連通試驗(yàn)在山區(qū)溝谷巖溶水庫滲漏勘察中的應(yīng)用

劉 勝，鄭克勛，王森林

(1.中國水電顧問集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院巖土工程有限公司，貴州 貴陽 550081；2.中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

水利水電工程是解決巖溶山區(qū)水資源分布不均、工程性缺水的有效措施，而水庫滲漏卻是巖溶地區(qū)水利水電工程主要的工程地質(zhì)問題之一，是決定工程成敗的關(guān)鍵。水庫滲漏產(chǎn)生的影響，輕則影響水庫功能的正常發(fā)揮，降低工程經(jīng)濟(jì)效應(yīng)；重則成為廢庫，亦或因滲漏引發(fā)其他負(fù)效應(yīng)，影響岸坡穩(wěn)定或危及樞紐建筑安全，造成生命財(cái)產(chǎn)損失等重大社會(huì)影響[1-2]。

水庫巖溶滲漏根據(jù)其滲漏部位、滲漏通道及與水系的相對(duì)位置等可分為庫區(qū)、庫底、庫首、庫周滲漏；管道型、溶隙型滲漏；鄰谷、河灣、隱伏低鄰谷等滲漏形式[3]。通過巖溶水文地質(zhì)調(diào)查，研究工程區(qū)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶發(fā)育及分布、水系分布、分水嶺位置、地表水及地下水補(bǔ)—徑—排條件等基礎(chǔ)地質(zhì)條件，可初步判定巖溶滲漏條件及可能的滲漏類型，以巖溶水文地質(zhì)試驗(yàn)、鉆探、物探等手段相互對(duì)比，可分析其具體滲漏通道和范圍，該勘察方法在巖溶水庫滲漏分析中具有很好的效果，其中連通試驗(yàn)往往起著支撐和驗(yàn)證勘察結(jié)論的決定性作用[4-6]。

本文以云南巖溶高原山區(qū)溝谷上游區(qū)域地形裂點(diǎn)附近某水庫工程為例，根據(jù)水庫滲漏特征，通過水文地質(zhì)勘察，查明工程區(qū)基本地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，判斷水庫滲漏類型及范圍，后以連通試驗(yàn)確認(rèn)其滲漏通道，為工程后期防滲處理提供依據(jù)。

1 工程概況

該水庫是一座小型水利工程，總庫容123.8萬m3。其樞紐建筑物由黏土心墻堆石壩、右岸導(dǎo)流兼輸水隧洞、左岸溢洪道組成，壩頂高程2 212.8 m，正常蓄水位2 210 m。水庫建成后出現(xiàn)了嚴(yán)重滲漏問題，至今未完成蓄水功能的使用。

1.1 基本地質(zhì)條件

水庫位于云南北部巖溶山區(qū)，其地表分水嶺高程在2 500 m左右，壩址在某高原山間溪谷的源頭區(qū)域，山頂與河床相對(duì)高差300 m左右，岸坡坡度15°～40°，壩址下游為溪谷裂點(diǎn)，水庫懸托于溪流侵蝕基準(zhǔn)面上。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育強(qiáng)烈，致使地層層序不完整，出露的地層以元古界震旦系上統(tǒng)碳酸鹽巖地層為主，同時(shí)分布有燕山期侵入輝綠巖脈，覆蓋層主要為第四系沖洪積和殘坡積黏土夾碎石。庫壩區(qū)主要出露的基巖地層如表1所示。

表1 庫壩區(qū)主要基巖地層巖性

將工程區(qū)主要基巖地層按巖體透水性分為強(qiáng)巖溶透水層、中等巖溶透水層及隔水層或相對(duì)隔水層。庫壩區(qū)含水巖組劃分如表2所示。

表2 庫壩區(qū)含水巖組劃分

壩基地層巖性主要為Zbd白云巖夾泥巖和Zbg3-2灰?guī)r夾鈣質(zhì)砂巖，均為含水層夾隔水巖層，隔水層空間發(fā)育不連續(xù)。Zbg3-2地層為強(qiáng)巖溶含水層，Zbg2和Zbd地層為中等巖溶含水層，其余地層為隔水層或相對(duì)隔水層。

工程區(qū)構(gòu)造主要有斷層F1、F2及F3和巖體節(jié)理裂隙。巖溶形態(tài)以巖溶泉、巖溶洼地、落水洞和溶蝕裂隙為主，溶蝕裂隙發(fā)育廣泛，庫區(qū)及大壩下游分別發(fā)育S8—S14泉和S1—S7、S15巖溶泉。

區(qū)內(nèi)地下水類型主要有覆蓋層孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水。壩基附近地下水埋藏較深，受左岸白云巖溶蝕破碎帶及右岸斷層構(gòu)造影響，壩基附近地下水位基本處于同一水平面，低于正常蓄水位52 m左右，地下水運(yùn)動(dòng)特征為地表水補(bǔ)給地下水，因此溪谷由庫區(qū)輝綠巖脈至大壩下游鉆孔ZK7附近表現(xiàn)為懸托河，其余河段表現(xiàn)為地下水補(bǔ)給河水的水動(dòng)力類型。從鉆孔壓水試驗(yàn)來看，壩基巖體總體為中等透水層。工程區(qū)巖溶水文地質(zhì)平面示意簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 工程區(qū)巖溶水文地質(zhì)示意簡(jiǎn)圖

2 水庫滲漏特征

在巖溶水文地質(zhì)勘察過程中，對(duì)水庫進(jìn)行試蓄水，從中調(diào)查庫壩區(qū)庫水入滲點(diǎn)和滲出點(diǎn)分布情況。試蓄水勘察過程中發(fā)現(xiàn)庫盆內(nèi)有多個(gè)入滲點(diǎn)，大部分集中在壩前右岸K1落水洞和導(dǎo)流洞進(jìn)口附近，庫水滲出點(diǎn)則主要分布在壩后溢洪道出口附近、左岸灌渠邊及右岸下游S7泉點(diǎn)。

庫盆內(nèi)入滲點(diǎn)分布具有一定規(guī)律性：(1)主要分布在Zbd白云巖和Zbg3-2灰?guī)r地層內(nèi)，入滲點(diǎn)尺寸主要集中在20 cm×70 cm左右；(2)分布高程集中在2 184.2 m～2 185.1m之間，沿K1落水洞邊緣呈線狀展布。

滲出點(diǎn)分布較廣，在壩后下游220 m～850 m有多處滲出點(diǎn)，主要滲出點(diǎn)分布特征表現(xiàn)為：(1)壩后溢洪道出口和灌渠邊Zbg2白云巖地層內(nèi)有面狀滲出點(diǎn)，分布不均，呈分散滲漏特點(diǎn)；(2)壩后下游右岸泉點(diǎn)流量顯著增加，S7只在蓄水過程中出流，說明其受到了庫水補(bǔ)給；(3)壩后滲出點(diǎn)分布不均，左、右岸及河床附近均有滲出點(diǎn)，其中左岸以分散性滲出點(diǎn)為主，右岸以集中性滲出點(diǎn)為主。各滲入滲出點(diǎn)特征見表3，其平面分布位置見圖1。

表3 水庫試蓄水過程壩前壩后滲入滲出點(diǎn)位統(tǒng)計(jì)表

3 連通試驗(yàn)

通過巖溶水文地質(zhì)勘察，了解區(qū)內(nèi)地表地下水資源、巖溶及含水巖層的分布特征及發(fā)育規(guī)律，可大致指示巖溶庫水滲漏帶；根據(jù)試蓄水過程庫水滲入滲出點(diǎn)調(diào)查，可基本確定與庫水滲漏有相關(guān)性的排泄出口分布；隨后，采用連通示蹤試驗(yàn)驗(yàn)證并分析庫水滲漏的徑流路徑和滲漏通道。

連通示蹤試驗(yàn)是當(dāng)前水文地質(zhì)勘察中研究地下水運(yùn)動(dòng)最常用最有效的試驗(yàn)手段，通過在地下水系統(tǒng)中某部位投放可隨地下水運(yùn)移而不被地下水環(huán)境影響的示蹤劑，在相應(yīng)部位接收到示蹤劑的這個(gè)過程，可獲取地下水運(yùn)移速度、徑流通道、地下水系統(tǒng)邊界條件等水文地質(zhì)信息。本著示蹤劑應(yīng)符合性質(zhì)穩(wěn)定、易溶于水、對(duì)地下水環(huán)境及生態(tài)環(huán)境無毒無害、天然背景值低、方便檢測(cè)、試驗(yàn)成本低等原則[3，7]，本工程采用食鹽作為示蹤劑在2018年和2019年進(jìn)行兩期試驗(yàn)。

3.1 一期連通試驗(yàn)

試驗(yàn)原理是在投源點(diǎn)投食鹽，在擬接收點(diǎn)取樣滴入AgNO3溶液，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式：Cl-+AgNO3=AgCl↓+ NO3-，水樣中滴入AgNO3溶液變渾濁的位置即與投源點(diǎn)有連通關(guān)系。為驗(yàn)證下游各泉群與庫水間的連通關(guān)系，在2018年枯期將庫水蓄至1 000 m3左右，將4 500 kg鹽溶解在桶內(nèi)，再用水泵均勻噴灑向水庫。其試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 庫水與泉水連通試驗(yàn)成果表

結(jié)果表明S1、S2、S3、S4和S5與庫水有直接連通關(guān)系，S6和S7泉未檢測(cè)到示蹤信號(hào)，認(rèn)為S6與庫水無連通性，而S7泉在試蓄水過程中出流，說明S7與庫水存在連通關(guān)系，本次未接收到信號(hào)可能是試驗(yàn)過程中蓄水位抬升有限所致。

3.2 二期連通試驗(yàn)

為查明具體的滲漏通道，2019年從庫區(qū)右岸導(dǎo)流洞附近的水庫滲漏入口K1落水洞注水投放食鹽示蹤劑500 kg，在庫壩區(qū)鉆孔及下游各泉點(diǎn)進(jìn)行電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)各排泄點(diǎn)電導(dǎo)率值在示蹤劑投放前后的變化來分析水庫滲漏的主要通道。

試驗(yàn)前在投源點(diǎn)及庫壩區(qū)鉆孔、泉水等地表地下水點(diǎn)測(cè)定電導(dǎo)率背景值，次日進(jìn)行示蹤劑投放，投源后24 h內(nèi)對(duì)各鉆孔和泉水每2 h取一次水樣做電導(dǎo)率檢測(cè)，其中鉆孔每5 m一段進(jìn)行分層取水?？紤]到工程區(qū)示蹤劑主要在巖體溶蝕裂隙中運(yùn)移，彌散速度較緩，取樣時(shí)間間隔可逐漸擴(kuò)大，因此在投源后24 h～48 h之間每4個(gè)小時(shí)取一次水樣，投源后48 h～72 h之間每6 h取一次水樣。投源點(diǎn)與接收點(diǎn)位置分布示意圖見圖1所示，試驗(yàn)點(diǎn)情況如表5所示。

表5 連通試驗(yàn)投源點(diǎn)、接收點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

本次示蹤試驗(yàn)中，部分鉆孔在一定時(shí)間和一定深度范圍內(nèi)接收到由示蹤劑產(chǎn)生的電導(dǎo)率異常值。從壩址附近鉆孔至下游泉水各接收點(diǎn)電導(dǎo)率變化過程線如圖2—圖6所示。

圖6 ZK7鉆孔55 m、60 m孔深處電導(dǎo)率過程線圖

如圖2所示，距離投源點(diǎn)直線距離最短的ZK4鉆孔在投源后約5 h開始接收到電導(dǎo)率異常值，其中在孔深100 m以上只是零星接收到電導(dǎo)率異常，孔深100 m～150 m深度能在較連續(xù)的時(shí)間段內(nèi)接收到電導(dǎo)率異常值，且呈“雙峰”，表明滲漏通道較深，上部水中的電導(dǎo)率異常多是受上下層水交換所致，主要滲漏高程約在2 107 m～2 063 m左右。以孔深140 m處表示，第一段峰線出現(xiàn)在投源后5 h～18 h之間，峰值為307.19 μS/cm，相對(duì)背景值226.83 μS/cm增加了約35.4%；第二段峰線出現(xiàn)在投源后31 h～38 h之間，峰值為350.61 μS/cm，相對(duì)背景值增加了約54.6%；按最先接收到的最大電導(dǎo)率異常值折算出的示蹤反映速度約為3.16 m/h。

圖2 ZK4鉆孔部分深度電導(dǎo)率過程線圖

在試驗(yàn)過程中因檢測(cè)設(shè)備遲到，ZK302鉆孔未檢測(cè)到峰值上升過程，見圖3。以65 m孔深處為代表，檢測(cè)到的電導(dǎo)率最大值為1 816.01 μS/cm，相對(duì)背景值302.68 μS/cm增加了499.97%。最大電導(dǎo)率異常值折算出的示蹤反映速度為3.52 m/h?？咨?2 m以下電導(dǎo)率異常值相對(duì)背景值變幅較大，可確定其受示蹤劑影響，表明該點(diǎn)位于滲漏通道范圍，該鉆孔位于灰?guī)r地層中，受構(gòu)造作用影響顯著，巖溶較發(fā)育，但從示蹤劑消散速率來看，其滲漏不具大規(guī)模巖溶管道特征，應(yīng)以溶蝕裂隙為主。

圖3 ZK302鉆孔65m孔深處電導(dǎo)率過程線圖

位于壩軸線右岸側(cè)的ZK3鉆孔中，孔深105 m至195 m范圍均收到較大的電導(dǎo)率異常單峰曲線，表明該點(diǎn)位的滲漏通道主要集中在高程2 107 m～2 018 m范圍，滲漏通道埋深較大。圖4以150 m孔深為例，最大電導(dǎo)率異常值為293.03 μS/cm，相對(duì)背景值182.93 μS/cm增加了60.1%，示蹤反映速度約為4.08 m/h。

圖4 ZK3鉆孔部分深度電導(dǎo)率過程線圖

位于左壩肩的ZK2鉆孔在投源后各段均為零星收到不連續(xù)電導(dǎo)率異常值，見圖5。最大電導(dǎo)率值為505.44 μS/cm，相對(duì)背景值444.94 μS/cm增加了13.6%。示蹤劑反應(yīng)弱，流速慢，與其白云巖地層的溶隙性滲漏特點(diǎn)相關(guān)。

圖5 ZK2鉆孔部分深度電導(dǎo)率過程線圖

ZK7鉆孔位于大壩下游，圖6顯示在孔水位50 m以下均檢測(cè)到電導(dǎo)率變化的完整峰值曲線過程，距離投源后約21 h接收到電導(dǎo)率峰值異常值，其中55 m孔深處的電導(dǎo)率峰值為474.26 μS/cm，相對(duì)背景值338.94 μS/cm增加了39.9%；60 m孔深處電導(dǎo)率峰值為468.44 μS/cm，相對(duì)背景值328.54 μS/cm增加了42.6%。該孔的示蹤反映速度為12.84 m/h，為溶蝕性滲漏。

下游泉群均未收到顯著的示蹤劑異常，究其原因在于投源點(diǎn)K1落水洞消落能力有限，示蹤劑投放劑量偏小，同時(shí)下游泉群距離投源點(diǎn)較遠(yuǎn)，非庫水滲漏的泉水流量本身較大，示蹤劑彌散后，地下水中示蹤劑濃度下降，使得下游泉群中電導(dǎo)率未能檢測(cè)出異常。

由此試驗(yàn)結(jié)果表明，右壩肩ZK4-ZK302-ZK3區(qū)域所體現(xiàn)出的地下水徑流速度較快，接收到的示蹤劑異常值較高且頻率大，表明其與K1落水洞的連通性較強(qiáng)。ZK4最先接收到異常且呈雙峰，距離投源點(diǎn)近，其連通關(guān)系顯著；ZK302接收到的示蹤劑異常值最大，速度快，ZK3與ZK7接收到示蹤劑異常的時(shí)間相近，但ZK7的異常最值和示蹤反映速度都較ZK3大，綜合分析認(rèn)為ZK3、ZK4、ZK7和ZK302與K1落水洞存在直接的連通關(guān)系。示蹤劑在投源后主要通過右岸灰?guī)r地層中F2斷層及其周邊溶蝕破碎帶從K1落水洞和導(dǎo)流洞進(jìn)口附近入滲點(diǎn)向下游方向滲漏；滲漏流速緩慢，表明徑流通道中無較大巖溶管道發(fā)育，主要為溶隙型滲漏通道。ZK2位于白云巖地層中，其示蹤劑信息弱，速度慢，表現(xiàn)為白云巖地層的溶隙性滲漏。

3.3 連通試驗(yàn)綜合結(jié)果

綜合兩期“鹽類法”連通示蹤試驗(yàn)成果，庫水與ZK3、ZK4、ZK302和下游ZK7、S1—S5、S7存在直接連通性，其滲漏形式為灰?guī)r溶隙型滲漏。左岸白云巖也存在溶隙性滲漏，但其滲漏量與速度均較右岸弱。在平面上庫水滲漏范圍左至ZK2岸坡處，右至ZK4岸坡處，向下游可至S4泉，距離庫首直線距離約1.03 km；其滲徑主要向下游方向，側(cè)向運(yùn)移滲漏能力有限。在豎向上，ZK2—ZK4深孔的異常段在100 m以下，相對(duì)較淺的ZK7和ZK302異常段在60 m以下，對(duì)應(yīng)高程分別在2 111 m～2 018 m和2 152 m～2 117 m范圍，表明裂隙型滲漏通道具有成層性。當(dāng)水庫蓄水時(shí)，其主滲漏通道為向下游方向展布的右岸F2斷層及其周邊溶蝕裂隙破碎帶，在壩后下游再順傾向往河床方向運(yùn)移；左岸的滲漏相對(duì)右岸較弱。

4 結(jié) 論

根據(jù)巖溶水文地質(zhì)勘察及連通試驗(yàn)結(jié)果，主要得出以下結(jié)論：

(1)水庫壩址區(qū)位于溪谷裂點(diǎn)，巖性主要為灰?guī)r和白云巖可溶性巖，溶蝕裂隙發(fā)育，且有斷層切割，溪谷為地表水補(bǔ)給地下水水動(dòng)力類型，水庫滲漏問題突出。

(2)庫水向兩岸的滲漏有限，滲漏主要發(fā)生于壩軸線及右壩肩，主要由K1滲漏沿右壩肩F2斷層及周邊溶蝕裂隙破碎帶向下游方向滲流，左岸白云巖地層存在的滲漏較右岸弱。

(3)各鉆孔檢測(cè)出示蹤劑的深度差異明顯，說明巖溶發(fā)育和滲漏具有成層性。

(4)基于巖溶水文地質(zhì)勘察和試驗(yàn)，查明巖溶水文地質(zhì)基本特征后，以連通試驗(yàn)驗(yàn)證水庫滲漏成因、滲漏類型和滲漏通道，為工程后續(xù)處理提供地質(zhì)依據(jù)的方法是有效的。