基于水文地球化学信息的东庄坝址渗漏分析

胡广冲，赵军海，张 继，袁 野

(四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

泾河东庄水库坝址位于黄河二级支流泾河下游峡谷末端的礼泉县东庄乡，距咸阳市80 km，距西安市100 km，距下游峡谷口泾惠渠渠首30 km，距泾河入渭河河口90 km.库坝区河道深切河谷达200～300 m，从地形来看，其河谷宽高比为0.7，建库条件优越，淹没较少，适合修建拱坝.东庄水库拟建坝址以北2.5 km处为老龙山断层，坝址以南12 km处发育有张家山断层，两断层之间约300 km2范围内分布着二叠系砂页岩、奥陶系的白云岩、灰岩等.灰岩区具有基岩裸露、岩石强度较高及完整性好等特点，使坝区坡岸稳定，利于水库的修建.同时，灰岩区岩石表面可见发育有溶隙、溶孔、溶洞等岩溶现象.经过多期勘测结果表明，坝区泾河河谷两侧共发现大小溶洞51个，其中31个溶洞分布于坝址以北至老龙山断层之间，岩溶发育程度受岩性和断裂的控制[1-5].区内泾河东庄水利枢纽工程自2013年2月24日全面启动，经现场调查并取样，对水文地质条件进行了初步地了解分析，以期解决一直以来该地区已建成的水库不同程度地受到渗漏问题的困扰，对东庄水库进行岩溶渗漏相关的水文地质问题研究具有重要的理论意义和实际应用价值[6].

本研究将具有指示作用的水化学特征值作为重点研究对象，结合区域水文地质背景调查资料，运用水化学特征分析法、同位素特征分析法等研究坝区水化学特征及泾河河水与地下水水力联系，进而对坝区灰岩水进行初步渗漏评价.

1 样品的采集与测试

1.1 样品的采集

本研究所用的地下水数据均来源于野外调查采样.野外取样分两次进行，2011年1月，相关人员沿泾河及周边地区选取采样点，以研究泾河水及灰岩地区水体水化学、埋深的关系，取得水样19组(DZ01-DZ19).2011年4月又进行了补充采样，取得水样12组(DZ20-DZ31)，雨水样1组.各采样点均采集4瓶水样，每瓶50ml，封装于密闭环境，各采样点位置如图1所示.

图1 采样点位置示意图

在采集的31个样品当中，共包括泾河河水样7组，涵盖了坝址区泾河从上游到下游的水样；灰岩区地下水水样14组，包括泉水样与井水样；松散层孔隙水水样6组，主要为井水样；雪水及其他水样4组，各采样点样品类型如表1所示.

表1 采样点样品类型

1.2 样品测试指标与方法

表2 测试项目及测试仪器

2 坝区地下水水化学特征及其分析

2.1 pH值特征分析

灰岩区地下水pH值的范围为7.57～8.12，松散层孔隙水pH值的范围为7.52～8.26，均属于弱碱性水.其中灰岩区地下水除筛珠洞泉(pH=7.57)外，其余的pH值稳定在8.00～8.11之间.松散层孔隙水的pH值变化幅度相对较大，且自东向西不断减小，逐渐由弱碱性向中性转化.

图2 坝区地下水TDS与含量关系图

图3 泾河东庄水库坝区分布图

2.2 Mg2+/Ca2+比值特征分析

由于方解石的溶解率远大于白云石，灰岩水中的Ca2+离子含量远大于Mg2+离子含量，因此，可以用Mg2+/Ca2+比例系数来判断地下水是来自灰岩还是白云岩，如果地下水来自灰岩含水层，则Mg2+/Ca2+﹤1；如果地下水来自白云岩含水层，则Mg2+/Ca2+系数接近于1.随着方解石、白云石的不断溶解，水中PCO2的降低，方解石和白云石溶解速度减慢，这时方解石的降低幅度要远大于白云石的降低幅度，致使二者溶解度逐渐降低.因此，随着径流途径的增长和水岩作用时间的增加,岩溶水中Mg2+含量增加幅度要大于Ca2+含量,且其二者比值趋近于一区间值[7].

由研究区地下水水位的变化及构造控制作用，可以推断该区域地下水的整体流向为由西北向东南排泄，沿可能存在的径流途径选取代表性的灰岩地下水水样做Mg2+/Ca2+比值曲线图如图4所示.由图4可知，比值变化范围为0.23～0.53，说明其地下水主要来源于灰岩含水层.其中，DZ-10筛珠洞泉的Mg2+/Ca2+比值(0.54)较高，推断其可能为区域灰岩水的集中排泄点.

图4 岩溶地下水Mg2+/Ca2+比值曲线图

2.3 δD、δ18O同位素特征分析

δD和δ18O是最常用的环境稳定同位素，对水体的形成、运移及混合等动态特征具有一定的指示作用.已知西安地区的雨水线方程为，

δD=7.498δ18O+6.13 r=0.958

由于泾河东庄水库拟建坝址距西安很近，故可将此方程作为研究区的雨水线方程[8].分别绘制岩溶地下水和松散层孔隙水的δD-δ18O关系图如图5所示，并与该地区雨水线方程进行比较.

图5 泾河东庄水库灰岩地下水δD-δ18O关系图

从图5可知，除了点DZ-30外，其余的点均位于雨水线的下方，其中DZ-10筛珠洞泉与DZ-20风箱道泉与雨水线较为接近，反映其接受了大气降水的补给，同时受到一定程度蒸发作用的影响；沙坡断层以北的水样点(DZ-20、DZ-23、DZ-26)分散靠近雨水线，沙坡断层以南水样点(DZ-02、DZ-03、DZ-04、DZ-10、DZ-28、DZ-29、DZ-30)则集中于雨水线的左下方，这种同位素值的差异性表明二者可能处于不同的流动系统.

由图6中点DZ-24与点DZ-25落在雨水线上，其余的点与雨水线距离较近，说明松散层孔隙水主要来源于大气降水，并受到蒸发作用的影响.

图6 泾河东庄水库松散层孔隙水δD-δ18O关系图

3 泾河水与灰岩水水力联系

3.1 泾河水水化学特征

野外调查共采集了7个泾河水样，其中DZ-19为老龙山断层以南砂岩裂隙区内的河水水样，DZ-16、DZ-27、DZ-12、DZ-31、DZ-11为流经老龙山断层与张家山断层之间灰岩地区的河水水样，DZ-13为黄土台塬区的河水水样.

表3 泾河水水化学分析结果

续表3

由以上数据可知，流经砂岩区的泾河河水的pH值为8.83，属于弱碱性水.至灰岩区pH值变化不大，TDS先升高至1g/L以上，再在点DZ-11处突降至0.4 g/L，各主要离子含量变化如图7所示.

图7 坝区泾河河水上游至下游主要离子含量变化

3.2 泾河河水与灰岩水水力联系分析

图8 沙坡断层以北泾河水与灰岩水Piper三线图

图9 沙坡断层以南泾河水与灰岩水Piper三线图

由图8可以看出，在沙坡断层以北地区，泾河河水与灰岩地下水的水化学成分差异较大，两者的水力联系不密切.Piper等[9-11]认为，应用三线图示法能判断某种水是否是另外两种水简单混合的结果，如果水样C 是水样A 和B 简单混合的结果(混合时未发生任何反应)， 那么混合水将落在三线图中A 和B 的连线上.在图8中，DZ-20(风道箱泉水)可近似视为DZ-26(泾河旁地下水)与DZ-27(泾河水)简单混合的结果，且泾河河水所占比例大于灰岩地下水.又知风箱道泉的水位为550m，泾河河水水位约590m，河水水位高于地下水位.故可以推断，在风箱道泉处，河水补给地下水.

由图9可以看出，在沙坡断层以南地区，除DZ-31外，泾河河水与灰岩地下水的水化学成分较类似，两者水力联系较为密切.由于DZ-11泾河河水水位为437 m，DZ-10筛珠洞泉水位为456 m，地下水位高于河水位，推断此处为地下水补给河水.

综上所述，泾河在流经灰岩地区时，从河水补给地下水逐渐过渡到地下水补给河水.在沙坡断层以北地区，泾河河水与灰岩水的水化学成分差异较大，而在沙坡断层以南地区，由于泾河河水与灰岩水的水化学成分比较类似，可以推断沙坡断层以南地表水与地下水的水力联系紧密程度大于沙坡断层以北地区.这种联系的紧密程度主要取决于岩溶裂隙的发育程度，一般情况下，在构造较为发育的断裂带，岩溶较为发育就意味着地表水与灰岩水的水力联系更加密切.

4 坝址灰岩水渗漏分析

按岩溶在水库及坝址中分布的部位，坝址岩溶渗漏可分为邻谷渗漏、库首渗漏、坝区渗漏和库底渗漏五种类型.泾河东庄水库主要考虑的是邻谷渗漏和坝区渗漏.

东庄水库的岩溶边界为老龙山断层、张家山断层、永寿一唐王岭向斜,三者相交构成的近似三角形“楔形”地区.老龙山断层以北，水库回水90 km范围内均为二叠系砂岩，砂岩裂隙水为坝区灰岩水的补给源之一，故向老龙山断层以北发生灰岩水渗漏的可能性较小.永寿一唐王岭向斜轴部为相对隔水的砂页岩、页岩和砂砾岩, 在其中东店乡处，地下水位高达700m左右，可认为此处存在地下水的分水岭, 故可排除库区灰岩水向邻谷渗漏的情况.

泾河东庄水库灰岩坝区示意图如图10所示，如上所述可以得出，从上游到下游，泾河河水由沙坡断层以北的河水补给地下水，逐渐过渡到筛珠洞泉附近的地下水补给河水，故东庄水库可能存在的灰岩水渗漏主要发生在沙坡断层以北地段.在沙坡断层以北库区处出露的风箱道泉是接受河水与灰岩水的共同补给所形成的，其流量在一定程度上可以反映此处泾河河水对地下水的补给量.已知风箱道泉流量很小(1.0L/min)，而且泾河河水与灰岩水之间的水化学成分差异较大，且两者水力联系不密切，推断在沙坡断层以北地区，泾河河水向灰岩库区的渗漏虽然存在，但渗漏量并不大.

图10 泾河东庄水库灰岩坝区剖面示意图

5 结 论

通过对泾河东庄水库灰岩坝址区地表水与灰岩水水化学资料的分析表明，泾河在流经灰岩地区时，与灰岩区地下水存在着一定的水力联系.通过对河水与灰岩水的水化学成分特征值、水位值的对比研究发现，沙坡断层为阻水断层，其将坝区灰岩水分隔成南北两个子系统，其中沙坡断层以南地区地表水与地下水的水力联系紧密程度大于沙坡断层以北地区，这种联系的紧密性取决于岩溶裂隙的发育程度.

从坝址上游到下游，从泾河河水补给地下水逐渐过渡到地下水补给河水，水库可能存在的灰岩水渗漏主要发生在沙坡断层以北地段，能够在一定程度上反映河水对灰岩水补给量的风箱道泉流量很小，且泾河河水与灰岩水之间的水化学成分差异较大，此处地表水与地下水水力联系不是十分密切，故泾河河水向灰岩库区的渗漏虽然存在，但渗漏量并不大.

泾河东庄灰岩坝址处存在一定的灰岩裂隙水渗漏问题，建议对库坝区的断层、裂缝、洞穴进行常规处理，在坝基设防渗帷幕灌浆措施，以达到库坝区防渗漏的目的.