陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站上水庫(kù)滲漏問題分析與評(píng)價(jià)

王海濤

(中國(guó)電建集團(tuán) 西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065)

陜西省抽水蓄能電站鎮(zhèn)安壩址位于商洛市鎮(zhèn)安縣西北約47 km,距西安市區(qū)128 km。電站分為上下兩庫(kù),上水庫(kù)位于月河右岸金盆溝,水庫(kù)正常蓄水位1 392 m,相應(yīng)庫(kù)容896萬m3,死水位1 367 m,死庫(kù)容46萬m3,有效庫(kù)容850萬m3。上水庫(kù)大壩采用混凝土面板堆石壩,壩頂高程1 396 m,最大壩高125.90 m,壩頂長(zhǎng)363 m。下水庫(kù)壩區(qū)位于月河干流上,水庫(kù)正常蓄水位945 m,相應(yīng)庫(kù)容1 220萬m3,死水位910 m,死庫(kù)容264萬m3,有效庫(kù)容956萬m2。下水庫(kù)大壩為混凝土面板堆石壩,壩頂高程949 m,最大壩高95 m,壩頂長(zhǎng)298 m。輸水發(fā)電系統(tǒng)布置在月河右岸山體中,輸水系統(tǒng)總長(zhǎng)度1 760.8～1 774.1 m。電站裝機(jī)容量為1 400 MW,最大水頭477.5 m,最小水頭411 m,額定水頭440.0 m,距高比3.54。

工程區(qū)地處陜西省西南部,東秦嶺主峰—太白山東麓,屬中高山區(qū),北鄰渭河平原,其間有大斷裂,為北仰南傾的斷塊構(gòu)造。溝谷切割強(qiáng)烈,山高溝深,植被茂密,地形復(fù)雜。區(qū)域內(nèi)出露地層主要有第四系全新統(tǒng)松散堆積層,古生界泥盆系、志留系、奧陶系、寒武系地層和新元古界震旦系地層以及中生代印支期的侵入巖。

1 上庫(kù)基本地質(zhì)條件

1.1 地形地貌條件

上水庫(kù)主要發(fā)育金盆溝,在主溝靠近庫(kù)尾處呈Y形分叉,左支為芹菜溝,右支為空洞溝。在庫(kù)盆左岸發(fā)育楊家灣溝,于壩軸線處匯入金盆溝。庫(kù)周東、南、西三面環(huán)山,地形呈不規(guī)則喇叭狀,左右岸壩頭和東面山梁較單薄。東面山梁外側(cè)為下庫(kù)月河右岸,山頂高程在1 535 m,最低處1 402 m,正常蓄水位1 392 m時(shí),山梁最窄處120 m,最寬處230 m。庫(kù)周南面分水嶺為黑山,山頂高程為2 000.90 m,鄰谷為金替河,正常蓄水位1 392 m時(shí),山梁寬度>2 000 m。庫(kù)周西面分水嶺為黑溝大梁,山頂高程在1 546～1 618 m之間,正常蓄水位1 392 m時(shí),山梁寬400～760 m。左壩頭山頂高程在1 436～1 505 m間,正常蓄水位1 392 m時(shí),山體寬度為98～120 m。右岸壩頭正常蓄水位1 392 m時(shí),山體最窄處為170 m。

1.2 地層巖性及地下水位

上水庫(kù)(壩)區(qū)出露地層主要為泥盆系中統(tǒng)地層和印支期侵入的花崗閃長(zhǎng)巖地層。第四系覆蓋層以崩積為主,主要分布于上庫(kù)右岸緩坡地帶及溝谷低洼處,組成物為含大孤石的塊石、碎石土,淺黃、黃褐、深灰、灰黑等雜色,厚度一般為1.5～5 m,右岸崩塌體一般厚12～18 m,最厚24.8 m。泥盆系中統(tǒng)古道嶺組上段巖性主要為白、灰白色大理巖、深灰色結(jié)晶灰?guī)r等[1]。大理巖主要分布在上庫(kù)壩址區(qū),結(jié)晶灰?guī)r主要分布在庫(kù)盆和庫(kù)周,在局部段大理巖與結(jié)晶灰?guī)r呈相互夾雜發(fā)育。印支期侵入巖性為灰白色花崗閃長(zhǎng)巖,具有半自形細(xì)粒狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。位于花崗閃長(zhǎng)巖與泥盆系地層的接觸部位,發(fā)生明顯蝕變,薄片鑒定結(jié)果,該蝕變帶為黑云母石英片巖,巖石具有鱗片粒狀鑲嵌變晶結(jié)構(gòu),片狀構(gòu)造,蝕變帶厚度變化較大。

上水庫(kù)揭露的白、灰白色大理巖、深灰色結(jié)晶灰?guī)r等為可溶巖,主要以碳酸性溶蝕為主。根據(jù)調(diào)查、地質(zhì)勘探等資料顯示,可溶巖主要沿裂隙面、裂隙帶等進(jìn)行,呈串珠狀分布,形成溶蝕性裂隙,或局部段擴(kuò)溶成孔洞,連通性較差?；旧?溶蝕高程在1 280～1 360 m內(nèi),最低低于溝水面20～30 m,上水庫(kù)基本以淺層溶蝕為主。

上水庫(kù)地下水以基巖裂隙水為主,局部存在少量的碳酸性巖溶裂隙水。地下水主要來源為大氣降水,金盆溝為上庫(kù)最低基準(zhǔn)面,地表水流匯聚至金盆溝,排泄至下庫(kù)月河。第四系覆蓋層為最表層含水巖組,主要受大氣降水補(bǔ)給,因其透水性較好,具有明顯的季節(jié)變換特征,總體上富水性較弱。其下主要為基巖裂隙水,主要受大氣降水及上部覆蓋層滯留水補(bǔ)給。因基巖裂隙發(fā)育貫通性差、量少,致使其富水性不強(qiáng),流通性差。主要受地形高程差異,由高向低滲流。碳酸性裂隙水主要是發(fā)育在溶蝕裂隙中,貫通性好,受大氣降水補(bǔ)給,向低洼處排泄,是可能致使庫(kù)盆形成較大滲透通道的因素。

根據(jù)分水嶺的長(zhǎng)期觀測(cè)鉆孔長(zhǎng)達(dá)2年多的連續(xù)地下水位觀測(cè)資料揭露,左壩頭地下水位1 287～1 342 m,右壩頭水位1 306～1 312 m,東面分水嶺地下水位1 311.60～1 360 m。除左壩頭外,其余地段地下水分水嶺與地形分水嶺位置基本一致。另外,從庫(kù)內(nèi)、外地下水出露點(diǎn)分析,西面、南面溝內(nèi)地下水出露點(diǎn)均高于1 392 m,兩岸壩頭和東面鄰谷地下水位均在1 340 m以下,且流量小,亦表明地下水位低。

1.3 庫(kù)周巖體透水性

根據(jù)上庫(kù)鉆孔壓水試驗(yàn)成果表明,大理巖透水率q=0.43～3.98 Lu,結(jié)晶灰?guī)r透水率為q=0.58～4.42 Lu,花崗閃長(zhǎng)巖透水率q=0.21～2.10 Lu。以q≤1 Lu為相對(duì)隔水層,西面和南面埋藏較大,為80～120 m,高出正常蓄水位11～111 m；兩岸壩頭和東面埋深為88～164.5 m,頂板高程為1 279.35～1 303.60 m,低于正常蓄水位。

2 上水庫(kù)滲漏綜合分析

2.1 上水庫(kù)基本地質(zhì)條件滲漏分析

左壩頭巖性為大理巖與結(jié)晶灰?guī)r,底部為花崗閃長(zhǎng)巖,主要發(fā)育以裂隙為主,未見大的斷裂構(gòu)造。分水嶺地面高程為1 436～1 505 m,分水嶺地下水位高程1 287～1 342 m,分水嶺相對(duì)隔水層高程為1 287～1 413 m,正常蓄水位時(shí)分水嶺寬度為98～120 m,分水嶺山體單薄,地下水位與相對(duì)隔水層頂板均低于正常蓄水位,且地表分水嶺和地下分水嶺位置不相符。在實(shí)際測(cè)繪發(fā)現(xiàn)有長(zhǎng)大溶蝕裂隙Lf1,溶蝕裂隙由庫(kù)內(nèi)連接至鄰谷,左壩頭存在滲透問題可能性大。右壩頭巖性為大理巖與結(jié)晶灰?guī)r,底部為花崗閃長(zhǎng)巖,局部存在裂隙密集帶,地面分水嶺高程1 445 m,地下分水嶺高程為1 312 m,正常蓄水位時(shí)分水嶺寬度為170 m,基本未發(fā)現(xiàn)巖溶情況,主要存在裂隙性滲漏可能性。庫(kù)周東面主要巖性上部為結(jié)晶灰?guī)r,下部為花崗閃長(zhǎng)巖,基本未發(fā)育斷裂構(gòu)造。但分水嶺山體單薄,庫(kù)內(nèi)外泉水出露點(diǎn)、分水嶺地下水位和相對(duì)隔水層頂板高程低于正常蓄水位,巖體以弱透水為主,局部為中等透水或強(qiáng)透水,在高程1 368～1 363 m為溶隙密集帶,構(gòu)成滲漏通道,水庫(kù)存在滲漏可能性大。庫(kù)周南面主要為花崗閃長(zhǎng)巖,基本不發(fā)育斷裂構(gòu)造。分水嶺地下水位和相對(duì)隔水層頂板高程遠(yuǎn)大于正常蓄水位,存在滲漏可能性小。庫(kù)周西面主要為結(jié)晶灰?guī)r,未發(fā)育斷裂構(gòu)造,主要發(fā)育層間裂隙。分水嶺地下水位和相對(duì)隔水層頂板高程遠(yuǎn)大于正常蓄水位,整體存在滲漏可能性小,但在黑溝大梁上ZK51、ZK51-1等位置發(fā)育有長(zhǎng)大溶蝕裂隙Lf2、Lf3,溶蝕裂隙連接至鄰谷,可能沿此裂隙形成滲漏通道(各部位典型水文剖面圖見圖1-4)。

圖1 左壩頭典型水文剖面Fig.1 Typical hydrological profile of left dam head

圖2 西面典型水文剖面Fig.2 Typical hydrological profile in the West

圖3 東面埡口典型水文剖面Fig.3 Typical hydrological profile of Dongmianyakou

圖4 右壩頭典型水文剖面Fig.4 Typical hydrological profile of right dam head

2.2 上水庫(kù)可能滲漏通道分析

水庫(kù)發(fā)生滲漏,必然有滲漏通道產(chǎn)生,其與水庫(kù)地層巖性、蓄水庫(kù)盆巖體結(jié)構(gòu)的完整性、斷裂構(gòu)造和裂隙發(fā)育程度、以及含水介質(zhì)的滲透特性密切相關(guān)[2]。按含水介質(zhì)及其導(dǎo)水性質(zhì)的不同,滲漏通道可分為孔隙性、裂隙性、管道式三種主要滲漏型式。孔隙性滲漏主要通過松散介質(zhì)的孔隙產(chǎn)生的滲漏。裂隙性滲漏是通過巖石中節(jié)理裂隙或斷層產(chǎn)生的滲漏。管道式滲漏主要是通過灰?guī)r、白云巖等可溶巖中發(fā)育的溶洞等巖溶管道產(chǎn)生的滲漏[3]。

上水庫(kù)庫(kù)區(qū)及壩區(qū)第四系松散堆積物較少,庫(kù)盆開挖和庫(kù)底清挖以后,覆蓋層基本已清除至基巖,因此,庫(kù)壩區(qū)發(fā)生孔隙性滲漏的可能性較小。上水庫(kù)庫(kù)區(qū)及壩址區(qū)上部主要為白色大理巖或結(jié)晶灰?guī)r,下部為花崗閃長(zhǎng)巖,未發(fā)現(xiàn)區(qū)域性斷裂,以小斷層和3～4組裂隙為主。平硐揭示,裂隙多具有一定程度的張開,局部裂隙有潮濕、滲水甚至連續(xù)線狀滴水的現(xiàn)象,而地表深處的鉆孔巖芯表面還伴有鐵質(zhì)銹染。表明庫(kù)區(qū)基巖裂隙比較發(fā)育,并具有較好的含水、導(dǎo)水性能。裂隙性滲漏是庫(kù)區(qū)潛在的主要滲漏模式。上庫(kù)庫(kù)盆均為大理巖和結(jié)晶灰?guī)r等可溶巖,庫(kù)區(qū)東南為印支期花崗巖的侵入,上部可溶巖的巖溶發(fā)育受阻,難以形成良好的排水通道。實(shí)地調(diào)查中尚未發(fā)現(xiàn)大型溶洞、洼地和落水洞等大型巖溶通道,庫(kù)區(qū)周邊也未見巖溶大泉出露地表。但局部地段可見溶孔、溶縫和溶蝕裂隙等規(guī)模較小的溶蝕現(xiàn)象。這表明上水庫(kù)通過管道模式進(jìn)行滲漏的可能性很小,僅黑溝大梁上鉆孔ZK5、ZK51-1、ZK51-2、PD20-1、PD13-1揭示的大型溶蝕通道可能會(huì)導(dǎo)致庫(kù)水向鄰谷發(fā)生管道型滲漏。

依據(jù)地質(zhì)調(diào)查和鉆孔平硐揭露情況,從地形、巖性條件、鉆孔地下水長(zhǎng)期觀測(cè)成果分析,上水庫(kù)及壩址區(qū)可能的滲漏通道位置如表1。

2.3 上水庫(kù)巖溶滲漏通道示綜試驗(yàn)

在鉆孔ZK50、ZK51、ZK51-1、ZK51-2和平硐PD13-1、PD20-1中陸續(xù)出現(xiàn)地下水位異常、孔內(nèi)掉鉆、塌孔、硐內(nèi)溶蝕寬縫、溶腔揭露后,對(duì)左岸壩肩及鄰谷、西面黑溝大梁ZK51-ZK59段進(jìn)行補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查,同時(shí)進(jìn)行鉆孔與鉆孔、鉆孔與平硐、及地下水出水點(diǎn)之間的巖溶管道示蹤試驗(yàn),以確定這些部位巖溶點(diǎn)之間的水力聯(lián)系。本次示蹤試驗(yàn)采用螢光素羅丹明B作為示蹤劑,采用國(guó)產(chǎn)精密儀器722S型分光光度計(jì)作為檢測(cè)儀器。根據(jù)地下水出水點(diǎn)、鉆孔、平硐出現(xiàn)巖溶點(diǎn)的分布位置,在初步分析各出水點(diǎn)、巖溶點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)的可能性后,確定試劑投放點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn),布置圖如圖5所示。

表1 上水庫(kù)(壩)區(qū)可能滲漏通道位置表Table 1 Location of possible leakage channels in upper reservoir (dam) area

圖5 示蹤試驗(yàn)平面布置圖Fig.5 Layout of tracer test1.鉆孔；2.實(shí)驗(yàn)點(diǎn)；3.平硐；4.水系；5.模擬貫通途徑；6.庫(kù)盆線；7.蓄水位線；8.壩軸線。

各試驗(yàn)點(diǎn)信息情況和完成情況列于表2和表3。

表2 各示蹤試驗(yàn)點(diǎn)信息情況表Table 2 Information of each tracer test point

表3 各示蹤試驗(yàn)點(diǎn)完成情況匯總表Table 3 Summary of completion of each tracer test point

經(jīng)過投放點(diǎn)試劑濃度與接收點(diǎn)比對(duì)和分析,ZK50與ZK35旁邊的溝水有水力聯(lián)系,同時(shí)ZK51與PD13中的溶蝕寬縫(Lf1)和黑溝外的泉點(diǎn)2(溶洞1)是貫通的,PD13投放的熒光素溶液在泉點(diǎn)1(溶洞2)也可以接收到。根據(jù)實(shí)際勘探洞揭露,其中Lf1的平硐出露高程為1 427.5 m,產(chǎn)狀為傾向NE8°,傾角為58°,寬度為0.1～0.5 m,平硐內(nèi)可見延伸長(zhǎng)度>15 m。延伸方向基本將庫(kù)內(nèi)和左岸分水嶺相連,結(jié)合示蹤試驗(yàn),因此說明ZK51與泉點(diǎn)1也是貫通的,同時(shí)由此印證了前述的可能存在的滲漏通道是成立的。

3 上水庫(kù)滲漏量估算

裂隙型滲漏選取典型剖面,對(duì)可能存在水庫(kù)滲漏問題的地段進(jìn)行可能滲漏量的計(jì)算評(píng)價(jià)。根據(jù)水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊(cè)(彭土標(biāo)),將庫(kù)區(qū)周邊地下水考慮為潛水,采用滲漏量計(jì)算公式(5.2.3-1)計(jì)算上庫(kù)滲漏情況。

(1)

式中：Q——滲漏量(m3/d)；K——巖體滲透系數(shù)(m/d)；b1——過水?dāng)嗝鎸挾?m)；H——滲漏過程水頭損失(m)；H1——過水?dāng)嗝孀畲蟾叨?m)；h1——過水?dāng)嗝孀钚「叨?m),(本次計(jì)算h1均為0)；li——滲漏途徑長(zhǎng)度(m)；J——水力坡度。

通道型滲漏采取水力學(xué)中的有壓管道流計(jì)算公式,計(jì)算滲漏管道可能產(chǎn)生的滲透量。

(2)

式中：Q——滲漏量(m3/d)；μc——計(jì)算管道系統(tǒng)的流量系數(shù)；A——過水?dāng)嗝婷娣e(m2)；H——滲漏過程水頭損失(m)；g——重力加速度(m2/d)。

(3)

式中：λ——沿程損失系數(shù)；l——計(jì)算管道系統(tǒng)的長(zhǎng)度；d——計(jì)算管道直徑(m)；H——滲漏過程水頭損失(m)；ξ——局部損失系數(shù)。

復(fù)雜多變的巖溶通道與人工管道差別很大,但依據(jù)人工管道材料對(duì)巖溶管道的相關(guān)參數(shù)等類比簡(jiǎn)化,依然可以對(duì)巖溶管道滲漏量進(jìn)行估算,作為滲透定性分析的補(bǔ)充。

本次計(jì)算擬采用透水率與滲透系數(shù)近似對(duì)應(yīng)關(guān)系的方法來獲取滲透系數(shù)。即：1 Lu相當(dāng)于滲透系數(shù)為1.25×10-5cm/s。利用各鉆孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別獲取其可溶巖與非可溶巖部分的滲透系數(shù)(見表4)。

表4 各鉆孔滲透系數(shù)(10-5 cm/s)Table 4 Permeability coefficient of each borehole

通過對(duì)整個(gè)上庫(kù)的保守計(jì)算,整個(gè)庫(kù)區(qū)總滲漏量為11 392.17 m3/d。壩基在無防滲帷幕的情況下滲漏較為嚴(yán)重,滲漏量達(dá)3 121.61 m3/d,左壩肩的滲漏量為1 607.66 m3/d,黑溝梁的滲漏量為1 874.32 m3/d,東面埡口的滲漏量為1 142.18 m3/d,東面中段的滲漏量為755.57 m3/d,右壩頭的滲漏量為1 806.37 m3/d。包括蝕變巖體在內(nèi)的可溶巖滲漏量達(dá)10 454.09 m3/d,占通道滲漏總量的98.70%,而非可溶巖滲漏量均很小,對(duì)水庫(kù)的影響不大,巖溶滲漏才是庫(kù)區(qū)內(nèi)的主要影響因素,是水庫(kù)發(fā)生滲漏的主要通道,應(yīng)重點(diǎn)做好防滲措施。

4 結(jié)論

(1) 由于上水庫(kù)水文地質(zhì)條件及防滲工程地質(zhì)條件復(fù)雜,兩壩肩、左右壩頭、西面局部及東面庫(kù)周存在滲漏問題,且相對(duì)不透水層埋深達(dá)149 m,如考慮垂直帷幕防滲,施工難度大,且防滲效果難以保證。因此建議采用全庫(kù)盆防滲型式。

(2) 根據(jù)整個(gè)勘察過程總結(jié)經(jīng)驗(yàn),抽水蓄能上水庫(kù)滲漏條件揭露,長(zhǎng)期水位觀測(cè)孔的布置尤為重要,鉆孔布置位置、深度、觀測(cè)時(shí)間均需和實(shí)際的地形地貌、地層巖性、蓄水庫(kù)盆巖體結(jié)構(gòu)的完整性、斷裂構(gòu)造和裂隙發(fā)育程度相結(jié)合,綜合分析可能滲漏位置,山體單薄部位、埡口、與鄰谷相貫通部位重點(diǎn)勘察,針對(duì)特殊情況,應(yīng)專題研究,可全面系統(tǒng)的查清滲漏情況,為水庫(kù)防滲處理提供可靠、精確的依據(jù)。