小長(zhǎng)沖水庫(kù)巖溶滲漏分析與處理

張喬軍

(貴州水利科技開發(fā)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 水庫(kù)概況

小長(zhǎng)沖水庫(kù)位于六枝特區(qū)新場(chǎng)鄉(xiāng)的烏江的懶龍橋河一級(jí)支流之后壩小河上，烏江屬于長(zhǎng)江流域沅江水系。水庫(kù)壩址以上匯水面積12.60 km2，壩址以上河段長(zhǎng)約3.90 km，河床平均比降為18.70‰，回水長(zhǎng)678 m，壩址正常蓄水位1 542.50 m，當(dāng)水庫(kù)在非汛期正常運(yùn)用時(shí)按照正常蓄水位運(yùn)行，總庫(kù)容1.57×106m3，壩頂高程1 546 m，工程總體布置由首部樞紐工程、供水灌溉工程兩大部分組成，推薦樞紐布置為混凝土面板堆石壩+右岸岸邊溢洪道+左岸導(dǎo)流兼取水放空隧洞。面板堆石壩最大壩高38 m，水庫(kù)主要任務(wù)是解決新場(chǎng)鄉(xiāng)集鎮(zhèn)及周邊農(nóng)村人畜供水，同時(shí)兼顧農(nóng)田灌溉用水，工程規(guī)模為小(1)型水利工程。小長(zhǎng)沖水庫(kù)庫(kù)區(qū)碳酸鹽巖熔化問(wèn)題突出，且?guī)r溶發(fā)育，巖溶滲漏分析是影響水庫(kù)安全運(yùn)行的主要工程地質(zhì)問(wèn)題。

2 巖溶水文地質(zhì)條件分析

2.1 巖溶形態(tài)

六枝特區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖廣泛分布，由于構(gòu)造裂隙切割，地殼間隙抬升以及濕潤(rùn)多雨的氣候條件，區(qū)域巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。據(jù)庫(kù)盆周邊巖溶洼地統(tǒng)計(jì)，巖溶發(fā)育率1～3個(gè)/km2，各種巖溶形態(tài)眾多，其中以洼地最甚，溶洞、暗河、落水洞、溶隙均有發(fā)育。巖性對(duì)巖溶發(fā)育強(qiáng)度的控制作用極為明顯，縱觀全區(qū)，幾乎所有的巖溶洼地、落水洞、暗河系統(tǒng)均發(fā)育為質(zhì)純層厚的C2hn、C3mp和P2m+q強(qiáng)巖溶地層，特別是在可溶鹽巖與非可溶鹽巖的接觸帶上，常發(fā)育有大型的巖溶管道，如s1、s3巖溶泉水。巖溶發(fā)育具不均勻性和向深部減弱的規(guī)律。巖相的不均一變化，特別是構(gòu)造破壞在不同的構(gòu)造部位不一致，近代地質(zhì)作用的選擇性，使巖溶的發(fā)育在不同地段、同一地段的不同深度均不相同。P2q灰?guī)r為巖溶透水層，P1L砂頁(yè)巖為相對(duì)隔水層，壩址可溶巖地層中未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的巖溶現(xiàn)象，主要巖溶形態(tài)為溶蝕裂隙及層間淺層小溶洞等，但壩址段河流有懸托現(xiàn)象。據(jù)壓水試驗(yàn)，壩址巖體透水性普遍偏大，滿足防滲要求的巖體埋深較大，強(qiáng)風(fēng)化帶為注水，弱風(fēng)化帶普遍>20 Lu，但微風(fēng)化下部孔深一般在33 m或40 m以下，僅zk1孔為26 m以下，透水率<5 Lu。左岸推測(cè)水力坡度15.90%，右岸為18.70%。

水庫(kù)右岸經(jīng)zk3鉆孔揭露地下水坡降大且有梁山組(P1L)砂頁(yè)巖、粉砂巖相對(duì)隔水層分布，經(jīng)帷幕灌漿防滲處理后，滲漏的可能性?。蛔蟀稙閺?qiáng)巖溶含水層(P2q)經(jīng)zkl岸坡鉆孔揭露地下水高程為1 521.50 m，比正常蓄水位低出21.80 m，zk7河床鉆孔揭露地下水高程為1 507.90 m，比河水位1 514.40 m低出6.50 m，左岸北西面存在低矮鄰谷，庫(kù)水沿左岸低鄰谷巖溶管道滲漏的可能性大，可通過(guò)防滲帷幕反接庫(kù)尾P1L相對(duì)隔水層解決。下階段應(yīng)在左岸分水嶺地帶布置水文孔查明左岸地下分水嶺高程，為防滲帷幕走向與防滲邊界設(shè)計(jì)提供確切依據(jù)。

2.2 連通試驗(yàn)

根據(jù)小長(zhǎng)沖水庫(kù)巖溶水文地質(zhì)條件調(diào)查結(jié)果，小長(zhǎng)沖水庫(kù)壩址為周邊最低侵蝕基準(zhǔn)面，田壩頭-熊井小寨補(bǔ)給區(qū)、灣河-后壩補(bǔ)給區(qū)的地下水及地表水都會(huì)在小長(zhǎng)沖水庫(kù)壩址附近排泄。水庫(kù)處在灰?guī)r及炭質(zhì)砂質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖等相對(duì)隔水地層與巖溶透水層相間組成，左岸巖溶洼地、落水洞、巖溶管道、暗河發(fā)育。左岸存在地下低鄰谷滲漏問(wèn)題，水庫(kù)滲漏突出，庫(kù)區(qū)地下水主要由后壩小河及右岸洼地通過(guò)ks1出伏口排泄出露，匯入庫(kù)盆河流，河流進(jìn)入(P2q)地層，通過(guò)裂隙及溶隙方式進(jìn)入地下暗流，下游水流量逐漸變小。再向左岸低鄰谷地下暗河通道s3泉水排出。根據(jù)巖溶發(fā)育特征，壩址左岸至右岸zk3鉆孔一帶須進(jìn)行重點(diǎn)防滲處理。

2.3 地下水特征

壩址強(qiáng)弱含水層相間分布，從下游至上游，依次為強(qiáng)巖溶含水層(P2q)、相對(duì)隔水層(P1L)，地下水為巖溶裂隙、溶洞水，基巖裂隙水，據(jù)16個(gè)鉆孔地下水觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表1)，右岸地下水高于河水位(1 516.80～1 511.50 m)；左岸地下水低于河水位(1 516.80～1 511.50 m)。

表1 鉆孔水位統(tǒng)計(jì)表

3 壩址巖溶滲漏分析

3.1 壩址左岸滲漏

水庫(kù)左岸為強(qiáng)巖溶含水層(P2q、P2m)，溶隙、裂隙極為發(fā)育。左岸北西面有一個(gè)低矮鄰谷，構(gòu)成左岸地表低鄰谷，谷底高程1 395.00～1 393.20 m，較水庫(kù)正常蓄水位<118m左右，受此影響，大沖出伏口s3巖溶泉所經(jīng)過(guò)的P2m強(qiáng)巖溶地層NW向發(fā)育的穿洞巖溶管道，為隱伏的地下低鄰谷。地表調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)該谷地底部有s3泉水出露，平水期流量30～80 L/s，枯期30～40 L/s。據(jù)鉆孔揭露zk7地下水高程為1 507.90 m，河水位高程為1 514.40 m，zk12地下水高程為1 506.10 m，河水位高程為1 514.40 m，zk13地下水高程為1 505.40 m，河水位高程為1 514.40 m，zk14地下水高程為1 503.70m，河水位高程為1 514.40m，據(jù)上述分析，左岸地下分水嶺存在以下兩種：一是鉆孔zk7、zk13一帶，地下水沿下游面滲漏，通過(guò)巖溶管道補(bǔ)給s3泉水；二是鉆孔zk12、zk14一帶，地下水沿zk14鉆孔一帶滲漏，補(bǔ)給s3泉水。

水庫(kù)蓄水到1 542.50 m高程后，由于地下水雍高，庫(kù)水沿左岸分散性向低鄰谷s3泉水滲漏。左岸地下水流向見(jiàn)圖1，巖溶水文地質(zhì)平面圖比例尺1∶10 000。

圖1 左岸巖溶水文地質(zhì)剖面圖

左岸庫(kù)盆中前段與庫(kù)首河床出露C3mp、P1l、P2q等地層，在可溶巖及其與非可溶巖接觸帶附近，河床及岸坡鉆孔(包括遠(yuǎn)岸水文孔)地下水位多低于河床，故左岸庫(kù)、壩區(qū)河谷為排泄型河谷，水庫(kù)存在嚴(yán)重的滲漏問(wèn)題，必須進(jìn)行防滲處理才能成庫(kù)。建議水工修建防滲面板及土工膜結(jié)合帷幕防滲接P1l相對(duì)隔水層予以解決。

3.2 壩址右岸滲漏

水庫(kù)南岸依次為相對(duì)隔水層(P1l)、強(qiáng)巖溶含水層(P2q)，水庫(kù)南岸前段(除壩址區(qū)外)出露P1l相對(duì)隔水層且以50°傾角傾向左岸偏下游，本區(qū)域內(nèi)沿其傾向未受地形深切出露，亦無(wú)斷裂切割破壞，隔水性能較好，滲漏的可能性小。據(jù)鉆孔揭露zk3地下水高程為1 530.10 m，zk9地下水高程為1 523.50 m，河水位高程為1 514.40 m，基本都比河水位高。水庫(kù)蓄水到1 542.50 m高程后，由于地下水雍高，zk9鉆孔附近為相對(duì)隔水層，沒(méi)有滲漏的可能性；庫(kù)水沿zk3鉆孔以南有低鄰谷，但有(P1l)泥頁(yè)巖相對(duì)隔水層阻隔，沿右岸滲漏沒(méi)有可能性，zk3鉆孔向下游滲漏可能性較大，通過(guò)防滲帷幕接P1l相對(duì)隔水層予以解決。

4 防滲處理

4.1 防滲處理方案

小長(zhǎng)沖水庫(kù)防滲主要采用左岸鋪蓋+帷幕相結(jié)合防滲、繞壩反接上游P1l相對(duì)隔水層防滲兩種方案，根據(jù)水庫(kù)地質(zhì)條件進(jìn)行分析和選取。

水庫(kù)區(qū)盆地為懸托型，其壩址區(qū)河水下潛，進(jìn)入地下水基準(zhǔn)面，左岸有地下巖溶管道。用左岸鋪蓋+帷幕相結(jié)合防滲，左岸鋪蓋邊界修建在P1l地層上至趾板，并結(jié)合帷幕灌漿，灌漿防滲底界深入P1l相對(duì)隔水層5 Lu以下，庫(kù)區(qū)滲漏便無(wú)可能性。如果用繞壩反接P1l相對(duì)隔水層防滲，根據(jù)本次勘察查明庫(kù)水存在通過(guò)左岸P2q灰?guī)r地層向穿洞巖溶管道(隱伏低鄰谷)及其出口s3(高程1 395 m，距庫(kù)左岸約1.50 km)產(chǎn)生滲漏，必需進(jìn)行防滲處理。

一般情況下，懸掛式止水帷幕插入不透水層深度越大，地下水繞流距離越長(zhǎng)，基坑周圍地下水位降幅越小，對(duì)基坑周圍環(huán)境影響也越小，但是工程費(fèi)用則越高。為此，必須根據(jù)土層滲透特性、含水層厚度等進(jìn)行懸掛式止水帷幕插入深度的合理確定。根據(jù)連續(xù)性條件、動(dòng)量守恒定律及達(dá)西定律，進(jìn)行了滲流方程的有限元分析，并提出止水帷幕設(shè)置深度與抽水井深度和水位降幅之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且根據(jù)分析結(jié)果，止水帷幕插入不透水層的深度與抽水深井深度相同時(shí)，帷幕能降低基坑外側(cè)水位，且當(dāng)止水帷幕比抽水深井深度大時(shí)，帷幕深度的增加降低基坑外側(cè)水位的效果更加顯著。但是插入深度增大會(huì)使工程造價(jià)隨之增加，為在最佳工程效果和工程造價(jià)之間尋求平衡，水庫(kù)擬以抽水井深度為止水帷幕插入深度。

全帷幕防滲設(shè)計(jì)對(duì)帷幕底界考慮出三種方案：方案一：采用全封閉式帷幕，即防滲底界全部進(jìn)入P1l相對(duì)隔水層10 m。根據(jù)zk12、zk7號(hào)鉆孔和防滲線周邊zk8、zk10號(hào)鉆孔及地表地質(zhì)測(cè)繪綜合分析，P1l相對(duì)隔水層在全帷幕防滲上最大埋深約190 m，高程為1 352.50 m，低于s3出口42.50 m。方案二：采用懸掛式帷幕，即防滲底界進(jìn)入勘察期地下水位以下20 m并同時(shí)滿足巖體透水率≤5 Lu控制。據(jù)此原則根據(jù)zk12、zk7號(hào)鉆孔壓水試驗(yàn)及短期觀測(cè)的鉆孔水位綜合分析防滲帷幕最大深度按抽水井深度確定，約90 m，高程為1 452.50 m，高于s3出口57.50 m。防滲底界至s3處水力坡降約為4%。方案三：采用全封閉式帷幕+懸掛式帷幕，即庫(kù)岸中尾部防滲底界全部進(jìn)入P1l相對(duì)隔水層10 m，庫(kù)首及中部采用懸掛式帷幕，考慮到巖溶發(fā)育的不均一性、勘察期鉆孔水位的穩(wěn)定性、觀測(cè)水位的時(shí)限性等因素，防滲底界以s3出口高程按2%左右的坡降反推到帷幕線上，帷幕最大深度按抽水井深度確定，約113 m，高程為1 430 m，高于s3出口35 m。

4.2 防滲處理方案比選

方案一為全封閉式帷幕，可靠性相對(duì)高，但防滲底界深，且底界已

5 結(jié)論

文章在分析小長(zhǎng)沖水庫(kù)巖溶水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，得出水庫(kù)總體呈北東向展布，地形封閉良好，兩岸地表分水嶺雄厚，水庫(kù)左岸近壩段到k30落水洞為強(qiáng)巖溶地層，壩址左岸約1.60 km處發(fā)育有低矮鄰谷，左岸可能沿巖層走向產(chǎn)生滲漏問(wèn)題。右岸壩址壩前約470 m處有ks1巖溶泉分布，泉水出露高程1 526 m，比正常蓄水位<16.50 m，且水庫(kù)蓄水后庫(kù)水將沿ks1出伏點(diǎn)沿巖溶管道反壓回泉水入伏點(diǎn)，造成滲漏。水庫(kù)左右岸庫(kù)水在近壩段強(qiáng)巖溶含水層(P2q)向右岸及左岸滲漏問(wèn)題均可通過(guò)灌漿防滲解決。小長(zhǎng)沖水庫(kù)自2020年4月運(yùn)行以來(lái)，蓄水運(yùn)行完全正常，充分證明了在水庫(kù)工程設(shè)計(jì)階段對(duì)巖溶滲漏分析的準(zhǔn)確性及所采取的全封閉式帷幕+懸掛式帷幕防滲措施的適用性。