基于水文地球化學信息的東莊壩址滲漏分析

胡廣沖，趙軍海，張 繼，袁 野

(四川省地質(zhì)工程勘察院集團有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

涇河?xùn)|莊水庫壩址位于黃河二級支流涇河下游峽谷末端的禮泉縣東莊鄉(xiāng)，距咸陽市80 km，距西安市100 km，距下游峽谷口涇惠渠渠首30 km，距涇河入渭河河口90 km.庫壩區(qū)河道深切河谷達200～300 m，從地形來看，其河谷寬高比為0.7，建庫條件優(yōu)越，淹沒較少，適合修建拱壩.東莊水庫擬建壩址以北2.5 km處為老龍山斷層，壩址以南12 km處發(fā)育有張家山斷層，兩斷層之間約300 km2范圍內(nèi)分布著二疊系砂頁巖、奧陶系的白云巖、灰?guī)r等.灰?guī)r區(qū)具有基巖裸露、巖石強度較高及完整性好等特點，使壩區(qū)坡岸穩(wěn)定，利于水庫的修建.同時，灰?guī)r區(qū)巖石表面可見發(fā)育有溶隙、溶孔、溶洞等巖溶現(xiàn)象.經(jīng)過多期勘測結(jié)果表明，壩區(qū)涇河河谷兩側(cè)共發(fā)現(xiàn)大小溶洞51個，其中31個溶洞分布于壩址以北至老龍山斷層之間，巖溶發(fā)育程度受巖性和斷裂的控制[1-5].區(qū)內(nèi)涇河?xùn)|莊水利樞紐工程自2013年2月24日全面啟動，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查并取樣，對水文地質(zhì)條件進行了初步地了解分析，以期解決一直以來該地區(qū)已建成的水庫不同程度地受到滲漏問題的困擾，對東莊水庫進行巖溶滲漏相關(guān)的水文地質(zhì)問題研究具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值[6].

本研究將具有指示作用的水化學特征值作為重點研究對象，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)背景調(diào)查資料，運用水化學特征分析法、同位素特征分析法等研究壩區(qū)水化學特征及涇河河水與地下水水力聯(lián)系，進而對壩區(qū)灰?guī)r水進行初步滲漏評價.

1 樣品的采集與測試

1.1 樣品的采集

本研究所用的地下水數(shù)據(jù)均來源于野外調(diào)查采樣.野外取樣分兩次進行，2011年1月，相關(guān)人員沿涇河及周邊地區(qū)選取采樣點，以研究涇河水及灰?guī)r地區(qū)水體水化學、埋深的關(guān)系，取得水樣19組(DZ01-DZ19).2011年4月又進行了補充采樣，取得水樣12組(DZ20-DZ31)，雨水樣1組.各采樣點均采集4瓶水樣，每瓶50ml，封裝于密閉環(huán)境，各采樣點位置如圖1所示.

圖1 采樣點位置示意圖

在采集的31個樣品當中，共包括涇河河水樣7組，涵蓋了壩址區(qū)涇河從上游到下游的水樣；灰?guī)r區(qū)地下水水樣14組，包括泉水樣與井水樣；松散層孔隙水水樣6組，主要為井水樣；雪水及其他水樣4組，各采樣點樣品類型如表1所示.

表1 采樣點樣品類型

1.2 樣品測試指標與方法

表2 測試項目及測試儀器

2 壩區(qū)地下水水化學特征及其分析

2.1 pH值特征分析

灰?guī)r區(qū)地下水pH值的范圍為7.57～8.12，松散層孔隙水pH值的范圍為7.52～8.26，均屬于弱堿性水.其中灰?guī)r區(qū)地下水除篩珠洞泉(pH=7.57)外，其余的pH值穩(wěn)定在8.00～8.11之間.松散層孔隙水的pH值變化幅度相對較大，且自東向西不斷減小，逐漸由弱堿性向中性轉(zhuǎn)化.

圖2 壩區(qū)地下水TDS與含量關(guān)系圖

圖3 涇河?xùn)|莊水庫壩區(qū)分布圖

2.2 Mg2+/Ca2+比值特征分析

由于方解石的溶解率遠大于白云石，灰?guī)r水中的Ca2+離子含量遠大于Mg2+離子含量，因此，可以用Mg2+/Ca2+比例系數(shù)來判斷地下水是來自灰?guī)r還是白云巖，如果地下水來自灰?guī)r含水層，則Mg2+/Ca2+﹤1；如果地下水來自白云巖含水層，則Mg2+/Ca2+系數(shù)接近于1.隨著方解石、白云石的不斷溶解，水中PCO2的降低，方解石和白云石溶解速度減慢，這時方解石的降低幅度要遠大于白云石的降低幅度，致使二者溶解度逐漸降低.因此，隨著徑流途徑的增長和水巖作用時間的增加,巖溶水中Mg2+含量增加幅度要大于Ca2+含量,且其二者比值趨近于一區(qū)間值[7].

由研究區(qū)地下水水位的變化及構(gòu)造控制作用，可以推斷該區(qū)域地下水的整體流向為由西北向東南排泄，沿可能存在的徑流途徑選取代表性的灰?guī)r地下水水樣做Mg2+/Ca2+比值曲線圖如圖4所示.由圖4可知，比值變化范圍為0.23～0.53，說明其地下水主要來源于灰?guī)r含水層.其中，DZ-10篩珠洞泉的Mg2+/Ca2+比值(0.54)較高，推斷其可能為區(qū)域灰?guī)r水的集中排泄點.

圖4 巖溶地下水Mg2+/Ca2+比值曲線圖

2.3 δD、δ18O同位素特征分析

δD和δ18O是最常用的環(huán)境穩(wěn)定同位素，對水體的形成、運移及混合等動態(tài)特征具有一定的指示作用.已知西安地區(qū)的雨水線方程為，

δD=7.498δ18O+6.13 r=0.958

由于涇河?xùn)|莊水庫擬建壩址距西安很近，故可將此方程作為研究區(qū)的雨水線方程[8].分別繪制巖溶地下水和松散層孔隙水的δD-δ18O關(guān)系圖如圖5所示，并與該地區(qū)雨水線方程進行比較.

圖5 涇河?xùn)|莊水庫灰?guī)r地下水δD-δ18O關(guān)系圖

從圖5可知，除了點DZ-30外，其余的點均位于雨水線的下方，其中DZ-10篩珠洞泉與DZ-20風箱道泉與雨水線較為接近，反映其接受了大氣降水的補給，同時受到一定程度蒸發(fā)作用的影響；沙坡斷層以北的水樣點(DZ-20、DZ-23、DZ-26)分散靠近雨水線，沙坡斷層以南水樣點(DZ-02、DZ-03、DZ-04、DZ-10、DZ-28、DZ-29、DZ-30)則集中于雨水線的左下方，這種同位素值的差異性表明二者可能處于不同的流動系統(tǒng).

由圖6中點DZ-24與點DZ-25落在雨水線上，其余的點與雨水線距離較近，說明松散層孔隙水主要來源于大氣降水，并受到蒸發(fā)作用的影響.

圖6 涇河?xùn)|莊水庫松散層孔隙水δD-δ18O關(guān)系圖

3 涇河水與灰?guī)r水水力聯(lián)系

3.1 涇河水水化學特征

野外調(diào)查共采集了7個涇河水樣，其中DZ-19為老龍山斷層以南砂巖裂隙區(qū)內(nèi)的河水水樣，DZ-16、DZ-27、DZ-12、DZ-31、DZ-11為流經(jīng)老龍山斷層與張家山斷層之間灰?guī)r地區(qū)的河水水樣，DZ-13為黃土臺塬區(qū)的河水水樣.

表3 涇河水水化學分析結(jié)果

續(xù)表3

由以上數(shù)據(jù)可知，流經(jīng)砂巖區(qū)的涇河河水的pH值為8.83，屬于弱堿性水.至灰?guī)r區(qū)pH值變化不大，TDS先升高至1g/L以上，再在點DZ-11處突降至0.4 g/L，各主要離子含量變化如圖7所示.

圖7 壩區(qū)涇河河水上游至下游主要離子含量變化

3.2 涇河河水與灰?guī)r水水力聯(lián)系分析

圖8 沙坡斷層以北涇河水與灰?guī)r水Piper三線圖

圖9 沙坡斷層以南涇河水與灰?guī)r水Piper三線圖

由圖8可以看出，在沙坡斷層以北地區(qū)，涇河河水與灰?guī)r地下水的水化學成分差異較大，兩者的水力聯(lián)系不密切.Piper等[9-11]認為，應(yīng)用三線圖示法能判斷某種水是否是另外兩種水簡單混合的結(jié)果，如果水樣C 是水樣A 和B 簡單混合的結(jié)果(混合時未發(fā)生任何反應(yīng))， 那么混合水將落在三線圖中A 和B 的連線上.在圖8中，DZ-20(風道箱泉水)可近似視為DZ-26(涇河旁地下水)與DZ-27(涇河水)簡單混合的結(jié)果，且涇河河水所占比例大于灰?guī)r地下水.又知風箱道泉的水位為550m，涇河河水水位約590m，河水水位高于地下水位.故可以推斷，在風箱道泉處，河水補給地下水.

由圖9可以看出，在沙坡斷層以南地區(qū)，除DZ-31外，涇河河水與灰?guī)r地下水的水化學成分較類似，兩者水力聯(lián)系較為密切.由于DZ-11涇河河水水位為437 m，DZ-10篩珠洞泉水位為456 m，地下水位高于河水位，推斷此處為地下水補給河水.

綜上所述，涇河在流經(jīng)灰?guī)r地區(qū)時，從河水補給地下水逐漸過渡到地下水補給河水.在沙坡斷層以北地區(qū)，涇河河水與灰?guī)r水的水化學成分差異較大，而在沙坡斷層以南地區(qū)，由于涇河河水與灰?guī)r水的水化學成分比較類似，可以推斷沙坡斷層以南地表水與地下水的水力聯(lián)系緊密程度大于沙坡斷層以北地區(qū).這種聯(lián)系的緊密程度主要取決于巖溶裂隙的發(fā)育程度，一般情況下，在構(gòu)造較為發(fā)育的斷裂帶，巖溶較為發(fā)育就意味著地表水與灰?guī)r水的水力聯(lián)系更加密切.

4 壩址灰?guī)r水滲漏分析

按巖溶在水庫及壩址中分布的部位，壩址巖溶滲漏可分為鄰谷滲漏、庫首滲漏、壩區(qū)滲漏和庫底滲漏五種類型.涇河?xùn)|莊水庫主要考慮的是鄰谷滲漏和壩區(qū)滲漏.

東莊水庫的巖溶邊界為老龍山斷層、張家山斷層、永壽一唐王嶺向斜,三者相交構(gòu)成的近似三角形“楔形”地區(qū).老龍山斷層以北，水庫回水90 km范圍內(nèi)均為二疊系砂巖，砂巖裂隙水為壩區(qū)灰?guī)r水的補給源之一，故向老龍山斷層以北發(fā)生灰?guī)r水滲漏的可能性較小.永壽一唐王嶺向斜軸部為相對隔水的砂頁巖、頁巖和砂礫巖, 在其中東店鄉(xiāng)處，地下水位高達700m左右，可認為此處存在地下水的分水嶺, 故可排除庫區(qū)灰?guī)r水向鄰谷滲漏的情況.

涇河?xùn)|莊水庫灰?guī)r壩區(qū)示意圖如圖10所示，如上所述可以得出，從上游到下游，涇河河水由沙坡斷層以北的河水補給地下水，逐漸過渡到篩珠洞泉附近的地下水補給河水，故東莊水庫可能存在的灰?guī)r水滲漏主要發(fā)生在沙坡斷層以北地段.在沙坡斷層以北庫區(qū)處出露的風箱道泉是接受河水與灰?guī)r水的共同補給所形成的，其流量在一定程度上可以反映此處涇河河水對地下水的補給量.已知風箱道泉流量很小(1.0L/min)，而且涇河河水與灰?guī)r水之間的水化學成分差異較大，且兩者水力聯(lián)系不密切，推斷在沙坡斷層以北地區(qū)，涇河河水向灰?guī)r庫區(qū)的滲漏雖然存在，但滲漏量并不大.

圖10 涇河?xùn)|莊水庫灰?guī)r壩區(qū)剖面示意圖

5 結(jié) 論

通過對涇河?xùn)|莊水庫灰?guī)r壩址區(qū)地表水與灰?guī)r水水化學資料的分析表明，涇河在流經(jīng)灰?guī)r地區(qū)時，與灰?guī)r區(qū)地下水存在著一定的水力聯(lián)系.通過對河水與灰?guī)r水的水化學成分特征值、水位值的對比研究發(fā)現(xiàn)，沙坡斷層為阻水斷層，其將壩區(qū)灰?guī)r水分隔成南北兩個子系統(tǒng)，其中沙坡斷層以南地區(qū)地表水與地下水的水力聯(lián)系緊密程度大于沙坡斷層以北地區(qū)，這種聯(lián)系的緊密性取決于巖溶裂隙的發(fā)育程度.

從壩址上游到下游，從涇河河水補給地下水逐漸過渡到地下水補給河水，水庫可能存在的灰?guī)r水滲漏主要發(fā)生在沙坡斷層以北地段，能夠在一定程度上反映河水對灰?guī)r水補給量的風箱道泉流量很小，且涇河河水與灰?guī)r水之間的水化學成分差異較大，此處地表水與地下水水力聯(lián)系不是十分密切，故涇河河水向灰?guī)r庫區(qū)的滲漏雖然存在，但滲漏量并不大.

涇河?xùn)|莊灰?guī)r壩址處存在一定的灰?guī)r裂隙水滲漏問題，建議對庫壩區(qū)的斷層、裂縫、洞穴進行常規(guī)處理，在壩基設(shè)防滲帷幕灌漿措施，以達到庫壩區(qū)防滲漏的目的.