蒲石河抽水蓄能電站上庫分水嶺滲漏分析

楊宗玲，田作印，鄭以寶，張建輝，呂君卓

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

蒲石河抽水蓄能電站上庫擋水建筑物為上庫鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高78.5 m，壩址以上控制流域面積1.12 km2，總庫容1 238萬m3，正常蓄水位392 m，死水位360 m。

1 庫區(qū)工程地質(zhì)條件

蒲石河抽水蓄能電站上庫庫區(qū)位于三面環(huán)山的泉眼溝溝首?？傮w呈NW向展布。溝谷底寬60～250 m，谷底高程320～365 m。

上庫庫周分水嶺長3 700.2 m，按樁號(hào)0-24.7～0+704.0、 0+704.0～1+550.0、 1+550.0～2+994.0、 2+994.0～3+675.5分東、北、西、南庫岸4部分，地面高程多為 420.0～504.2 m，高出設(shè)計(jì)蓄水位25.0～109.0 m。無低矮地形埡口分布，但在東、西、南見有三處地形相對(duì)較低矮的單薄分水嶺，地面高程分別為 434.0～440.0 m、 425.0～449.0 m、 429.0～445.0 m，分水嶺寬度僅230～350 m。庫周分水嶺外側(cè)見有5條走向呈NW向和NE向分布的切割深度70～150 m的深溝谷，溝端距上庫分水嶺一般＜180 m左右。庫周外側(cè)邊坡陡峻，坡度30°～50°，局部地段呈陡崖，地下水排泄條件良好。庫周覆蓋層較薄，一般1～2 m，較大沖溝部位3～5 m，局部地段7.5 m，主要由殘坡積含碎塊石低液限粘土組成?；鶐r主要為較完整、堅(jiān)硬的混合花崗巖，后期穿插有閃長玢巖、煌斑巖等巖脈。

庫區(qū)斷層不發(fā)育，多分布于西、南庫岸一帶，主要見有規(guī)模較大的斷層有 F1、 F19、 F22、 F101、 F102、F103、 f61、 Fy3、 fy7等斷層破碎帶， F1、 F101、 F103、 Fy3、f61等斷層走向 N25°～70°E， 其余斷層走向?yàn)?NW，斷層寬度多＞10 m，F(xiàn)1斷層最寬達(dá)35 m左右，其中fy7、 f61＜7 m， 延伸較長的有 F1、 F103、 Fy3等斷層破碎帶，均通過分水嶺延伸至庫外。

本區(qū)地下水按其埋藏條件可分為賦存于基巖裂隙水和第四系松散堆積層中孔隙潛水。基巖裂隙水以裂隙潛水為主，局部分布有基巖承壓水。地下水多以泉水形式補(bǔ)給地表水。沿上水庫泉眼溝見有地下水沿基巖裂隙面流出的下降泉，但一般流量不大。

根據(jù)上水庫庫周鉆孔資料和地下水長期觀測(cè)孔2006年7月至2010年1月近42個(gè)月的監(jiān)測(cè)成果資料統(tǒng)計(jì)，上庫庫周分水嶺地下水位埋深情況如下：東庫岸、北庫岸地下水埋深一般21～50 m，最深達(dá)98 m。西庫岸、南庫岸地段地下水位埋深多為30～80 m，局部地段達(dá)80～100 m左右。

巖體透水性與巖性、構(gòu)造發(fā)育程度、巖體風(fēng)化及巖體破碎有關(guān)。據(jù)可研階段鉆孔資料統(tǒng)計(jì)，庫周分水嶺基巖相對(duì)隔水層 （透水率≤3 Lu）頂板埋深一般北庫岸33～45 m，西、南庫岸60～80 m，F(xiàn)1等斷層集中滲漏通道80～95 m。據(jù)設(shè)計(jì)蓄水位至死水位間巖石87段壓水試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)，中等透水段占16.1%，弱透水段占21.8%，＜3 Lu弱～微透水段占62.1%。強(qiáng)風(fēng)化巖經(jīng)鉆孔注水試驗(yàn)，滲透系數(shù)K為2.75～3.8 m/d。

2 滲漏分析

2.1 根據(jù)前期地質(zhì)資料的分析

上庫區(qū)為山嶺環(huán)抱的洼地，庫周巖石主要為較完整、堅(jiān)硬的混合花崗巖。庫周分水嶺地段庫水位392.0 m以下主要由弱～微風(fēng)化巖石組成。據(jù)可研鉆孔壓水試驗(yàn)資料，西庫岸總長約1 444.0 m。其中，長595.0 m （樁號(hào)2+144.0～2+739.0）段為中等透水巖石，占西庫岸總長的41.2%，485.15 m長段為弱透水巖石，占33.6%；其余25.2%為微透水巖石，南庫岸基本多為弱透水巖石。東、西、南庫岸分布有3處低矮單薄分水嶺地段 （樁號(hào)分別為0+580.0～0+704.0、 1+889.0～2+974.0、 3+020.0～3+617.4）， 地下水位及相對(duì)隔水層頂板均低于設(shè)計(jì)蓄水位，滲徑較短，多為200～300 m，滲透坡降較大。設(shè)計(jì)蓄水位392 m至相對(duì)隔水層頂板巖石透水率分別為：東、 南庫岸 3.7～11.3 Lu， 西庫岸 3.1～16.0 Lu， 屬弱～中等透水巖石。其余分水嶺地段滲徑較長，多超過300 m，多為弱～微透水巖石，地下水位和相對(duì)隔水層頂板多接近或高于設(shè)計(jì)蓄水位。

據(jù)前期地質(zhì)資料得，東、西、南、北庫岸分水嶺長3 700.2 m，北庫岸長約846.0 m，占分水嶺總長22.86%，地面高程多＞450 m地下水位及相對(duì)隔水層頂板多高于或接近設(shè)計(jì)蓄水位，不具備庫水外滲的條件。雖于該庫岸東端處尚有長約120 m左右的地段，地形相對(duì)相對(duì)較低，但于該地段內(nèi)庫邊線附近高程395.5 m處見有基巖裂隙水下降泉，且常年流水，故該地段水庫蓄水后庫水外滲的可能性不大。其中占48.9%的地段 （含繞壩滲漏），地下水位及相對(duì)隔水層頂板均低于設(shè)計(jì)蓄水位。水庫蓄水后，沿上述低矮單薄分水嶺地段將產(chǎn)生庫水外滲。其余地段地下水位及相對(duì)隔水層頂板多接近或高于設(shè)計(jì)蓄水位，不具備引起庫水外滲的地質(zhì)條件。此外，庫周分水嶺地段地下水位及相對(duì)隔水層頂板高程多高于死水360 m，故庫水沿死水位以下庫盆外滲的可能性亦不大。

2.2 根據(jù)地下洞室開挖影響調(diào)查及地下水長期觀測(cè)孔資料的分析

自2004年11月對(duì)外交通洞 （南庫岸近側(cè)）形成和廠房交通洞、通風(fēng)洞等地下洞室群相繼開挖成洞以來，上庫泉眼溝、前眼溝和西庫岸鄰側(cè)的黃草溝等溝內(nèi)泉水水流相繼明顯減少或干枯，往年這些溝內(nèi)一般常年流水。最明顯的例子是位于地下廠房上部70.0 m高程的PD02“十”字形勘探平硐，于2004年5月前洞內(nèi)水位為167.0 m高程，接近洞口，隨著廠房交通洞、通風(fēng)洞開挖，至2005年8月，洞內(nèi)水位降至109.0 m高程，降幅達(dá)58.0 m，當(dāng)2005年11月廠房交通洞開挖結(jié)束，副廠房開始施工時(shí)，PD02勘探平硐成干洞。同樣，對(duì)外交通洞與施工前后情況相比較，洞內(nèi)滲水情況也大為減小或僅局部地段有滲水。又據(jù)上庫分水嶺地下水長觀孔2006年7月～2010年1月期間的水位觀測(cè)成果：東、北庫岸地段的KUP16～KUP14孔，地下水位一般為392～414 m，埋深一般為21～50 m左右，與可研勘探階段的情況比無明顯變化；但西、南庫岸與可研階段勘探時(shí)的地下水位比較，呈大幅下降，如KUP03、KUP05、KUP07、KUP10、KUP12等觀測(cè)孔的水位降幅多達(dá)11～28 m，地下水位埋深一般為40～80 m，最大達(dá)80～100 m，南庫岸為30～80 m。因此，這使得西、南庫岸分水嶺地段地下水位多低于設(shè)計(jì)蓄水位 16～26 m。

由上述情況可以看出，西、南庫岸地段地下水位呈較大幅度下降，主要受對(duì)外交通洞和地下廠房等洞室群施工開挖排水影響。據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)原理，上述施工從空間上在較大范圍內(nèi)切割了這一地帶的地下水流網(wǎng)，從而導(dǎo)致沿地下水流線方向上在不同地段水力坡降增大，滲徑縮短，滲流量增大。

2.3 根據(jù)庫盆開挖地質(zhì)測(cè)繪資料的分析

西、南庫岸外側(cè)分別有5條走向NW （南庫岸）和NE、切割深度為70～150 m的溝谷展布。這些溝谷末端多緊鄰分水嶺，相距多＜300 m，如黃草溝、前眼溝等。西庫周外側(cè)地形一般較陡峻，多為30°～50°，部分地段呈陡崖。同時(shí)，根據(jù)庫盆開挖測(cè)繪資料，F(xiàn)103、F1、Fy3等4條寬度較大的斷層，陡傾角自庫盆呈NE向通過分水嶺。由長觀孔資料可知，位于上述3條斷層破碎帶分水嶺外側(cè)部位的地下水位為360～370 m左右，接近庫盆死水位，因此判斷，西庫岸存在沿F1、Fy3、F103等斷層破碎帶滲漏通道的地質(zhì)條件。上水庫滲漏分析情況詳見表1。

3 滲漏計(jì)算

3.1 計(jì)算條件假設(shè)

在計(jì)算前，我們先進(jìn)行如下兩種假設(shè)：

（1）假定所計(jì)算的含水層為均質(zhì)、各向同性。我們知道，基巖裂隙水主要由地質(zhì)構(gòu)造、層面等諸多因素控制，各項(xiàng)差異也較大，上水庫庫岸巖石多為弱～微風(fēng)化混合巖。從鉆孔壓水試驗(yàn)資料可知，滲透系數(shù)K多＜0.5 m/d，水力梯度 i＜1，屬層流。因此，為計(jì)算方便，按均質(zhì)、各向同性裂隙介質(zhì)問題處理。

（2）據(jù)設(shè)計(jì)，上水庫水位正常工況下是在392～370 m之間變化，每天庫水位在正常高水位的時(shí)間要占12 h以上，發(fā)電時(shí)庫水下降速度要比地下水補(bǔ)給庫水的速度快，經(jīng)過一段運(yùn)行時(shí)間后，分水嶺的地下水位基本接近正常蓄水位，并保持這一狀態(tài)，因此用正常高水位392 m為計(jì)算時(shí)的庫水位。

3.2 公式選擇與計(jì)算

（1） 庫周滲漏

式中，K為滲透系數(shù)，各層以透水率最大值換算成單位吸水量 ω， 按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 K≈2ω=2×1/100 Lu；T為含水層厚度，取地下水位到q=3 Lu界線之間的最大鉛直距離為滲漏帶厚度，在剖面圖上量取；L為滲徑長，庫水向外滲出點(diǎn)到庫邊線水位在計(jì)算剖面上量得相應(yīng)的水平滲徑長度；B為計(jì)算寬度，各部位巖體的滲透性、滲漏帶厚度等各不相同，故在計(jì)算時(shí)，將庫區(qū)滲漏分水嶺分為若干計(jì)算段。各段參數(shù)與計(jì)算結(jié)果詳見表2。經(jīng)計(jì)算，庫周總滲漏量為 Q庫周=Q庫周1+Q庫周2+···+Q庫周12=2 826.28 m3/d。

（2） 繞壩滲漏

式中，K為滲透系數(shù)，取值方法同庫周滲漏計(jì)算；B值取繞壩滲漏帶邊緣至壩肩的直線距離；r0為壩肩與山體接觸部位寬度的1/2，取趾板寬度2b=6 m，r0=1.91 m；H1、H2為繞壩滲漏段上、下游水位；H1+H2為未知數(shù)，先假設(shè)上、下游其中一個(gè)水位為Hx，T已知，因此蓄水前另一水頭為2T-Hx，蓄水后H1+H2=H1+2T-Hx+△H，T取地下水位至3.0 Lu界限的厚度；Hx為庫外溢出點(diǎn)地下水位；△H為蓄水前后庫邊線地下水位升高值。 各段計(jì)算參數(shù)詳見表3。根據(jù)表3計(jì)算得，繞壩總滲漏量Q繞壩=Q繞壩1+Q繞壩2=587.61 m3/d。

上水庫總滲漏量Q總=Q庫周+Q繞壩=2826.28+587.61=3413.89 m3/d。

表1 上水庫分水嶺庫水滲漏分析匯總

表2 上水庫庫周滲漏參數(shù)與計(jì)算結(jié)果

表3 上水庫繞壩滲漏參數(shù)

4 結(jié)語

現(xiàn)階段對(duì)上水庫分水嶺滲漏分析，各種因素考慮得比較全面，大體上能夠反映實(shí)際情況，但仍存在著以下問題需進(jìn)一步研究解決：

（1）為計(jì)算方便，含水層按均質(zhì)、各向同性裂隙介質(zhì)問題處理，而實(shí)際情況中地下水的滲漏多數(shù)是受構(gòu)造控制的，各向差異較大。

（2）計(jì)算時(shí)分水嶺的地下水位都是按照正常高水位392 m考慮的，沒有考慮水庫運(yùn)行工況下庫水位變幅的問題，也就是說，長期運(yùn)行時(shí)分水嶺的實(shí)際地下水位是多少暫時(shí)還是未知的。

（3）分水嶺在20世紀(jì)90年代勘探時(shí)長觀孔甚少，資料多已不全，因此水文地質(zhì)剖面上勘探的地下水位都不是同一天的，時(shí)間、季節(jié)差異較大。所以，分析時(shí)用現(xiàn)階段長觀孔同一天的地下水位與勘探時(shí)的地下水位進(jìn)行比較，不能完全真實(shí)地反應(yīng)地下水位的升、降問題。

（4）西、南庫岸接觸部位長觀孔間距較大，期間地下水位取值與實(shí)際可能有一定誤差。