萬家寨水利樞紐庫區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律分析與回顧

楊光 袁彥超 喬東玉 李德群

1 工程概況

萬家寨水利樞紐樞紐擋水建筑物為混凝土重力壩，最大壩高105.84 m，最高蓄水位980 m，總庫容8.96億m3，總裝機容量1 080 MW，年發(fā)電27.5億kW·h，年供水14億m3。工程開工時間為1994年底，1995年12月截流，1998年10月1日蓄水，2000年 竣 工[1-3]。

2 區(qū)域地質(zhì)概況

工程區(qū)廣泛分布寒武系、奧陶系灰?guī)r地層，溶隙、溶洞、巖溶漏斗、溶蝕裂隙、溶孔發(fā)育?？辈熨Y料表明庫區(qū)左岸地下水補給河水，距河道一定距離地下水位逐漸接近至超過水庫正常蓄水位，因此，左岸不存在水庫滲漏問題；而庫區(qū)右岸龍王溝和黑岱溝一代地下水位低于黃河水位60多m，因此，庫區(qū)右岸存在巖溶滲漏問題。

庫區(qū)右岸沖溝發(fā)育，較大的沖溝有小魚溝、窯溝、龍王溝、黑岱溝、罐子溝，如圖1所示。形成一系列黃土梁、峁。地形上總體中間高，東側(cè)向黃河傾斜，西側(cè)向十里長川傾斜。

地表廣泛分布著黃土及風成沙土，僅在黃河岸邊及大型溝谷地帶基巖出露，其中寒武、奧陶系碳酸鹽類地層沿黃河右岸出露面積約71.2l km2，向西逐漸深埋于地下，總體上北部薄南部厚。在曹家灣一帶往下游有碳酸鹽類巖層出露區(qū)[4-5]。

圖1 區(qū)域地質(zhì)圖

區(qū)域基巖地層呈單斜構(gòu)造，總體向西和南西傾斜，傾角3°～5°。在平緩的單斜構(gòu)造上發(fā)育有程度不同、規(guī)模不大的褶曲、撓曲及斷裂等構(gòu)造形跡。較大的構(gòu)造北部有窯溝、西黃家梁撓曲；西部有柳樹灣、麻長咀撓曲；南部有紅樹峁-歐梨咀、壕川撓曲，以及焦稍溝斷層和榆樹灣斷層。榆樹灣斷層由北西向南東方向延伸至黃河岸邊附近變成撓曲逐漸尖滅。斷層致使南西側(cè)石炭系碎屑巖地層下降直接與寒武、奧陶地層接觸，構(gòu)成了巖溶地下水向西南排泄的阻水屏障，導(dǎo)致在榆樹灣一帶巖溶地下水沿黃河岸邊以泉群形式出露于地表。

3 庫區(qū)右岸巖溶發(fā)育規(guī)律

庫區(qū)除沿黃河岸邊有寒武、奧陶系碳酸鹽巖地層出露外，兩岸大部分被覆蓋或埋藏于地下。地表巖溶以溶隙、溶洞、旱谷、巖溶泉為主，并有少量巖溶漏斗分布；淺部以層狀和垂直裂隙或溶蝕裂隙為主；深部以溶孔、蜂窩狀溶孔為主，多數(shù)裂隙閉合，個別地段地下水位以下數(shù)百米仍有較寬的溶蝕裂隙發(fā)育。此外，在埋藏區(qū)的奧陶系碳酸鹽巖的古剝蝕面上，發(fā)育有寬大溶蝕溝槽及囊狀洞穴等古巖溶。區(qū)域巖溶發(fā)育程度屬中等-弱。

3.1 地表巖溶

采用航空影像和地質(zhì)調(diào)查相結(jié)合的方式對地表巖溶展開調(diào)查，地表溶隙、溶洞、旱谷、巖溶泉的發(fā)育情況見表1。

表1 地表巖溶發(fā)育情況

3.2 地下巖溶

地下巖溶有溶洞、溶蝕裂隙、溶孔、孔洞等。采用鉆孔對右岸地下巖溶進行勘察，在完成25個鉆孔中有17個鉆孔揭露到有溶洞、裂隙式溶洞發(fā)育，占鉆孔總數(shù)的68%，具體發(fā)育情況見表2。

總體看，庫區(qū)右岸以下馬家溝組第二段以上灰?guī)r巖溶發(fā)育最強；亮甲山組、冶里組和鳳山組次之；崮山組和張夏組最弱。

表2 地下巖溶發(fā)育情況

3.3 巖性及構(gòu)造對巖溶發(fā)育的影響

3.3.1 巖性對巖溶發(fā)育的影響

通過對龍王溝—龍口（榆樹灣）地段各巖組進行的化學成份、礦物含量分析，馬家溝組灰?guī)r中上部的CaO含量高達50%，方解石含量占95%～100%，而寒武系的張夏組和崮山組稍高。對410個薄片鑒定成果進行統(tǒng)計，馬家溝組以下的各巖組，巖石原生結(jié)構(gòu)多為碎屑狀結(jié)構(gòu)，且單層厚度不大，而馬家溝灰?guī)r以隱晶、泥晶、微粒結(jié)構(gòu)為主，且單層厚度較大，因而裂隙的貫通性好，有利于地下水循環(huán)交替，巖溶相對發(fā)育。鉆孔中巖溶線性率，馬家溝組為0.31%～18.19%，亮甲山組0.07%～6.78%，其它各巖組均較小。

在白云巖中巖溶亦較發(fā)育。亮甲山組至鳳山組及馬家溝組局部巖層，白云石含量高達90%以上。經(jīng)薄片鑒定，部分樣品含有石膏，少的為0.13%～0.2%，多的達2%～3%，最大為5%。在裂隙發(fā)育地區(qū)的地下水循環(huán)帶，在適當溫度下會發(fā)生脫白云化作用。觀察發(fā)現(xiàn)某些白云巖層中，蜂窩角礫狀白云巖也較為普遍。

3.3.2 構(gòu)造對巖溶發(fā)育的影響

在未受到強烈構(gòu)造破壞的近水平巖層，巖溶作用多沿層面及構(gòu)造裂隙面溶蝕擴展而成溶隙或裂隙式溶洞。前者順層發(fā)育，限于兩個層面之間，呈扁平狀；后者常沿層面發(fā)育的溶洞連在一起呈串珠狀。燕山運動使巖層撓曲和斷層發(fā)育，為地下水循環(huán)交替創(chuàng)造有利條件，常在繞曲或斷層的一側(cè)或兩側(cè)，巖溶相對發(fā)育。由于地殼間歇性上升，致使近代巖溶在垂向的發(fā)育具有成層性的規(guī)律。

4 右岸巖體滲透性及對建庫的影響

4.1 滲漏形式

在前期勘察中發(fā)現(xiàn)距黃河右岸20 km附近地下水位比黃河水位低30 m左右，在下游龍口地段右岸地下水位又略高于黃河水位，說明水庫右岸存在地下水位低槽帶，具備永久滲漏的水文地質(zhì)條件，滲漏剖面如圖2所示。因此，右岸巖溶滲漏問題成為該工程建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)難題。滲漏范圍大致由長約46.5 km碳酸鹽巖出露的庫岸。主要入滲段位在龍王溝口下游約2.0 km處至黑岱溝口下游約5.5 km處，以馬家溝巖組地層出露為主總長約13 km的地段，至下游排泄區(qū)滲徑總長達50 km。入滲位于在黃河岸邊平均寬約2.0 km左右范圍內(nèi)，岸邊地下水位坡降相對較陡地段。

圖2 右岸巖溶滲漏剖面示意圖

勘察過程中，沒有發(fā)現(xiàn)貫穿性很長的溶洞，無論在入滲區(qū)或排泄區(qū)，都沒有發(fā)現(xiàn)管道式入滲或排泄形式。榆樹灣地段地下水都是以分散狀泉群排泄于黃河，因此，不存在管道式滲漏通道，庫區(qū)右岸巖溶滲漏形式主要為巖溶裂隙式滲漏。

4.2 滲漏量估算

為論證右岸巖體滲透性，現(xiàn)場相繼開展了抽水試驗、壓水試驗、以及運用地下水動態(tài)信息對右岸巖體的透水性進行分析。

庫區(qū)右岸分為上、中、下游3個滲漏段，中段（從龍王溝口下游2 km至黑岱溝口下游7.5 km，河段長15 km）由于沖溝發(fā)育、奧陶系中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r出露面積大，且發(fā)育有焦稍溝斷層，為主要滲漏地段。

4.2.1 抽水試驗

按照庫區(qū)、壩址和排泄區(qū)分為3個地段的抽水試驗結(jié)果進行統(tǒng)計，庫區(qū)分別在鉆孔SK01、SK02、SK04、SK05、SK06、SK08中進行了13段次抽水試驗，滲透系數(shù)1.16×10-9～1.95×10-5m/s，平均2.15×10-6m/s；壩址在鉆孔ZK27中進行了1段次抽水試驗，滲透系數(shù)1.05×10-5m/s；排泄區(qū)分別在鉆孔SK09、SK10、SK11、SK13中進行了13段次抽水試驗，滲透系數(shù)1.50×10-7～5.95×10-4m/s，平均1.10×10-4m/s。

從抽水試驗成果表可以看出，3個地段巖體的滲透系數(shù)都不大，排泄區(qū)巖體滲透系數(shù)最大，庫區(qū)巖體滲透系數(shù)最小。

4.2.2 壓水試驗

在庫區(qū)黑岱溝附近3個鉆孔進行了62段壓水試驗，其中無壓漏水段在下馬家溝組第2段占總段長的10%，而在亮甲山組占總段長的3.7%?？梢姷冖窈畮r組（中奧陶系含水巖組）滲透性最強，第Ⅱ含水巖組（下奧陶系—上寒武系風山組含水巖組）次之，第Ⅲ含水巖組（上寒武系崮山組—中寒武系張夏組含水巖組）最弱。

在壩址34個孔459段壓水試驗中，無壓漏水段有5段，其中鳳山組有1段，占總段長的5.49%；崗山組有2段，占總段長的3.7%；張夏組有1段，占總段長的0.25%，隨著孔深的增加，其滲透性相應(yīng)變?nèi)酢?/p>

從壓水資料分析，同一巖組的滲透性，表現(xiàn)出補給區(qū)較弱，排泄區(qū)較強，與抽水試驗結(jié)果一致。

4.2.3 滲透量估算

根據(jù)抽水試驗和壓水試驗的結(jié)果，從上游到下游將庫岸分為上中下3段進行滲漏量估算。3段滲漏總量最大值為13.56 m3/s，平均值8.50 m3/s，大值平均值8.20 m3/s（計算中舍去滲透系數(shù)最大值），最小值5.73 m3/s。

故此判斷水庫右岸總滲漏量為8～10 m3/s。

4.3 滲漏對建庫影響分析

黃河枯水期流量小，除個別年份外，一般在100 m3/s以上，而上游工程設(shè)計枯水期進入萬家寨水庫區(qū)流量為250 m3/s。水庫蓄水后滲漏形式以巖溶裂隙式滲漏為主，初步估算最大滲漏量為10.63 m3/s。

估算水庫滲漏量5.73～13.56 m3/s，占入庫流量2.29%～5.42%。由此得出“右岸巖溶滲漏量不會影響工程效益”的結(jié)論，并建議預(yù)留一定的工程量，對可能發(fā)生滲漏量較大地段進行必要的處理，同時加強地下水動態(tài)監(jiān)測，繼續(xù)對該問題進行研究。

5 蓄水運行期滲漏驗證與評價

水庫于1998年開始蓄水，為評價蓄水期水庫右岸巖溶段滲漏途徑和滲漏量，進行了右岸巖溶滲漏問題專題分析研究，采取了地下水示蹤試驗和數(shù)值模擬計算。

5.1 示蹤試驗

5.1.1 示蹤劑投放與取樣

為滿足示蹤劑相關(guān)技術(shù)要求，在充分考慮對環(huán)境影響小的情況下，試驗中選定了鉬酸銨（Mo（VI））、碘化鉀（I-）、亞硝酸鈉（NO2--N）和重鉻酸鉀4種示蹤劑。再確定各試劑的投放點和投放量：SK1溶洞投鉬酸銨150 kg、ZK176孔投亞硝酸鈉20 kg、ZK162孔投碘化鉀50 kg、SK34孔投重鉻酸鉀20 kg、ZK193孔投碘化鉀50 kg。

2001年3月水庫蓄水時隨地下水位逐步抬升進行示蹤試驗。初期每小時取樣1次，然后視檢測結(jié)果改為每2～4 h取樣1次，最后至每天取樣1次，為及時獲得示蹤劑接收信息，取得實驗數(shù)據(jù)共計11 911個[6]。

5.1.2 滲流速度監(jiān)測

通過示蹤樣品檢測發(fā)現(xiàn)，從SK1溶洞到RZK1、RZK2孔，從ZK176和ZK162孔到ZK179、ZK180、ZK181孔連通性較好，地下水流速較快。

水庫蓄水到975 m時，地下水流速度介于5～25 m/h。隨庫水位進一步上升，地下水流速明顯增大。在陽壕溝（SK1、SK2溶洞位置）附近沿裂隙和巖溶發(fā)育帶發(fā)生了較集中滲漏；在主徑流帶上水流速度達到20～100 m/h。主徑流帶上平均水流速度約是補給區(qū)的4倍。

5.2 地下水數(shù)值模擬計算

根據(jù)前期勘察成果，將工程區(qū)地層劃分為3個含水巖組，數(shù)值模擬計算時視為多層含水層、透水巖體，不考慮垂向滲透，水平滲透系數(shù)由3個含水層及各層在地下水位下厚度決定。

模擬計算區(qū)范圍2 758 km2，采用不規(guī)則有限差方法，建立起多重介質(zhì)、多重水位和多重釋水的巖溶水快速滲流模型，以模擬地下水實際流速。再根據(jù)鉆孔揭露的地層剖面及抽水試驗、監(jiān)測等實測資料給出所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參數(shù)，模型反演1997年9月16日 至2000年3月30日，計927 d，分為76個時段，利用數(shù)值模擬對現(xiàn)狀條件下水庫不同運行水位時的滲漏量進行了計算分析和預(yù)測，模擬結(jié)果見表3。

表3 庫水滲漏量模擬分析計算 m3/s

水庫水位970 m時，陽壕溝至大焦稍溝滲漏量為3.56 m3/s，其中陽壕溝口段滲漏量為3.17 m3/s，大焦稍溝口段滲漏量為0.24 m3/s。當水位980.0 m時，陽壕溝至大焦稍溝滲漏量為4.48 m3/s，其中陽壕溝口段滲漏量為4.00 m3/s，大焦稍溝口段滲漏量為0.31 m3/s。實際流速達8.412 m/h，與示蹤試驗結(jié)果基本吻合。

5.3 水庫運行期監(jiān)測情況

運行期對庫區(qū)右岸19個鉆孔的地下水位、下游泉水水量，實施了長期監(jiān)測，并針對重點滲漏段進行了補充勘察，包括地質(zhì)調(diào)查、測繪、山地開挖、鉆探及示蹤試驗研究等，進一步驗證了庫區(qū)滲漏部位、滲流方式及滲漏量。

庫區(qū)右岸巖溶滲漏的形式以巖溶裂隙式滲漏為主，局部存在集中滲漏現(xiàn)象。水庫滲漏以中游段（長15 km）為主，上游段和下游段尚未發(fā)現(xiàn)較大滲漏現(xiàn)象。通過對蓄水前后巖溶地下水的監(jiān)測，說明前期對巖溶地下水動態(tài)預(yù)測的勘察結(jié)論符合實際，對入滲區(qū)、徑流區(qū)（巖溶地下水低緩帶）、排泄區(qū)的認識基本正確。示蹤試驗?zāi)M計算成果，當庫水位為980.00 m時，滲漏量為15.81 m3/s。

樞紐運行多年來，黃河水量持續(xù)偏枯，至2002年壩址年徑流量99億～290億m3，平均154億m3，比原設(shè)計年徑流量192億m3偏少19.79%，導(dǎo)致電廠的發(fā)電量偏少。

5.4 后評價

水庫蓄水以來的資料表明，水庫右岸巖溶滲漏量為10～15 m3/s，與勘察估算滲漏量（8～10 m3/s）誤差25%～30%。

水庫巖溶滲漏量與前期勘察預(yù)測較為相近，庫區(qū)滲漏問題對大壩和電站的運行基本沒有影響，也沒有出現(xiàn)對環(huán)境的明顯不利影響。考慮到72 km長的庫岸線，沿河溝壑發(fā)育，地表大部分有黃土、沙土覆蓋，下部巖體內(nèi)的溶孔、溶隙、溶洞發(fā)育不均，斷層裂隙相互切割交匯，地下水的流向及水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，勘測設(shè)計成果對滲漏量估算誤差25%～30%，應(yīng)該說對水庫滲漏問題的判斷結(jié)論是恰當?shù)摹?/p>

但前期對局部巖溶滲漏問題的認識也存在不夠深入，在原來判斷的水庫主要滲漏地段的滲透性比原預(yù)估的要強，尤其是庫水直接注入溶洞、沿F4斷層帶附近形成的一系列塌坑、漏斗、部分地下水觀測孔水位與庫水位漲落關(guān)系明顯等現(xiàn)象，說明這一帶已經(jīng)發(fā)生了較大的集中滲漏問題。因此，應(yīng)對整個庫區(qū)右岸加強監(jiān)測，密切關(guān)注主要滲漏段動態(tài)，進一步補充勘察和采取相應(yīng)處理措施是必要的。

如果按滲漏量10 m3/s考慮，樞紐年損失有效電量約4 400萬kW·h，減少發(fā)電收入約650萬元，所以對水庫右岸進行防滲處理的經(jīng)濟效益非常顯著。建議加強庫區(qū)右岸滲漏觀測和補充勘測工作，查清主要滲漏通道，盡早采取處理，以提高水庫供水和發(fā)電效益。

6 結(jié) 語

（1）萬家寨水利樞紐庫區(qū)右岸巖溶以溶隙、溶洞、旱谷、巖溶泉為主，并有少量巖溶漏斗分布。淺部以層狀和垂直裂隙或溶蝕裂隙為主，深部以溶孔、蜂窩狀溶孔為主，多數(shù)裂隙閉合，個別地段地下水位以下數(shù)百米仍有較寬的溶蝕裂隙發(fā)育。巖溶發(fā)育以下馬家溝組第二段以上的灰?guī)r最強；亮甲山組、冶里組和鳳山組次之；崮山組和張夏組最弱。

（2）水庫右岸存在地下水位相對低緩帶，具備巖溶滲漏的水文地質(zhì)條件，接受庫水補給和向下游以巖溶裂隙式滲漏。

（3）根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗和壓水試驗成果，通過巖溶滲漏模擬計算，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。黃河枯水期最小流量（除個別年份外）一般在100 m3/s以上，工程設(shè)計枯水期上游進入水庫區(qū)流量為250 m3/s，滲漏量占入庫流量2.29%～5.42%。水庫建成后，沒有因為庫區(qū)滲漏而導(dǎo)致水庫水位發(fā)生明顯的變化，說明右岸巖溶滲漏問題不影響建庫的結(jié)論是正確的。

（4）水庫蓄水后，右岸巖溶滲漏量為10～15 m3/s，與勘察估算滲漏量（8～10 m3/s）誤差25%～30%。針對巖溶滲漏的復(fù)雜性，庫區(qū)右岸長72 km滲漏范圍，滲漏量估算存在少量誤差是可以理解的。

（5）巖溶滲漏是復(fù)雜的水文地質(zhì)問題，主要滲漏部位、巖體滲透性、滲漏方式需要深入調(diào)查研究。工程運行期間應(yīng)加強監(jiān)測，對發(fā)生滲漏量較大部位研究進行處理的必要性。工程右岸巖溶處理有一定的經(jīng)濟效益，建議加強觀測和勘測研究，查清主要滲漏通道并盡早處理，以提高水庫供水和發(fā)電效益。