三泉水库库尾渗漏分析及防渗处理建议

张 超

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

三泉水库是禹门口提水东扩工程的调蓄水库。2012年10月禹门口提水东扩（一期）工程试通水期间，水库采用低水位运行，当初期蓄水水位达到443.5～444.00 m时，发现水库水位呈逐渐下降趋势，检查发现水库库尾左岸泽掌村古堆泉部分泉眼出现回灌现象，水库蓄水位高出泉眼后，泉域范围内的“莲花泉”、“葫芦泉”、“洗脸盆泉”等几个较大的泉眼均出现严重的回灌现象；同时检查库区库岸，发现原库区左岸采石场地段局部岩石出露，库区内发现多处渗漏沉坑，三泉水库库尾防渗工程的任务主要是解决库尾渗漏问题，同时补给古堆泉域。

1 水库渗漏处理的必要性

禹门口提水东扩工程位于山西省中南部，是向临汾、运城六县市工、农业以及农村生活供水的保障性给水工程。三泉水库作为禹门口提水东扩工程的首部水源调蓄水库，其调蓄库容对于禹门口提水东扩工程的工程效益起到了至关重要的作用。实际工程情况为禹门口提水东扩工程一级泵站从三泉水库最低取水位为441.5m，对应的库容为69万m3，库水位443.5m对应的库容为175.1万m3，若不进行泉域渗漏处理，水库的有效调节库容只有106.1万m3，仅占禹门口提水东扩工程所需调蓄库容450万m3的23.6%，三泉水库调蓄库容无法充分利用，禹门口提水东扩工程的工程效益不能发挥。

三泉水库库尾防渗处理后，既可以正常发挥禹门口提水东扩工程的工程效益，又可以给古堆泉域适当补水，改善生态环境，促进旅游开发，给工程区人民带来一定的经济效益和社会效益，是一项十分必要且迫在眉睫的工程。

2 渗漏原因分析

水库正常蓄水位447.5m时回水长度约2.56km。在库尾古堆泉群处为低洼带，且低于正常蓄水位。水库试蓄水间在泉域内发现渗漏问题，且渗漏量较大。

1）可能存在的渗漏原因

库尾渗漏的原因分析认为主要为泉群回灌渗漏、基岩岩溶和裂隙渗漏。

①泉群回灌渗漏：据调查，古堆泉群分布于水库库尾，据当地人介绍，原出水量大且较集中的主要有离基岩山体较近的莲花泉、葫芦泉和一些零星分布的乱泉（泉眼分布多且杂乱）等，泉群区靠近山体除部分基岩裸露，大多为覆盖层掩埋。水库修建运行时库水来源主要为泉水，后来因周边深井严重超采，地下水位下降（附近抽水井水位50 m多），泉水干枯，水库区岩溶水位的下降，使水库成为悬托型水库。莲花泉位置目前为一直径约3m左右的人工衬砌圆柱井桶，里面堆积很多杂土；葫芦泉口部分人工衬砌，现堆积很多碎石土，部分被水泥板掩盖；其余泉眼现场均无法看清。在试蓄水间，莲花泉、葫芦泉衬砌口有库水回灌。

②基岩岩溶和裂隙渗漏：据现场调查，在试蓄水时库水位下降后，渗漏区内出现大小不等的落水塌陷坑，一般坑径0.8～2.0 m，深1.0～1.5m，最大口径3.0 m×3.5m，最深3.5m，深部孔洞较小。从坑口观察，距离基岩山体较近的几个塌陷坑口部均分布有不同厚度的碎石层，碎石成分为灰岩，碎石粒径一般5～20 cm，最大40 cm；其余均为低液限黏土、低液限粉土地层，表层含植物根系，有小孔分布。分析塌陷坑的形成原因主要是覆盖层中欠固结松散土在库水作用下，向下伏可溶性灰岩顶部开口中迁移所形成的洞穴发展和崩塌的结果。岩溶区地下水位远低于基岩面以下，库水下渗，冲蚀覆盖层土体，将颗粒带入岩溶通道中，洞穴从覆盖层底部向上发展，形成塌陷坑。塌陷坑不一定正对着岩溶通道，在洞穴发展到地表以前可能侧向发展。覆盖层较薄处其潜蚀形成隐伏空洞易发展到地表，塌陷易产生。覆盖层较厚处其潜蚀形成的隐伏空洞发展到地表较困难，一般经历长时间才可以反应到地表。

③库尾地层不存在整体渗漏问题：据钻孔勘察资料，渗漏区除基岩裸露部分外覆盖层厚度一般0.5～28.0 m，为洪积低液限黏土，局部夹低液限粉土、含砂低液限粉土透镜体，靠近岸边及基岩部位分布有碎石土层，为坡积或风积层。据钻孔取样室内渗透试验，试验成果统计(Q4pl)低液限黏（粉）土渗透系数为4.83×10-7～3.98×10-4cm/s，平均4.27×10-5cm/s，(Q3pal)低液限黏土渗透系数为3.50×10-6～4.95×10-5cm/s，平均2.65×10-5cm/s，(Q2pl)低液限黏（粉）土渗透系数为6.60×10-7～5.07×10-5cm/s，平均1.39×10-5cm/s，属微～中等透水层，为相对隔水层，渗透性小。不存在库区地层整体渗漏问题。

2）渗漏成因的形成机制

综上分析认为：泉域区渗漏主要是泉群回灌渗漏、基岩岩溶和裂隙渗漏。

在基岩裸露区或覆盖层较薄的部分，库水直接沿基岩岩溶、裂隙通道渗入，或库水渗入覆盖层后，再渗入基岩中，从而补给岩溶地下水，构成主要渗漏原因之一。

在覆盖层分布较厚的地区，由于在岩溶泉域地下水位较高时，泉水出溢压力作用下将覆盖层击穿，形成岩溶泉水出溢通道，以泉水形式出溢于地表，即原来的莲花泉、葫芦泉等泉群；在后来岩溶水位下降后，泉水出溢通道在覆盖层中形成下大上小，规模形状不同的空洞，洞口在长时间的自然或人类活动中部分逐渐塌落填实，部分只在洞口一定深度范围内虚埋，当水库蓄水，淹没泉群情况下，覆盖层饱和，在渗透水压力作用下，覆盖层被击穿成空洞被潜蚀重新贯通，库水将沿原泉水出溢通道产生回灌，此外，库水渗漏会携带地表覆盖土粒进入基岩通道中，从而使土层中产生新的塌陷空洞，随着进一步发展，形成地表塌陷坑，即比较集中的渗漏点，使得库水补给岩溶地下水，形成库水渗漏原因之二。

3 防渗方案建议及比选

经上述地质条件分析出水库渗漏的原因主要为基岩岩溶、裂隙渗漏和泉群回灌渗漏，同时根据现场勘察及渗漏分析，结合渗漏塌陷坑分布，确定泉域渗漏范围应为基岩裸露与库区覆盖层较薄地段及原泉眼分布范围内。

1）防渗方案建议

根据三泉水库渗漏原因，结合目前可行的工程措施提出三个处理方案：

方案一：直接补水方案。

该方案直接通过三泉水库渗漏补给古堆泉出露区域，同时限制区域内水井开采，抬高区域地下水位，解决水库库尾渗漏问题。

根据山西省水文水资源勘测局《古堆泉域地下水位统测工作报告》得知，古堆泉域年地下水开采总量大于年水资源总量614万m3/a，长期处于超采状态。也就是说要想达到用水量平衡，需在开采量不变的情况下每年向古堆泉域补水614万m3，这还不包括多年来长期超采的地下水超采量的补充，如果按照1999年泉水断流时间算起到2014年，共15年时间计算，初步估算需要补水为9210万m3，才有可能使古堆泉域来、用水保持平衡，使古堆泉具备复流的条件。参考禹门口灌区水价1.0元/m3，补水为9210万m3需投资9210万元，且每年还需先投资614万元后才可发挥水库的正常使用功能，经济效益较差。

方案二：覆盖、封堵方案。

该方案在库区渗漏区域内铺设防渗土工布，彻底覆盖、封堵三泉水库库尾古堆泉眼和漏水区域，以解决水库库尾渗漏问题。

漏水区域面积约16.2万m2，工程直接投资约307.8万元。

方案三：修建防护工程方案。

该方案根据地质资料提供的库区渗漏范围、库岸基岩面深度及泉域位置情况，布置一道875m长的防护土堤，将莲花泉、葫芦泉等几个较大的泉眼围挡在水库库区以外，在防护堤西侧局部可能发生渗漏的区域，铺设复合土工膜进行水平防渗。同时在防护堤上设置2孔闸门。该方案工程直接投资约1500万元。

2）防渗方案比选

防渗方案比选主要差异见表1。

方案一工程措施简单，运行管理方便，但受地下水位、区域水文地质条件、泉水出露点等条件影响较大，补水效果存在很大的不确定性，且工程投资较大，经济效益较差。

方案二投资较少，但工程措施将覆盖三泉水库库尾的古堆泉出露的全部泉眼，对以后的古堆泉域生态环境的修复与治理造成很大影响，也不符合“十二五”期间，山西省实施水生态系统修复与保护规划要求。

方案三防护堤和库区水平防渗相结合，切断了库区蓄水和泉眼之间的流道和渗漏通道，不但能解决库尾渗漏问题，而且在水库水量充裕的条件下还能给泉域适当补充地下水，推进古堆泉域的复流，经济效益和生态效益显著，且工程投资不大，施工技术成熟，后期维护管理简单。

表1 防渗方案条件比选表

对上述三个方案进行综合分析，确定方案三为推荐方案。

4 结论

本文针对三泉水库试通水期间，水库水位呈逐渐下降趋势，存在渗漏现象，运用勘察方法及手段分析得出库尾渗漏原因主要为泉群回灌渗漏、基岩岩溶和裂隙渗漏。并根据实际的工程地质情况提出相应防渗比选方案，最终选择了最合适的防渗处理措施即方案三修建防护堤。通过修建防护土堤，将泉域回灌渗漏区域和水库正常蓄水区域分隔开，解决水库库尾渗漏问题。在防护堤局部可能发生渗漏的区域，铺设复合土工膜进行水平防渗。同时在防护堤上设置2孔闸门，水库水量充裕时给古堆泉域补水，洪水来临时参与泄洪。该方案对于推进古堆泉域的复流及泉域生态环境修复与保护起到了十分积极的作用。