溪洛渡水電站蓄水前后灰?guī)r水文地質(zhì)條件變化分析

徐海洋 崔長(zhǎng)武 張紹成

摘要：溪洛渡水電站自蓄水發(fā)電以來(lái)，在壩址上下游一定范圍內(nèi)均發(fā)生了谷幅變形。國(guó)內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)研究認(rèn)為，蓄水后壩址區(qū)水文地質(zhì)條件的改變是引起谷幅變形的重要因素之一?；跍囟葓?chǎng)和滲流場(chǎng)專(zhuān)題研究工作所收集的大量基礎(chǔ)資料，從溫度、水位、水質(zhì)和同位素4個(gè)方面對(duì)比研究了溪洛渡水電站蓄水前后灰?guī)r承壓水水文地質(zhì)變化特征。分析表明：蓄水后壩基下部灰?guī)r承壓水溫度沒(méi)有明顯變化，承壓水水位受水庫(kù)蓄水影響大幅升高，少量庫(kù)水入滲到灰?guī)r承壓水中導(dǎo)致承壓水水質(zhì)有所改變，灰?guī)r承壓水仍然主要來(lái)自于區(qū)域盆地周邊灰?guī)r出露區(qū)大氣降雨補(bǔ)給，通過(guò)深部循環(huán)向金沙江排泄。

關(guān) 鍵 詞：

灰?guī)r承壓水; 涌水; 水溫; 同位素; 溪洛渡水電站; 金沙江

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV697.32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.011

1 研究背景

溪洛渡水電站是金沙江下游梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第三級(jí)水電站，混凝土雙曲拱壩壩高285.5 m，裝機(jī)容量為13 860 MW。自2013年5月水庫(kù)下閘蓄水、2014年9月達(dá)到正常蓄水位600 m以來(lái)，工程已安全運(yùn)行6 a。但自蓄水發(fā)電以來(lái)，在壩址區(qū)上下游一定范圍內(nèi)布設(shè)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)同時(shí)監(jiān)測(cè)到谷幅變形[1]，這一現(xiàn)象引起了中國(guó)水電行業(yè)專(zhuān)業(yè)人員的廣泛關(guān)注[2-3]。國(guó)內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)研究認(rèn)為：蓄水后，壩址區(qū)水文地質(zhì)條件的改變是引起谷幅變形的重要因素之一[4-6]。

在可研階段，國(guó)內(nèi)許多專(zhuān)家對(duì)溪洛渡的水文地質(zhì)條件做了深入的研究，周志芳等[7]從溫度場(chǎng)、同位素、水化學(xué)場(chǎng)等多角度，分析了壩址區(qū)地下水局部溫度高和局部承壓等異常現(xiàn)象;梁杏等[8-9]運(yùn)用地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論，闡明了壩區(qū)地下水異常現(xiàn)象的成因與條件。大壩建成蓄水后，由于缺乏壩址區(qū)水位、水溫等基礎(chǔ)資料，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)蓄水后壩址區(qū)水文地質(zhì)條件研究較少。

為了探討溪洛渡工程出現(xiàn)的谷幅變形成因機(jī)制，成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司開(kāi)展了壩址區(qū)溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)專(zhuān)題研究工作。本文基于溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)專(zhuān)題研究工作所收集的大量基礎(chǔ)資料，對(duì)壩基下伏灰?guī)r地下水蓄水前后的水文地質(zhì)條件進(jìn)行了對(duì)比分析，為目前的谷幅變形提供了數(shù)據(jù)支撐，為后續(xù)水利樞紐的安全評(píng)價(jià)提供了科學(xué)的依據(jù)。

2 地質(zhì)概況

溪洛渡水電站壩址位于永盛向斜盆地內(nèi)，四周被背斜及葉竹坪隆起圍限（見(jiàn)圖1），向斜軸向北東，其中北西翼地層平緩，傾角為10°～15°，南東翼較陡，傾角為20°～35°，盆地北東長(zhǎng)35 km，北西寬25 km，面積約750 km2，為一個(gè)沒(méi)有被區(qū)域斷裂切割的、寬緩且相對(duì)完整的構(gòu)造向斜盆地。

根據(jù)地下水含水介質(zhì)類(lèi)型和滲透性的差異，壩址區(qū)巖體水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可分為阻水結(jié)構(gòu)和透水結(jié)構(gòu)兩大類(lèi)[10～13]。阻水結(jié)構(gòu)由分布于壩區(qū)谷肩頂部的二疊系宣威組（P2x）碎屑沉積巖（阻水地層①）、峨眉山玄武巖P2β14、P2β13和P2β11頂部的紫紅色凝灰?guī)r、P2βn泥頁(yè)巖層（阻水地層②）和志留系（S）頁(yè)巖層（阻水地層③）組成。其中，宣威組的碎屑沉積巖和志留系頁(yè)巖成層穩(wěn)定，在整個(gè)區(qū)域內(nèi)連續(xù)分布，分別是頂部孔隙含水層和深部灰?guī)r含水層的相對(duì)隔水底板，是壩址區(qū)乃至整個(gè)永盛盆地的相對(duì)阻水層，對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)起著邊界控制作用（見(jiàn)圖2）。

3 蓄水后壩基灰?guī)r地下水特征專(zhuān)題勘察

在溪洛渡水電站蓄水后對(duì)壩區(qū)溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)進(jìn)行了專(zhuān)題研究，共布置了17個(gè)鉆孔，其中8個(gè)灰?guī)r孔，如圖3所示（紅色標(biāo)識(shí)為灰?guī)r鉆孔）。

為了能監(jiān)測(cè)到真正的灰?guī)r地下水水位和水溫，防止上部玄武巖地下水滲入到鉆孔中，影響后期灰?guī)r水溫和水壓的監(jiān)測(cè)，在揭穿P2βn進(jìn)入灰?guī)r3～5 m后用鋼管對(duì)上部玄武巖地下水進(jìn)行了隔離處理，隔離完成后變徑繼續(xù)鉆進(jìn)。隔離前根據(jù)地層做好方案，具體步驟如下：

（1） 先將止水鋼管下至P2βn頂部，鋼管接頭需進(jìn)行止水處理;

（2） 將水泥漿液通過(guò)鉆桿注入孔底，鉆孔內(nèi)水泥漿液的高度不低于15 m;

（3） 使用鉆桿將水泥液夯實(shí)，然后將鋼管下降至孔底，水泥待凝;

（4） 待水泥凝固后，通知地質(zhì)人員到現(xiàn)場(chǎng)，鉆進(jìn)取芯，取出水泥芯樣并保留。

在監(jiān)測(cè)孔鉆進(jìn)過(guò)程中共取灰?guī)r水樣3組，進(jìn)行了近70次的井溫測(cè)試和200多次的層間穩(wěn)定水位測(cè)量，在灰?guī)r監(jiān)測(cè)孔中安裝15支滲壓計(jì)和12支溫度計(jì)，已獲取大量的井溫和滲壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4 蓄水前后灰?guī)r地下水水文地質(zhì)條件分析

4.1 灰?guī)r地下水補(bǔ)徑排條件演變分析

蓄水前，位于金沙江河谷谷底的灰?guī)r是盆地區(qū)域地下水的排泄基準(zhǔn)面，盆地區(qū)域灰?guī)r的承壓地下水通過(guò)谷底出露的灰?guī)r向金沙江排泄（見(jiàn)圖4（a）），江水與灰?guī)r的承壓地下水水力聯(lián)系密切。金沙江河谷兩岸沖溝出露的灰?guī)r是局部地下水的主要排泄位置。

蓄水后，庫(kù)水位的上漲引起灰?guī)r地下水滲流場(chǎng)的重新調(diào)整[14]。由于江水與灰?guī)r的承壓地下水水力聯(lián)系密切，隨著庫(kù)水位抬升庫(kù)水，江水通過(guò)金沙江河谷谷底的灰?guī)r補(bǔ)給兩岸盆地區(qū)域灰?guī)r的承壓地下水，原來(lái)的盆地區(qū)域地下水的排泄基準(zhǔn)面變成盆地區(qū)域灰?guī)r的承壓地下水的補(bǔ)給邊界。當(dāng)庫(kù)水淹沒(méi)金沙江河谷兩岸沖溝出露的灰?guī)r時(shí)，原來(lái)的局部地下水的排泄位置也將演變?yōu)檠a(bǔ)給邊界（見(jiàn)圖4（b））。

隨著庫(kù)水位的持續(xù)抬升，灰?guī)r承壓含水層中滲流場(chǎng)實(shí)時(shí)調(diào)整，由于這種調(diào)整是靠壓力傳遞的，水力響應(yīng)滯后效應(yīng)不明顯。灰?guī)r承壓含水層是飽和含水層，庫(kù)水的補(bǔ)給主要靠彈性存儲(chǔ)的增加，補(bǔ)給的水量有限。灰?guī)r地層受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的控制在兩岸山體高高程的位置出露，接受大氣降水的入滲補(bǔ)給，補(bǔ)給高程在1 500 m以上，而水庫(kù)蓄水位為600 m，因此庫(kù)水位上漲引起的江水補(bǔ)給承壓水的范圍必然是有限的。

庫(kù)水補(bǔ)給承壓水是短時(shí)的且補(bǔ)給范圍有限，但是整個(gè)承壓含水層的水位卻能在較大范圍內(nèi)都有所上升，這主要是因?yàn)槌袎汉畬拥乃憫?yīng)過(guò)程屬于壓力傳遞，但是具體上升的量以及上升速率則取決于承壓含水層的水文地質(zhì)參數(shù)及其空間展布特征。

4.2 水 溫

溪洛渡水電站所處的永盛向斜盆地內(nèi)無(wú)規(guī)模較大的深大斷裂，向斜盆地內(nèi)相對(duì)透水的灰?guī)r在盆地下部埋深1 000余m。因此，盆地中具有良好的熱儲(chǔ)和保溫條件。在盆地周邊灰?guī)r地層上，基巖裸露區(qū)大氣降水直接補(bǔ)給地下水。得到大氣降水補(bǔ)給的地下水隨灰?guī)r深部循環(huán)加溫，地溫增溫率在3.1～5.4 ℃/100 m之間。根據(jù)周志芳和王錦國(guó)[15～16]研究表明，研究區(qū)恒溫帶溫度和深度分別為19.8 ℃和35 m。河床灰?guī)r埋深小，接近河床灰?guī)r出露段，巖體透水性相對(duì)較好，局部地下水循環(huán)活躍，對(duì)地下水溫度起控制作用;反之，局部地下水流的影響減弱，區(qū)域地下水流對(duì)地下水溫度的影響起主導(dǎo)作用。

可研階段揭示，灰?guī)r地下水溫度一般為35～42 ℃，專(zhuān)題勘探通過(guò)井溫測(cè)試資料分析得出蓄水后，灰?guī)r地下水溫度為35～42 ℃（見(jiàn)表1）。4.1節(jié)分析指出蓄水后庫(kù)水對(duì)灰?guī)r水的補(bǔ)給相當(dāng)有限，少量庫(kù)水進(jìn)入灰?guī)r承壓水并不能改變灰?guī)r地下水溫度。因此，蓄水前后灰?guī)r地下水溫度基本一致。

4.3 水 位

可研階段揭示，壩區(qū)河床谷底以下范圍內(nèi)，灰?guī)r內(nèi)地下水普遍具有承壓性，承壓水位為372.67～375.88 m（枯水期），高出同期江水位1.5～2.5 m，部分鉆孔水位與江水位相近，約370 m。溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)專(zhuān)題研究已完成的8個(gè)灰?guī)r孔在鉆進(jìn)至灰?guī)r一定深度時(shí)均出現(xiàn)不同程度的涌水（見(jiàn)圖5）?；?guī)r鉆孔涌水及壓力如表2所列。

大壩上游的HZK01和HZK04孔在水庫(kù)內(nèi)，開(kāi)孔揭穿混凝土進(jìn)入玄武巖即出現(xiàn)涌水，在進(jìn)入灰?guī)r一定深度后涌水量變大;大壩下游交通洞內(nèi)的HZK02、HZK03、HZK05和HZK06在進(jìn)入灰?guī)r15～20 m后出現(xiàn)涌水，HZK03涌水量最小，其余3個(gè)孔大致相同;二道壩與大壩之間的水墊塘HZK07在終孔后出現(xiàn)孔口冒水現(xiàn)象;二道壩下游XZK03（HZK08）在剛剛進(jìn)入灰?guī)r后即出現(xiàn)涌水，在接近終孔深度涌水量增大。鉆孔涌水在平面的不同部位差異較大，但是流量大小不隨時(shí)間變化而變化，基本穩(wěn)定。

從圖5可以看出，除HZK01孔涌水為黃泥色，且涌水帶出少量礫石，礫石成份較雜，且均為次棱角狀，初步分析該孔涌水來(lái)自灰?guī)r承壓含水層內(nèi)發(fā)育較大溶隙。其余鉆孔涌水較清澈，但涌水有少量硫化物氣味，初步分析涌水來(lái)自灰?guī)r承壓含水層。

從表2可以明顯看出：蓄水后，灰?guī)r地下水位有明顯抬高。由于P2βn相對(duì)隔水層的存在，庫(kù)水進(jìn)入灰?guī)r的量微不足道，但是整個(gè)承壓含水層的水位卻在較大范圍內(nèi)都明顯上升，這主要是因?yàn)槌袎汉畬拥乃憫?yīng)過(guò)程屬于壓力傳遞，但是具體上升的量以及上升速率則取決于承壓含水層的水文地質(zhì)參數(shù)及其空間展布特征。根據(jù)溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)專(zhuān)題研究現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)資料（見(jiàn)圖6～9）可得出以下結(jié)論：

（1） 大壩上游的HZK01鉆孔灰?guī)r承壓含水層的水力響應(yīng)過(guò)程無(wú)滯后性，和庫(kù)水位的變化同步，且變化值和庫(kù)水位變化值相當(dāng)。

（2） 大壩下游和二道壩之間水墊塘的HZK07鉆孔灰?guī)r承壓含水層的水力響應(yīng)過(guò)程受大壩帷幕影響較大，和庫(kù)水位的變化響應(yīng)關(guān)系一般。

（3） 二道壩下游的XZK03鉆孔灰?guī)r承壓含水層的水力響應(yīng)過(guò)程受大壩帷幕影響較小，和庫(kù)水位的變化同步，但變化值小于庫(kù)水位變化值。

（4） 二道壩下游遠(yuǎn)離大壩的HZK02鉆孔灰?guī)r承壓含水層的水力響應(yīng)過(guò)程受大壩帷幕影響較小，和庫(kù)水位的變化同步，但變化值小于庫(kù)水位變化值。

4.4 水 質(zhì)

可研階段研究得出上部玄武巖水的硝酸根離子含量較高，共取了24組灰?guī)r水樣，當(dāng)水溫達(dá)31 ℃以上時(shí)，水中硝酸根離子已未檢出，說(shuō)明這時(shí)玄武巖地下水混入較少，可以認(rèn)為31 ℃以上的熱水很大部分來(lái)源于下部灰?guī)r水系統(tǒng)?？裳须A段溫度大于31 ℃的灰?guī)r水樣只有W6和W6-1，蓄水后壩基灰?guī)r地下水特征專(zhuān)題勘察過(guò)程中共取了3組灰?guī)r水樣。蓄水前后灰?guī)r地下水水化學(xué)成果如表3所列。

通過(guò)對(duì)蓄水前后灰?guī)r地下水水質(zhì)分析對(duì)比可知，蓄水后Cl-、SO42-、HCO3-含量變高，其他離子含量與蓄水前變化不大，其中HZK02水樣中含有少量NO3-，通過(guò)分析認(rèn)為蓄水后庫(kù)水水頭變高，少量庫(kù)水通過(guò)玄武巖裂隙入滲到灰?guī)r承壓水中。

4.5 同位素

根據(jù)可研階段資料，利用地下水中δD、δ18O同位素的組成（見(jiàn)表4），可用式（1）求得灰?guī)r地下水的補(bǔ)給源高程[17]。

取溪洛渡溝口大氣降水水樣δ18O為-7.70‰，δD為-55.10‰。據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算。

H=δs-δpk+h（1）

式中：H為補(bǔ)給源高程，m;h為取樣點(diǎn)標(biāo)高，m;δs為取樣點(diǎn)地下水同位素組分;δp為取樣點(diǎn)附近大氣降水的同位素組分;k為同位素隨高度變化梯度，n‰/m。根據(jù)δ18O隨高程的變化回歸直線，可求得δ18O變化梯度值為-0.26‰/100 m。

根據(jù)計(jì)算得出灰?guī)r地下水主要來(lái)自盆地周邊1 500～1 700 m高程降雨補(bǔ)給。

溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)專(zhuān)題研究時(shí)對(duì)灰?guī)rHZK01、HZK02和HZK05鉆孔進(jìn)入灰?guī)r一定深度出現(xiàn)的涌水取了3組水樣，利用地下水中δD、δ18O同位素的組成（見(jiàn)表5），可求得蓄水后灰?guī)r地下水的補(bǔ)給源高程。

根據(jù)計(jì)算得出蓄水后灰?guī)r地下水主要來(lái)自盆地周邊1 900～2 200 m高程降雨補(bǔ)給。

蓄水后的灰?guī)r地下水補(bǔ)給高程比蓄水前高400～500 m，通過(guò)分析認(rèn)為：蓄水前所取灰?guī)r水樣的鉆孔沒(méi)有對(duì)上部玄武巖水隔離，所取灰?guī)r水樣中混有少量玄武巖水。

5 結(jié) 論

結(jié)合可研階段和專(zhuān)題研究的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)溪洛渡水電站蓄水前后灰?guī)r地下水水溫、水位和同位素等幾方面問(wèn)題進(jìn)行了對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論。

（1） 蓄水前后壩基下部灰?guī)r承壓水溫度沒(méi)有變化。

（2） 蓄水后灰?guī)r承壓水水位大幅升高，且灰?guī)r地下水與庫(kù)水響應(yīng)關(guān)系較好;但是不同部位的承壓水位差異較大。

（3） 蓄水后庫(kù)水水頭變高，少量庫(kù)水入滲到灰?guī)r承壓水中導(dǎo)致灰?guī)r承壓水Cl-、SO42-、HCO3-含量升高。

（4） 灰?guī)r承壓水仍然來(lái)自于區(qū)域盆地周邊灰?guī)r出露區(qū)大氣降雨補(bǔ)給，通過(guò)深部循環(huán)向金沙江排泄，灰?guī)r地下水水位升高是水庫(kù)蓄水后金沙江排泄基準(zhǔn)面抬高所致。

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（編輯：劉 媛）

Analysis on changes of limestone hydrogeological conditions before and after

impoundment of Xiluodu Hydropower Station

XU Haiyang，CUI Changwu，ZHANG Shaocheng

（POWERCHINA Chendu Engineering Corpoation Limited，Chengdu 610072，China）

Abstract：

Since the Xiluodu Hydropower Station impounded for power generation，valley deformation occurred in a certain range of upstream and downstream of the dam site.The domestic scientific research team believes that the change of hydrogeological conditions in the dam site area after impoundment is one of the important factors causing valley deformation.Based on a large amount basic data collected from the special research work of temperature field and seepage field，we analyzed the limestone confined water hydrogeological characteristics before and after impoundment of the Xiluodu Hydropower Station from four aspects，including temperature，water level，water quality and isotope.Preliminary analysis showed that there was no obvious change in the water temperature of the limestone confined water after impoundment，but the water level of the confined water greatly increased.A small amount of reservoir water infiltrated into the limestone confined water，thus causing a slight change in the quality of confined water.The limestone confined water is still recharged by atmospheric rainfall in the limestone exposed area around the regional basin，and discharged to the Jinsha River through the deep circulation.

Key words：

limestone confined water;gushing water;water temperature;isotope;Xiluodu Hydropower Station;Jinsha River