東莊水庫巖溶滲漏三維數(shù)值模擬

曾 峰，蔡金龍，萬偉鋒，苗 旺

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003)

東莊水庫巖溶滲漏三維數(shù)值模擬

曾 峰，蔡金龍，萬偉鋒，苗 旺

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003)

東莊水庫2.7 km長碳酸鹽巖庫段的巖溶滲漏問題是制約工程建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題。為了分析蓄水后庫水的滲漏情況，并掌握不同防滲處理措施的效果，在總結(jié)分析東莊水庫水文地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，通過建立地下水三維數(shù)值模型對(duì)水庫滲漏量進(jìn)行模擬，得出不同防滲處理措施下的水庫滲漏量均屬于輕微滲漏，為防滲帷幕的設(shè)計(jì)工作提供必要的參考。

東莊水庫;滲漏量;防滲處理;三維數(shù)值模型

陜西省涇河?xùn)|莊水庫的建設(shè)歷經(jīng)60余年的風(fēng)雨，前期勘察工作幾經(jīng)中斷，其中各方研究和爭論的焦點(diǎn)就是2.7 km碳酸鹽巖庫段的巖溶滲漏問題，該問題是決定東莊水庫能否成壩的關(guān)鍵工程地質(zhì)問題。經(jīng)過勘察發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽巖庫段地表存在溶洞、溶隙、溶孔等溶蝕特征，地下一定深度范圍內(nèi)已存在巖溶現(xiàn)象，且地下水位低于河水位30～45 m，形成懸托河，在水庫建成蓄水后，存在巖溶滲漏問題。但關(guān)于水庫滲漏的部位、滲漏方式、滲漏途徑以及滲漏量卻一直沒有定論。本文就是在分析和總結(jié)項(xiàng)目建議書階段的成果和認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)巖溶滲漏問題進(jìn)行進(jìn)一步研究，探討影響庫水滲漏的邊界條件、左岸分水嶺等問題，對(duì)水庫可能發(fā)生滲漏部位、方式、途徑進(jìn)行分析，并通過建立地下水三維滲漏模型，分析估算不同防滲處理措施的水庫滲漏量，提出可能的防滲處理措施。

1 區(qū)域水文地質(zhì)概況

東莊水庫地處渭北中部，地勢整體上北高南低，自北向南呈階梯狀排列，地形差異巨大，最高海拔1599 m(鉆天嶺)，最低海拔約430 m(涇河峽谷出口)。構(gòu)造條件復(fù)雜，地層分布受到構(gòu)造的控制作用明顯。區(qū)內(nèi)主要河流有4條，自西向東分別是:漆水河、泔河、涇河以及冶峪河。

以乾縣—富平斷裂為界，渭北巖溶可分為兩個(gè)大區(qū):一是沿東西向展布的碳酸鹽巖斷續(xù)出露的北部山區(qū);二是山前深埋巖溶區(qū)。其中在北部山區(qū)，受構(gòu)造和當(dāng)?shù)睾恿髋判够鶞?zhǔn)的控制，自西向東分布著5個(gè)泉域，分別是周公廟泉域(主泉高程850 m)、龍巖寺泉域(主泉高程547 m，已干涸)、篩珠洞泉域(主泉實(shí)測高程452 m)、袁家坡泉域(主泉高程377 m)和瀵泉泉域(主泉高程350 m)。東莊水庫即位于篩珠洞泉域巖溶地下水子系統(tǒng)內(nèi)［1］。

2 篩珠洞泉域子系統(tǒng)邊界條件

篩珠洞泉域子系統(tǒng)呈西窄東寬的楔形展布，面積381.85 km2，北部以老龍山斷層北側(cè)的砂頁巖為隔水邊界，西南部以唐王陵向斜核部砂泥質(zhì)碎屑巖為相對(duì)隔水邊界，東南邊界以北東走向的張家山斷裂為潛流滲水排泄邊界，地下水在此處跨越斷層帶向山前深部巖溶水系統(tǒng)潛流排泄(圖1)。系統(tǒng)內(nèi)地下水總體上由西向東、東南徑流［2］。

3 碳酸鹽巖庫段巖溶水文地質(zhì)特征

碳酸鹽巖庫段為老龍山斷層—東莊壩址2.7 km長河段，屬于涇河深切峽谷，岸坡陡峭，河谷斷面呈“V”字型，出露的地層為奧陶系下統(tǒng)冶里—亮甲山組(O1y-l)、中統(tǒng)馬家溝群(O2m)及第四系松散堆積層(Q)。根據(jù)地表巖溶發(fā)育特征、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、薄片鑒定和實(shí)測地質(zhì)剖面資料，并結(jié)合礦物成分分析成果，將2.7 km碳酸鹽巖庫段巖溶發(fā)育程度分為A(中等發(fā)育區(qū))、B(弱發(fā)育區(qū))、C(弱發(fā)育區(qū))三個(gè)區(qū)，見圖2。

圖1 篩珠洞泉域子系統(tǒng)邊界條件示意圖Fig.1 The sketch showing the boundary conditions of subsystem in Shaizhudong spring area

圖2 碳酸鹽巖庫段巖溶發(fā)育程度分區(qū)圖Fig.2 The zoning map for karst development degree in reservoir segments of carbonate rock

庫壩區(qū)地下水屬于碳酸鹽巖巖溶裂隙水，無可靠的不透水層或相對(duì)隔水層。庫壩區(qū)地下水流向總體與河流走向一致，向南、南東方向徑流。據(jù)鉆孔揭露，近河兩岸地下水位低于河水位，涇河在此段為懸托型河谷。在前期各階段的工作中，曾推測在庫區(qū)左岸鉆天嶺一帶有地下水的分水嶺，但一直沒有充足的證據(jù)。項(xiàng)建補(bǔ)充階段在庫區(qū)左岸的鉆天嶺附近布置的兩個(gè)新鉆孔(YRZK01和YRZK05)地下水位分別為737 m和723 m(2013年7月)，初步判定在鉆天嶺附近存在地下水分水嶺［3］(圖3)。

圖3 篩珠洞泉域地下水等水位線圖Fig.3 The sketch showing the groundwater contour of Shaizhudong spring area

4 水庫滲漏途徑和滲漏形式分析

4.1 滲漏途徑

右岸遠(yuǎn)處五峰山一帶存在高于水庫正常高水位的地下水位，地下水整體自西向東徑流，水庫蓄水后，不會(huì)向西產(chǎn)生永久滲漏。其中右岸A、B區(qū)產(chǎn)生的滲漏量有限;C區(qū)為庫首區(qū)厚層、巨厚層灰?guī)r，蓄水后由于水力梯度相比蓄水前陡增，存在滲漏問題，是防滲的重點(diǎn)。

左岸鉆天嶺附近存在地下水分水嶺，但分水嶺水位低于正常蓄水位且分水嶺的分布范圍尚不明確，因此左岸仍存在向東滲漏的可能，根據(jù)現(xiàn)有資料分析，蓄水后向東滲漏的可能性較小。

根據(jù)庫壩區(qū)地下水位觀測資料，在巨厚層灰?guī)r段(C區(qū))，尤其是靠近河床部位，地下水位與河水有一定的水力聯(lián)系，因而，存在壩基和兩岸壩肩繞壩滲漏問題，也是繞壩滲漏的主要部位。

東莊壩址左岸約7.0 km河段為一河灣地段，弦長約3.5 km。河灣地塊地層巖性為奧陶系中統(tǒng)(O2)灰?guī)r，無穩(wěn)定連續(xù)的隔水層，因此，水庫蓄水后在庫首段可能存在河灣滲漏問題。

4.2 滲漏形式

根據(jù)地表地質(zhì)測繪、鉆孔、平硐揭露的巖溶現(xiàn)象，并結(jié)合壓水試驗(yàn)、示蹤試驗(yàn)等成果分析，水庫巖溶滲漏形式以溶隙型為主，局部淺表層風(fēng)化卸荷帶、斷層破碎帶可能存在順縫隙的脈管型滲漏。

5 水庫滲漏量三維數(shù)值模擬

5.1 水文地質(zhì)概念模型

本次數(shù)值模擬的計(jì)算范圍為整個(gè)篩珠洞泉域子系統(tǒng)，呈狹長三角形狀，位于老龍山斷層以南，唐王陵向斜的北翼，模型總面積約380 km2，總厚度約150～1250 m，頂部為現(xiàn)狀地表，主要接受大氣降雨的面狀補(bǔ)給以及河流的線狀補(bǔ)給，底部以透水性較弱的奧陶系碳酸鹽巖頂面為界，可視為隔水邊界;北部以老龍山斷層為界，老龍山斷層南側(cè)為奧陶系的碳酸鹽巖，北側(cè)為二疊系和三疊系的碎屑巖，由于構(gòu)造作用，巖層近直立，構(gòu)成隔水邊界;西南部為唐王陵向斜核部碎屑巖組成的隔水邊界;根據(jù)地下水水化學(xué)與同位素資料推測有來自龍巖寺泉域地下水的徑流補(bǔ)給，巖溶區(qū)西南邊界為流量邊界;東南邊界為北東走向的張家山斷裂，在張家山斷層南側(cè)碳酸鹽巖陷落并與松散層對(duì)接，在宋家山以東構(gòu)成流量邊界;篩珠洞泉和風(fēng)箱道泉作為溢出邊界處理。

5.2 地下水滲流數(shù)學(xué)模型

本次研究的重點(diǎn)是模擬水庫蓄水后碳酸鹽巖庫段的滲漏特征，故采用穩(wěn)定流進(jìn)行模擬。根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，可以建立下列與之相適應(yīng)的地下水運(yùn)動(dòng)三維穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型:

式中:H，Hr為地下水位標(biāo)高(m)，涇河水位標(biāo)高(m); Kxx、Kyy、Kzz為含水層各向異性主方向滲透系數(shù)(m/d); Kr為河床淤積層垂向滲透系數(shù)(m/d);μs為潛水含水層給水度;W為源匯項(xiàng)(m3/d);h為點(diǎn)(x，y，z)在t時(shí)刻的水頭值;h0為初始水位標(biāo)高(m);q，Qr為變流量邊界流量(m3/d·m2)，河水入滲量或地下水溢出量(m3/d); A，Mr為涇河入滲與地下水溢出面積(m2)，河床淤積層厚度(m);ε為潛水面垂向交換量(入為正、出為負(fù)) (m3/d·m2);x，y，z，t為坐標(biāo)變量(m)，時(shí)間變量(d); Γ1，Γ2為一類邊界，二類邊界;n，Ω為二類邊界外法線方向，計(jì)算區(qū)范圍。

5.3 地下水滲流數(shù)值模型的建立

5.3.1 網(wǎng)格剖分

本次三維數(shù)值模擬計(jì)算采用的是Visual Modflow 4.1軟件系統(tǒng)，MODEFLOW計(jì)算采用三維有限差分方法，六面體單元。模型中的網(wǎng)格間距為200 m，在碳酸鹽巖庫段加密為50 m間距，垂直方向上分四個(gè)模擬層，模型頂板高程按1∶5萬數(shù)字地形圖確定，模型底板高程為280 m。模擬層的厚度依地形高度變化。

5.3.2 參數(shù)識(shí)別

本次模擬主要在以往采集的水位資料的基礎(chǔ)上，增加本次新測量地下水位點(diǎn)，用模擬區(qū)控制點(diǎn)的實(shí)測水位與計(jì)算水位吻合程度來對(duì)模型進(jìn)行校正，通過不斷調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)及源匯項(xiàng)，使得區(qū)內(nèi)控制點(diǎn)的實(shí)測和計(jì)算水位達(dá)到擬合要求，從而完成模型的校正。圖4即為校正后模型計(jì)算出的地下水天然流場。

圖4 模型計(jì)算的地下水天然流場及觀測點(diǎn)分布圖Fig.4 Groundwater natural flow field calculated by model and the distribution of observation points

各觀測孔實(shí)測水位與計(jì)算水位擬合情況見圖5。

圖5 各觀測孔水位擬合結(jié)果圖Fig.5 The fitting results for the water level in observation holes

根據(jù)模型識(shí)別結(jié)果，碳酸鹽巖裸露區(qū)降水入滲系數(shù)取0.2，碳酸鹽巖裸露河谷區(qū)降水入滲系數(shù)取0.15，黃土覆蓋區(qū)降水入滲系數(shù)取0.016(圖6)。工程區(qū)多年平均降水量為560 mm(降水強(qiáng)度為1.5×10-3m/d)，降水入滲補(bǔ)給強(qiáng)度分別為3.2×10-4m/d、2.3×10-4m/d和2.5×10-5m/d，第三層參數(shù)分區(qū)見圖7。

圖6 研究區(qū)降雨入滲系數(shù)分區(qū)Fig.6 Zoning for infiltration coefficients of rainfall in study area

圖7 第三層滲透系數(shù)K分區(qū)(m/d)Fig.7 The zoning of infiltration coefficient K in third layer(m/d)

5.4 滲漏量數(shù)值模擬預(yù)測

5.4.1 模擬工況

為了分析不同帷幕條件下水庫滲漏量的變化情況，本次模擬設(shè)定以下幾種不同工況進(jìn)行水庫滲漏量的預(yù)測:

工況1 壩址區(qū)和左、右岸均設(shè)置防滲帷幕，即全封閉方案。

工況2 壩址區(qū)設(shè)置防滲帷幕，左岸A、B和C區(qū)均設(shè)置防滲帷幕。

工況3 僅在壩址區(qū)設(shè)置防滲帷幕，并向壩肩兩岸延伸接弱透水(3 Lu)巖體。

工況4 僅在壩址區(qū)設(shè)置防滲帷幕。

5.4.2 模擬計(jì)算結(jié)果

僅在壩基設(shè)置防滲帷幕，計(jì)算蓄水后滲漏量與地下水流場。當(dāng)壩基帷幕底界高程為380 m時(shí)，蓄水后等水頭線分布見圖8。

圖8 工況0蓄水后地下水位等水位線分布Fig.8 The distribution of the groundwater contour after anti-seepageand impoundment in the dam foundation

工況1 當(dāng)壩基帷幕底界高程為380 m時(shí)，蓄水后地下水位等水位線分布見圖9。

圖9 工況1蓄水后地下水位等水位線分布Fig.9 The distribution of the groundwater contour after impoundment in first condition

工況2 當(dāng)壩基帷幕底界高程為380 m時(shí)，蓄水后地下水位等水位線分布如圖10。

圖10 工況2蓄水后地下水位等水位線分布Fig.10 The distribution of the groundwater contour after impoundment in second condition

工況3 當(dāng)壩基帷幕底界高程為380 m時(shí)，蓄水后地下水位等水位線分布見圖11。

工況4 當(dāng)壩基帷幕底界高程為380 m時(shí)，蓄水后地下水位等水位線分布見圖12。

從表1中可以看出，僅壩基采取防滲措施，水庫年滲漏量達(dá)到了0.65×108m3/a，為涇河多年平均入庫徑流量(12.1×108m3/a)的5.40%，滲漏量較大，須采取工程防滲處理措施。在庫壩區(qū)分別采用不同防滲措施的其它4種工況條件下(幕底高程380 m，不考慮淤積)，水庫年滲漏量分別為1923×104m3/a、2018× 104m3/a、1974×104m3/a和3339×104m3/a，占多年平均徑流量的1.59%～2.76%，庫壩區(qū)采取防滲處理后的水庫滲漏量減小明顯，均屬于輕微滲漏。

圖11 工況3蓄水后地下水位等水位線分布Fig.11 The distribution of the groundwater contour after impoundment in third condition

圖12 工況4蓄水后地下水位等水位線分布Fig.12 The distribution of the groundwater contour after impoundment in fourth condition

表1 各工況滲漏量對(duì)比分析一覽表Table 1 The list for comparative analysis on leakage in different conditions

6 結(jié)論

(1)渭北地區(qū)巖溶地下水分為北部山區(qū)巖溶水和南部山前深埋巖溶水，東莊水庫處于北部山區(qū)篩珠洞泉域巖溶地下水子系統(tǒng)(I1)中沙坡斷層以北水文地質(zhì)單元(I1

1)內(nèi)。(2)東莊水庫庫壩區(qū)左岸的鉆天嶺附近鉆孔水位720～740m，存在地下水分水嶺。

(3)水庫主要的滲漏途徑為近壩段繞壩滲漏、庫首河灣滲漏以及A、B區(qū)通過C區(qū)向下游的繞滲。滲漏形式以溶隙型為主，局部淺表層風(fēng)化卸荷帶、構(gòu)造破碎帶可能存在順縫隙的脈管型滲漏。

(4)在庫壩區(qū)分別采用不同防滲措施的4種工況條件下，水庫年滲漏量分別為1923×104m3/a、2018 ×104m3/a、1974×104m3/a和3339×104m3/a，占多年平均徑流量的1.59%～2.76%，庫壩區(qū)采取防滲處理后的水庫滲漏量減小明顯，均屬于輕微滲漏。

［1］ 萬偉鋒，鄒劍峰，曾峰，等.陜西省涇河?xùn)|莊水利樞紐工程可行性研究階段巖溶滲漏專題研究報(bào)告［R］.鄭州:黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，2014.

［2］ 周益民，王泉偉，萬偉鋒，等.陜西省涇河?xùn)|莊水利樞紐工程項(xiàng)目建議書補(bǔ)充報(bào)告［R］.鄭州:黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，2014.

［3］ 萬偉鋒，王泉偉，鄒劍峰，等.東莊水庫巖溶滲漏幾個(gè)關(guān)鍵問題的探討［J］.人民黃河，2015，37(2):99-103.

(責(zé)任編輯:于繼紅)

Three-dimensional Simulation of Karst Leakage of Dongzhuang Reservoir

ZENG Feng，CAI Jinlong，WAN Weifeng，MIAO Wan
(Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd.，Zhengzhou，Henan 450003)

The karst leakage of 2.7km carbonate rock is one of the key technological problems that restrict the construction of Dongzhuang Reservoir.In order to analyze the leakage of reservoir and the effect of different anti-seepage treatment，on the basis of summary and analysis of hydrological geology characteristics，a three-dimensional groundwater numerical model of leakage was established，it confirm that reservoir leakage of different anti-seepage treatment are slight，which provide the necessary reference for the design of impervious curtains.

Dongzhuang reservoir;leakage;anti-seepage treatment;three-dimensional simulation

TV697.3+2

:A

:1671-1211(2015)05-0538-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201505004

2015-06-23;改回日期:2015-07-28

曾峰 (1982-)，男，高級(jí)工程師，博士，地質(zhì)工程專業(yè)，從事水文地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)方面的研究。E-mail:zengfeng1982 @126.com

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150818.0841.002.html數(shù)字出版日期:2015-08-18 08:41