基于水量均衡法的塞海湖水库岩溶渗漏评价

彭鹏程, 李择卫

((湖南省水利水电勘测设计研究总院,湖南 长沙 410007)

基于水量均衡法的塞海湖水库岩溶渗漏评价

彭鹏程, 李择卫

((湖南省水利水电勘测设计研究总院,湖南 长沙 410007)

在复杂强岩溶区修建水库,水库渗漏及成库条件的评价是前期勘察的关键。塞海湖水库岩溶十分发育,在对工程区水文、工程地质条件进行认真分析评价的基础上,进行示踪试验,发现岩溶渗漏主要通道,确定水均衡计算区域,建立水均衡计算模型,计算目前条件下水库渗漏量,并对水库蓄水后可能渗漏量进行估算,认为水库库首渗漏非常严重,必须进行大规模防渗处理,才能满足设计要求。

示踪试验;岩溶渗漏;水量均衡

长江流域存在广阔的碳酸盐可溶岩分布区,如湖南省碳酸盐岩分布就达5.7万余平方千米,占国土面积的27.4%[1]。岩溶区一般又是地表干旱区,根据岩溶规律寻找水源,特别是利用溶蚀洼地修建水库,是解决岩溶区干旱的重要途径。在湘中南及湘西地区,利用小型溶蚀洼地修建水库取得过成功的经验,但也有水库建成后无水的惨痛教训[2]。其中最重要的一条就是岩溶渗漏从很大程度上决定了水库建设的成败。塞海湖所在地娄底市是个严重缺水的城市,计划将此处选为城市供水水源地。在项目建议书阶段,设计加高30 m,建设一座中型水库。但该地岩溶发育,其渗漏问题是项目成库的关键。水均衡计算是水库岩溶渗漏重要的评价方法之一,为查明其岩溶渗漏问题,在详细地质调查后,在该工程采用了水均衡计算,由于有丰富的地质资料作为支撑,计算成果与实际比较接近,取得了很好的效果,由定性评价向定量评价迈进了一大步。

1 工程区水文地质条件

塞海湖位于湘中涟源市国家地质公园——湄江风景区内,是一处大型岩溶洼地形成的天然湖泊。水面高程327 m时,湖面长约500 m,宽110～180 m,湖面面积7.8×104m2,水深3～5.7 m;设计正常蓄水位346 m,设计库容2 000万m3。湖泊的形成经历了暗河连通—落水洞发育—溶蚀坍塌—溶蚀洼地的复杂过程,溶蚀坍塌物和河流泥沙逐步堆积,湖底堆积物最厚达110 m,堵塞了主流通道,经过漫长的地质历史,终于形成了今天的地貌景观[3]。洪水期有水在右侧地表溢洪口排出;非洪水期,地表水由溶洞向地下暗河排泄,湖水量基本保持平衡状态。

湖面呈东西向延伸的勺状,库首下游右侧有一处高程330～338 m的垭口,为历史上的古河床位置,现从垭口中部人工开凿出一条溢洪道,为塞海湖唯一的地表出水口。库区以低山峰丛洼地谷地等地貌为主,洼地底部溶沟、溶槽、落水洞、溶洞等十分发育。

区内岩性为石炭系上统船山组(C3c)、中统黄龙组(C2h)灰岩、白云质灰岩、白云岩,岩溶极发育,无相对隔水层分布。岩溶形态主要有洼地、暗河、落水洞、岩溶泉、溶沟溶槽、溶隙等,库区范围分布溶洞22处、落水洞30处、地下暗河1处、岩溶泉16处。为了进一步查明各泉水点、落水洞、暗河等之间的水力联系,水库岩溶渗漏的主要通道委托中国科学院岩溶地质研究所做了4次示踪试验,地下水示踪试验使用的仪器为瑞士Albillia公司生产的野外荧光度计,采用的示踪剂为荧光素钠、罗丹明B两种。投放点位于库首的落水洞和钻孔中,仪器监测点主要安装在观音洞泉及湄塘口泉,其余泉水点采取人工取水样进行检测。示踪试验证实[4],库首库水与下游几个主要泉水点均有水力联系,向下游渗漏以溶洞、暗河等管道渗漏为主,各岩溶渗漏通道连通性好,水文地质条件复杂。渗漏通道主要有两条:

图1 库首落水洞、湄塘口泉、观音洞泉位置示意图Fig.1 Location sketch of sinkhole in the front of the reservoir，spring Meitangkou and spring Guanyindong

(1) 库首—观音洞泉之间的地下暗河系统(图1)。该暗河有两处入口,一处为左侧湖湾湖水先沿断层向东渗漏,最后流入地下暗河系统在观音洞泉排泄;另一入口为库首及溢洪道部位的多个库首落水洞,水流沿库首网络状岩溶通道渗漏,其中一部分沿构造发育的岩溶通道流向地下暗河,地下暗河至湄塘村黑水氹附近转向SE方向,流向观音洞泉。另一部分则流向了湄塘口泉。

(2) 塞海湖—湄塘口泉(W10)方向,以管道渗漏为主、溶隙渗漏为辅。据统计,库首区以N50°～60°W方向的节理最发育,沿该方向的节理面形成了网络状的岩溶通道。自库首及溢洪道等多处落水洞漏入的水沿库首网络状岩溶通道渗漏,其中一部分水流顺东南方向的岩溶通道自湄塘口泉流出(另一部分流向观音洞泉)。平面地质测绘发现,湄塘口泉是由多个岩溶泉组成的泉群,出水点众多,单个岩溶泉的流量并不大,但总流量比较大,达0.56 m3/s,其中管道渗漏为主要方式,溶隙渗漏为次要渗漏方式。

以上两个岩溶渗漏通道已为地下水连通试验所证实,自左侧湖湾投入的示踪剂只在观音洞泉可接收到,而自库首落水洞投入的示踪剂则在观音洞泉及湄塘口泉均可接收到。

2 水量均衡分析计算

2.1 模型建立和方案选择

岩溶水均衡是指在圈定的均衡圈内,地表水、地下水的流入量与流出量随时间而变化的相互关系。岩溶区的水量平衡计算,最为关键的因素是圈定均衡区域,建立均衡方程。一般而言,进水量是比较确定的,由于岩溶区的渗漏通道是非常复杂的,岩体渗透性存在较大的差异性,出水量就比较难以确定。因此,要建立较准确的地质计算模型,必须进行大量的地质调查分析,在基本查明本区域的水文地质条件后,才能选择测流和计算断面,这就是建立地质计算模型的意义[5]。

在对研究区进行详细的地质调查的基础上,划分水文地质单元。塞海湖库区长约4.5 km,考虑到水库3 km以上库区地层为砂页岩组成的相对不透水层,不存在水库渗漏问题,可以不用考虑,专门将塞海湖及向上游3 km一带岩溶比较发育的库区范围作为进水量计算区,将下游比较大的岩溶泉、暗河出口作为出水量计算区,简化均衡要素,建立计算模型,确定测流断面,公式如下[5]:

Q入+Nt-Q出-Zt=±△Q

式中:Q入表示上游进水量;Q出为下游总出水量;Nt和Zt分别代表降雨量和蒸发量。

2.2 测量断面布置与均衡计算

2011年5月、6月、7月三个时间段进行了多组次现场流量观测,观测期间库水位在326.5～328.0 m之间波动,库区主要流量观测断面布置如图2。测量仪器采用LS45A型流速仪和LS10型流速仪,测速范围0.02～3.5 m/s,渡河方法为涉水或测桥,测距方法为测绳,测深方法为杆测。第1次共布置了14个断面,测流28次;第2次共测22个断面,测流31次;第3次共测13个断面,测流28次,其中第1次与第3次是在一段时间库区无有效降雨时观测,第2次为库区连续降雨4—6天后观测,部分测流成果见表1。

图2 测流断面分布示意图Fig.2 Distribution sketch of cross-section

根据水量均衡原理,若库区段河流没有向库外渗漏,则应有以下关系式成立(关系式中直接以断面或泉井编号代替各断面或泉井处的流量,下同):

D18≌D17+W28+W26+W24;

D11应稍>D18;

D12≌D11+W19+W17+D19;

D13≌D12。

若出现左侧流量小于右侧流量之和的现象,即表明该段河水存在渗漏流失,漏水量大致等于其差值;考虑到均衡区面积较小,湖面面积仅78 000 m2,按当地气象水文资料蒸发量较小,不足0.01 m3/s,计算未予考虑蒸发量,降雨量、区间径流主要通过沿河支流及岩溶泉的方式体现出来。

对表中第1次观测结果进行水量均衡计算后,得到以下成果:5月底,塞海湖库盆漏水量为D11+D19+W17+W19-D12=2.2-1.72=0.48 m3/s(D19、W17、W19均断流);溢洪道沿线漏水量为D12-D13=1.87-1.148=0.72 m3/s;观音洞地下河(W1)流量为1.39 m3/s。

表1 库区流量观测成果表

对表中第2次观测结果进行水量均衡计算后,得到以下成果:在6月中旬较大降水后,塞海湖库盆漏水量为D11+D19+W17+W19-D12=4.23+0.651+0.026+0.012-4.11=0.81 m3/s(这个数字较实际偏小,D11与D12还有少量区间径流没有列入计算);溢洪道沿线漏水量为D12-D13=3.7-2.788=0.91 m3/s;观音洞地下河(W1)流量为2.67 m3/s。

对表中第3次观测结果进行水量均衡计算后,得到以下成果:7月中旬降水量不大,塞海湖库盆漏水量为D11+D19+W17+W19-D12=2.78-2.18=0.60 m3/s;溢洪道沿线漏水量为D12-D13=2.18-1.478=0.70 m3/s;观音洞地下河(W1)流量为1.72 m3/s。

2.3 水库渗漏现状分析

根据测流成果,根据公式进行了综合水量均衡计算,计算结果见表2。从表1、表2数据分析,对库区成库得出以下几点结论:

(1) 湄塘河D17、D18、D11上、中、下三个断面流量呈渐增大的趋势,下一断面的流量大致接近于上一断面流量与两断面间岩溶大泉汇入的流量之和,因此,湄塘河下断面(D11)以上河流从河底漏水到邻谷的可能性不大。湄塘河下断面(D11)以上河流基本不具备外渗条件。

(2) 溢洪道进口流量明显小于湄塘河下断面流量与龙泉峡支流流量之和,其差值基本为塞海湖库盆目前的漏水量,通过计算可知,第1次、第2次、第3次测流时,库盆漏水量分别为0.48 m3/s、0.81 m3/s、0.60 m3/s,漏水量比较大,暴雨后增加明显,原因在于随着汛期来临,湖面相应增大,漏水面积相应有所增加。这也表明,当水库蓄水后,渗漏量会进一步加大。

(3) 溢洪道进口断面流量明显大于出口断面流量,3次测流时,其差值(D12-D13)分别为0.72 m3/s、0.91 m3/s、0.70 m3/s,说明溢洪道沿线有漏水通道,且漏水量较大。

(4) 通过对库区下游观音洞及湄塘口泉、溢洪道流出水量汇总统计,发现下游出水量之和明显大于上游的入库流量,3次测流差值分别为0.82 m3/s、1.97 m3/s、1.06 m3/s,说明观音洞泉除了湄塘河作为其补给源头外,尚有其他的补给来源,其主要来源于正北方向一条暗河的补给。据区域水文地质资料其常年流量在0.60 m3/s,第二次测流时刚经历了较长时间强降水,从邻谷汇入观音洞泉的水量较大。

表2 水量均衡计算表

说明:第1次和第3次测流,W17和W19两泉水点基本没有什么流量,第二次测流已累计。

3 水库漏水量预测

3.1 当前水库漏水量估算

根据塞海湖渗漏通道的分布情况,以表2中最后一次的流量观测资料为基础,当时水位327.4 m,漏水量估算如下:

入库流量为2.78 m3/s时,湖底漏水量为D11-D12=2.78-2.18=0.60 m3/s;溢洪道沿线漏水量为D12-D13=2.18-1.478=0.62 m3/s;总漏水量为0.60+0.62=1.22 m3/s,占入库流量的54.4%。

3.2 蓄水后漏水量预测

以上仅为塞海湖水位为327.4 m时的水库漏水量,此时观音洞泉的出露高程为195 m,湄塘口泉的出露高程为279 m。若水库蓄水至346 m高程,由于水头增加,水库漏水量亦会相应增加,根据《水利水电岩溶工程地质》提供的公式[5],采用地下水动力学方法进行计算:

Q=W·v

式中:Q为漏水量;W为过水断面面积;v为地下水流速。

假定地下岩溶管道中的水流流速与水头成线性关系,蓄水后水库的渗漏通道仍为现有的渗漏通道,渗漏断面面积不变,则水库蓄水后,渗漏量只与水头成线性关系,预测观音洞泉漏水量为Q=1.72×(346-195)/(327.4-195)=1.96 m3/s;湄塘口泉漏水量为Q=0.56×(346-195)/(327.4-195)=0.79 m3/s;合计漏水量为1.96+0.79=2.97 m3/s。

上述结果表明,在水库水位抬高后,如果对下游漏水通道不能进行有效封堵,上游来水基本会通过已有通道全部渗漏,建库后将无法正常蓄水,所以必须进行防渗处理。

4 结论

塞海湖水库岩溶十分发育,水文、工程地质条件复杂,地下水示踪试验表明存在两条比较大的岩溶渗漏通道。采用测流方法对其进行了水量均衡计算,库首存在严重渗漏问题,渗漏量较大,必须进行大规模防渗处理,基础防渗的重点在于库首部位,只有这样才能满足设计要求。

[1] 金德濂.湖南水利水电勘测技术实践与研究[M].长沙:湖南科技出版社,2004.

[2] 许胜保,罗子立,贺友锋,等.湘西岩溶地区地下水综合分析[J].西部探矿工程,2005(7):15-17.

[3] 李择卫.塞海湖水库工程成库条件论证勘察报告[R].长沙:湖南省水利水电勘测设计研究总院,2011.

[4] 姜光辉,汪进良.塞海湖水库成库论证岩溶渗漏示踪试验研究报告[R].桂林:中国科学院岩溶地质研究所,2011.

[5] 邹成杰,张汝清,光耀华,等.水利水电岩溶工程地质[M].北京:水利电力出版社,1994.

(责任编辑：陈姣霞)

The Evaluation Based on the Water Balance Method ofKarst Reservoir Leakages in Saihai Lake

PENG Pengcheng， LI Zewei

(HunanHydro&PowerDesignInstitute，Changsha，Hunan410007)

In a complex karst area，the leakage and evaluation about construction conditions of reservoir are the key of the preliminary prospecting to build a reservoir.The karst leakages in Saihai Lake reservoir are very developed. Based on the serious analysis and evaluations of the hydrogeological and engineering geological conditions in project area，the authors carried out a series of tracer tests，found the main channel of karst leakages；then，determined the water balance calculation area，established the water balance calculation model，calculated the reservoir leakage under current conditions，and estimated the possible leakage of reservoir after water storage. After all，the authors pointed out that the reservoir leakages were very serious in the front of the reservoir where must take large-scale steps to prevent it happening，and to meet the design requirement.

tracer test； karst leakage； water balance； evaluation

2016-01-26;改回日期:2016-03-22

彭鹏程(1970-),男,高级工程师,工程地质专业,从事工程地质勘察工作。E-mail:241447187@qq.com

TV223.4

A

1671-1211(2016)05-0726-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.013

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160810.1442.012.html 数字出版日期:2016-08-10 14:42