的現象，然后保持穩定，單次最大降幅分別達到69.7 m 和27.6 m，且鉆孔ZK1 內管水位在前段呈現反復升降的現象， 說明存在多層地下水。

（3）鉆孔ZK2、ZK3 和ZK5 存在水位多次下降，單次水位最大降幅分別為15.05，23.3，9.18 m， 水位下降幅度相對鉆孔ZK1 和ZK7 較小。

（4）其余鉆孔內管水位基本保持穩定。

分析與討論： 大壩附近鉆孔ZK2、ZK3、ZK4 和ZK5 內管水位最終穩定范圍在2150～2170 m 之間，最低的內管水位在高程2120 m 左右。其中鉆孔ZK2鉆進高程在2098.0 m 以上水位一直處于跌落或穩定狀態， 鉆進高程在2087.9～2098.0 m 時水位穩定在2146.0～2151.0 m 之間， 基本與河床地下水位持平，說明該范圍內水位基本達到穩定狀態。 鉆孔ZK3 鉆進高程2022.8 m 以上水位為一直跌落或穩定狀態，但當鉆進高程在2007.6～2017.8 m 范圍時內管水位出現回升， 水位上升到高程2159 m 附近后穩定，說明河床附近高程2017.8 m 以下地下水較豐富， 且為承壓水。

2.3 鉆孔外管水位變化分析

鉆孔外管水位揭示鉆孔進尺范圍內的綜合水位。鉆孔水位跌落說明鉆孔揭穿隔水層，進入富水性較差的地層，上層地下水跌落至下層地下水中；水位抬升說明鉆孔揭穿了承壓含水層的頂板， 承壓水由于水頭壓力作用反升至上層水中。 在鉆孔壓水試驗前后分別測量每一試段的外管水位情況， 得到各鉆孔外管水位變化折線，如圖3。

圖3 鉆孔外管水位變化折線圖

從圖3 可看出：

（1）鉆孔外管水位的變化趨勢與內管水位基本一致，但由于是綜合水位，水位的變幅較內管水位小，最低外管水位高于最低內管水位。受壩址區附近“透水巖體夾相對隔水巖體”的地質結構特點的控制，鉆孔外管水位變化特征呈現有升有降的現象。

（2）鉆孔ZK1 和ZK7 存在外管水位突然大幅度下降現象，且ZK1 外管水位呈反復升降的現象，鉆孔ZK2、ZK3 和ZK5 存在水位多次下降且最后保持穩定，其余鉆孔外管水位基本保持穩定。

（3）大壩附近鉆孔ZK2、ZK4 和ZK5 外管水位最低范圍為2150～2170 m 之間， 最終穩定范圍在2155～2170 m 之間。鉆孔ZK3 鉆進高程2033 m 以上時外管水位出現小幅度緩慢下降， 在鉆進高程2033m 以下時外管水位穩定在2158～2160 m 之間。壩基范圍內鉆孔穩定外管水位高程在2155～2170 m之間，說明高程2155 m 以下地下水較豐富。

（4）壩后鉆孔ZK7 外管水位穩定在2115 m 左右，大壩軸線附近至鉆孔ZK7 之間存在約40 m 的外管水位跌幅，說明壩基附近巖體導水性較強，存在壩基滲漏問題。

3 地下水溫度特征分析

地下水溫度變化主要受地溫、 補給水源溫度及循環交替條件和氣溫的控制，在水庫滲漏分析中，補給水源的溫度和地下水強烈的循環交替條件將嚴重影響地下水溫度的變化幅度和速度［4］。

3.1 庫水溫度特征

由于水庫來水量較小， 地表水溫度受氣溫影響變化較大進而影響地下水溫度， 為減小氣溫對地下水溫度的影響， 應盡量在相同氣溫時段進行地下水溫度測試。 因此首先研究地表水溫度隨氣溫變化的情況，選擇在導流洞進口處對河水溫度進行一次24 h跟蹤觀測，每2 h 進行1 次觀測，得到河水溫度隨時間變化折線，如圖4。

圖4 河水溫度隨時間變化折線圖（24h 范圍）

觀測當天天氣為晴天，日照充足，受陽光輻射的影響， 早晨7:00 到下午13:00 區間河水溫度呈上升趨勢，下午13:00 到凌晨1:00 河水溫度呈下降趨勢，凌晨3:00 到早晨7:00 河水溫度變化較小，基本保持在15.1～15.2 ℃。其中，下午14:00 河水溫度最高，達19.6 ℃；早晨5:00 和7:00 河水溫度最低，為15.1 ℃；河水晝夜最大溫差為4.5 ℃。因此地下水溫度測試分為下午時段（13:00～17:00）和凌晨時段（3:00～7:00）兩個時段分別進行。

3.2 地下水溫度特征分析

地下水溫度測量分為下午時段（13:00～17:00）和凌晨時段（3:00～7:00）兩個時段分別進行，得到防滲線溫度等值線和溫度異常區分布，如圖5。

圖5 防滲線地下水溫度等值線及異常區分布

天然地下水溫度隨著埋深的增加逐漸升高，鉆孔地下水溫度在某一高程往上隨鉆進深度的減小逐漸升高的可視為地下水溫度異常區， 異常區的地下水位交換相對較活躍，受地表水影響較大，可視為水庫滲漏的主要通道。

從圖5 可看出： 地下水溫度在壩基附近存在4個地下水溫度異常區（異常區A、B、C 和D），異常區A 主要分布在鉆孔ZK1 高程2166.4 m 以上；異常區B 主要分布在鉆孔ZK2 高程2141.0 m 以上；異常區C 主要分布在鉆孔ZK3 高程2077.8 m 以上及鉆孔ZK301 高程2127.8 m 以上；異常區D 主要分布在斷層F1 與F2 中間所夾持的范圍， 高程主要在2086.1 m以上。該4 個溫度異常區地下水位相對較活躍，受地表水影響較大，是水庫壩基及繞壩滲漏的主要通道；異常區以下地下水溫度特征表現正常， 說明壩基附近高程2077.8 m 以下地下水循環較緩， 受地表水影響較小。

同時，在地下水與地表水交換頻繁的地方，地下水溫度相比地下水交換緩慢的地方要較高， 異常區D（即斷層F1 和F2 所夾持的范圍）地下水溫度較周圍要稍高， 說明該區域地下水溫度受地表水影響較周圍更大，地下水交換較活躍，同時受斷層及溶蝕破碎帶的影響，該區域是水庫主要的集中滲漏區。

4 結語

（1）從鉆孔水位長觀結果來看，大壩附近河段及兩岸地下水埋深普遍較大，多低于河水位，以河水補給地下水為主，表現為懸托河，存在庫水滲漏的勢能條件。

（2）從鉆孔內、外管水位變化來看，壩基范圍內鉆孔穩定外管水位高程在2155～2170 m 之間， 說明高程2155 m 以下地下水較豐富。壩后鉆孔ZK7 外管水位穩定在2115 m 左右， 大壩軸線附近至鉆孔ZK7之間水位從2155 m 左右跌落至2115 m，存在約40 m的外管水位跌幅， 說明該空間范圍內存在水庫滲漏問題。

（3）從地下水溫度特征及異常區來看，壩基部位異常區發育深度最深，最低高程為2077.8 m，兩岸異常區發育高程較壩基部位要高。 斷層F1 和F2 破碎帶附近地下水溫度較周圍要稍高， 是水庫主要的集中滲漏區。

（4）結合鉆孔內、外管水位變化、地下水位長觀及溫度特征成果， 以及巖體透水率和巖溶發育基準面，為確定防滲帷幕范圍提供可靠依據。