再論東莊水庫的巖溶滲漏問題

宋文搏, 徐鐵錚, 濮聲榮

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安　710001)

0　引言

東莊水庫工程勘察論證工作已經(jīng)進(jìn)行了50多年,而針對(duì)碳酸鹽巖庫段滲漏與否,滲漏程度大小,在水利水電行業(yè)形成了兩種截然不同的觀點(diǎn),致使水庫工程建設(shè)幾起幾落,長(zhǎng)期不能建設(shè),而利用涇河水除害興利造福陜西人民未能實(shí)現(xiàn)。嚴(yán)重影響著陜西經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

本文利用50多年東莊水庫有關(guān)巖溶滲漏方面勘察資料,結(jié)合近4年來大量勘察研究工作,在《論東莊水庫巖溶滲漏問題》一文基礎(chǔ)上,對(duì)水庫巖溶滲漏問題作進(jìn)一步分析論證。認(rèn)為工程所處區(qū)域可溶巖在古地理沉積建造環(huán)境具唯一性,區(qū)域構(gòu)造有其獨(dú)特性,區(qū)域水文氣候與國內(nèi)其它可溶巖區(qū)相比有差異性特點(diǎn);涇河為一條年輕河流且下切速度快,水庫區(qū)具有獨(dú)特的水文地質(zhì)條件。因此東莊水庫具有“巖溶輕微,滲漏微弱,常規(guī)防滲,沒有風(fēng)險(xiǎn)”的特點(diǎn),不應(yīng)制約工程興建。

東莊水庫擬建砼拱壩,壩高230 m,壩頂高程800 m,總庫容30.6億m3。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

涇河發(fā)源于寧夏涇源縣老龍?zhí)?由長(zhǎng)武縣進(jìn)入陜西境內(nèi),干流由彬縣至涇陽縣張家山山口峽谷段總長(zhǎng)120 km。東莊水庫壩址位于碳酸鹽巖峽谷段內(nèi),北側(cè)距砂頁巖庫段2.7 km,南距峽谷口19.4 km。

渭北隆起南部統(tǒng)稱北山區(qū),自西往東發(fā)育了千河、橫水河、漆水河、涇河、石川河、洛河等數(shù)條近南北向渭河一級(jí)支流。

東莊水庫工程位于渭北隆起中段的涇河上,屬祁、呂賀山字型構(gòu)造前弧部位。東西向老龍山斷裂(F3)是涇河段的奧陶系與石炭二疊系地層分界,乾縣—富平斷裂(ⅢF1)為南側(cè)與渭河盆地邊界,其間還發(fā)育了沙坡(F4)、張家山(F8)等數(shù)條斷層;還發(fā)育唐王陵向斜,其核部碎屑巖是主要隔水巖層。

本區(qū)出露最古老沉積地層為寒武系,中生界缺失志留系和泥盆系,奧陶系最為發(fā)育,三疊系,新生界第四系次發(fā)育。從地史看[1],本區(qū)經(jīng)過前寒武紀(jì)漫長(zhǎng)的構(gòu)造演化和造陸作用,以早古生代海相沉積碳酸鹽巖建造構(gòu)成基底,晚古生代及中、新生代河流、湖泊相沉積砂泥巖建造和風(fēng)化成因黃土構(gòu)造蓋層,經(jīng)歷了由海到陸,盆地由大到小,全面抬升和差異性升降的演化過程(圖1)。

涇河是第四紀(jì)以來鄂爾多斯地塊在北仰南俯不均衡上升運(yùn)動(dòng)背景下,形成的自北西向東南匯流的地表水系。地塊穩(wěn)定抬升與渭河盆地?cái)嘞輲Ф啻纬料菖c堆積輪回控制涇河下切速度,并發(fā)育了五級(jí)階地。研究認(rèn)為涇河形成現(xiàn)深峽谷形態(tài)歷時(shí)1.4 MaB.P左右。有史記載以來涇河下切速率達(dá)到1.55 mm/年,涇河的快速下切使流域內(nèi)現(xiàn)代巖溶發(fā)育始終處于初級(jí)階段—裂隙擴(kuò)溶階段。巖溶侵蝕、排泄基準(zhǔn)面均隨河流快速下切而下降,來不及向深部發(fā)展,沒有時(shí)間形成水平巖溶系統(tǒng),本區(qū)巖溶形跡以垂向發(fā)育淺表溶隙為主,分布分散,程度較微弱。

圖1　本區(qū)古生代以來沉積演化史示意剖面圖

2　區(qū)域巖溶水文地質(zhì)特征

本區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,一年內(nèi)四季變化分明,溫度變化較大,年降雨量小且不均,氣候較干燥,蒸發(fā)強(qiáng)烈,濕度小。

斷裂構(gòu)造控制下的巖性分布,決定了北山各河流水動(dòng)力條件及補(bǔ)給、徑流和排泄規(guī)律(如圖2)。資料證明,北山地區(qū)各河流沒有統(tǒng)一、相互聯(lián)系的地下水徑流場(chǎng)。

如千河基本為地下水補(bǔ)給河水,由于黃里鎮(zhèn)斷層阻斷,在紙坊灣中奧陶灰?guī)r中形成了流量達(dá)0.5 m3/s的上升泉(高程695 m),至馮家山水庫壩址區(qū)地下水位為642 m,高出河水位2 m。

圖2　渭北東部中段南北向地質(zhì)剖面示意圖

橫水河在白荻溝水庫壩址以上為地下水補(bǔ)給河水,以下河流為旱谷,出山口外灰?guī)r水井地下水埋深約160 m。

漆水河羊毛灣水庫壩前段灰?guī)r為河水補(bǔ)給地下水,地下水位低于河水80 m,水庫修建后漏水3年,漏量達(dá)9 000萬m3后,地下水位上升30 m,下游10 km龍巖寺灰?guī)r泉水(547 m)在干涸400多年后突然出水,水溫達(dá)34 ℃,水庫經(jīng)多次防滲處理基本不再滲漏后,泉水干涸,現(xiàn)龍巖寺灰?guī)r段山谷為旱谷。

石川河桃曲坡水庫壩址為中奧陶系灰?guī)r,壩址段河水補(bǔ)給地下水,據(jù)下游10 km莊里鎮(zhèn)水井資料,灰?guī)r地下水位為381.3 m,推斷壩址處地下水位384 m左右。

洛河沿河地質(zhì)剖面(圖2)顯示沿河分布多處斷塊山,灰?guī)r斷續(xù)分布,由北向南的黨家灣、袁家坡(洛惠渠首)和溫湯(洛西渡槽處)都有灰?guī)r出露,形成溫泉,出露高程分別為380.9 m、370 m、352 m。袁家坡泉(群)流量達(dá)3.19 m3/s。

黃河是本區(qū)最低河流侵蝕基準(zhǔn)面,也是關(guān)中盆地最低排泄面,在禹門口為380 m高程,在潼關(guān)為330 m高程?？梢钥闯鰠^(qū)內(nèi)巖溶水在西側(cè)—中部—東側(cè)并未形成統(tǒng)一徑流場(chǎng),而是因構(gòu)造引起的碳酸鹽巖階梯狀陷落和區(qū)域隔水巖層阻擋,不同河流巖溶水南北向上呈階梯狀水位下降特點(diǎn)。

如前所述,按構(gòu)造展布、相對(duì)隔水層及地下水空間分布特征,區(qū)域巖溶水可分為乾縣—涇河Ⅰ系統(tǒng),銅川—富平—蒲城Ⅱ系統(tǒng)和渭河盆地深巖溶循環(huán)Ⅲ系統(tǒng)。

3　庫壩區(qū)巖溶發(fā)育特征

3.1　巖溶發(fā)育時(shí)代

3.1.1古巖溶

圖3　工程區(qū)巖溶發(fā)育分期示意圖

3.1.2現(xiàn)代巖溶

第四系以來本區(qū)急劇抬升,地區(qū)自然環(huán)境進(jìn)入干旱時(shí)期,現(xiàn)代巖溶主要發(fā)育于區(qū)內(nèi)基巖裸露區(qū)、斷裂構(gòu)造及影響帶、河谷兩岸等淺表地層,部分則表現(xiàn)為對(duì)古巖溶的繼承。到第四系中晚期,上覆黃土地層加厚,降雨減少,其巖溶發(fā)育程度更加微弱,以涇河為代表,兩岸主要為溶孔、溶隙,以及少量與階地適應(yīng)較大、連通差的盲洞類巖溶。

3.2　巖溶發(fā)育特征及分布規(guī)律

東莊近壩段巖溶為現(xiàn)代巖溶,古巖溶不發(fā)育。巖溶主要以溶隙、溶坑、溶痕為主,溶孔、溶洞次之。溶痕、溶坑主要發(fā)育于兩岸山體中上部平緩地段,溶隙主要在陡岸坡沿巖層面、裂隙面及層間擠壓帶內(nèi)發(fā)育,溶孔、溶洞則主要沿?cái)鄬踊驅(qū)娱g擠壓帶發(fā)育。

庫壩段統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)溶洞64個(gè),洞深>10 m的僅8個(gè)。溶洞大部分具有相同特點(diǎn),深度小、洞壁較規(guī)整、內(nèi)高外低、口大里小，呈盲洞狀,至深部縮小為溶隙,與巖體風(fēng)化卸荷發(fā)育程度一致。平面上隨著遠(yuǎn)離老龍山斷層影響,溶洞發(fā)育數(shù)量逐漸減少。壩址以上可溶巖庫段分為A(老龍山斷層下1 km)、B(1～1.9 km)、C(1.9 km-壩址)三區(qū)。

可溶巖庫段實(shí)施鉆孔也揭示A區(qū)巖溶最為發(fā)育(見表1)。而河床以下段鉆孔，特別是近河床下150 m范圍內(nèi)鉆孔線巖溶率較大,隨著遠(yuǎn)離河流的河間地塊,兩岸鉆孔線巖溶率呈大幅下降趨勢(shì)。同時(shí)河間地塊鉆孔隨深度增加其線巖溶率也有明顯降低,在700 m高程以下由3%～5%降至1%～2%。這一現(xiàn)象在C區(qū)比較明顯,分析認(rèn)為A、B區(qū)受老龍山斷裂影響,其深部與淺部巖溶發(fā)育程度差異表現(xiàn)不明顯。

表1　東莊水庫可溶巖庫壩段鉆孔線巖溶率統(tǒng)計(jì)表

在A、B區(qū)平硐(深787 m及345 m)揭示,兩區(qū)深部未發(fā)現(xiàn)大溶洞,僅發(fā)育極少量溶孔、溶隙,其規(guī)模也僅數(shù)厘米。壩址C區(qū)灰?guī)r段布設(shè)了31條平硐(總長(zhǎng)度2 553 m,最深195.5 m),統(tǒng)計(jì)也僅發(fā)現(xiàn)規(guī)模不大的7個(gè)溶洞,最大洞徑1.6 m。平硐還揭示兩岸溶洞、溶隙主要發(fā)育700 m高程以上風(fēng)化卸荷帶的淺表巖溶,與構(gòu)造影響帶伴生。

3.3　巖溶發(fā)育受控因素

庫壩段水—巖相互作用試驗(yàn)[5]表明:O2灰?guī)r中可溶性分組(Ca和Mgo)含量(56.87%)大于O1白云巖(均值31.32%),表明白云巖及韻律段巖石可溶性較差。

用涇河水作溶液對(duì)庫段灰?guī)r及白云巖進(jìn)行水—巖作用試驗(yàn)時(shí),兩巖樣與河水相互作用處于相對(duì)平衡狀態(tài),并有沉淀作用發(fā)生,表明涇河水對(duì)該區(qū)域巖石溶蝕作用較弱。而以去離子水(模擬動(dòng)水件)試驗(yàn)時(shí)灰?guī)r質(zhì)量損失為23.488 mg/100 g,白云巖為41.483 mg/100 g,與兩類巖石可溶性分組含量相反。分析認(rèn)為這與區(qū)域性老龍山斷裂構(gòu)造對(duì)白云巖完整性影響有關(guān),巖石結(jié)構(gòu)受損,微裂隙發(fā)育,使溶液與巖石表面接觸面增加而引起其溶失量大于灰?guī)r。試驗(yàn)結(jié)果與區(qū)域構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育影響規(guī)律一致,表明區(qū)段巖溶發(fā)育受構(gòu)造影響顯著。

4　庫壩區(qū)水文地質(zhì)條件

4.1　地下水賦存條件

工程區(qū)內(nèi)地下水按含水介質(zhì)可劃分為松散類孔隙水、碳酸鹽巖巖溶水、碎屑巖類裂隙水。碳酸鹽巖巖溶水在這一地區(qū)廣泛分布,含水層主要為寒武—奧陶系灰?guī)r、白云巖,補(bǔ)給來源主要為降雨及河流入滲以及黃土、碎屑巖層的地下水補(bǔ)給。巖溶水根據(jù)其賦存形式可分為淺表巖溶水及深層巖溶水,其特性與裂隙水近似。

淺表巖溶水位于碳酸鹽巖風(fēng)化卸荷殼內(nèi),新鮮巖為相對(duì)隔水層,巖溶水在風(fēng)化卸荷殼內(nèi)運(yùn)移并向低洼地帶排泄,或受阻于隔水巖層以下降泉形式出露。如涇河左岸峽口、徐家山、宋家山、候家山等泉。

深層水則主要賦存于深部新鮮巖層的構(gòu)造裂隙、破碎帶形成的巖溶孔、洞內(nèi),并無穩(wěn)定連續(xù)地下水位,其主要受淺表水及地表水入滲補(bǔ)給,以層狀或帶狀賦存并運(yùn)移在區(qū)段排泄基準(zhǔn)面以泉或補(bǔ)給其它系統(tǒng)形式排泄,如篩珠泉群主要為深層巖溶水出露;風(fēng)箱道泉?jiǎng)t為深層水與淺層水混合。

4.2　地下水水化學(xué)特性

對(duì)工程區(qū)井、孔及泉水水化學(xué)統(tǒng)計(jì)(表2)看,受唐王陵向斜及沙坡斷層下盤頁巖阻隔形成不同單元,水化學(xué)成分明顯不同。

表2　東莊水庫不同水系統(tǒng)水化學(xué)特性分類統(tǒng)計(jì)表[5]

篩珠洞泉與涇河水離子含量也相差10倍以上,表明涇河對(duì)其補(bǔ)給量非常小。風(fēng)箱道泉及河床ZK322鉆孔各水化學(xué)成份較涇河水含量雖低,但差別不是非常大,分析認(rèn)為這一單元地下水除接受遠(yuǎn)源西側(cè)滾村泉、東側(cè)鉆天嶺補(bǔ)給外,也有涇河地下水補(bǔ)給。

風(fēng)箱道泉、ZK322號(hào)鉆孔和口鎮(zhèn)方向張宏村、薛家村基巖井水比較,兩者水化學(xué)成份差異不甚明顯,通過其無法排除涇河?xùn)|向滲漏可能。但左岸河間地塊宋家山泉、候家山泉水化學(xué)成分與口鎮(zhèn)方向井水也比較相近,表明受鉆天嶺一帶灰?guī)r地下水補(bǔ)給口鎮(zhèn)基巖地下水也會(huì)形成現(xiàn)有水化學(xué)特點(diǎn)。因此通過水化學(xué)成分無法證明涇河向東滲漏。

4.3　地下水位及巖體滲透性

碳酸鹽巖庫段地下水位觀測(cè)成果可以看出,壩址及兩岸近壩段水位在560～580 m間變化,低于河水位10～30 m,而庫段兩岸山體1 km深左右地下水位在567～570 m?，F(xiàn)狀水位已低于原沙坡斷層處的峽口、d300號(hào)和d373號(hào)三處泉水*李有學(xué)、陸曉輝，涇河?xùn)|庫水庫論文選集，1999。已干涸,仍高于風(fēng)箱道泉水(高程550 m),該單元集中排泄點(diǎn)就位于此處,而風(fēng)箱道等四個(gè)泉水為最低排泄點(diǎn)?？邕^沙坡斷層南側(cè)區(qū)域,地下水位突降為458 m(百井村井水)～452 m(篩珠洞泉)。

新完成左岸鉆天嶺北側(cè)兩個(gè)鉆孔(YRZK- 05、YRZK- 01)水位在723 m與737 m高程,涇河左岸河間地塊存在分水嶺,其水位雖低于未來庫水位,但遠(yuǎn)高于該段涇河水位,也說明這一區(qū)域東西向沒有巖溶管道存在,懸托河有“底”可尋,地下水主要賦存于淺表的風(fēng)化卸荷層內(nèi)的淺表巖溶水。

鉆孔壓水試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)(表3)表明現(xiàn)河床以下,隨著鉆孔深度增加,其單位透水率呈減弱趨勢(shì),500 m高程以上為弱透水性層,往下局部存在較強(qiáng)透水段,但總體在高程460 m以下巖體透水率基本<5 Lu。庫區(qū)1號(hào)平硐揭示老龍山斷層屬壓性斷層,擠壓緊密而透水性微弱;壩區(qū)30余條平硐揭露巖體除淺表風(fēng)化卸荷帶外,巖體僅發(fā)育少量溶孔溶隙,透水性也很差。

4.4　地下水補(bǔ)給、徑流和排泄特征

右岸補(bǔ)給區(qū)主要為滾村泉—五峰山—涇河段約80 km2區(qū)域;左岸補(bǔ)給區(qū)為鉆天嶺—涇河段基巖山地的30 km2區(qū)域,其徑流則分別受南北兩側(cè)的老龍山斷層及沙坡斷層頁巖夾持,分別由滾村泉與鉆天嶺向涇河以補(bǔ)給+徑流模式運(yùn)動(dòng)。

圖4　滾村泉—沙坡—篩珠洞泉Ⅰ2子系統(tǒng)水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖[4-6,8]

表3東莊壩址區(qū)鉆孔透水率統(tǒng)計(jì)表[5]

Table 3The drilling permeability rate statistics of Dongzhuang dam area

統(tǒng)計(jì)高程m統(tǒng)計(jì)段數(shù)段數(shù)/百分比(%)平均值最大值最小值>5Lu3～5Lu1～3Lu<1LuLu550～5001208/6．710/8．333/27．569/57．51．338．120500～4608314/14．09/11．015/18．047/57．01．939．60．02460～420542/3．74/7．417/31．531/57．41．246．950．09低于420141/7．10/04/28．69/64．30．925．850．01

單元集中排泄區(qū)位于沙坡斷層北,沿線分布有風(fēng)箱道、峽口、d380號(hào)、d373號(hào)四個(gè)泉水,為集中排泄區(qū)。地下水主由滾村泉→涇河、鉆天嶺→涇河,以深層+淺表巖溶向涇河運(yùn)移,以泉及潛流沿此段涇河兩岸排泄,并不受其它地下水系統(tǒng)控制。

5　水庫滲漏可能性分析及防滲

5.1　水庫滲漏

(1)本區(qū)未發(fā)育古巖溶,涇河形成時(shí)間短,主要在風(fēng)化卸荷殼內(nèi)發(fā)育淺表巖溶,沒有發(fā)育巖溶管道系統(tǒng)條件。壩址所處水文地質(zhì)單元在其發(fā)展過程中補(bǔ)給區(qū)域有限,地下水循環(huán)運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)烈,也難以形成巖溶管道系統(tǒng),僅以溶隙、溶孔型方式進(jìn)行循環(huán)。

(3)庫壩段巖溶發(fā)育程度微弱,以淺表巖溶為主;鉆孔壓水試驗(yàn)顯示兩岸及壩基河床下460 m高程以上巖體透水率稍大,以下巖體透水性微弱。水庫蓄水后,會(huì)在兩壩肩300～500 m內(nèi),460 m高程以上范圍內(nèi)巖體產(chǎn)生溶隙型滲漏問題,水庫有“底”可尋。

(4)涇河碳酸鹽巖段南北向以沙坡斷層為界地下水位呈階梯狀下降,沒有明顯分水嶺存在。庫壩段左右河間地塊均有地下水分水內(nèi)嶺存在,表明其河間地塊內(nèi)沒有排泄暢通的管道系統(tǒng),水庫東、西、北三側(cè)均有“盆邊”存在,蓄水后不會(huì)出現(xiàn)巖溶管道式滲漏問題。

(5)老龍山斷層為壓性斷層,斷層帶致密,不會(huì)形成東西向的滲漏通道。斷層南側(cè)白云巖體完整性差,微裂隙發(fā)育,巖石水—巖作用相對(duì)較強(qiáng),但由于地下水位循環(huán)不暢,未能發(fā)育管道系統(tǒng),其地下水主要以裂隙、溶隙型徑流為主,且左岸地下水位高。隨著水庫水位升高,沿老龍山斷層與南側(cè)白云巖一帶發(fā)生滲漏可能性小。

5.2　水庫防滲方案

5.2.1以壩基及繞壩滲漏為重點(diǎn)

東莊壩址壩基及壩肩一定深度范圍均處屬淺表巖溶,工程防滲處理應(yīng)主要集中于該處,壩基防滲深度可按460 m高程考慮;兩壩肩防滲左右各延伸300～500 m即可,下限按500 m高程考慮。

5.2.2利用水庫淤積對(duì)庫區(qū)防滲[6]

渭北區(qū)已建設(shè)的羊毛灣水庫、桃曲坡、馮家山水庫均存在巖溶滲漏問題,當(dāng)各水庫在淤積至一定厚度時(shí),水庫巖溶滲漏量均明顯減少或消失;而國內(nèi)有名的懸托型水庫水槽子,在水庫淤積厚10 m時(shí)水庫滲漏基本消失。工程經(jīng)驗(yàn)均表明水庫淤積對(duì)庫區(qū)防滲有很好效果。

6　結(jié)論

東莊水庫位于渭北北山地區(qū)涇河碳酸鹽巖地段,為相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元,其東、西兩側(cè)均有地下分水嶺,北側(cè)有碎屑巖作為隔水層,南側(cè)有沙坡斷層逆沖出露頁巖控制其巖溶侵蝕基準(zhǔn)面。

庫壩發(fā)育著以溶孔、溶隙為主淺表型巖溶,不會(huì)形成巖溶管道滲漏問題,巖溶滲漏問題不會(huì)對(duì)工程安全造成大的影響。老龍山斷層影響帶內(nèi)巖溶也以裂隙、溶隙型為主,沒有巖溶管道存在,少量滲漏不會(huì)對(duì)周邊產(chǎn)生大的影響,可不進(jìn)行防滲處理,加強(qiáng)河間地塊地下水監(jiān)測(cè)即可。水庫興建后,即使產(chǎn)生少量滲漏問題,隨著淤積加厚也將會(huì)逐漸減少以至消失。

參考文獻(xiàn):

[1]張國偉,李建星,等.渭北北山及鄰區(qū)(渭河盆地)古生代以來地質(zhì)演化[R]：西安:西北大學(xué)，2011.

[2]濮聲榮.地質(zhì)工程實(shí)踐與探索[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2012:125-198.

[3]周益民,王全偉,等.涇河?xùn)|莊水利樞紐工程巖溶滲漏專題研究報(bào)告[R].鄭州:黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，2012.

[4]劉釗,等.陜西省東莊水利樞紐工程項(xiàng)目建議書階段工程地質(zhì)報(bào)告[R].西安:西北勘測(cè)研究院，2002.

[5]宋漢周,霍吉祥,等.陜西省東莊水利樞紐工程庫壩區(qū)水—巖相互作用模擬研究報(bào)告[R].南京：河海大學(xué)，2011.

[6]濮聲榮.論東莊水庫巖溶滲漏問題[J].資源與環(huán)境工程,2013,27(4):416-421.