万家寨水利枢纽库区岩溶发育规律分析与回顾

杨光 袁彦超 乔东玉 李德群

1 工程概况

万家寨水利枢纽枢纽挡水建筑物为混凝土重力坝，最大坝高105.84 m，最高蓄水位980 m，总库容8.96亿m3，总装机容量1 080 MW，年发电27.5亿kW·h，年供水14亿m3。工程开工时间为1994年底，1995年12月截流，1998年10月1日蓄水，2000年 竣 工[1-3]。

2 区域地质概况

工程区广泛分布寒武系、奥陶系灰岩地层，溶隙、溶洞、岩溶漏斗、溶蚀裂隙、溶孔发育。勘察资料表明库区左岸地下水补给河水，距河道一定距离地下水位逐渐接近至超过水库正常蓄水位，因此，左岸不存在水库渗漏问题；而库区右岸龙王沟和黑岱沟一代地下水位低于黄河水位60多m，因此，库区右岸存在岩溶渗漏问题。

库区右岸冲沟发育，较大的冲沟有小鱼沟、窑沟、龙王沟、黑岱沟、罐子沟，如图1所示。形成一系列黄土梁、峁。地形上总体中间高，东侧向黄河倾斜，西侧向十里长川倾斜。

地表广泛分布着黄土及风成沙土，仅在黄河岸边及大型沟谷地带基岩出露，其中寒武、奥陶系碳酸盐类地层沿黄河右岸出露面积约71.2l km2，向西逐渐深埋于地下，总体上北部薄南部厚。在曹家湾一带往下游有碳酸盐类岩层出露区[4-5]。

图1 区域地质图

区域基岩地层呈单斜构造，总体向西和南西倾斜，倾角3°～5°。在平缓的单斜构造上发育有程度不同、规模不大的褶曲、挠曲及断裂等构造形迹。较大的构造北部有窑沟、西黄家梁挠曲；西部有柳树湾、麻长咀挠曲；南部有红树峁-欧梨咀、壕川挠曲，以及焦稍沟断层和榆树湾断层。榆树湾断层由北西向南东方向延伸至黄河岸边附近变成挠曲逐渐尖灭。断层致使南西侧石炭系碎屑岩地层下降直接与寒武、奥陶地层接触，构成了岩溶地下水向西南排泄的阻水屏障，导致在榆树湾一带岩溶地下水沿黄河岸边以泉群形式出露于地表。

3 库区右岸岩溶发育规律

库区除沿黄河岸边有寒武、奥陶系碳酸盐岩地层出露外，两岸大部分被覆盖或埋藏于地下。地表岩溶以溶隙、溶洞、旱谷、岩溶泉为主，并有少量岩溶漏斗分布；浅部以层状和垂直裂隙或溶蚀裂隙为主；深部以溶孔、蜂窝状溶孔为主，多数裂隙闭合，个别地段地下水位以下数百米仍有较宽的溶蚀裂隙发育。此外，在埋藏区的奥陶系碳酸盐岩的古剥蚀面上，发育有宽大溶蚀沟槽及囊状洞穴等古岩溶。区域岩溶发育程度属中等-弱。

3.1 地表岩溶

采用航空影像和地质调查相结合的方式对地表岩溶展开调查，地表溶隙、溶洞、旱谷、岩溶泉的发育情况见表1。

表1 地表岩溶发育情况

3.2 地下岩溶

地下岩溶有溶洞、溶蚀裂隙、溶孔、孔洞等。采用钻孔对右岸地下岩溶进行勘察，在完成25个钻孔中有17个钻孔揭露到有溶洞、裂隙式溶洞发育，占钻孔总数的68%，具体发育情况见表2。

总体看，库区右岸以下马家沟组第二段以上灰岩岩溶发育最强；亮甲山组、冶里组和凤山组次之；崮山组和张夏组最弱。

表2 地下岩溶发育情况

3.3 岩性及构造对岩溶发育的影响

3.3.1 岩性对岩溶发育的影响

通过对龙王沟—龙口（榆树湾）地段各岩组进行的化学成份、矿物含量分析，马家沟组灰岩中上部的CaO含量高达50%，方解石含量占95%～100%，而寒武系的张夏组和崮山组稍高。对410个薄片鉴定成果进行统计，马家沟组以下的各岩组，岩石原生结构多为碎屑状结构，且单层厚度不大，而马家沟灰岩以隐晶、泥晶、微粒结构为主，且单层厚度较大，因而裂隙的贯通性好，有利于地下水循环交替，岩溶相对发育。钻孔中岩溶线性率，马家沟组为0.31%～18.19%，亮甲山组0.07%～6.78%，其它各岩组均较小。

在白云岩中岩溶亦较发育。亮甲山组至凤山组及马家沟组局部岩层，白云石含量高达90%以上。经薄片鉴定，部分样品含有石膏，少的为0.13%～0.2%，多的达2%～3%，最大为5%。在裂隙发育地区的地下水循环带，在适当温度下会发生脱白云化作用。观察发现某些白云岩层中，蜂窝角砾状白云岩也较为普遍。

3.3.2 构造对岩溶发育的影响

在未受到强烈构造破坏的近水平岩层，岩溶作用多沿层面及构造裂隙面溶蚀扩展而成溶隙或裂隙式溶洞。前者顺层发育，限于两个层面之间，呈扁平状；后者常沿层面发育的溶洞连在一起呈串珠状。燕山运动使岩层挠曲和断层发育，为地下水循环交替创造有利条件，常在绕曲或断层的一侧或两侧，岩溶相对发育。由于地壳间歇性上升，致使近代岩溶在垂向的发育具有成层性的规律。

4 右岸岩体渗透性及对建库的影响

4.1 渗漏形式

在前期勘察中发现距黄河右岸20 km附近地下水位比黄河水位低30 m左右，在下游龙口地段右岸地下水位又略高于黄河水位，说明水库右岸存在地下水位低槽带，具备永久渗漏的水文地质条件，渗漏剖面如图2所示。因此，右岸岩溶渗漏问题成为该工程建设的关键技术难题。渗漏范围大致由长约46.5 km碳酸盐岩出露的库岸。主要入渗段位在龙王沟口下游约2.0 km处至黑岱沟口下游约5.5 km处，以马家沟岩组地层出露为主总长约13 km的地段，至下游排泄区渗径总长达50 km。入渗位于在黄河岸边平均宽约2.0 km左右范围内，岸边地下水位坡降相对较陡地段。

图2 右岸岩溶渗漏剖面示意图

勘察过程中，没有发现贯穿性很长的溶洞，无论在入渗区或排泄区，都没有发现管道式入渗或排泄形式。榆树湾地段地下水都是以分散状泉群排泄于黄河，因此，不存在管道式渗漏通道，库区右岸岩溶渗漏形式主要为岩溶裂隙式渗漏。

4.2 渗漏量估算

为论证右岸岩体渗透性，现场相继开展了抽水试验、压水试验、以及运用地下水动态信息对右岸岩体的透水性进行分析。

库区右岸分为上、中、下游3个渗漏段，中段（从龙王沟口下游2 km至黑岱沟口下游7.5 km，河段长15 km）由于冲沟发育、奥陶系中统马家沟组灰岩出露面积大，且发育有焦稍沟断层，为主要渗漏地段。

4.2.1 抽水试验

按照库区、坝址和排泄区分为3个地段的抽水试验结果进行统计，库区分别在钻孔SK01、SK02、SK04、SK05、SK06、SK08中进行了13段次抽水试验，渗透系数1.16×10-9～1.95×10-5m/s，平均2.15×10-6m/s；坝址在钻孔ZK27中进行了1段次抽水试验，渗透系数1.05×10-5m/s；排泄区分别在钻孔SK09、SK10、SK11、SK13中进行了13段次抽水试验，渗透系数1.50×10-7～5.95×10-4m/s，平均1.10×10-4m/s。

从抽水试验成果表可以看出，3个地段岩体的渗透系数都不大，排泄区岩体渗透系数最大，库区岩体渗透系数最小。

4.2.2 压水试验

在库区黑岱沟附近3个钻孔进行了62段压水试验，其中无压漏水段在下马家沟组第2段占总段长的10%，而在亮甲山组占总段长的3.7%。可见第Ⅰ含水岩组（中奥陶系含水岩组）渗透性最强，第Ⅱ含水岩组（下奥陶系—上寒武系风山组含水岩组）次之，第Ⅲ含水岩组（上寒武系崮山组—中寒武系张夏组含水岩组）最弱。

在坝址34个孔459段压水试验中，无压漏水段有5段，其中凤山组有1段，占总段长的5.49%；岗山组有2段，占总段长的3.7%；张夏组有1段，占总段长的0.25%，随着孔深的增加，其渗透性相应变弱。

从压水资料分析，同一岩组的渗透性，表现出补给区较弱，排泄区较强，与抽水试验结果一致。

4.2.3 渗透量估算

根据抽水试验和压水试验的结果，从上游到下游将库岸分为上中下3段进行渗漏量估算。3段渗漏总量最大值为13.56 m3/s，平均值8.50 m3/s，大值平均值8.20 m3/s（计算中舍去渗透系数最大值），最小值5.73 m3/s。

故此判断水库右岸总渗漏量为8～10 m3/s。

4.3 渗漏对建库影响分析

黄河枯水期流量小，除个别年份外，一般在100 m3/s以上，而上游工程设计枯水期进入万家寨水库区流量为250 m3/s。水库蓄水后渗漏形式以岩溶裂隙式渗漏为主，初步估算最大渗漏量为10.63 m3/s。

估算水库渗漏量5.73～13.56 m3/s，占入库流量2.29%～5.42%。由此得出“右岸岩溶渗漏量不会影响工程效益”的结论，并建议预留一定的工程量，对可能发生渗漏量较大地段进行必要的处理，同时加强地下水动态监测，继续对该问题进行研究。

5 蓄水运行期渗漏验证与评价

水库于1998年开始蓄水，为评价蓄水期水库右岸岩溶段渗漏途径和渗漏量，进行了右岸岩溶渗漏问题专题分析研究，采取了地下水示踪试验和数值模拟计算。

5.1 示踪试验

5.1.1 示踪剂投放与取样

为满足示踪剂相关技术要求，在充分考虑对环境影响小的情况下，试验中选定了钼酸铵（Mo（VI））、碘化钾（I-）、亚硝酸钠（NO2--N）和重铬酸钾4种示踪剂。再确定各试剂的投放点和投放量：SK1溶洞投钼酸铵150 kg、ZK176孔投亚硝酸钠20 kg、ZK162孔投碘化钾50 kg、SK34孔投重铬酸钾20 kg、ZK193孔投碘化钾50 kg。

2001年3月水库蓄水时随地下水位逐步抬升进行示踪试验。初期每小时取样1次，然后视检测结果改为每2～4 h取样1次，最后至每天取样1次，为及时获得示踪剂接收信息，取得实验数据共计11 911个[6]。

5.1.2 渗流速度监测

通过示踪样品检测发现，从SK1溶洞到RZK1、RZK2孔，从ZK176和ZK162孔到ZK179、ZK180、ZK181孔连通性较好，地下水流速较快。

水库蓄水到975 m时，地下水流速度介于5～25 m/h。随库水位进一步上升，地下水流速明显增大。在阳壕沟（SK1、SK2溶洞位置）附近沿裂隙和岩溶发育带发生了较集中渗漏；在主径流带上水流速度达到20～100 m/h。主径流带上平均水流速度约是补给区的4倍。

5.2 地下水数值模拟计算

根据前期勘察成果，将工程区地层划分为3个含水岩组，数值模拟计算时视为多层含水层、透水岩体，不考虑垂向渗透，水平渗透系数由3个含水层及各层在地下水位下厚度决定。

模拟计算区范围2 758 km2，采用不规则有限差方法，建立起多重介质、多重水位和多重释水的岩溶水快速渗流模型，以模拟地下水实际流速。再根据钻孔揭露的地层剖面及抽水试验、监测等实测资料给出所需的基础数据和参数，模型反演1997年9月16日 至2000年3月30日，计927 d，分为76个时段，利用数值模拟对现状条件下水库不同运行水位时的渗漏量进行了计算分析和预测，模拟结果见表3。

表3 库水渗漏量模拟分析计算 m3/s

水库水位970 m时，阳壕沟至大焦稍沟渗漏量为3.56 m3/s，其中阳壕沟口段渗漏量为3.17 m3/s，大焦稍沟口段渗漏量为0.24 m3/s。当水位980.0 m时，阳壕沟至大焦稍沟渗漏量为4.48 m3/s，其中阳壕沟口段渗漏量为4.00 m3/s，大焦稍沟口段渗漏量为0.31 m3/s。实际流速达8.412 m/h，与示踪试验结果基本吻合。

5.3 水库运行期监测情况

运行期对库区右岸19个钻孔的地下水位、下游泉水水量，实施了长期监测，并针对重点渗漏段进行了补充勘察，包括地质调查、测绘、山地开挖、钻探及示踪试验研究等，进一步验证了库区渗漏部位、渗流方式及渗漏量。

库区右岸岩溶渗漏的形式以岩溶裂隙式渗漏为主，局部存在集中渗漏现象。水库渗漏以中游段（长15 km）为主，上游段和下游段尚未发现较大渗漏现象。通过对蓄水前后岩溶地下水的监测，说明前期对岩溶地下水动态预测的勘察结论符合实际，对入渗区、径流区（岩溶地下水低缓带）、排泄区的认识基本正确。示踪试验模拟计算成果，当库水位为980.00 m时，渗漏量为15.81 m3/s。

枢纽运行多年来，黄河水量持续偏枯，至2002年坝址年径流量99亿～290亿m3，平均154亿m3，比原设计年径流量192亿m3偏少19.79%，导致电厂的发电量偏少。

5.4 后评价

水库蓄水以来的资料表明，水库右岸岩溶渗漏量为10～15 m3/s，与勘察估算渗漏量（8～10 m3/s）误差25%～30%。

水库岩溶渗漏量与前期勘察预测较为相近，库区渗漏问题对大坝和电站的运行基本没有影响，也没有出现对环境的明显不利影响。考虑到72 km长的库岸线，沿河沟壑发育，地表大部分有黄土、沙土覆盖，下部岩体内的溶孔、溶隙、溶洞发育不均，断层裂隙相互切割交汇，地下水的流向及水文地质条件较为复杂，勘测设计成果对渗漏量估算误差25%～30%，应该说对水库渗漏问题的判断结论是恰当的。

但前期对局部岩溶渗漏问题的认识也存在不够深入，在原来判断的水库主要渗漏地段的渗透性比原预估的要强，尤其是库水直接注入溶洞、沿F4断层带附近形成的一系列塌坑、漏斗、部分地下水观测孔水位与库水位涨落关系明显等现象，说明这一带已经发生了较大的集中渗漏问题。因此，应对整个库区右岸加强监测，密切关注主要渗漏段动态，进一步补充勘察和采取相应处理措施是必要的。

如果按渗漏量10 m3/s考虑，枢纽年损失有效电量约4 400万kW·h，减少发电收入约650万元，所以对水库右岸进行防渗处理的经济效益非常显著。建议加强库区右岸渗漏观测和补充勘测工作，查清主要渗漏通道，尽早采取处理，以提高水库供水和发电效益。

6 结 语

（1）万家寨水利枢纽库区右岸岩溶以溶隙、溶洞、旱谷、岩溶泉为主，并有少量岩溶漏斗分布。浅部以层状和垂直裂隙或溶蚀裂隙为主，深部以溶孔、蜂窝状溶孔为主，多数裂隙闭合，个别地段地下水位以下数百米仍有较宽的溶蚀裂隙发育。岩溶发育以下马家沟组第二段以上的灰岩最强；亮甲山组、冶里组和凤山组次之；崮山组和张夏组最弱。

（2）水库右岸存在地下水位相对低缓带，具备岩溶渗漏的水文地质条件，接受库水补给和向下游以岩溶裂隙式渗漏。

（3）根据现场抽水试验和压水试验成果，通过岩溶渗漏模拟计算，最大值13.56 m3/s，平均值8.50 m3/s，大值平均值8.20 m3/s，最小值5.73 m3/s。黄河枯水期最小流量（除个别年份外）一般在100 m3/s以上，工程设计枯水期上游进入水库区流量为250 m3/s，渗漏量占入库流量2.29%～5.42%。水库建成后，没有因为库区渗漏而导致水库水位发生明显的变化，说明右岸岩溶渗漏问题不影响建库的结论是正确的。

（4）水库蓄水后，右岸岩溶渗漏量为10～15 m3/s，与勘察估算渗漏量（8～10 m3/s）误差25%～30%。针对岩溶渗漏的复杂性，库区右岸长72 km渗漏范围，渗漏量估算存在少量误差是可以理解的。

（5）岩溶渗漏是复杂的水文地质问题，主要渗漏部位、岩体渗透性、渗漏方式需要深入调查研究。工程运行期间应加强监测，对发生渗漏量较大部位研究进行处理的必要性。工程右岸岩溶处理有一定的经济效益，建议加强观测和勘测研究，查清主要渗漏通道并尽早处理，以提高水库供水和发电效益。