后家河水庫滲漏分析研究

王奇輝

摘要：本文研究對(duì)象為湖北省恩施土家族苗族自治州咸豐縣后家河水庫，該水庫的主要功能是緩解咸豐縣城區(qū)飲水不足的現(xiàn)狀。后家河水庫地處西南裸露型巖溶山區(qū)，庫壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，寒武系碳酸鹽巖廣泛分布，巖溶十分發(fā)育。因此，對(duì)后家河流域巖溶發(fā)育規(guī)律、巖溶地下水系統(tǒng)的空間分布以及巖溶管道系統(tǒng)特征等開展調(diào)查，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用地下水示蹤試驗(yàn)對(duì)水庫滲漏條件進(jìn)行分析，可以從巖溶水文地質(zhì)角度對(duì)水庫工程壩址方案進(jìn)行對(duì)比和優(yōu)化研究，為工程設(shè)計(jì)提供水文地質(zhì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：巖溶水系統(tǒng)；巖溶發(fā)育規(guī)律；水庫滲漏

1.引言

我國是世界上巖溶分布最廣的國家之一，碳酸鹽巖的分布面積（含埋藏在非可溶巖之下的）可達(dá)346.3×104km2，出露面積達(dá)90.7×104km2。其中西南巖溶分布區(qū)的碳酸鹽巖分布面積約78×104km2，出露面積約50×104km2。這些巖溶地區(qū)由于巖溶管道等發(fā)育，地表水及地下水聯(lián)系密切、轉(zhuǎn)換頻繁，使得巖溶地區(qū)水資源的分布極為不均。由于降雨充沛且集中，地下水與地表水聯(lián)系密切，使得巖溶地區(qū)巖溶管道發(fā)育，地表落水洞、巖溶洼地、溶蝕漏斗以及巖溶槽谷的廣泛分布，同時(shí)巖溶地區(qū)的巖溶發(fā)育規(guī)律受多種條件控制，這些都導(dǎo)致巖溶區(qū)巖溶管道分布復(fù)雜，而這些管道系統(tǒng)往往是水庫發(fā)生滲漏的主要途徑，也是水庫選址所要考慮的最主要因素之一。大量的工程實(shí)踐表明：水庫滲漏是在巖溶地區(qū)筑壩建庫面臨的關(guān)鍵問題之一。水庫滲漏形式、滲漏發(fā)生部位及滲漏量的大小，直接關(guān)系到工程的規(guī)模、效益，甚至成敗。示蹤試驗(yàn)作為一種重要的地質(zhì)勘察工作方法，是庫區(qū)巖溶滲漏研究的最有效手段之一，通過示蹤試驗(yàn)，可以查明地下水的來源、運(yùn)移方向、速度、地下巖溶與裂隙發(fā)育狀況及地表水與地下水之間的水力聯(lián)系等巖溶地區(qū)的水文地質(zhì)條件，為巖溶水庫滲漏評(píng)價(jià)、壩址選擇以及防滲設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)的地質(zhì)依據(jù)。

后家河水庫位于烏江水系唐巖河二級(jí)支流、曲江河一級(jí)支流后家河之上，是一座以鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村供水及農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪的水利工程，擬建后家河水庫正常蓄水位886.50m，總庫容約736m3，工程主要由攔河壩、導(dǎo)流洞、圍堰等建筑物組成。擋水建筑物壩頂高程891.0m，最大壩高約54m。后家河水庫地處西南裸露型巖溶山區(qū)，庫壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，寒武系碳酸鹽巖廣泛分布，巖溶十分發(fā)育，后家河水源主要來自庫尾的大溪洞地下暗河，下游河流沿岸還發(fā)育有七眼泉、大坡泉、滴水巖、犀牛洞等地下暗河、管道或巖溶大泉。因此，對(duì)后家河流域巖溶發(fā)育規(guī)律、巖溶地下水系統(tǒng)的空間分布以及巖溶管道系統(tǒng)特征等的研究以及在此基礎(chǔ)上的庫區(qū)基本地質(zhì)條件分析和水庫滲漏條件的分析，將直接關(guān)系到該水庫是否能解決當(dāng)?shù)厝彼畣栴}、水庫工程壩址方案的選擇以及水庫防滲工程設(shè)計(jì)等。

2.巖溶水系統(tǒng)特征

咸豐縣在晚白堊世以后受咸豐斷裂帶影響，斷裂北西盤出露志留系、二疊系地層；斷裂南東盤地層上升出露寒武系碳酸鹽巖地層，經(jīng)歷了長期的溶蝕和侵蝕作用，形成了極為豐富的地表、地下巖溶形態(tài)。地表巖溶形態(tài)除了普遍發(fā)育有巖溶洼地、落水洞、溶溝、溶槽、溶丘及溶蝕溝谷等外，還有少量的石芽、峰叢等，地下巖溶形態(tài)則有溶洞、地下巖溶管道等。

后家河流域總體呈北東向長條狀展布，北西側(cè)以大馬巖塘—筒車壩地表分水嶺與青根溝流域?yàn)榻纾蠔|側(cè)以梯兒巖—小馬巖塘與龍洞灣地下河流域?yàn)榻?，后家河支流眾多，自南向北主要有大溪洞暗河、官巖溪溪溝、七眼泉、爛泥壩溪溝、滴水巖暗河、犀牛洞暗河等多個(gè)補(bǔ)給來源。其中大溪洞暗河的補(bǔ)給來源主要為老巖孔及扁擔(dān)坑等地的巖溶洼地等匯集的降水，按照每個(gè)支流溪溝、巖溶泉的補(bǔ)給面積圈定系統(tǒng)流域面積，共49.34km2。后家河流域主要發(fā)育于寒武系碳酸鹽巖地層中，地表水與地下水轉(zhuǎn)換頻繁，根據(jù)巖溶水文地質(zhì)調(diào)查，基本查明了研究區(qū)地表水和地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件，結(jié)合野外調(diào)查及示蹤試驗(yàn)確定，后家河流域主要有7個(gè)集中排泄型巖溶地下水系統(tǒng)和2個(gè)分散排泄型巖溶水系統(tǒng)。（見圖1）

3.水庫滲漏分析

通過示蹤試驗(yàn)及水文地質(zhì)調(diào)查，可能影響水庫滲漏的有大坡泉暗河系統(tǒng)（H-5）、滴水巖暗河系統(tǒng)（H-2）及犀牛洞暗河系統(tǒng)（H-1）。

大坡泉暗河系統(tǒng)：當(dāng)壩址選在大坡泉暗河系統(tǒng)出入口之間時(shí)，在水庫進(jìn)行蓄水后，庫水將會(huì)從河床處三處滲漏點(diǎn)沿層面裂隙從下游大坡泉群再次出露地表發(fā)生水庫滲漏。

滴水巖暗河系統(tǒng)：當(dāng)所選壩址區(qū)位于滴水巖下游時(shí)，水庫水位抬升將會(huì)淹沒滴水巖暗河入口及被河道切開的方家壩復(fù)式向斜，庫水將沿滴水巖暗河出口及方家壩復(fù)式向斜軸部向王家林方向發(fā)生水庫滲漏，庫水將沿滴水巖管道系統(tǒng)回水至王家林一帶，有可能發(fā)生向水車坪溪溝的巖溶管道式滲漏；水庫正常蓄水條件下滴水巖至王家林一線的巖溶洼地將被淹沒，尤其在雨季下游庫水頂托會(huì)導(dǎo)致洪水排泄不暢形成洪澇災(zāi)害；另外隨著庫水位的頻繁升降這些巖溶洼地中會(huì)發(fā)生巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。

犀牛洞暗河系統(tǒng)：為確定下游河段在水庫蓄水后是否會(huì)越過犀牛洞暗河系統(tǒng)與后家河之間的分水嶺，從而使庫水進(jìn)入犀牛洞巖溶水系統(tǒng)發(fā)生滲漏，現(xiàn)計(jì)算如下：

由前期進(jìn)行的地下水示蹤試驗(yàn)所得的地下水流速參數(shù)可以計(jì)算調(diào)查區(qū)內(nèi)石龍洞組地層的滲透系數(shù)K，進(jìn)而推求三十丈暗河入口（A3）至犀牛洞（A2）的水力梯度，最終得出暗河入口A3的標(biāo)高。

水車坪滲漏點(diǎn)（A1）標(biāo)高858.53（m）至犀牛洞暗河出口（A2）標(biāo)高798.46m，兩點(diǎn)間水力梯度I為5.26%，由地下水示蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知兩點(diǎn)間天然地下水流速為657.12m/d，得出調(diào)查區(qū)石龍組的滲透系數(shù)K。又由三十丈暗河入口（A3）至犀牛洞的地下水示蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知兩點(diǎn)間的天然地下水流速為518.88m/d，可得三十丈暗河入口（A3）至犀牛洞暗河出口（A2）的水力梯度為4.15%，根據(jù)兩點(diǎn)間的水平距離可知三十丈暗河入口的地下水位標(biāo)高為832.12m。計(jì)算結(jié)果如下表1所示：

由此得到三十丈地下暗河進(jìn)口A3的標(biāo)高為832.12m，且該巖溶管道與此處后家河段存在天然地下分水嶺。由于河間地塊天然地下分水嶺的位置確定計(jì)算公式中的K僅適用于各向同性均質(zhì)含水層，此處為強(qiáng)巖溶含水層且發(fā)育有巖溶管道，此外由河間地塊分水嶺至三十丈地下暗河進(jìn)口A3的地下水流向非主徑流方向，水力梯度較小。將三十丈地下暗河進(jìn)口A3至河間地塊分水嶺的水力梯度按經(jīng)驗(yàn)取得最大值為1%，平面距離400m以內(nèi)，以此求得次分水嶺的地下水位標(biāo)高不超過837m，理論上蓄水位超過837m便會(huì)由石龍洞組強(qiáng)巖溶含水層發(fā)生管道式滲漏（如圖2）。

綜上分析，即使考慮蓄水后地下水位壅高的情況，下游段蓄水位超過840m后將直接通過下伏管道跨過右岸平臺(tái)向下游產(chǎn)生嚴(yán)重的滲漏。如若采取防滲措施，則防滲線路需大于1km。

6.結(jié)論

后家河流域碳酸鹽巖廣泛分布，巖溶總體發(fā)育程度較高，尤其是后家河河谷兩岸以石龍洞組強(qiáng)巖溶含水巖組為主，巖溶管道、地下暗河極為發(fā)育，尤其是滴水巖以下河段，受咸豐背斜向北東傾伏的構(gòu)造控制，背斜兩翼石龍洞組灰?guī)r強(qiáng)巖溶含水巖組相互連通，后家河右岸存在寬約200m的強(qiáng)巖溶發(fā)育的低水位區(qū)（推測(cè)地下水水位不高于850m），在該河段筑壩建庫存在巖溶管道式滲漏。滴水巖以上河段巖溶強(qiáng)發(fā)育范圍相對(duì)較窄，主要在河床及壩肩兩側(cè)，工程可控；滴水巖以下河段水文地質(zhì)條件最差，除了庫首右岸存在200m寬的巖溶管道式低水位滲漏區(qū)外，庫內(nèi)滴水巖也有向水車坪發(fā)生巖溶管道式滲漏的可能，同時(shí)還存在王家林一帶水庫浸沒和洪澇災(zāi)害以及巖溶塌陷等不良地質(zhì)環(huán)境問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁道先.中國巖溶學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社， 1993.

[2]陳漢寶，李瑞清，劉賢才.鄂西南巖溶地區(qū)幾個(gè)水庫滲漏的教訓(xùn)與反思[J].資源環(huán)境與工程， 2010， 24（5）：450-453.

[3]肖愛明，葉運(yùn)華.野三河水庫庫區(qū)巖溶滲漏分析[J].水電與新能源， 2010（4）：14-17.

[4]張禎武，楊勝強(qiáng).巖溶水示蹤探測(cè)技術(shù)的新進(jìn)展[J].工程勘察， 1999（5）：40-43.

[5]鄧振平，周小紅，何師意等.西南巖溶石山地區(qū)巖溶地下水示蹤試驗(yàn)與分析—以湖南湘西大龍洞為例[J].中國巖溶， 2007， 26（2）： 163-169.

[6]王建強(qiáng)，陳漢寶，朱納顯.連通試驗(yàn)在巖溶地區(qū)水庫滲漏調(diào)查分析中的應(yīng)用[J].資源環(huán)境與工程， 2007， 21（1）：30-34.

[7]周代榮.上福沖水庫壩體地質(zhì)評(píng)價(jià)及加固措施探討[J].西部資源， 2019（02）：86-87.

[8]袁道先，戴愛國，蔡五田等.中國南方裸露型巖溶峰叢山區(qū)巖溶水系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型的研究—以桂林丫吉村為例[M].桂林：廣西師范大學(xué)出版社， 1996.

[9]徐福興，陳飛.水庫巖溶滲漏問題研究[J].西部水利水電開發(fā)與巖溶水文地質(zhì)論文選集， 2004：3-9.

[10]周寧.鄂西南巖溶區(qū)水庫滲漏類型淺析[J].西部水利水電開發(fā)與巖溶水文地質(zhì)論文選集， 2004：16-20.