地下水水位及水溫對(duì)水庫滲漏的影響

王森林，鄭克勛

（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，貴陽 550081）

在碳酸鹽巖分布區(qū)建壩成庫， 水庫巖溶滲漏是主要工程地質(zhì)問題之一，諸多水庫因巖溶滲漏，導(dǎo)致蓄水無法滿足設(shè)計(jì)要求，甚至只能廢棄，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。在構(gòu)造發(fā)育的地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造條件對(duì)巖溶的發(fā)育和發(fā)展起控制作用［1］。巖溶發(fā)育地區(qū)的地下水具有非均質(zhì)性、敏感性、隱蔽性等特點(diǎn)［2］，常規(guī)水文地質(zhì)勘察手段一般難以達(dá)到較好的勘察效果。 地下水滲流特征和溫度特征分析是水庫巖溶滲漏分析的重要手段，已較多地應(yīng)用于巖溶發(fā)育程度劃分、地下水滲流特點(diǎn)的分析及巖體透水性判斷等問題［3］，同時(shí)在水電站及水庫滲漏分析中也得到廣泛應(yīng)用［4］。

某水庫是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主的水利工程，水庫建成后可解決下游318.67 hm2田地的灌溉用水問題，水庫總庫容123.8 萬m3，工程規(guī)模為?。ㄒ唬┬停畮鞓屑~建筑物由攔河大壩、右岸導(dǎo)流兼輸水隧洞、左岸溢洪道組成。2018 年水庫建成后出現(xiàn)嚴(yán)重的滲漏問題，至今未能完成蓄水功能，為此，在2018 年和2019 年分別進(jìn)行2 期補(bǔ)充勘察工作，本次研究以補(bǔ)充勘察依托，主要通過測(cè)定鉆孔鉆進(jìn)過程中的內(nèi)、外管地下水位和地下水溫度及地下水位長觀， 查明庫壩區(qū)的地下水滲流特征和主要溫度異常區(qū)， 為水庫防滲處理設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程區(qū)基本地質(zhì)條件

工程區(qū)屬于構(gòu)造侵蝕低中山地貌， 庫區(qū)地表分水嶺最高2400～2680 m，一般2250～2450 m 左右，山頂與河床相對(duì)高差200～400 m， 平均河床比降為7%，岸坡坡度15°～40°，河谷呈“V”形，為山間狹窄型河谷。 區(qū)內(nèi)巖性主要為： 震旦系上統(tǒng)觀音崖組中段（Zbg2）灰白色白云巖夾少量黃色頁巖，震旦系上統(tǒng)觀音崖組上段下亞段（Zbg3-1）紫紅色頁巖夾灰白色、灰黃色泥巖和頁巖， 震旦系上統(tǒng)觀音崖組上段上亞段（Zbg3-2）深灰色、紫紅色灰?guī)r夾灰黃色泥巖、泥灰?guī)r和灰黃色、 紫紅色鈣質(zhì)砂巖， 震旦系上統(tǒng)燈影組（Zbd）灰白色薄至中厚層泥質(zhì)條帶狀白云巖夾黃色、紫紅色泥巖、泥質(zhì)白云巖，燕山期侵入輝綠巖脈（ζπ35）。工程區(qū)構(gòu)造主要有斷層F1、F2 及F3 和巖體節(jié)理裂隙。工程區(qū)巖溶形態(tài)以巖溶泉、巖溶洼地和溶蝕裂隙為主，壩前溶蝕裂隙發(fā)育較廣泛，庫區(qū)及大壩下游分別發(fā)育7 個(gè)（S8～S14）和8 個(gè)（S1～S7 及S15） 巖溶泉水點(diǎn)。Zbg3-2地層為強(qiáng)巖溶含水層，Zbg3-1和Zbg2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。 地下水類型主要有覆蓋層孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水。 庫區(qū)輝綠巖脈至大壩下游鉆孔ZK7 附近為懸托河段， 表現(xiàn)為河水補(bǔ)給地下水的水動(dòng)力類型， 其余河段表現(xiàn)為地下水補(bǔ)給河水的水動(dòng)力類型。 試蓄水后在溢洪道附近形成了一個(gè)小型覆蓋層滑坡， 庫區(qū)無崩塌、 泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，如圖1。

圖1 工程區(qū)地質(zhì)平面圖

2 地下水位特征分析

2.1 鉆孔水位長期觀測(cè)

對(duì)庫壩區(qū)各鉆孔（ZK1、ZK301 等13 個(gè)）進(jìn)行水位長期觀測(cè)，各鉆孔高程、位置及地下水位特征如表1。 從表1 可看出：除ZK6 外， 其余鉆孔水位均低于正常蓄水位； 除鉆孔ZK1、ZK308、ZK6 和ZK306 外，大壩附近鉆孔水位均低于河水位?？傮w來看，大壩所處河段地下水埋深普遍較大， 在大壩附近以河水補(bǔ)給地下水為主，表現(xiàn)為懸托河。

表1 鉆孔地下水位統(tǒng)計(jì)

2.2 鉆孔內(nèi)管水位變化分析

鉆孔內(nèi)管水位揭示鉆孔某一段 （工程中多為壓水試驗(yàn)段）范圍內(nèi)的分層地下水位。鉆孔水位跌落說明鉆孔揭穿隔水層，進(jìn)入富水性較差的地層，上層地下水跌落至下層地下水中； 水位抬升說明鉆孔揭穿承壓含水層的頂板， 承壓水由于水頭壓力作用反升至上層水中。 在鉆孔壓水試驗(yàn)前后分別測(cè)量每一試段的內(nèi)管水位情況，得到各鉆孔內(nèi)管水位變化折線，如圖2。

圖2 鉆孔內(nèi)管水位變化折線圖

從折線圖中可看出：

（1） 鉆孔內(nèi)管水位總體隨著鉆孔鉆進(jìn)深度加深逐漸降低，最后穩(wěn)定在某一高程，受壩址區(qū)附近“透水巖體夾隔水巖體”的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)控制，部分鉆孔內(nèi)管水位隨鉆進(jìn)過程呈現(xiàn)多次先降后升的現(xiàn)象，最為明顯的是鉆孔ZK3 在鉆進(jìn)深度為106 m 和155 m（高程2106.8 m 和2057.8 m） 時(shí)均出現(xiàn)大幅下降，后又回升至一定高程。

（2）鉆孔ZK1 和ZK7 的內(nèi)管水位表現(xiàn)出在某一深度突然大幅度下降的現(xiàn)象，然后保持穩(wěn)定，單次最大降幅分別達(dá)到69.7 m 和27.6 m，且鉆孔ZK1 內(nèi)管水位在前段呈現(xiàn)反復(fù)升降的現(xiàn)象， 說明存在多層地下水。

（3）鉆孔ZK2、ZK3 和ZK5 存在水位多次下降，單次水位最大降幅分別為15.05，23.3，9.18 m， 水位下降幅度相對(duì)鉆孔ZK1 和ZK7 較小。

（4）其余鉆孔內(nèi)管水位基本保持穩(wěn)定。

分析與討論： 大壩附近鉆孔ZK2、ZK3、ZK4 和ZK5 內(nèi)管水位最終穩(wěn)定范圍在2150～2170 m 之間，最低的內(nèi)管水位在高程2120 m 左右。其中鉆孔ZK2鉆進(jìn)高程在2098.0 m 以上水位一直處于跌落或穩(wěn)定狀態(tài)， 鉆進(jìn)高程在2087.9～2098.0 m 時(shí)水位穩(wěn)定在2146.0～2151.0 m 之間， 基本與河床地下水位持平，說明該范圍內(nèi)水位基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 鉆孔ZK3 鉆進(jìn)高程2022.8 m 以上水位為一直跌落或穩(wěn)定狀態(tài)，但當(dāng)鉆進(jìn)高程在2007.6～2017.8 m 范圍時(shí)內(nèi)管水位出現(xiàn)回升， 水位上升到高程2159 m 附近后穩(wěn)定，說明河床附近高程2017.8 m 以下地下水較豐富， 且為承壓水。

2.3 鉆孔外管水位變化分析

鉆孔外管水位揭示鉆孔進(jìn)尺范圍內(nèi)的綜合水位。鉆孔水位跌落說明鉆孔揭穿隔水層，進(jìn)入富水性較差的地層，上層地下水跌落至下層地下水中；水位抬升說明鉆孔揭穿了承壓含水層的頂板， 承壓水由于水頭壓力作用反升至上層水中。 在鉆孔壓水試驗(yàn)前后分別測(cè)量每一試段的外管水位情況， 得到各鉆孔外管水位變化折線，如圖3。

圖3 鉆孔外管水位變化折線圖

從圖3 可看出：

（1）鉆孔外管水位的變化趨勢(shì)與內(nèi)管水位基本一致，但由于是綜合水位，水位的變幅較內(nèi)管水位小，最低外管水位高于最低內(nèi)管水位。受壩址區(qū)附近“透水巖體夾相對(duì)隔水巖體”的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的控制，鉆孔外管水位變化特征呈現(xiàn)有升有降的現(xiàn)象。

（2）鉆孔ZK1 和ZK7 存在外管水位突然大幅度下降現(xiàn)象，且ZK1 外管水位呈反復(fù)升降的現(xiàn)象，鉆孔ZK2、ZK3 和ZK5 存在水位多次下降且最后保持穩(wěn)定，其余鉆孔外管水位基本保持穩(wěn)定。

（3）大壩附近鉆孔ZK2、ZK4 和ZK5 外管水位最低范圍為2150～2170 m 之間， 最終穩(wěn)定范圍在2155～2170 m 之間。鉆孔ZK3 鉆進(jìn)高程2033 m 以上時(shí)外管水位出現(xiàn)小幅度緩慢下降， 在鉆進(jìn)高程2033m 以下時(shí)外管水位穩(wěn)定在2158～2160 m 之間。壩基范圍內(nèi)鉆孔穩(wěn)定外管水位高程在2155～2170 m之間，說明高程2155 m 以下地下水較豐富。

（4）壩后鉆孔ZK7 外管水位穩(wěn)定在2115 m 左右，大壩軸線附近至鉆孔ZK7 之間存在約40 m 的外管水位跌幅，說明壩基附近巖體導(dǎo)水性較強(qiáng)，存在壩基滲漏問題。

3 地下水溫度特征分析

地下水溫度變化主要受地溫、 補(bǔ)給水源溫度及循環(huán)交替條件和氣溫的控制，在水庫滲漏分析中，補(bǔ)給水源的溫度和地下水強(qiáng)烈的循環(huán)交替條件將嚴(yán)重影響地下水溫度的變化幅度和速度［4］。

3.1 庫水溫度特征

由于水庫來水量較小， 地表水溫度受氣溫影響變化較大進(jìn)而影響地下水溫度， 為減小氣溫對(duì)地下水溫度的影響， 應(yīng)盡量在相同氣溫時(shí)段進(jìn)行地下水溫度測(cè)試。 因此首先研究地表水溫度隨氣溫變化的情況，選擇在導(dǎo)流洞進(jìn)口處對(duì)河水溫度進(jìn)行一次24 h跟蹤觀測(cè)，每2 h 進(jìn)行1 次觀測(cè)，得到河水溫度隨時(shí)間變化折線，如圖4。

圖4 河水溫度隨時(shí)間變化折線圖（24h 范圍）

觀測(cè)當(dāng)天天氣為晴天，日照充足，受陽光輻射的影響， 早晨7:00 到下午13:00 區(qū)間河水溫度呈上升趨勢(shì)，下午13:00 到凌晨1:00 河水溫度呈下降趨勢(shì)，凌晨3:00 到早晨7:00 河水溫度變化較小，基本保持在15.1～15.2 ℃。其中，下午14:00 河水溫度最高，達(dá)19.6 ℃；早晨5:00 和7:00 河水溫度最低，為15.1 ℃；河水晝夜最大溫差為4.5 ℃。因此地下水溫度測(cè)試分為下午時(shí)段（13:00～17:00）和凌晨時(shí)段（3:00～7:00）兩個(gè)時(shí)段分別進(jìn)行。

3.2 地下水溫度特征分析

地下水溫度測(cè)量分為下午時(shí)段（13:00～17:00）和凌晨時(shí)段（3:00～7:00）兩個(gè)時(shí)段分別進(jìn)行，得到防滲線溫度等值線和溫度異常區(qū)分布，如圖5。

圖5 防滲線地下水溫度等值線及異常區(qū)分布

天然地下水溫度隨著埋深的增加逐漸升高，鉆孔地下水溫度在某一高程往上隨鉆進(jìn)深度的減小逐漸升高的可視為地下水溫度異常區(qū)， 異常區(qū)的地下水位交換相對(duì)較活躍，受地表水影響較大，可視為水庫滲漏的主要通道。

從圖5 可看出： 地下水溫度在壩基附近存在4個(gè)地下水溫度異常區(qū)（異常區(qū)A、B、C 和D），異常區(qū)A 主要分布在鉆孔ZK1 高程2166.4 m 以上；異常區(qū)B 主要分布在鉆孔ZK2 高程2141.0 m 以上；異常區(qū)C 主要分布在鉆孔ZK3 高程2077.8 m 以上及鉆孔ZK301 高程2127.8 m 以上；異常區(qū)D 主要分布在斷層F1 與F2 中間所夾持的范圍， 高程主要在2086.1 m以上。該4 個(gè)溫度異常區(qū)地下水位相對(duì)較活躍，受地表水影響較大，是水庫壩基及繞壩滲漏的主要通道；異常區(qū)以下地下水溫度特征表現(xiàn)正常， 說明壩基附近高程2077.8 m 以下地下水循環(huán)較緩， 受地表水影響較小。

同時(shí)，在地下水與地表水交換頻繁的地方，地下水溫度相比地下水交換緩慢的地方要較高， 異常區(qū)D（即斷層F1 和F2 所夾持的范圍）地下水溫度較周圍要稍高， 說明該區(qū)域地下水溫度受地表水影響較周圍更大，地下水交換較活躍，同時(shí)受斷層及溶蝕破碎帶的影響，該區(qū)域是水庫主要的集中滲漏區(qū)。

4 結(jié)語

（1）從鉆孔水位長觀結(jié)果來看，大壩附近河段及兩岸地下水埋深普遍較大，多低于河水位，以河水補(bǔ)給地下水為主，表現(xiàn)為懸托河，存在庫水滲漏的勢(shì)能條件。

（2）從鉆孔內(nèi)、外管水位變化來看，壩基范圍內(nèi)鉆孔穩(wěn)定外管水位高程在2155～2170 m 之間， 說明高程2155 m 以下地下水較豐富。壩后鉆孔ZK7 外管水位穩(wěn)定在2115 m 左右， 大壩軸線附近至鉆孔ZK7之間水位從2155 m 左右跌落至2115 m，存在約40 m的外管水位跌幅， 說明該空間范圍內(nèi)存在水庫滲漏問題。

（3）從地下水溫度特征及異常區(qū)來看，壩基部位異常區(qū)發(fā)育深度最深，最低高程為2077.8 m，兩岸異常區(qū)發(fā)育高程較壩基部位要高。 斷層F1 和F2 破碎帶附近地下水溫度較周圍要稍高， 是水庫主要的集中滲漏區(qū)。

（4）結(jié)合鉆孔內(nèi)、外管水位變化、地下水位長觀及溫度特征成果， 以及巖體透水率和巖溶發(fā)育基準(zhǔn)面，為確定防滲帷幕范圍提供可靠依據(jù)。