彭鵬程, 李擇衛(wèi)

((湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院,湖南 長沙 410007)

基于水量均衡法的塞海湖水庫巖溶滲漏評價(jià)

彭鵬程, 李擇衛(wèi)

((湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院,湖南 長沙 410007)

在復(fù)雜強(qiáng)巖溶區(qū)修建水庫,水庫滲漏及成庫條件的評價(jià)是前期勘察的關(guān)鍵。塞海湖水庫巖溶十分發(fā)育,在對工程區(qū)水文、工程地質(zhì)條件進(jìn)行認(rèn)真分析評價(jià)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行示蹤試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)巖溶滲漏主要通道,確定水均衡計(jì)算區(qū)域,建立水均衡計(jì)算模型,計(jì)算目前條件下水庫滲漏量,并對水庫蓄水后可能滲漏量進(jìn)行估算,認(rèn)為水庫庫首滲漏非常嚴(yán)重,必須進(jìn)行大規(guī)模防滲處理,才能滿足設(shè)計(jì)要求。

示蹤試驗(yàn);巖溶滲漏;水量均衡

長江流域存在廣闊的碳酸鹽可溶巖分布區(qū),如湖南省碳酸鹽巖分布就達(dá)5.7萬余平方千米,占國土面積的27.4%[1]。巖溶區(qū)一般又是地表干旱區(qū),根據(jù)巖溶規(guī)律尋找水源,特別是利用溶蝕洼地修建水庫,是解決巖溶區(qū)干旱的重要途徑。在湘中南及湘西地區(qū),利用小型溶蝕洼地修建水庫取得過成功的經(jīng)驗(yàn),但也有水庫建成后無水的慘痛教訓(xùn)[2]。其中最重要的一條就是巖溶滲漏從很大程度上決定了水庫建設(shè)的成敗。塞海湖所在地婁底市是個(gè)嚴(yán)重缺水的城市,計(jì)劃將此處選為城市供水水源地。在項(xiàng)目建議書階段,設(shè)計(jì)加高30 m,建設(shè)一座中型水庫。但該地巖溶發(fā)育,其滲漏問題是項(xiàng)目成庫的關(guān)鍵。水均衡計(jì)算是水庫巖溶滲漏重要的評價(jià)方法之一,為查明其巖溶滲漏問題,在詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查后,在該工程采用了水均衡計(jì)算,由于有豐富的地質(zhì)資料作為支撐,計(jì)算成果與實(shí)際比較接近,取得了很好的效果,由定性評價(jià)向定量評價(jià)邁進(jìn)了一大步。

1 工程區(qū)水文地質(zhì)條件

塞海湖位于湘中漣源市國家地質(zhì)公園——湄江風(fēng)景區(qū)內(nèi),是一處大型巖溶洼地形成的天然湖泊。水面高程327 m時(shí),湖面長約500 m,寬110～180 m,湖面面積7.8×104m2,水深3～5.7 m;設(shè)計(jì)正常蓄水位346 m,設(shè)計(jì)庫容2 000萬m3。湖泊的形成經(jīng)歷了暗河連通—落水洞發(fā)育—溶蝕坍塌—溶蝕洼地的復(fù)雜過程,溶蝕坍塌物和河流泥沙逐步堆積,湖底堆積物最厚達(dá)110 m,堵塞了主流通道,經(jīng)過漫長的地質(zhì)歷史,終于形成了今天的地貌景觀[3]。洪水期有水在右側(cè)地表溢洪口排出;非洪水期,地表水由溶洞向地下暗河排泄,湖水量基本保持平衡狀態(tài)。

湖面呈東西向延伸的勺狀,庫首下游右側(cè)有一處高程330～338 m的埡口,為歷史上的古河床位置,現(xiàn)從埡口中部人工開鑿出一條溢洪道,為塞海湖唯一的地表出水口。庫區(qū)以低山峰叢洼地谷地等地貌為主,洼地底部溶溝、溶槽、落水洞、溶洞等十分發(fā)育。

區(qū)內(nèi)巖性為石炭系上統(tǒng)船山組(C3c)、中統(tǒng)黃龍組(C2h)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖,巖溶極發(fā)育,無相對隔水層分布。巖溶形態(tài)主要有洼地、暗河、落水洞、巖溶泉、溶溝溶槽、溶隙等,庫區(qū)范圍分布溶洞22處、落水洞30處、地下暗河1處、巖溶泉16處。為了進(jìn)一步查明各泉水點(diǎn)、落水洞、暗河等之間的水力聯(lián)系,水庫巖溶滲漏的主要通道委托中國科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所做了4次示蹤試驗(yàn),地下水示蹤試驗(yàn)使用的儀器為瑞士Albillia公司生產(chǎn)的野外熒光度計(jì),采用的示蹤劑為熒光素鈉、羅丹明B兩種。投放點(diǎn)位于庫首的落水洞和鉆孔中,儀器監(jiān)測點(diǎn)主要安裝在觀音洞泉及湄塘口泉,其余泉水點(diǎn)采取人工取水樣進(jìn)行檢測。示蹤試驗(yàn)證實(shí)[4],庫首庫水與下游幾個(gè)主要泉水點(diǎn)均有水力聯(lián)系,向下游滲漏以溶洞、暗河等管道滲漏為主,各巖溶滲漏通道連通性好,水文地質(zhì)條件復(fù)雜。滲漏通道主要有兩條:

圖1 庫首落水洞、湄塘口泉、觀音洞泉位置示意圖Fig.1 Location sketch of sinkhole in the front of the reservoir，spring Meitangkou and spring Guanyindong

(1) 庫首—觀音洞泉之間的地下暗河系統(tǒng)(圖1)。該暗河有兩處入口,一處為左側(cè)湖灣湖水先沿?cái)鄬酉驏|滲漏,最后流入地下暗河系統(tǒng)在觀音洞泉排泄;另一入口為庫首及溢洪道部位的多個(gè)庫首落水洞,水流沿庫首網(wǎng)絡(luò)狀巖溶通道滲漏,其中一部分沿構(gòu)造發(fā)育的巖溶通道流向地下暗河,地下暗河至湄塘村黑水氹附近轉(zhuǎn)向SE方向,流向觀音洞泉。另一部分則流向了湄塘口泉。

(2) 塞海湖—湄塘口泉(W10)方向,以管道滲漏為主、溶隙滲漏為輔。據(jù)統(tǒng)計(jì),庫首區(qū)以N50°～60°W方向的節(jié)理最發(fā)育,沿該方向的節(jié)理面形成了網(wǎng)絡(luò)狀的巖溶通道。自庫首及溢洪道等多處落水洞漏入的水沿庫首網(wǎng)絡(luò)狀巖溶通道滲漏,其中一部分水流順東南方向的巖溶通道自湄塘口泉流出(另一部分流向觀音洞泉)。平面地質(zhì)測繪發(fā)現(xiàn),湄塘口泉是由多個(gè)巖溶泉組成的泉群,出水點(diǎn)眾多,單個(gè)巖溶泉的流量并不大,但總流量比較大,達(dá)0.56 m3/s,其中管道滲漏為主要方式,溶隙滲漏為次要滲漏方式。

以上兩個(gè)巖溶滲漏通道已為地下水連通試驗(yàn)所證實(shí),自左側(cè)湖灣投入的示蹤劑只在觀音洞泉可接收到,而自庫首落水洞投入的示蹤劑則在觀音洞泉及湄塘口泉均可接收到。

2 水量均衡分析計(jì)算

2.1 模型建立和方案選擇

巖溶水均衡是指在圈定的均衡圈內(nèi),地表水、地下水的流入量與流出量隨時(shí)間而變化的相互關(guān)系。巖溶區(qū)的水量平衡計(jì)算,最為關(guān)鍵的因素是圈定均衡區(qū)域,建立均衡方程。一般而言,進(jìn)水量是比較確定的,由于巖溶區(qū)的滲漏通道是非常復(fù)雜的,巖體滲透性存在較大的差異性,出水量就比較難以確定。因此,要建立較準(zhǔn)確的地質(zhì)計(jì)算模型,必須進(jìn)行大量的地質(zhì)調(diào)查分析,在基本查明本區(qū)域的水文地質(zhì)條件后,才能選擇測流和計(jì)算斷面,這就是建立地質(zhì)計(jì)算模型的意義[5]。

在對研究區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,劃分水文地質(zhì)單元。塞海湖庫區(qū)長約4.5 km,考慮到水庫3 km以上庫區(qū)地層為砂頁巖組成的相對不透水層,不存在水庫滲漏問題,可以不用考慮,專門將塞海湖及向上游3 km一帶巖溶比較發(fā)育的庫區(qū)范圍作為進(jìn)水量計(jì)算區(qū),將下游比較大的巖溶泉、暗河出口作為出水量計(jì)算區(qū),簡化均衡要素,建立計(jì)算模型,確定測流斷面,公式如下[5]:

Q入+Nt-Q出-Zt=±△Q

式中:Q入表示上游進(jìn)水量;Q出為下游總出水量;Nt和Zt分別代表降雨量和蒸發(fā)量。

2.2 測量斷面布置與均衡計(jì)算

2011年5月、6月、7月三個(gè)時(shí)間段進(jìn)行了多組次現(xiàn)場流量觀測,觀測期間庫水位在326.5～328.0 m之間波動(dòng),庫區(qū)主要流量觀測斷面布置如圖2。測量儀器采用LS45A型流速儀和LS10型流速儀,測速范圍0.02～3.5 m/s,渡河方法為涉水或測橋,測距方法為測繩,測深方法為桿測。第1次共布置了14個(gè)斷面,測流28次;第2次共測22個(gè)斷面,測流31次;第3次共測13個(gè)斷面,測流28次,其中第1次與第3次是在一段時(shí)間庫區(qū)無有效降雨時(shí)觀測,第2次為庫區(qū)連續(xù)降雨4—6天后觀測,部分測流成果見表1。

圖2 測流斷面分布示意圖Fig.2 Distribution sketch of cross-section

根據(jù)水量均衡原理,若庫區(qū)段河流沒有向庫外滲漏,則應(yīng)有以下關(guān)系式成立(關(guān)系式中直接以斷面或泉井編號代替各斷面或泉井處的流量,下同):

D18≌D17+W28+W26+W24;

D11應(yīng)稍>D18;

D12≌D11+W19+W17+D19;

D13≌D12。

若出現(xiàn)左側(cè)流量小于右側(cè)流量之和的現(xiàn)象,即表明該段河水存在滲漏流失,漏水量大致等于其差值;考慮到均衡區(qū)面積較小,湖面面積僅78 000 m2,按當(dāng)?shù)貧庀笏馁Y料蒸發(fā)量較小,不足0.01 m3/s,計(jì)算未予考慮蒸發(fā)量,降雨量、區(qū)間徑流主要通過沿河支流及巖溶泉的方式體現(xiàn)出來。

對表中第1次觀測結(jié)果進(jìn)行水量均衡計(jì)算后,得到以下成果:5月底,塞海湖庫盆漏水量為D11+D19+W17+W19-D12=2.2-1.72=0.48 m3/s(D19、W17、W19均斷流);溢洪道沿線漏水量為D12-D13=1.87-1.148=0.72 m3/s;觀音洞地下河(W1)流量為1.39 m3/s。

表1 庫區(qū)流量觀測成果表

對表中第2次觀測結(jié)果進(jìn)行水量均衡計(jì)算后,得到以下成果:在6月中旬較大降水后,塞海湖庫盆漏水量為D11+D19+W17+W19-D12=4.23+0.651+0.026+0.012-4.11=0.81 m3/s(這個(gè)數(shù)字較實(shí)際偏小,D11與D12還有少量區(qū)間徑流沒有列入計(jì)算);溢洪道沿線漏水量為D12-D13=3.7-2.788=0.91 m3/s;觀音洞地下河(W1)流量為2.67 m3/s。

對表中第3次觀測結(jié)果進(jìn)行水量均衡計(jì)算后,得到以下成果:7月中旬降水量不大,塞海湖庫盆漏水量為D11+D19+W17+W19-D12=2.78-2.18=0.60 m3/s;溢洪道沿線漏水量為D12-D13=2.18-1.478=0.70 m3/s;觀音洞地下河(W1)流量為1.72 m3/s。

2.3 水庫滲漏現(xiàn)狀分析

根據(jù)測流成果,根據(jù)公式進(jìn)行了綜合水量均衡計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表2。從表1、表2數(shù)據(jù)分析,對庫區(qū)成庫得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1) 湄塘河D17、D18、D11上、中、下三個(gè)斷面流量呈漸增大的趨勢,下一斷面的流量大致接近于上一斷面流量與兩斷面間巖溶大泉匯入的流量之和,因此,湄塘河下斷面(D11)以上河流從河底漏水到鄰谷的可能性不大。湄塘河下斷面(D11)以上河流基本不具備外滲條件。

(2) 溢洪道進(jìn)口流量明顯小于湄塘河下斷面流量與龍泉峽支流流量之和,其差值基本為塞海湖庫盆目前的漏水量,通過計(jì)算可知,第1次、第2次、第3次測流時(shí),庫盆漏水量分別為0.48 m3/s、0.81 m3/s、0.60 m3/s,漏水量比較大,暴雨后增加明顯,原因在于隨著汛期來臨,湖面相應(yīng)增大,漏水面積相應(yīng)有所增加。這也表明,當(dāng)水庫蓄水后,滲漏量會進(jìn)一步加大。

(3) 溢洪道進(jìn)口斷面流量明顯大于出口斷面流量,3次測流時(shí),其差值(D12-D13)分別為0.72 m3/s、0.91 m3/s、0.70 m3/s,說明溢洪道沿線有漏水通道,且漏水量較大。

(4) 通過對庫區(qū)下游觀音洞及湄塘口泉、溢洪道流出水量匯總統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)下游出水量之和明顯大于上游的入庫流量,3次測流差值分別為0.82 m3/s、1.97 m3/s、1.06 m3/s,說明觀音洞泉除了湄塘河作為其補(bǔ)給源頭外,尚有其他的補(bǔ)給來源,其主要來源于正北方向一條暗河的補(bǔ)給。據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料其常年流量在0.60 m3/s,第二次測流時(shí)剛經(jīng)歷了較長時(shí)間強(qiáng)降水,從鄰谷匯入觀音洞泉的水量較大。

表2 水量均衡計(jì)算表

說明:第1次和第3次測流,W17和W19兩泉水點(diǎn)基本沒有什么流量,第二次測流已累計(jì)。

3 水庫漏水量預(yù)測

3.1 當(dāng)前水庫漏水量估算

根據(jù)塞海湖滲漏通道的分布情況,以表2中最后一次的流量觀測資料為基礎(chǔ),當(dāng)時(shí)水位327.4 m,漏水量估算如下:

入庫流量為2.78 m3/s時(shí),湖底漏水量為D11-D12=2.78-2.18=0.60 m3/s;溢洪道沿線漏水量為D12-D13=2.18-1.478=0.62 m3/s;總漏水量為0.60+0.62=1.22 m3/s,占入庫流量的54.4%。

3.2 蓄水后漏水量預(yù)測

以上僅為塞海湖水位為327.4 m時(shí)的水庫漏水量,此時(shí)觀音洞泉的出露高程為195 m,湄塘口泉的出露高程為279 m。若水庫蓄水至346 m高程,由于水頭增加,水庫漏水量亦會相應(yīng)增加,根據(jù)《水利水電巖溶工程地質(zhì)》提供的公式[5],采用地下水動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算:

Q=W·v

式中:Q為漏水量;W為過水?dāng)嗝婷娣e;v為地下水流速。

假定地下巖溶管道中的水流流速與水頭成線性關(guān)系,蓄水后水庫的滲漏通道仍為現(xiàn)有的滲漏通道,滲漏斷面面積不變,則水庫蓄水后,滲漏量只與水頭成線性關(guān)系,預(yù)測觀音洞泉漏水量為Q=1.72×(346-195)/(327.4-195)=1.96 m3/s;湄塘口泉漏水量為Q=0.56×(346-195)/(327.4-195)=0.79 m3/s;合計(jì)漏水量為1.96+0.79=2.97 m3/s。

上述結(jié)果表明,在水庫水位抬高后,如果對下游漏水通道不能進(jìn)行有效封堵,上游來水基本會通過已有通道全部滲漏,建庫后將無法正常蓄水,所以必須進(jìn)行防滲處理。

4 結(jié)論

塞海湖水庫巖溶十分發(fā)育,水文、工程地質(zhì)條件復(fù)雜,地下水示蹤試驗(yàn)表明存在兩條比較大的巖溶滲漏通道。采用測流方法對其進(jìn)行了水量均衡計(jì)算,庫首存在嚴(yán)重滲漏問題,滲漏量較大,必須進(jìn)行大規(guī)模防滲處理,基礎(chǔ)防滲的重點(diǎn)在于庫首部位,只有這樣才能滿足設(shè)計(jì)要求。

[1] 金德濂.湖南水利水電勘測技術(shù)實(shí)踐與研究[M].長沙:湖南科技出版社,2004.

[2] 許勝保,羅子立,賀友鋒,等.湘西巖溶地區(qū)地下水綜合分析[J].西部探礦工程,2005(7):15-17.

[3] 李擇衛(wèi).塞海湖水庫工程成庫條件論證勘察報(bào)告[R].長沙:湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院,2011.

[4] 姜光輝,汪進(jìn)良.塞海湖水庫成庫論證巖溶滲漏示蹤試驗(yàn)研究報(bào)告[R].桂林:中國科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所,2011.

[5] 鄒成杰,張汝清,光耀華,等.水利水電巖溶工程地質(zhì)[M].北京:水利電力出版社,1994.

(責(zé)任編輯：陳姣霞)

The Evaluation Based on the Water Balance Method ofKarst Reservoir Leakages in Saihai Lake

PENG Pengcheng， LI Zewei

(HunanHydro&PowerDesignInstitute，Changsha，Hunan410007)

In a complex karst area，the leakage and evaluation about construction conditions of reservoir are the key of the preliminary prospecting to build a reservoir.The karst leakages in Saihai Lake reservoir are very developed. Based on the serious analysis and evaluations of the hydrogeological and engineering geological conditions in project area，the authors carried out a series of tracer tests，found the main channel of karst leakages；then，determined the water balance calculation area，established the water balance calculation model，calculated the reservoir leakage under current conditions，and estimated the possible leakage of reservoir after water storage. After all，the authors pointed out that the reservoir leakages were very serious in the front of the reservoir where must take large-scale steps to prevent it happening，and to meet the design requirement.

tracer test； karst leakage； water balance； evaluation

2016-01-26;改回日期:2016-03-22

彭鵬程(1970-),男,高級工程師,工程地質(zhì)專業(yè),從事工程地質(zhì)勘察工作。E-mail:241447187@qq.com

TV223.4

A

1671-1211(2016)05-0726-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.013

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160810.1442.012.html 數(shù)字出版日期:2016-08-10 14:42