稻城高海拔宇宙射線觀測(cè)站場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件及截排水方案對(duì)比

尚彥軍， 金維浚， 肖 剛， 何萬(wàn)通， 楊 朋， 白云翔

(1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 3.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049； 4.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院， 北京 100120； 5.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心， 天津 300170)

1 研究背景

稻城縣以高海拔亞丁和海子山為主的香格里拉文化生態(tài)旅游而聞名，對(duì)其水文地質(zhì)研究主要在溫泉的水文地球化學(xué)[1]、同位素組成及其冰雪消融來(lái)源[2]、旅游經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)[3]等方面。作為世界海拔最高的民用機(jī)場(chǎng)，亞丁機(jī)場(chǎng)設(shè)立了氣象站開(kāi)展了多年的觀測(cè)，得到該地多年降水變化特征[4]。為更好地開(kāi)發(fā)利用水資源而建設(shè)的水電站多集中在稻城河下游地區(qū)[5-6]。不同于受斷裂構(gòu)造控制而流量大、動(dòng)態(tài)變化小的溫泉，河谷上游地區(qū)大片花崗巖分布區(qū)受古冰川作用而發(fā)育眾多海子，堆積了大量第四紀(jì)冰磧物。受控于大氣降水、冰雪融水及地表徑流補(bǔ)給，地下水賦存和轉(zhuǎn)化形式多樣，顯示出高原花崗巖區(qū)獨(dú)特的水質(zhì)和水量變化特點(diǎn)。

高海拔宇宙射線觀測(cè)站(Large High Altitude Air Shower Observatory, LHAASO)觀測(cè)基地位于四川省甘孜州稻城縣桑堆鄉(xiāng)的稻城-理塘公路100 km道班附近、亞丁機(jī)場(chǎng)東偏北約10 km處。LHAASO占地面積135.96 hm2，分布在直徑1 270 m的大圓范圍內(nèi)，場(chǎng)地平均海拔4 410 m。項(xiàng)目核心科學(xué)目標(biāo)是探索高能宇宙線起源以及宇宙演化、高能天體演化和暗物質(zhì)研究[7]。中部布置3個(gè)凈深5 m的大型水池(水切倫科夫探測(cè)器陣列(water Cherenkov detector array, WCDA))，有效總面積78 000 m2。周邊有裝配大廳(水池西473 m)、變配電室、凈水站、超純水站、凈水循環(huán)站(4個(gè))、標(biāo)定室(2個(gè))等一層建筑，總建筑面積4 204.76 m2。工程要求場(chǎng)地開(kāi)闊平整以減少工程開(kāi)挖量，但保有一定量天然水源供給以滿足水池充注需求，同時(shí)考慮防洪需要合理截排水。影響場(chǎng)區(qū)工程條件優(yōu)劣、對(duì)設(shè)計(jì)和施工有重要影響的是廣布的地表水、尺寸大而分布廣的冰磧塊石和濕地沼澤等3類對(duì)象。主要工程地質(zhì)問(wèn)題為河道岸坡沖刷和地下水潛蝕、表層土凍融以及盆地內(nèi)不同成因和結(jié)構(gòu)地質(zhì)體接觸帶、不同埋深基巖面起伏所產(chǎn)生的地基差異沉降變形等問(wèn)題。

2014年選定巴隆曲上游的場(chǎng)地[8]，2016年開(kāi)展工程地質(zhì)詳勘，范圍為上述水池及建筑物區(qū)域[9]?？辈旖Y(jié)果表明其水文地質(zhì)條件基本滿足工程需求。2020年2月以來(lái)該觀測(cè)站科學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取穩(wěn)定，LHAASO工程設(shè)計(jì)和施工取得成功，說(shuō)明對(duì)觀測(cè)基地的水文地質(zhì)條件勘察結(jié)果和建議科學(xué)可行。因此，有必要對(duì)其進(jìn)行分析總結(jié)，以便為高海拔區(qū)類似工程建設(shè)和水資源科學(xué)利用提供參考。

2 研究區(qū)域氣象地理?xiàng)l件

2.1 氣候和氣象特征

稻城縣6-9月處于雨季，10-次年5月處于干季，干雨季節(jié)分明，具有典型高原干-雨季氣候特征[10]，亞丁機(jī)場(chǎng)氣象站2009-2011年及2012年1-10月氣象參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖1。根據(jù)圖1中的2009-2011年氣象數(shù)據(jù)可知，場(chǎng)址區(qū)年均降水量為652.8 mm，月均最大降水量為204.4 mm，出現(xiàn)在7月，占年均降水量的31.3%，月均最小降水量為0.1 mm，出現(xiàn)在12月(圖1(a))；降水集中在5-9月，此間降水量占全年總量的93%以上，10-次年4月降水量極少，僅占全年總量的7%，6-9月降水量為575.0 mm，占全年總量的88.1%，2-5月春季降水量不大，但蒸發(fā)量較大(圖1(a))；全年日降雨量≥5.0 mm的平均降水日數(shù)為41 d，其中35 d集中在6-8月，其天數(shù)占全年降水日數(shù)的85.4%，6-9月天數(shù)占90.2%(圖1(c))。

全年平均降雪日數(shù)(含雨夾雪)為42 d，主要集中在3-5月上旬。全年積雪日為28 d，集中在1-4月和11-12月。全年最大積雪深度為35 cm。10-次年1月為寒冷而干旱的冬季。

亞丁機(jī)場(chǎng)新氣象站僅記錄了2012年305 d(2012年1月1日至10月31日)的氣象數(shù)據(jù)。由圖1(d)可知，2012年降水集中在6-9月，該期間降水強(qiáng)度大、天數(shù)多，大雨(24 h降水量≥25.0 mm)數(shù)為5次，分別出現(xiàn)在6、7、8月，其中最大日降水量為48.3 mm，出現(xiàn)在8月。從2012年不完全氣象記錄結(jié)果來(lái)看，年降水量大于等于663.8 mm，年蒸發(fā)量大于等于1 083.8 mm。

圖1 亞丁機(jī)場(chǎng)氣象站2009-2011年及2012年1-10月氣象參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2 湖泊和河流

稻城河為水洛河上游段，后者又名沖天河、無(wú)量河，是金沙江左岸一級(jí)支流，全長(zhǎng)321 km， 流域面積13 720 km2。本研究區(qū)河流主要為稻城河上游的巴隆曲，發(fā)源于稻城縣北部海子山，源頭海拔高程在4 600 m 以上。

圖2顯示了巴隆曲上游海子山花崗巖區(qū)地形地質(zhì)狀況及水系和冰蝕湖盆(海子)分布。第四紀(jì)冰川作用塑造了稻城古冰帽區(qū)1 145個(gè)冰蝕盆地，密度為0.3個(gè)/km2，以面積2～3 km2的為數(shù)最多[11]，較大的有興伊錯(cuò)等冰蝕-冰磧湖。冰川作用形成多條冰磧壟和2個(gè)古堰塞湖，呈小盆地狀。

圖3為L(zhǎng)HAASO場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件、河流分布及測(cè)流點(diǎn)位置。由圖3可見(jiàn)，穿過(guò)場(chǎng)區(qū)的西小河和東小河在場(chǎng)地內(nèi)呈曲流狀，與場(chǎng)地外部南小河在西南處匯合形成巴隆曲河；河流兩側(cè)河曲洼地發(fā)育有季節(jié)性湖泊和沼澤地，河流沖刷及湖沼沉積作用改變了場(chǎng)地多條冰磧壟；在低洼匯水盆地或河溪交匯處發(fā)育有河曲型沼澤，可見(jiàn)河流在洪水期改道而形成的大量牛軛湖。

注：圖中虛線框內(nèi)為L(zhǎng)HAASO場(chǎng)區(qū)，詳見(jiàn)圖3。

圖3 LHAASO場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件、河流分布及測(cè)流點(diǎn)位置

2.3 地形地貌

LHAASO場(chǎng)址地處稻城縣城北部高原臺(tái)地，屬青藏高原東南緣丘狀高原向高原峽谷過(guò)渡的山原地帶。川西山地西北高、東南低，據(jù)切割深度可分為高山原和高山峽谷區(qū),主要山脈為沙魯里山。沙魯里山平面海子山高度最高，中心部位是夷平面上殘留的蝕余山，曾為冰川作用中心。受區(qū)域構(gòu)造和第四紀(jì)冰期冰川、間冰期湖泊和河流作用影響，形成了典型的冰川侵蝕和堆積地貌，成為青藏高原最大的古冰體遺跡，有稻城“古冰帽”之稱，覆蓋于海子山海拔高程4 500～4 700 m的山頂夷平面之上，冰磧末端基本分布在海拔高程3 750～3 800 m[12]。稻城冰帽以中更新世倒數(shù)第3次冰期規(guī)模最大，冰川厚度超過(guò)500 m。全新世高溫時(shí)期稻城古冰帽絕大部分消失，在海子山道班附近發(fā)現(xiàn)底磧表面的黑褐色古土壤層[13]。

海子山為典型的丘狀高原，向南漸變?yōu)樯皆透呱綅{谷地貌。海拔高程多在4 400～4 500 m，高出場(chǎng)區(qū)河流120～400 m。山頂面波狀起伏，高差20～30 m，為中等強(qiáng)度侵蝕和堆積帶，發(fā)育冰蝕丘陵和冰蝕盆地以及冰磧壟和鼓丘。低洼地常見(jiàn)含巨大漂礫和厚度不等的底磧。在地形低洼帶以堆積作用為主，屬于冰川中等侵蝕和堆積帶，發(fā)育大片冰蝕巖盆、羊背巖群和寬淺的水下槽谷，在出口處停積了大片低矮終磧壟[13]。在低洼盆地中發(fā)育海子和沼澤(圖2)。

LHAASO場(chǎng)區(qū)規(guī)模巨大的冰磧壟后期遭受河流侵蝕狀況見(jiàn)圖4。S217省道0+100 km樁號(hào)附近可見(jiàn)與NE向河流走向近垂直的多條冰磧壟。壟長(zhǎng)200～300 m，寬30～40 m，可見(jiàn)高度5～20 m?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)約8 km2范圍內(nèi)曾發(fā)育有7條冰磧壟、4個(gè)堰塞湖盆(圖3)，中間2個(gè)面積較大的盆地為現(xiàn)代草場(chǎng)，它們之間被冰川作用而殘留的橫穿側(cè)磧壟所分隔，后期河水突破這些冰磧壟堵塞而從某豁口處流出(圖4(a))。部分冰磧壟斷續(xù)延伸很長(zhǎng)，形狀上或呈弧形終磧，或呈長(zhǎng)條形側(cè)磧變化。

場(chǎng)地處在NE 走向的狹長(zhǎng)溝谷中間，平均海拔高程約4 400 m，平均高差約20 m，地勢(shì)較為開(kāi)闊。整體地形為南北高中間低，東高西低。場(chǎng)地中心點(diǎn)與WCDA 所處區(qū)域地形較平緩，整體為一小型低平平臺(tái)(巖盆)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查分區(qū)，場(chǎng)地中部以受河流沖積形成的砂礫區(qū)、濕地沼澤區(qū)為主，場(chǎng)地周邊及外圍主要為冰川堆積的大孤石區(qū)。其中沼澤濕地區(qū)面積約占19%，砂礫區(qū)約33%，大孤石區(qū)約占48%[8]。

現(xiàn)代河流沖刷和堆積作用塑造著當(dāng)今地貌。河流縱坡降較緩，以側(cè)蝕作用為主，留下了巨石分布的河流切穿的豁口，在地形低洼地帶以堆積作用為主。場(chǎng)地西部近S217公路停車(chē)場(chǎng)曾發(fā)育大弧形終磧壟。測(cè)流斷面DC44西面的大冰磧壟在場(chǎng)地東部，該壟豁口即為西小河穿越而形成(圖3)。

3 水文地質(zhì)條件

3.1 含水層與隔水層

從地震構(gòu)造看，場(chǎng)地位于兩條第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，即西部德格-鄉(xiāng)城活動(dòng)斷裂和東部理塘-德巫活動(dòng)斷裂之間，場(chǎng)地避開(kāi)了活動(dòng)斷層和區(qū)域性大斷裂。穩(wěn)定的構(gòu)造地塊使得場(chǎng)地區(qū)域花崗巖較完整，只有規(guī)模不大的NE向老斷層發(fā)育[14]。

場(chǎng)地區(qū)域位于義敦島弧帶，出露大片印支期到燕山期花崗巖[15]，可劃分為四期六幕。印支期花崗巖呈北西-南東展布、略向西弧形凸出的巖基狀，局部夾有細(xì)晶花崗巖脈、花崗正長(zhǎng)巖脈等。與本工程密切相關(guān)的是侵入于早期冬措黑云二長(zhǎng)花崗巖體中的海子山花崗閃長(zhǎng)巖[14]。海子山場(chǎng)區(qū)出露主要為印支晚期中粒黑云母花崗閃長(zhǎng)巖(γδ51-1)(圖2)。海子山花崗巖呈淺肉紅色，為中粗粒結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。零星發(fā)育細(xì)晶巖脈、石英脈等中酸性巖脈，與原巖呈熔融接觸，結(jié)合緊密。

厚幾米至數(shù)百米的第四系主要分布在河谷、山麓等地帶，包括冰磧層、冰水堆積及河流沖洪積等松散堆積物。冰磧層主要由厚薄不均的含碎石砂土及漂礫組成，總體呈壟崗薄、坳地厚的變化特征。冰川冰水堆積為漂塊石、含碎石砂土。河流沖洪積堆積物為砂卵石等。

場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，主要為覆蓋層孔隙潛水和基巖裂隙水兩類，其受大氣降水和冰雪融水的補(bǔ)給，向西小河、東小河、巴隆曲河和低洼地帶排泄。巴隆曲河為場(chǎng)區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面。第四系松散堆積物發(fā)育，致使孔隙水發(fā)育而接受鄰近河水補(bǔ)給。完整堅(jiān)硬的花崗巖為隔水層，基巖裂隙水不發(fā)育。覆蓋層孔隙潛水和基巖裂隙水特征分述如下：

(1)湖濱相細(xì)碎屑(砂)大孔隙含水層。在間冰期發(fā)育一定規(guī)模冰磧湖，或冰磧壟圍限而成堰塞湖，發(fā)育湖相地層。現(xiàn)多見(jiàn)殘留在河谷盆地邊緣高處的成片裸露粗砂，分選相對(duì)好而級(jí)配差，多為2～4 mm細(xì)礫和大部分粗砂，其內(nèi)摩擦角一般為25°～35°，內(nèi)聚力基本為零。在湖濱或河流洼地，淺表發(fā)育厚約10 cm的黑色高原草甸，其后緣高處分布環(huán)帶片狀、環(huán)繞盆地的草場(chǎng)或“砂灘”。在表層草甸破壞后，其下松散粗砂易出現(xiàn)流沙或水土流失(圖4(c))。

(2)沼澤相粉砂小孔隙含水層。在幾個(gè)盆地中河曲發(fā)育的鄰近低洼部位多為灌木和水草發(fā)育的沼澤濕地。草甸多為孤立分布，其間多細(xì)流和滯留清水。在局部殘留的牛軛湖中多見(jiàn)粉黏粒物質(zhì)，少有泥碳沉積(圖4(d))。衛(wèi)星影像顯示沼澤地冬季多為結(jié)冰的積水洼地，曲流河岸呈常年性積滯水，是高原面上自然的蓄水和調(diào)水池。沼澤下面多為粉砂組，黏粒組份較少。沼澤洼地中一些小型牛軛湖發(fā)育反映出雨季洪水沖刷的改道作用。

圖4 LHAASO場(chǎng)區(qū)規(guī)模巨大的冰磧壟后期遭受河流侵蝕狀況

(3)花崗巖裂隙水。淺表風(fēng)化裂隙水發(fā)育，向深部一般為隔水巖層，只有在節(jié)理密集帶或斷層帶才呈現(xiàn)導(dǎo)水特性。完整的微風(fēng)化花崗巖構(gòu)成孔隙含水層之下大范圍的隔水層。地下水埋深一般較淺，淺部富水性好。在夷平面高地形成的冰蝕巖盆構(gòu)成了儲(chǔ)水而底部隔水的小型湖泊(海子)和水體，在低洼盆地中易形成曲流河沼澤。

鉆孔揭示花崗巖多呈中、弱風(fēng)化，部分呈強(qiáng)風(fēng)化。強(qiáng)風(fēng)化花崗巖厚為1.0～7.8 m，進(jìn)入中風(fēng)化深度5.9～20.3 m，未揭穿中風(fēng)化花崗巖。場(chǎng)區(qū)基巖頂面起伏變化較大，埋深為4.6～25.4 m不等，頂面高程為4 368.1～4 395.1 m，總體呈北高南低、東高西低[9]分布。

3.2 匯水補(bǔ)給條件

本區(qū)屬于高原夷平面(4 400 m)上的多樣微地貌(盆壟溝崗)區(qū)。場(chǎng)地中發(fā)育有近南東走向的7條冰磧壟和呈串珠狀排列的4個(gè)橢圓形盆地。場(chǎng)地處于區(qū)域分水嶺中間，北東走向的河流洼地系多處被冰磧壟和冰蝕鼓丘分割的盆地，河流匯水主要來(lái)自北東和南東方向。盆地中水力坡度小，曲流河側(cè)蝕作用明顯，發(fā)育I級(jí)堆積階地和河流沖洪積以及沼澤淤積。

場(chǎng)區(qū)微地貌主要為冰磧壟崗、冰磧臺(tái)地、河流階地、殘留湖盆、堰塞湖、刨蝕溝、鼓丘和高臺(tái)崗地等。場(chǎng)地內(nèi)部北東方向?yàn)閮蓷l近平行的小河，即西小河和東小河，呈蜿蜒曲流，而南東方向?yàn)榈?條河流，即南小河，其流向由近平行于前兩條河流的NE向急轉(zhuǎn)為近南北向，在場(chǎng)地外圍匯合形成巴隆曲河。上游被沖溝深切割，高差30～70 m。在架空石塊山坡分布地帶，常見(jiàn)地下水溢出和漫流。盆地中部河曲在低洼處形成湖沼，在高臺(tái)地支溝上部呈現(xiàn)水流滯緩的濕地或儲(chǔ)匯水洼地(圖4(e))。在高出河面約4 m的范圍較大的I級(jí)階地中，發(fā)育有淺水湖泊，多為季節(jié)性過(guò)水湖泊，湖水清澈而水深一般小于0.5 m(圖4(f))。其上游接納高處淺谷或濕地匯水，下游出口為漫流回返河道。場(chǎng)地區(qū)域地表為現(xiàn)代河曲發(fā)育的殘留冰磧湖盆地形，從地表水和地下水循環(huán)系統(tǒng)來(lái)看屬于地下水溢出帶和地表水局部?jī)?chǔ)匯水-總體徑流帶，具有較好的匯水補(bǔ)給條件(圖2、3)。

據(jù)地質(zhì)勘察時(shí)(2016年8月)的實(shí)測(cè)地表水位，中心場(chǎng)地區(qū)域東、西小河水深0.3～0.8 m，一般為0.5～0.6 m，水位高程4 393～4 396 m，水位最低高程4 393 m位于場(chǎng)地東南部西小河與東小河交匯處，最高高程4 396 m位于場(chǎng)地北部的東小河入場(chǎng)地處。據(jù)調(diào)查，東、西小河最高洪水位比調(diào)查時(shí)的地表水位高出1 m左右，故場(chǎng)地區(qū)域最高設(shè)計(jì)洪水位高程為4 397 m[9]。

4 河流徑流量及水質(zhì)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)多處測(cè)流斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和流域面積、大氣降水分布和地表徑流系數(shù)，實(shí)測(cè)并計(jì)算河流及S217公路過(guò)路涵洞流量。

4.1 測(cè)量點(diǎn)所屬河溪

在場(chǎng)地中選取流量測(cè)點(diǎn)和水樣采集點(diǎn)共11個(gè)(其中8個(gè)為溪流流量測(cè)點(diǎn)和水樣采集點(diǎn)，3個(gè)為S217公路涵洞流量測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖3)。測(cè)流點(diǎn)D44和D53屬西小河，測(cè)流點(diǎn)D58和D70屬東小河。西小河與東小河首先在場(chǎng)地中部交匯，在其匯成的干流處選取測(cè)流點(diǎn)D83進(jìn)行流量測(cè)計(jì)，此干流最終與南小河在南部交匯，形成一條向場(chǎng)地南西流出的總干流巴隆曲。在南小河下游選取測(cè)流點(diǎn)D24、在總干流選取測(cè)流點(diǎn)D81進(jìn)行流量測(cè)計(jì)。沿S217公路自南向北對(duì)于3處涵洞(測(cè)流點(diǎn)D163、D130和D164)進(jìn)行過(guò)流量測(cè)。圖3中同時(shí)標(biāo)出了水樣采集點(diǎn)D58、D9。

4.2 測(cè)量方法簡(jiǎn)述

選取河道較平直、水流較平穩(wěn)的河段，采用傳統(tǒng)流速面積法測(cè)量河流各測(cè)點(diǎn)處的流量(圖4(b)為測(cè)量場(chǎng)景)。對(duì)于3處涵洞，因其水流量較小，采用易操作的量杯法進(jìn)行流量測(cè)量。

流速面積法是在垂直于流向的河道橫斷面上進(jìn)行相關(guān)水力要素的測(cè)量和流量計(jì)算。在斷面垂線上用測(cè)深桿測(cè)量水深，并通過(guò)纜索測(cè)定垂線與岸邊起點(diǎn)的間距。兩相鄰垂線的間距乘以其間平均水深為部分過(guò)流面積，其總和為斷面過(guò)流面積，斷面流速與斷面過(guò)流面積的乘積即為測(cè)點(diǎn)處斷面流量。

采用流速面積法進(jìn)行流量測(cè)量時(shí)，在測(cè)量斷面上、下游選取間距約為5 m的兩個(gè)斷面，測(cè)量斷面的選取遵照以下原則：兩測(cè)量斷面所在河道寬度變化較小，兩斷面間水流較平穩(wěn)，避開(kāi)水流過(guò)于湍急或漩渦處，避開(kāi)河床上石塊或卵礫石過(guò)大過(guò)多處。另外，量測(cè)盡量選擇在無(wú)風(fēng)時(shí)段進(jìn)行。

在現(xiàn)場(chǎng)采用秒表、漂浮物等測(cè)量河道斷面流速。通過(guò)計(jì)算時(shí)間t內(nèi)漂浮物位移L便可求得水流流速V，再采用公式(1)求得該河道斷面流量Q河。

Q河=S·V

(1)

式中：Q河為河道斷面流量，m3/s；S為過(guò)流斷面面積，m2;V為斷面流速，m/s。

因涵洞測(cè)流點(diǎn)D164和D130處的水流量較小，故選擇量杯法測(cè)量流量。通過(guò)反復(fù)測(cè)計(jì)量杯中的水達(dá)到某個(gè)量程M時(shí)所需時(shí)間t，由公式(2)求得涵洞過(guò)流流量。

Q涵=M/t

(2)

式中：Q涵為涵洞過(guò)流流量，m3/s；M為量杯中水的體積，m3；t為測(cè)流歷時(shí)，s。

4.3 測(cè)量結(jié)果匯總

對(duì)某測(cè)點(diǎn)上、下游兩個(gè)斷面分別量取過(guò)流面積和計(jì)算流量，則該段河流流量為兩個(gè)斷面流量的面積加權(quán)和平均值，即(上游斷面各分段流量乘以面積+下游斷面各分段流量乘以面積)/ 2個(gè)斷面面積之和。

為降低測(cè)點(diǎn)流量的人為測(cè)量誤差，需對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行核檢。通過(guò)計(jì)算得出總體取平均值與剔除極大或極小值之后取平均值的結(jié)果相差不大，表明2014年9月現(xiàn)場(chǎng)考察中人為測(cè)量的地表水流量的計(jì)算結(jié)果較為可信。將場(chǎng)地各測(cè)流斷面的流量計(jì)算結(jié)果列于表1。自上游流入場(chǎng)區(qū)的地表水為：西小河(測(cè)點(diǎn)D44)+東小河(測(cè)點(diǎn)D58)+2個(gè)涵洞(測(cè)點(diǎn)D164和D130)，其總流量為0.782 m3/s。三者之和小于上游兩河交匯處(D83測(cè)點(diǎn))干流流量0.948 m3/s，說(shuō)明地表徑流對(duì)盆地中地下水有補(bǔ)給作用。下游有南小河水匯入，總干流流量達(dá)1.295 m3/s。將所測(cè)流量用于雨季150 d、旱季215 d折減30%作為年徑流量，結(jié)果為23 999 976 m3，取整為2 400×104m3。

表1 LHAASO場(chǎng)地各測(cè)流斷面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流計(jì)算結(jié)果

2014年9月現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)河岸洪水跡線高出水面約0.5 m。考慮到非汛期水量有所減少，故該次現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)流量不是洪峰流量，水流清且流速不大，基本代表正常豐水季地表徑流量。

另外采用降水產(chǎn)流方法計(jì)算徑流量。根據(jù)1∶100 000地形圖和Google衛(wèi)星影像圖計(jì)算出西小河、東小河、南小河流域面積分別為10.13、7.23、15.96 km2。S217公路西側(cè)的涵洞進(jìn)入場(chǎng)區(qū)之前的匯水面積按5 km2計(jì)算?？紤]到高原地形和稻城冰帽發(fā)育特征，花崗巖完整性較好，且植被不發(fā)育，灌木持水能力差，徑流系數(shù)取0.9[16-17]。結(jié)合年降水量650 mm，計(jì)算得到3條河流年地表徑流量分別為：西小河5 926 050 m3；東小河4 229 550 m3；南小河9 336 600 m3，公路西側(cè)經(jīng)由涵洞匯入的年徑流量約為2 925 000 m3。因而每年匯入和流經(jīng)本場(chǎng)地的地表徑流量約為2 241.72×104m3，取整后為2 242×104m3。

4.4 地表水質(zhì)

對(duì)東小河和西小河水樣的化學(xué)全分析結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，礦化度、硬度、陰離子和陽(yáng)離子濃度均很低。礦化度約為0.085 g/L，小于1.0 g/L，屬淡水；硬度(以CaCO3計(jì))小于75 mg/L，屬極軟水。從水化學(xué)分析結(jié)果計(jì)算的離子毫克當(dāng)量數(shù)及毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)看，陰離子HCO3-的值最高，陽(yáng)離子K++Na+的值最高。河水pH值略高于7.0。

表2 東小河和西小河河水水質(zhì)的化學(xué)全分析結(jié)果

用分式形式表示水化學(xué)成分的庫(kù)爾洛夫式表明，兩河均為HCO3-Cl-(Na+K)-Ca型水，屬中性的低礦化度、低硬度的I型水(阿廖金分類法)。西小河的水化學(xué)庫(kù)爾洛夫式如下：

兩河的總陽(yáng)離子當(dāng)量濃度為0.675 meq/L,低于世界河流平均值0.725 meq/L[18]。 總陰離子當(dāng)量濃度1.16 meq/L，pH=7.2，偏中性。該結(jié)果與花崗巖為主的贛南小流域23個(gè)河水樣品相應(yīng)參數(shù)平均值[19]較接近，尤其是K++Na+含量較高，反映大范圍裸露花崗巖對(duì)水質(zhì)離子成分的影響。

受人類活動(dòng)影響，地表水水化學(xué)類型雖可改變,但相對(duì)穩(wěn)定。例如，史欒生等[20]對(duì)花崗巖廣泛分布的廣東省主要河流2005年調(diào)查成果與第一次水資源調(diào)查成果對(duì)比表明：礦化度本次和第一次一、二級(jí)水調(diào)查占比分別為97.57%和100%，總硬度本次和第一次一、二級(jí)水分別為84.04%和100%。從水化學(xué)類型來(lái)看，兩次調(diào)查評(píng)價(jià)均以重碳酸鹽類水為主。

由于本場(chǎng)區(qū)淺表大孔隙土層透水性屬?gòu)?qiáng)-中等透水性地層，貫通性較好，且兩條小河從場(chǎng)地內(nèi)流過(guò)。根據(jù)文獻(xiàn)[21]可知，場(chǎng)地環(huán)境類型屬于Ⅰ類，對(duì)本場(chǎng)區(qū)地下及地表水的侵蝕性CO2、pH值 、SO42-、Mg2+及總礦化度等分析成果指標(biāo)表明，地下水及地表水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。

5 地下水變化特征

5.1 地下水水位

場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，主要為覆蓋層孔隙潛水和基巖裂隙水兩類，受大氣降水和冰雪融水補(bǔ)給，向西小河、東小河、巴隆曲河和低洼地帶排泄。場(chǎng)地中部地形平緩開(kāi)闊，西小河、東小河坡降較緩，切割較淺。盆地中透水性好的階地堆積厚度較大，地下水主要屬第四系孔隙潛水，礫砂和粗砂層為主要含水層。潛水面受河水位漲落影響較大。場(chǎng)地周邊多處見(jiàn)泉水出露，流量較小，在低洼地帶積水形成沼澤或濕地。

場(chǎng)地布置鉆孔31個(gè)(一般性孔26個(gè)，控制性孔5個(gè))、探井15個(gè)。建筑物區(qū)勘察工程按周邊線及角點(diǎn)布置，間距15～40 m。考慮到WCDA水池區(qū)結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)要求，在水池區(qū)域邊角及中心線上按55～75 m布設(shè)勘察鉆孔。一般性勘察孔深度為10～15 m，控制性勘察孔深度為30 m。鉆孔揭示場(chǎng)地外圍大孤石區(qū)地下水位埋藏較深，多位于基巖頂面附近或以下。場(chǎng)地中部和南部沼澤濕地區(qū)和砂礫區(qū)地下水位較淺。勘察時(shí)實(shí)測(cè)地下水位埋深0.1～10.8 m，水位高程為4 387.4 m(10號(hào)孔)～4 396.0 m(26號(hào)孔)(表3，鉆孔位置見(jiàn)圖3)。根據(jù)鉆孔揭露，在場(chǎng)地西部邊緣的中南側(cè)及場(chǎng)地中心靠近河流區(qū)域的覆蓋層中存在粉土軟弱層，埋深0～11.2 m，厚1.4～5.9 m，呈透鏡狀產(chǎn)出于砂土層中。分析應(yīng)為堰塞湖相沉積形成，易受壓縮產(chǎn)生變形、地基承載力低。

表3 鉆孔水位測(cè)量結(jié)果表[9] m

5.2 含水層滲透性

為了解土層滲透性做覆蓋層抽水試驗(yàn)5段，試驗(yàn)段總長(zhǎng)度15 m。根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果，場(chǎng)地區(qū)覆蓋層0.0～10.0 m土體以漂塊石、碎石土、礫砂和粗砂為主，滲透系數(shù)K=1.15×10-1cm/s，為強(qiáng)透水；10.0 m以下土體以粗砂和中砂為主，K=4.27～4.92×10-3cm/s，為中等透水[22]。

在稻城河水電規(guī)劃梯級(jí)開(kāi)發(fā)第二級(jí)電站日霍水電站，壩址處覆蓋層厚度超過(guò)40 m，采用懸掛式防滲墻布置方案防滲，計(jì)算得到含漂砂卵礫石層的最大滲透坡度降I為0.13(允許坡降為0.10～0.15)[6]。LHAASO場(chǎng)區(qū)基巖頂面起伏較大，埋深4.6～25.4 m不等，頂面海拔高程4 368.1～4 395.1 m。鉆孔26到10號(hào)孔直線距離248 m，地下水位高差8.6 m(水位高程差=4 396.0 m-4 387.4 m)，平均水力梯度I=0.034 68。

如滲透系數(shù)K取值5×10-2cm/s(合43.2 m/d)，按達(dá)西定律地下水流速V=KI，得地下水流速V=1.5 m/d。根據(jù)文獻(xiàn)[23]和工程經(jīng)驗(yàn)，建議采用管井降水。在進(jìn)行降水方案設(shè)計(jì)時(shí)，降水深度應(yīng)降至開(kāi)挖面以下0.5 m。據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)工程類比，本場(chǎng)地砂礫層滲透系數(shù)K值建議為30～40 m/d。施工宜選擇在降水少的旱季，地表徑流量較小，塊石中間少水而便于炸藥發(fā)揮作用。施工期應(yīng)布置好排水系統(tǒng)，預(yù)降地下水位，保障施工干場(chǎng)作業(yè)。基坑開(kāi)挖時(shí)難以完全有效排水，應(yīng)以堵截排水措施為主。開(kāi)挖深度控制在潛水位面以上，做好抗?jié)撍×蛢雒浟τ绊懙谋胤雷o(hù)。砂礫區(qū)和大孤石區(qū)部分基坑開(kāi)挖或基礎(chǔ)施工前須先工程降水。人工挖孔樁施工進(jìn)入基巖后滲透系數(shù)低3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，裂隙水滲流較小，可坑內(nèi)明排。

5.3 水位變化原因

鉆探揭示地下水面與地面高程及覆蓋層厚度或基巖面起伏存在相關(guān)關(guān)系。從12個(gè)鉆孔的孔口高程和地下水位高程關(guān)系曲線看，兩者大致呈正相關(guān)(圖5(a))，即地面高程大則地下水位高程大，且地下水位一般埋深在5 m以內(nèi)，個(gè)別孔(ZK10)可大至10.8 m，異常偏低。據(jù)本場(chǎng)地10、19和29號(hào)3個(gè)鉆孔波速測(cè)試報(bào)告，場(chǎng)地等效剪切波速為339 m/s，場(chǎng)地土屬中硬場(chǎng)地土，覆蓋層厚15～20 m，一般大于5 m，故建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類。覆蓋層厚度與水位埋深無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。相反，如覆蓋層厚度小，即基巖埋深小，水位埋深變大(如孔ZK10覆蓋層厚約5 m)(圖5(b))。

圖5 鉆孔地下水位與地表高程及覆蓋層厚度關(guān)系圖

為更好掌握含水層厚度和基巖頂面起伏變化情況，在LHAASO工程場(chǎng)地中要求較高的300 m×300 m WCDA區(qū)，布置東西向和南北向各3條長(zhǎng)300 m高密度電法勘探剖面(圖3)，采用意大利地震電法系統(tǒng)PASI勘探。參考1∶10萬(wàn)地形圖和數(shù)字地圖提取物探剖面地表高程?？碧缴疃?50 m，點(diǎn)距5～10 m，勘探線總長(zhǎng)1.8 km。

根據(jù)不同巖性和特征電阻率差異判斷地質(zhì)體分布特征[24]。不同巖性電阻率范圍如表4所示。由物探反演解釋結(jié)果可大致確定基巖頂面埋深變化，場(chǎng)地中心區(qū)基巖埋深變化情況見(jiàn)圖6。這里基巖指中(弱)風(fēng)化花崗巖，埋深指其頂面位于地面以下深度。從圖6可見(jiàn)，WCDA基巖埋深(因其位于全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化層之下，因而大于由鉆探確定的覆蓋層厚度。后者鉆探揭露的堆積層深度一般為15～20 m，變化范圍為14～60 m。

表4 LHAASO場(chǎng)區(qū)巖土體電阻率變化范圍

3條東西向剖面方向指向東、從北向南排列，最北部W1剖面基巖埋深從西向東變淺，從超過(guò)40 m變化到20 m，剖面中部埋深最淺約10 m。中間W2剖面基巖埋深從西向東變深，剖面中部埋深最淺小于15 m(ZK10孔大致位于該部位)。南部W3剖面其基巖埋深西部是WCDA區(qū)域最深地區(qū)，埋深可達(dá)90 m。3條南北向剖面從西向東排列，總體從西向東基巖埋深從N1近50 m到N2和N3剖面的超過(guò)20 m。每條剖面基巖埋深從北向南逐漸變淺。在WCDA區(qū)域西北角有一條近東西走向的隆起帶(圖6)。

圖6綜合呈現(xiàn)WCDA區(qū)基底面。由圖6可以看出，藍(lán)色部分表示基底面較深區(qū)，紅色為基底面較淺區(qū)。結(jié)果顯示草場(chǎng)中間基巖面埋深較小，一般在30 m以內(nèi)。高低起伏總體不大，局部埋深很小，鉆孔ZK10位于該處。這與其地表面平坦的草場(chǎng)外貌基本一致。在東、西和南側(cè)河流急拐彎處，顯示幾個(gè)厚度較大低阻坳陷帶。在WCDA場(chǎng)區(qū)地下水位埋深較淺，含水層主要為河流相粗粒砂、砂礫巖層。場(chǎng)地近鼓丘山體地帶，巖體含水量少，淺表存在不同厚度風(fēng)化層。

圖6 高密度電法勘探的場(chǎng)地中心WCDA區(qū)基巖面埋深及電阻率變化情況

6 截排水方案對(duì)比

河流沖刷作用常引起岸坡滑塌，帶來(lái)邊坡不穩(wěn)定性問(wèn)題。場(chǎng)地冰磧壟所在區(qū)上部巨塊石區(qū)架空結(jié)構(gòu)發(fā)育，下部為充填砂礫的較密實(shí)塊石。在緩坡處架空的大塊石下部往往成為地下水溢出帶和徑流帶。為保證LHAASO場(chǎng)區(qū)施工和運(yùn)行安全，需規(guī)劃實(shí)施截排水工程。

最早提出將上游東小河水通過(guò)長(zhǎng)約200 m的導(dǎo)流明渠引入西小河，在場(chǎng)地北側(cè)疏直西小河同時(shí)兼具排涵洞來(lái)水之功效，向西直線引水穿過(guò)側(cè)磧壟坳口，直至匯入場(chǎng)地西側(cè)季節(jié)性湖，再沿草場(chǎng)與壟崗邊緣排泄至南小河。這一方案(方案一)似與場(chǎng)地最大限度布設(shè)觀測(cè)裝置的目標(biāo)存在一定沖突(圖7(a))。

建設(shè)單位提出的方案二是上游修建SE向渡槽，將西小河的水引入東小河；在S217道路東側(cè)低洼處的過(guò)水涵洞下游開(kāi)挖截排水溝渠，將開(kāi)挖溝渠平行于公路和塊石邊坡布置，將過(guò)水涵洞上游來(lái)水引入下游湖泊的處理方案。方案二存在的問(wèn)題是對(duì)上游濕地和局部匯水難以有效收集和處理，且涵洞側(cè)引水明渠的上游截水效果和開(kāi)挖溝渠水位抬高對(duì)其西側(cè)路堤的浸潤(rùn)破壞作用會(huì)成為突出問(wèn)題(圖7(b))。

方案三是將場(chǎng)地邊界設(shè)在西小河河道，場(chǎng)地大圓環(huán)整體東移，即將場(chǎng)地中心向東移動(dòng)到鼓丘地形基巖上。將基巖山削平而承載主體的WCDA場(chǎng)區(qū)。方案三優(yōu)點(diǎn)是可極大地避免地表常年性流水影響，充分利用基巖山丘周邊草場(chǎng)崗地，較好避開(kāi)了西側(cè)道路涵洞來(lái)水的專門(mén)開(kāi)渠引流問(wèn)題。缺點(diǎn)是其南端有一條NE向的季節(jié)性水溝，且場(chǎng)地平整時(shí)對(duì)大面積基巖丘崗工程處理難度和費(fèi)用較大，但可以用作排水(圖7(c))。

圖7 LHAASO場(chǎng)地截排水方案對(duì)比

上述3個(gè)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，從工程地質(zhì)專業(yè)技術(shù)角度，將方案二與方案三綜合后作為預(yù)可研階段優(yōu)先推薦方案。

在詳細(xì)工程地質(zhì)勘察和初步施工方案確定后，對(duì)這3個(gè)方案做經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和施工安全綜合對(duì)比，基本選定方案二和方案三組合優(yōu)化。最終的實(shí)施方案優(yōu)化許多，但工程量增大不少。加之環(huán)保要求嚴(yán)格，對(duì)方案反復(fù)比選而保留場(chǎng)內(nèi)兩條原有河道為天然排水溝系，修一條弧形排水溝引導(dǎo)北邊S217涵洞來(lái)水入原西小河，開(kāi)挖一條聯(lián)通渠保持原東小河通暢(圖7(d))。

為防排北部的兩條小河，1#、2#截水堤修筑于沼澤濕地區(qū)，導(dǎo)流明渠主要位于大孤石區(qū)，場(chǎng)內(nèi)附屬建筑物主要位于砂礫區(qū)，MCD水池基坑開(kāi)挖(填方)在3個(gè)分區(qū)均有涉及。1#截水堤位于場(chǎng)地外圍北西側(cè)沼澤濕地區(qū)，地基持力層主要為沖洪積的粗砂及礫砂。1#導(dǎo)流明渠位于場(chǎng)地北西側(cè)西小河礫石區(qū)及大孤石區(qū)，渠基持力層主要為冰水沉積的含礫粉土及粗砂。2#截水堤位于場(chǎng)地外圍東側(cè)東小河沼澤濕地區(qū)，地基持力層主要為沖洪積的粗砂及礫砂。2#導(dǎo)流明渠位于場(chǎng)地外圍東側(cè)大孤石區(qū)，渠基持力層主要為冰水沉積的粗砂及含礫粉土。

1#和2#導(dǎo)流明渠路線借用東側(cè)南小河河道后與下游南小河匯合，充分利用了原有河道，節(jié)省了開(kāi)挖明渠長(zhǎng)度，減少了對(duì)原始地貌的改變。

為排泄公路3個(gè)涵洞來(lái)水的弧形排水溝效果不理想。排水應(yīng)是往西直排場(chǎng)外即整體排向下游，但實(shí)際排水方向卻相反，結(jié)果水又回到西小河上游，穿過(guò)整個(gè)場(chǎng)地才能排出。再者，排水溝深度略有不足，大量的水由溝底下方順坡進(jìn)入場(chǎng)地北部。

因當(dāng)?shù)厮?、氣象資料不全等問(wèn)題，難以對(duì)峰值洪水做可靠計(jì)算，截排水按50 a防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。場(chǎng)區(qū)截排水系統(tǒng)于2016年底基本建成，2017年雨季前投入使用。從近幾年兩條堤壩和明渠行洪能力來(lái)看，對(duì)5倍于正常流量的洪水行洪沒(méi)有問(wèn)題。場(chǎng)內(nèi)來(lái)水現(xiàn)主要是其自身匯集的水量和公路西側(cè)坡面匯集經(jīng)涵洞來(lái)水，后者匯水面比現(xiàn)有場(chǎng)地大。實(shí)際上西小河上游截流后，場(chǎng)地基本排掉了這些匯水。從實(shí)際效果看，排水設(shè)計(jì)思路正確，主流繞過(guò)LHAASO場(chǎng)地，適度留生態(tài)流量通過(guò)場(chǎng)地；保持原河道為場(chǎng)內(nèi)的排水通道，從而利用了自然水流通道，最終取得了很好的工程效果。雖然場(chǎng)地內(nèi)仍有部分原先未預(yù)見(jiàn)到的積水區(qū)域，只需局部引排即可解決。

7 結(jié) 論

LHAASO場(chǎng)區(qū)冰磧物堆積物發(fā)育，基巖面埋深10～90 m變化較大，多種成因、結(jié)構(gòu)不同的堆積物相接觸。匯水盆地范圍清楚，以孔隙水為主，地下水埋藏淺，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。地表水測(cè)流結(jié)果與降水產(chǎn)流計(jì)算結(jié)果基本一致，年水量約為2 200×104m3。地表水礦化度低、硬度低，水質(zhì)為I型水，為極軟淡水。

盆地中透水性好的階地堆積厚度較大，潛水面受河水水位漲落影響較大。地下水埋深受基巖頂面埋深影響很大。松散堆積物透水性中等，平均水力梯度I=0.034 68。

場(chǎng)地潛在地質(zhì)災(zāi)害主要為雨季洪峰帶來(lái)的大流量洪水、河流側(cè)蝕引發(fā)的岸坡滑塌災(zāi)害，以及地基土凍融破壞。觀測(cè)站基坑開(kāi)挖深度要控制在潛水位面以上，做好抗?jié)撍×蛢雒浟τ绊懙谋胤雷o(hù)。場(chǎng)區(qū)基坑開(kāi)挖時(shí)難以完全有效排水，而應(yīng)以截排水措施為主。上游引流至南小河的方案二和方案三組合得到采納應(yīng)用，取得了比較好的工程效果。

致謝 :工作得到中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所曹臻研究員、何會(huì)海研究員、白云翔和李鯤鵬副研究員等的大力幫助和支持。參加野外工作的還有張文輝、楊長(zhǎng)德等。秦大軍博士對(duì)水質(zhì)部分結(jié)果給出了有益的修改建議。文中引用了中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司勘察報(bào)告中部分?jǐn)?shù)據(jù)。審稿專家和編輯部老師對(duì)論文提出了很多有益的修改建議。在此謹(jǐn)致謝忱！