萬偉鋒,劉慶軍,郭其峰,宮繼昌,王耀軍,王勇鑫

(黃河勘測規(guī)劃設計有限公司,河南鄭州 450003)

沁河河口村水庫庫區(qū)巖溶滲漏示蹤試驗研究

萬偉鋒,劉慶軍,郭其峰,宮繼昌,王耀軍,王勇鑫

(黃河勘測規(guī)劃設計有限公司,河南鄭州 450003)

沁河河口村水庫的巖溶滲漏問題是勘察過程中的一個難點,為了查明庫區(qū)的寒武系饅頭組下部巖層的巖溶發(fā)育規(guī)律,在庫區(qū)一河曲間采用兩種互補性較強的示蹤劑成功地進行了兩次示蹤試驗。試驗結果表明,示蹤劑接收點的泉水來自河曲上游河水,投放點至接收點的地下水滲流速度為22.67 m/h,滲流方向受構造作用控制;接收點示蹤劑的濃度變化曲線反映出二者之間不存在大的巖溶型管道流,其滲漏介質主要為裂隙和溶孔混合型。試驗結果同時表明,示蹤試驗是巖溶發(fā)育地區(qū)進行水庫滲漏研究的一種行之有效的手段。

水利工程;河口村水庫;巖溶;示蹤試驗

0 引言

巖溶地區(qū)的庫區(qū)滲漏問題一直是水利工程中的熱點和難點問題[1]。示蹤試驗是進行庫區(qū)滲漏研究的最有效手段之一,也是最為直觀、可靠的測定巖溶地下水連通情況的一種方法。通過示蹤試驗,可以了解研究區(qū)地下水運移方向、速度、地下巖溶與裂隙發(fā)育狀況及地表水與地下水之間的水力聯系[2]。近些年來,示蹤試驗作為研究巖溶水的一種重要手段取得了長足發(fā)展,其技術方法不斷進步,理論體系日趨完善,在中國南方和北方巖溶區(qū)示蹤試驗都曾有成功應用的先例[1,3]。

沁河河口村水庫位于河南省濟源市,處于沁河中游太行山峽谷段的南端,距峽谷出口——五龍口約9.0 km。水庫設計洪水位285.43 m,正常蓄水位275.00 m,堆石壩最大壩高122.5 m,壩頂長度530.0 m,總庫容3.17億m3,電站總裝機11.6MW。

水庫及壩址出露的寒武系地層為多層狀透水和隔水相間的灰?guī)r、泥質灰?guī)r、頁巖、砂巖互層。其中寒武系饅頭組下部巖組透水性較強,該層發(fā)育有溶孔、溶洞等溶蝕現象,特別是在壩址右岸揭露的一些平硐內及嚇魂灘岸坡,巖溶現象較為發(fā)育。

庫區(qū)疙料灘—嚇魂灘之間的河道為一典型的河曲“Ω”彎,二者沿河總長度近6 km,直線距離僅為600～700 m,河曲的“脖頸”處為單薄山體,在嚇魂灘長達200 m的沁河右岸地段以泉群的形式出露有大量的泉水,出露的泉水總流量可達40 L/s。經長期觀測,泉水大小與河水漲落正相關,根據該現象和疙料灘河水與嚇魂灘泉水水質資料對比分析,該泉水主要補給來源為上游疙料灘的河水。泉群出露地層為∈1m4下部至∈1m3相對可溶巖層,且泉群附近岸坡巖溶較為發(fā)育,如此大的泉水流量使人懷疑在疙料灘—嚇魂灘之間是否巖溶特別發(fā)育,以致存在較為集中的巖溶滲漏通道,形成了管道流。為分析疙料灘—嚇魂灘之間巖溶或者裂隙通道類型,評價疙料灘—嚇魂灘之間寒武系下部透水層的滲透性能,2009年11月在疙料灘—嚇魂灘河曲間進行了示蹤試驗。

圖1 沁河河口村水庫地理位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of geographical position of Hekoucun reservoir

1 庫壩區(qū)地質條件及巖溶發(fā)育特征

河口村水庫是一個典型的峽谷河道型水庫,干、支流比降較大,庫面比較狹窄,沁河是該區(qū)的最低侵蝕基準面,庫尾在和灘村附近,水庫面積約5.92 km2。庫壩區(qū)基巖裸露,多呈懸崖峭壁。

庫壩盤基巖,為一多層狀透水與隔水相間的巖體:下部為太古界登封群及元古界汝陽群的變質巖、碎屑巖,是一相對不透水巖體;中下部為寒武系饅頭組∈1m1、∈1m2、∈1m3及∈1m4下部,巖性為白云巖、泥灰?guī)r及頁巖,受構造影響,發(fā)育拖曳褶皺,巖體破碎,伴生有溶洞及溶孔;上部為寒武系饅頭組上部(∈1m4上部、∈2m5、∈1m6)、毛莊組、徐莊組灰?guī)r、頁巖、砂巖互層,為相對不透水巖體;庫盤頂部為張夏組∈2z(包括徐莊組∈2x4)巖溶化灰?guī)r,溶洞發(fā)育,透水性強,為透水層(表1)。

表1 庫區(qū)巖層含(透)水特征劃分表Table 1 Classification of aquifer and aquiclude in Hekoucun reservoir

上述透水層中,上層含(透)水層—張夏組灰?guī)r質純,厚度約200 m,灰?guī)r中溶洞發(fā)育,多為大裂隙所貫通,透水性強,地表支溝多為干谷,該含水巖組由于分布高程較高,在河口村水庫庫尾處底板高程275 m(水庫水位設計高程275 m),對水庫滲漏影響不大。

饅頭組下部構造透水層總厚度32～34 m,分布在沁河河谷兩岸,底板南高北低,高程180～232 m(壩址區(qū)河床高程約170 m)。在河口村水庫的壩址區(qū)該透水層底板高于地下水位,成為透水而不含水的巖體,順河出露延伸長度5.0 km,至庫區(qū)嚇魂灘附近,構造透水層下降至河面,向北傾入河底。壓水試驗資料表明,該層透水率算術平均值(q)為在1.37～15.3 Lu,少數局部孔段為無壓漏水。在水庫蓄水后,寒武系饅頭組下部構造含水巖組將成為庫水沿單薄山體和繞壩向外滲漏的主要通道。

與透水層相一致,庫壩區(qū)發(fā)育的巖溶可劃分為上下兩層,上層主要發(fā)育在上部中寒武統(tǒng)張夏組下段亮晶鮞?；?guī)r中,以大型的溶洞為主,與河流Ⅳ級階地高程一致,并主要在構造發(fā)育地段發(fā)育;下層主要發(fā)育在饅頭組下部構造透水層(∈1m4下部—∈1m1)中,饅頭組下部的巖層均為中等巖溶化巖層,巖溶發(fā)育以小規(guī)模的溶蝕現象為主,但該層在右岸揭露的平硐和嚇魂灘岸坡地段發(fā)育有較大規(guī)模的溶蝕現象。

2 示蹤試驗

2.1 試驗地段的選取

2.1.1 投放點

試驗的投放點選取在疙料灘沁河右岸,投放形式為鉆孔投放,通過物探大地電磁法測定,在疙料灘右岸沿線約600 m,在河水位以下30 m約有400 m沿河段的電阻率較低,推測為較強富水段,在400 m的較強透水段,還存在有一處極強透水點,推測該處巖體較破碎或者有巖溶發(fā)育,鉆孔位置即選擇在物探剖面上對應的電阻率最低的地點。

圖2 示蹤試驗地點及接收點泉點編號Fig.2 Tracer experiment site and the spring serial number at the receiver point

2.1.2 接收點

接收點即選擇在嚇魂灘泉群,由于泉群沿河流出露范圍較長,試驗進行前對泉水流量較大的泉眼進行了統(tǒng)計,共有15處,由南至北進行了編號,分別為S1、S2、……S15,泉眼之間的間距約為10～15 m(如圖2)。

2.2 示蹤劑的選取

本次示蹤試驗主要選取了兩種示蹤劑:一種是羅丹明B;另一種為食鹽(NaCl)。

以羅丹明B為示蹤劑,主要考慮到羅丹明B具有以下優(yōu)點:①肉眼可見性好,把1 g/L的羅丹明標準溶液稀釋10 000倍,仍能用肉眼分別;②易溶于水,可溶性強;③對環(huán)境基本沒有污染。但羅丹明B的最大缺點是易被吸附。

以食鹽為示蹤劑進行示蹤試驗,主要考慮食鹽具有以下優(yōu)點:①具有很好的水溶性(溶解度僅決定于溫度);②對環(huán)境基本沒有污染;③不易被吸附和生物降解;④便于野外檢測,精度高;⑤測量成本低。其缺點是肉眼不可見,需要24 h值守,且不停使用化學試劑滴定以測量其濃度變化。

采用這兩種示蹤劑可以充分利用二者的優(yōu)點,彌補相互之間的不足,實現優(yōu)勢互補。先利用染料示蹤,肉眼即可以容易地查找出示蹤劑的出露點,可為下一步食鹽示蹤劑試驗提供依據,合理安排下一步食鹽示蹤劑的開始監(jiān)測時間,并可減少前期一些不必要的檢測工作。

羅丹明B采用目測比色法進行測定;食鹽(NaCl)采用硝酸銀滴定法,以鉻酸鉀作為指示劑。

2.3 試驗過程

2.3.1 羅丹明B作為示蹤劑

示蹤試驗于2009年11月19日上午10∶00正式開始,投入鉆孔羅丹明B共2.5 kg,先溶解后再投入鉆孔中,投放時間共持續(xù)15 min。在投放點投入示蹤劑30 h后(11月20日下午16∶00時),在接收點泉群中相對集中部位(S2-S5)接收到了示蹤劑,接收到示蹤劑的持續(xù)時間為15～17 h(圖3),而在其它泉眼處未發(fā)現泉水顏色的變化。

圖3 接收點羅丹明B濃度變化示意圖(比色法)Fig.3 Concentration change curve of Rhodamine B at receiver point

2.3.2 食鹽(NaCl)作為示蹤劑

在第一次示蹤試驗結束5 d后,采用食鹽進行了第二次示蹤試驗。在投放工作進行前,先對嚇魂灘的泉水進行了取樣,檢測其中Cl離子的含量,將其作為泉水中Cl離子的背景值。食鹽投放量為50 kg,投放方式為溶解后投放至鉆孔中。投放工作在2009年11月26日上午9∶40開始,投放持續(xù)時間為30 min。

鑒于羅丹明B作為示蹤劑時,接收到的泉眼分布為S2-S5,且S4點持續(xù)時間最長,本次監(jiān)測重點監(jiān)測S3和S4泉點,每半個小時分別對S3和S4取樣,測定水樣中Cl離子的含量,然后和背景值做對比分析,以判斷是否接受到了投放的NaCl。同時,每間隔一段時間,對其它泉點也取樣分析。

S3和S4泉水中Cl離子的濃度變化如圖4所示,從圖中可以看出,在示蹤劑投放后29 h后,泉水S3和S4中的Cl離子含量均有升高;從持續(xù)時間上看,二者也較為接近,基本在12～15 h。此外,從其它幾個泉眼中不定時所取水樣的Cl離子含量未發(fā)生明顯變化。

圖4 S3、S4泉點Cl離子監(jiān)測濃度變化曲線Fig.4 Concentration change curve of Cl-atNo.3 and No.4 springs

從兩種示蹤劑的試驗結果來看,二者在接收示蹤劑到來的時間上非常接近,羅丹明B作示蹤劑時用了30 h,NaCl作示蹤劑時用了29 h;從持續(xù)時間來看,羅丹明B接收到之后持續(xù)時間比NaCl要長,羅丹明B持續(xù)時間約17 h,而NaCl持續(xù)時間為12～15 h。這主要是由于溶解后的NaCl在地下水中主要以離子形式存在,且不易被巖體吸附,隨地下水的運移較快,而羅丹明B為染色劑,雖易溶于水,但易被巖體表面吸附,加之其彌散作用,因而持續(xù)時間較NaCl長。

3 結果分析

3.1 地下水流速

從示蹤試驗的結果來看,在上游疙料灘ZK194鉆孔中示蹤劑投入約30 h后,下游嚇魂灘泉水處監(jiān)測到示蹤劑,持續(xù)時間為12～17 h,從而驗證了嚇魂灘泉水確實是由上游沁河河水疙料灘處通過下層構造透(含)水層滲漏補給的,由試驗測得的地下水流速為22.67 m/h。

3.2 地下水流向

通過本次的示蹤試驗還發(fā)現,在疙料灘進行示蹤劑單點投放后,在嚇魂灘延伸約200m的泉群并未全部監(jiān)測到示蹤劑,而僅僅在泉群南部相對集中的50 m地段(S2-S5)接收到了示蹤劑,表明投放點不是疙料灘河水向嚇魂灘滲漏的唯一通道,而是在疙料灘沿河右岸存在較長的滲漏段(約400 m),河水沿河底砂卵石層和基巖裂隙滲入饅頭組下部透水巖層后,沿該層向嚇魂灘滲漏。此外,由圖5可以看出,上游疙料灘河水向嚇魂灘的實際滲流方向并非最短滲徑方向,而是和工程區(qū)內NNW主構造線方向基本一致,表明滲流方向主要受到構造作用控制。試驗結果同時表明,在垂直于滲徑的方向上,巖溶或者裂隙相互連通不暢,導致接收點也較為集中。

圖5 疙料灘—嚇魂灘示蹤滲漏示意圖(陰影部分為滲流方向及范圍)Fig.5 Sketch map of tracer leakage between Geliaotan and Xiahuntan

3.3 滲漏介質性質

在上個世紀70年代,中國的一些學者就(楊立錚、劉俊業(yè),1979)利用示蹤曲線對巖溶水管流場結構做出了解釋與判斷,認為:①單一管道為典型單峰曲線;②單管道有水池型為下降支平緩或有臺階的單峰曲線;③多管道型為獨立多峰或連續(xù)多峰曲線;④多管道有水池型為下降支呈波狀起伏或臺階狀下降的示蹤曲線。梅正星(1988)在總結國內外連通試驗方法時也提出3大類6種流場結構的示蹤曲線特征[4]。張禎武等(1990)通過對各類巖溶水管流場地質條件與示蹤條件的歸納,給出了5種管流場示蹤數學模型和它們的解析解,同時利用理論示蹤曲線與實際曲線對比分析,建立了各類巖溶水管流場與示蹤曲線間的一一對應關系[5]。根據這些研究成果,結合本次試驗中接收點示蹤劑的濃度變化曲線形態(tài),推測滲漏介質主要為裂隙管道混合型,并以裂隙為主,接收點處示蹤劑監(jiān)測到之后持續(xù)長達12～17 h的現象也側面證實了這一點。

此外,通過對疙料灘河水、嚇魂灘出露的泉水的水溫的反復測量,河水溫度在2～3℃,泉水溫度為15℃,二者相差10℃以上,這也從側面反映出地下水在直線距離680 m的滲段滲流過程中,經過裂隙、小溶孔錯綜復雜的滲漏介質使得溫度得以提升。因而從實驗結果分析,疙料灘—嚇魂灘之間不存在大的巖溶連通管道。

3.4 試驗結果和所掌握的巖溶發(fā)育特征基本一致

試驗地點所在區(qū)為一單斜構造區(qū),層面向北緩傾,構造形跡微弱,未見有明顯的斷層和褶皺。但由于臨近太行山背斜軸部,在饅頭組下部透水層中發(fā)育一拖曳褶皺層,其軸向一般280°～300°,褶皺起伏差,一般為1～2 m。在層間“皺曲”發(fā)育的地段,由于巖體較為破碎,地下水徑流條件好,巖溶現象也較為發(fā)育,多以溶孔為主,主要發(fā)育在“皺曲”的核部或者沿小斷層發(fā)育。皺曲一般在近岸坡地段較為發(fā)育,因此在局部近岸坡地段,溶蝕現象也較為明顯。

根據對壩址區(qū)右岸的鉆孔、平硐的溶蝕現象的統(tǒng)計分析,溶洞發(fā)育的密度、規(guī)模都明顯與巖體距岸坡遠近有關,總體上在距岸坡70～80 m后隨距離增加有減弱趨勢。另外,根據鉆孔壓水試驗的統(tǒng)計資料,相同巖層的透水性,從近岸—中遠岸—遠岸有逐漸減弱的趨勢,這也從側面說明壩址區(qū)右岸巖層的巖溶化程度由近岸向遠岸逐漸減弱。

總體上看,庫壩區(qū)在地質構造、河流階地、古河道、風化卸荷和地下水活動相互疊加作用分布的地段,巖溶發(fā)育程度一般較高。而疙料灘—嚇魂灘之間的山體沒有明顯的地質構造形跡,且沒有河流階地和古河道分布,僅在試驗地點南側100～200 m饅頭組地層下部有小“皺曲”發(fā)育,因此二者之間的巖溶程度非常有限,這與示蹤試驗所分析的二者之間不存在大規(guī)模的巖溶型管道流的結論相一致。

4 結論

通過本次示蹤試驗,較為成功地查清了試驗區(qū)段饅頭組下部的巖溶水文地質條件,得出以下幾點結論:

(1)嚇魂灘出露的泉水補給來源來自上游疙料灘附近的沁河河水,在疙料灘右岸存在長約400 m的滲漏段,河水經由饅頭組下部透水層沿層向滲漏至嚇魂灘溢出形成泉群。

(2)根據示蹤試驗,示蹤劑由投入點到泉水溢出點約30 h,換算地下水滲流速度為22.67 m/h,結合接收點示蹤劑的濃度變化曲線、泉水溫度等現象分析,疙料灘—嚇魂灘之間不存在大的巖溶型管道流,其滲漏介質主要為裂隙和溶孔混合型,這與前期所掌握的巖溶發(fā)育特征基本一致。

(3)接收點相對集中表明在垂直于滲徑的橫向方向上,巖溶或者裂隙相互連通不暢;試驗中地下水實際滲流方向和構造線方向一致,表明滲漏方向主要受構造作用控制。

(4)在巖溶發(fā)育地區(qū),示蹤試驗特別是多元示蹤試驗是研究巖溶地下水水力聯系、巖溶通道模式以及求取地下水流速的直觀且有效的方法。

[1] 鄒成杰.水利水電巖溶工程地質[M].北京:水利電力出版社,1994.

[2] 鄭克勛,劉建剛,咸云尚,等.地下水典型連通示蹤模型的數值模擬[J].貴州水力發(fā)電,2008,22(3):54-60.

[3] 孫繼朝,郭秀紅,劉滿杰,等.黃河龍口庫區(qū)巖溶滲漏示蹤試驗研究[J].海洋地質動態(tài),2005,21(11):33-37.

[4] 孫恭順,梅正星.實用地下水連通試驗方法[M].貴陽:貴州人民出版社,1988:153-159.

[5] 張禎武,楊勝強.巖溶水示蹤探測技術的新進展[J].工程勘察,1999(5):40-44.

(責任編輯:于繼紅)

Study on the Tracer Exper iment of KarstLeakage in Hekoucun Reservoir Area on Qin River

WAN Weifeng,LIU Qingjun,GUO Qifeng,GONG Jichang,WANG Yaojun,WANG Yongxin
(Yellow R iver Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

Karst leakage problem is one of the difficult problems during the hydrogeological survey of Hekoucun reservoir.In order to find out the characteristic of karst development of Cambrian Mantou formation,two tracer experiments were carried out at the neck of an oxbow with two kinds of tracer which have strong complementarity.The results of the experiments indicate that the source of spring at tracer receiverpoint is the riverwater of upper reaches;the velocity of groundwater flow between the tracer injection and receiver points was 22.67 m/h,and the seepage flow direction is controlled by the geological structure.The change curve of tracer at the receiver points showed that there was no karst conduit flow between the injection and receiver points,and the leakage media is the combination of fracture and dissolved pore.The results also indicated that the tracer exper iment is one of most useful methods for hydrology leakage survey in karst area.

hydraulic engineering;hekoucun reservoir;karst;tracer exper iment

P642.25;TV697.3+2

A

1671-1211(2010)05-0496-05

2010-07-05;改回日期:2010-08-05

萬偉鋒(1981-),男,工程師,博士,地下水科學與工程專業(yè),從事水利水電工程的水文地質勘察工作。E-mail:wwfmt@163.com