再论东庄水库的岩溶渗漏问题

宋文搏, 徐铁铮, 濮声荣

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安　710001)

0　引言

东庄水库工程勘察论证工作已经进行了50多年,而针对碳酸盐岩库段渗漏与否,渗漏程度大小,在水利水电行业形成了两种截然不同的观点,致使水库工程建设几起几落,长期不能建设,而利用泾河水除害兴利造福陕西人民未能实现。严重影响着陕西经济发展。

本文利用50多年东庄水库有关岩溶渗漏方面勘察资料,结合近4年来大量勘察研究工作,在《论东庄水库岩溶渗漏问题》一文基础上,对水库岩溶渗漏问题作进一步分析论证。认为工程所处区域可溶岩在古地理沉积建造环境具唯一性,区域构造有其独特性,区域水文气候与国内其它可溶岩区相比有差异性特点;泾河为一条年轻河流且下切速度快,水库区具有独特的水文地质条件。因此东庄水库具有“岩溶轻微,渗漏微弱,常规防渗,没有风险”的特点,不应制约工程兴建。

东庄水库拟建砼拱坝,坝高230 m,坝顶高程800 m,总库容30.6亿m3。

1　区域地质概况

泾河发源于宁夏泾源县老龙潭,由长武县进入陕西境内,干流由彬县至泾阳县张家山山口峡谷段总长120 km。东庄水库坝址位于碳酸盐岩峡谷段内,北侧距砂页岩库段2.7 km,南距峡谷口19.4 km。

渭北隆起南部统称北山区,自西往东发育了千河、横水河、漆水河、泾河、石川河、洛河等数条近南北向渭河一级支流。

东庄水库工程位于渭北隆起中段的泾河上,属祁、吕贺山字型构造前弧部位。东西向老龙山断裂(F3)是泾河段的奥陶系与石炭二叠系地层分界,乾县—富平断裂(ⅢF1)为南侧与渭河盆地边界,其间还发育了沙坡(F4)、张家山(F8)等数条断层;还发育唐王陵向斜,其核部碎屑岩是主要隔水岩层。

本区出露最古老沉积地层为寒武系,中生界缺失志留系和泥盆系,奥陶系最为发育,三叠系,新生界第四系次发育。从地史看[1],本区经过前寒武纪漫长的构造演化和造陆作用,以早古生代海相沉积碳酸盐岩建造构成基底,晚古生代及中、新生代河流、湖泊相沉积砂泥岩建造和风化成因黄土构造盖层,经历了由海到陆,盆地由大到小,全面抬升和差异性升降的演化过程(图1)。

泾河是第四纪以来鄂尔多斯地块在北仰南俯不均衡上升运动背景下,形成的自北西向东南汇流的地表水系。地块稳定抬升与渭河盆地断陷带多次沉陷与堆积轮回控制泾河下切速度,并发育了五级阶地。研究认为泾河形成现深峡谷形态历时1.4 MaB.P左右。有史记载以来泾河下切速率达到1.55 mm/年,泾河的快速下切使流域内现代岩溶发育始终处于初级阶段—裂隙扩溶阶段。岩溶侵蚀、排泄基准面均随河流快速下切而下降,来不及向深部发展,没有时间形成水平岩溶系统,本区岩溶形迹以垂向发育浅表溶隙为主,分布分散,程度较微弱。

图1　本区古生代以来沉积演化史示意剖面图

2　区域岩溶水文地质特征

本区属温带大陆性季风气候,一年内四季变化分明,温度变化较大,年降雨量小且不均,气候较干燥,蒸发强烈,湿度小。

断裂构造控制下的岩性分布,决定了北山各河流水动力条件及补给、径流和排泄规律(如图2)。资料证明,北山地区各河流没有统一、相互联系的地下水径流场。

如千河基本为地下水补给河水,由于黄里镇断层阻断,在纸坊湾中奥陶灰岩中形成了流量达0.5 m3/s的上升泉(高程695 m),至冯家山水库坝址区地下水位为642 m,高出河水位2 m。

图2　渭北东部中段南北向地质剖面示意图

横水河在白荻沟水库坝址以上为地下水补给河水,以下河流为旱谷,出山口外灰岩水井地下水埋深约160 m。

漆水河羊毛湾水库坝前段灰岩为河水补给地下水,地下水位低于河水80 m,水库修建后漏水3年,漏量达9 000万m3后,地下水位上升30 m,下游10 km龙岩寺灰岩泉水(547 m)在干涸400多年后突然出水,水温达34 ℃,水库经多次防渗处理基本不再渗漏后,泉水干涸,现龙岩寺灰岩段山谷为旱谷。

石川河桃曲坡水库坝址为中奥陶系灰岩,坝址段河水补给地下水,据下游10 km庄里镇水井资料,灰岩地下水位为381.3 m,推断坝址处地下水位384 m左右。

洛河沿河地质剖面(图2)显示沿河分布多处断块山,灰岩断续分布,由北向南的党家湾、袁家坡(洛惠渠首)和温汤(洛西渡槽处)都有灰岩出露,形成温泉,出露高程分别为380.9 m、370 m、352 m。袁家坡泉(群)流量达3.19 m3/s。

黄河是本区最低河流侵蚀基准面,也是关中盆地最低排泄面,在禹门口为380 m高程,在潼关为330 m高程。可以看出区内岩溶水在西侧—中部—东侧并未形成统一径流场,而是因构造引起的碳酸盐岩阶梯状陷落和区域隔水岩层阻挡,不同河流岩溶水南北向上呈阶梯状水位下降特点。

如前所述,按构造展布、相对隔水层及地下水空间分布特征,区域岩溶水可分为乾县—泾河Ⅰ系统,铜川—富平—蒲城Ⅱ系统和渭河盆地深岩溶循环Ⅲ系统。

3　库坝区岩溶发育特征

3.1　岩溶发育时代

3.1.1古岩溶

图3　工程区岩溶发育分期示意图

3.1.2现代岩溶

第四系以来本区急剧抬升,地区自然环境进入干旱时期,现代岩溶主要发育于区内基岩裸露区、断裂构造及影响带、河谷两岸等浅表地层,部分则表现为对古岩溶的继承。到第四系中晚期,上覆黄土地层加厚,降雨减少,其岩溶发育程度更加微弱,以泾河为代表,两岸主要为溶孔、溶隙,以及少量与阶地适应较大、连通差的盲洞类岩溶。

3.2　岩溶发育特征及分布规律

东庄近坝段岩溶为现代岩溶,古岩溶不发育。岩溶主要以溶隙、溶坑、溶痕为主,溶孔、溶洞次之。溶痕、溶坑主要发育于两岸山体中上部平缓地段,溶隙主要在陡岸坡沿岩层面、裂隙面及层间挤压带内发育,溶孔、溶洞则主要沿断层或层间挤压带发育。

库坝段统计发现溶洞64个,洞深>10 m的仅8个。溶洞大部分具有相同特点,深度小、洞壁较规整、内高外低、口大里小，呈盲洞状,至深部缩小为溶隙,与岩体风化卸荷发育程度一致。平面上随着远离老龙山断层影响,溶洞发育数量逐渐减少。坝址以上可溶岩库段分为A(老龙山断层下1 km)、B(1～1.9 km)、C(1.9 km-坝址)三区。

可溶岩库段实施钻孔也揭示A区岩溶最为发育(见表1)。而河床以下段钻孔，特别是近河床下150 m范围内钻孔线岩溶率较大,随着远离河流的河间地块,两岸钻孔线岩溶率呈大幅下降趋势。同时河间地块钻孔随深度增加其线岩溶率也有明显降低,在700 m高程以下由3%～5%降至1%～2%。这一现象在C区比较明显,分析认为A、B区受老龙山断裂影响,其深部与浅部岩溶发育程度差异表现不明显。

表1　东庄水库可溶岩库坝段钻孔线岩溶率统计表

在A、B区平硐(深787 m及345 m)揭示,两区深部未发现大溶洞,仅发育极少量溶孔、溶隙,其规模也仅数厘米。坝址C区灰岩段布设了31条平硐(总长度2 553 m,最深195.5 m),统计也仅发现规模不大的7个溶洞,最大洞径1.6 m。平硐还揭示两岸溶洞、溶隙主要发育700 m高程以上风化卸荷带的浅表岩溶,与构造影响带伴生。

3.3　岩溶发育受控因素

库坝段水—岩相互作用试验[5]表明:O2灰岩中可溶性分组(Ca和Mgo)含量(56.87%)大于O1白云岩(均值31.32%),表明白云岩及韵律段岩石可溶性较差。

用泾河水作溶液对库段灰岩及白云岩进行水—岩作用试验时,两岩样与河水相互作用处于相对平衡状态,并有沉淀作用发生,表明泾河水对该区域岩石溶蚀作用较弱。而以去离子水(模拟动水件)试验时灰岩质量损失为23.488 mg/100 g,白云岩为41.483 mg/100 g,与两类岩石可溶性分组含量相反。分析认为这与区域性老龙山断裂构造对白云岩完整性影响有关,岩石结构受损,微裂隙发育,使溶液与岩石表面接触面增加而引起其溶失量大于灰岩。试验结果与区域构造对岩溶发育影响规律一致,表明区段岩溶发育受构造影响显著。

4　库坝区水文地质条件

4.1　地下水赋存条件

工程区内地下水按含水介质可划分为松散类孔隙水、碳酸盐岩岩溶水、碎屑岩类裂隙水。碳酸盐岩岩溶水在这一地区广泛分布,含水层主要为寒武—奥陶系灰岩、白云岩,补给来源主要为降雨及河流入渗以及黄土、碎屑岩层的地下水补给。岩溶水根据其赋存形式可分为浅表岩溶水及深层岩溶水,其特性与裂隙水近似。

浅表岩溶水位于碳酸盐岩风化卸荷壳内,新鲜岩为相对隔水层,岩溶水在风化卸荷壳内运移并向低洼地带排泄,或受阻于隔水岩层以下降泉形式出露。如泾河左岸峡口、徐家山、宋家山、候家山等泉。

深层水则主要赋存于深部新鲜岩层的构造裂隙、破碎带形成的岩溶孔、洞内,并无稳定连续地下水位,其主要受浅表水及地表水入渗补给,以层状或带状赋存并运移在区段排泄基准面以泉或补给其它系统形式排泄,如筛珠泉群主要为深层岩溶水出露;风箱道泉则为深层水与浅层水混合。

4.2　地下水水化学特性

对工程区井、孔及泉水水化学统计(表2)看,受唐王陵向斜及沙坡断层下盘页岩阻隔形成不同单元,水化学成分明显不同。

表2　东庄水库不同水系统水化学特性分类统计表[5]

筛珠洞泉与泾河水离子含量也相差10倍以上,表明泾河对其补给量非常小。风箱道泉及河床ZK322钻孔各水化学成份较泾河水含量虽低,但差别不是非常大,分析认为这一单元地下水除接受远源西侧滚村泉、东侧钻天岭补给外,也有泾河地下水补给。

风箱道泉、ZK322号钻孔和口镇方向张宏村、薛家村基岩井水比较,两者水化学成份差异不甚明显,通过其无法排除泾河东向渗漏可能。但左岸河间地块宋家山泉、候家山泉水化学成分与口镇方向井水也比较相近,表明受钻天岭一带灰岩地下水补给口镇基岩地下水也会形成现有水化学特点。因此通过水化学成分无法证明泾河向东渗漏。

4.3　地下水位及岩体渗透性

碳酸盐岩库段地下水位观测成果可以看出,坝址及两岸近坝段水位在560～580 m间变化,低于河水位10～30 m,而库段两岸山体1 km深左右地下水位在567～570 m。现状水位已低于原沙坡断层处的峡口、d300号和d373号三处泉水*李有学、陆晓辉，泾河东库水库论文选集，1999。已干涸,仍高于风箱道泉水(高程550 m),该单元集中排泄点就位于此处,而风箱道等四个泉水为最低排泄点。跨过沙坡断层南侧区域,地下水位突降为458 m(百井村井水)～452 m(筛珠洞泉)。

新完成左岸钻天岭北侧两个钻孔(YRZK- 05、YRZK- 01)水位在723 m与737 m高程,泾河左岸河间地块存在分水岭,其水位虽低于未来库水位,但远高于该段泾河水位,也说明这一区域东西向没有岩溶管道存在,悬托河有“底”可寻,地下水主要赋存于浅表的风化卸荷层内的浅表岩溶水。

钻孔压水试验统计(表3)表明现河床以下,随着钻孔深度增加,其单位透水率呈减弱趋势,500 m高程以上为弱透水性层,往下局部存在较强透水段,但总体在高程460 m以下岩体透水率基本<5 Lu。库区1号平硐揭示老龙山断层属压性断层,挤压紧密而透水性微弱;坝区30余条平硐揭露岩体除浅表风化卸荷带外,岩体仅发育少量溶孔溶隙,透水性也很差。

4.4　地下水补给、径流和排泄特征

右岸补给区主要为滚村泉—五峰山—泾河段约80 km2区域;左岸补给区为钻天岭—泾河段基岩山地的30 km2区域,其径流则分别受南北两侧的老龙山断层及沙坡断层页岩夹持,分别由滚村泉与钻天岭向泾河以补给+径流模式运动。

图4　滚村泉—沙坡—筛珠洞泉Ⅰ2子系统水文地质简图[4-6,8]

表3东庄坝址区钻孔透水率统计表[5]

Table 3The drilling permeability rate statistics of Dongzhuang dam area

统计高程m统计段数段数/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

单元集中排泄区位于沙坡断层北,沿线分布有风箱道、峡口、d380号、d373号四个泉水,为集中排泄区。地下水主由滚村泉→泾河、钻天岭→泾河,以深层+浅表岩溶向泾河运移,以泉及潜流沿此段泾河两岸排泄,并不受其它地下水系统控制。

5　水库渗漏可能性分析及防渗

5.1　水库渗漏

(1)本区未发育古岩溶,泾河形成时间短,主要在风化卸荷壳内发育浅表岩溶,没有发育岩溶管道系统条件。坝址所处水文地质单元在其发展过程中补给区域有限,地下水循环运动不强烈,也难以形成岩溶管道系统,仅以溶隙、溶孔型方式进行循环。

(3)库坝段岩溶发育程度微弱,以浅表岩溶为主;钻孔压水试验显示两岸及坝基河床下460 m高程以上岩体透水率稍大,以下岩体透水性微弱。水库蓄水后,会在两坝肩300～500 m内,460 m高程以上范围内岩体产生溶隙型渗漏问题,水库有“底”可寻。

(4)泾河碳酸盐岩段南北向以沙坡断层为界地下水位呈阶梯状下降,没有明显分水岭存在。库坝段左右河间地块均有地下水分水内岭存在,表明其河间地块内没有排泄畅通的管道系统,水库东、西、北三侧均有“盆边”存在,蓄水后不会出现岩溶管道式渗漏问题。

(5)老龙山断层为压性断层,断层带致密,不会形成东西向的渗漏通道。断层南侧白云岩体完整性差,微裂隙发育,岩石水—岩作用相对较强,但由于地下水位循环不畅,未能发育管道系统,其地下水主要以裂隙、溶隙型径流为主,且左岸地下水位高。随着水库水位升高,沿老龙山断层与南侧白云岩一带发生渗漏可能性小。

5.2　水库防渗方案

5.2.1以坝基及绕坝渗漏为重点

东庄坝址坝基及坝肩一定深度范围均处属浅表岩溶,工程防渗处理应主要集中于该处,坝基防渗深度可按460 m高程考虑;两坝肩防渗左右各延伸300～500 m即可,下限按500 m高程考虑。

5.2.2利用水库淤积对库区防渗[6]

渭北区已建设的羊毛湾水库、桃曲坡、冯家山水库均存在岩溶渗漏问题,当各水库在淤积至一定厚度时,水库岩溶渗漏量均明显减少或消失;而国内有名的悬托型水库水槽子,在水库淤积厚10 m时水库渗漏基本消失。工程经验均表明水库淤积对库区防渗有很好效果。

6　结论

东庄水库位于渭北北山地区泾河碳酸盐岩地段,为相对独立的水文地质单元,其东、西两侧均有地下分水岭,北侧有碎屑岩作为隔水层,南侧有沙坡断层逆冲出露页岩控制其岩溶侵蚀基准面。

库坝发育着以溶孔、溶隙为主浅表型岩溶,不会形成岩溶管道渗漏问题,岩溶渗漏问题不会对工程安全造成大的影响。老龙山断层影响带内岩溶也以裂隙、溶隙型为主,没有岩溶管道存在,少量渗漏不会对周边产生大的影响,可不进行防渗处理,加强河间地块地下水监测即可。水库兴建后,即使产生少量渗漏问题,随着淤积加厚也将会逐渐减少以至消失。

参考文献:

[1]张国伟,李建星,等.渭北北山及邻区(渭河盆地)古生代以来地质演化[R]：西安:西北大学，2011.

[2]濮声荣.地质工程实践与探索[M].西安：陕西科学技术出版社，2012:125-198.

[3]周益民,王全伟,等.泾河东庄水利枢纽工程岩溶渗漏专题研究报告[R].郑州:黄河勘测规划设计有限公司，2012.

[4]刘钊,等.陕西省东庄水利枢纽工程项目建议书阶段工程地质报告[R].西安:西北勘测研究院，2002.

[5]宋汉周,霍吉祥,等.陕西省东庄水利枢纽工程库坝区水—岩相互作用模拟研究报告[R].南京：河海大学，2011.

[6]濮声荣.论东庄水库岩溶渗漏问题[J].资源与环境工程,2013,27(4):416-421.