陕西镇安抽水蓄能电站上水库渗漏问题分析与评价

王海涛

(中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065)

陕西省抽水蓄能电站镇安坝址位于商洛市镇安县西北约47 km,距西安市区128 km。电站分为上下两库,上水库位于月河右岸金盆沟,水库正常蓄水位1 392 m,相应库容896万m3,死水位1 367 m,死库容46万m3,有效库容850万m3。上水库大坝采用混凝土面板堆石坝,坝顶高程1 396 m,最大坝高125.90 m,坝顶长363 m。下水库坝区位于月河干流上,水库正常蓄水位945 m,相应库容1 220万m3,死水位910 m,死库容264万m3,有效库容956万m2。下水库大坝为混凝土面板堆石坝,坝顶高程949 m,最大坝高95 m,坝顶长298 m。输水发电系统布置在月河右岸山体中,输水系统总长度1 760.8～1 774.1 m。电站装机容量为1 400 MW,最大水头477.5 m,最小水头411 m,额定水头440.0 m,距高比3.54。

工程区地处陕西省西南部,东秦岭主峰—太白山东麓,属中高山区,北邻渭河平原,其间有大断裂,为北仰南倾的断块构造。沟谷切割强烈,山高沟深,植被茂密,地形复杂。区域内出露地层主要有第四系全新统松散堆积层,古生界泥盆系、志留系、奥陶系、寒武系地层和新元古界震旦系地层以及中生代印支期的侵入岩。

1 上库基本地质条件

1.1 地形地貌条件

上水库主要发育金盆沟,在主沟靠近库尾处呈Y形分叉,左支为芹菜沟,右支为空洞沟。在库盆左岸发育杨家湾沟,于坝轴线处汇入金盆沟。库周东、南、西三面环山,地形呈不规则喇叭状,左右岸坝头和东面山梁较单薄。东面山梁外侧为下库月河右岸,山顶高程在1 535 m,最低处1 402 m,正常蓄水位1 392 m时,山梁最窄处120 m,最宽处230 m。库周南面分水岭为黑山,山顶高程为2 000.90 m,邻谷为金替河,正常蓄水位1 392 m时,山梁宽度>2 000 m。库周西面分水岭为黑沟大梁,山顶高程在1 546～1 618 m之间,正常蓄水位1 392 m时,山梁宽400～760 m。左坝头山顶高程在1 436～1 505 m间,正常蓄水位1 392 m时,山体宽度为98～120 m。右岸坝头正常蓄水位1 392 m时,山体最窄处为170 m。

1.2 地层岩性及地下水位

上水库(坝)区出露地层主要为泥盆系中统地层和印支期侵入的花岗闪长岩地层。第四系覆盖层以崩积为主,主要分布于上库右岸缓坡地带及沟谷低洼处,组成物为含大孤石的块石、碎石土,浅黄、黄褐、深灰、灰黑等杂色,厚度一般为1.5～5 m,右岸崩塌体一般厚12～18 m,最厚24.8 m。泥盆系中统古道岭组上段岩性主要为白、灰白色大理岩、深灰色结晶灰岩等[1]。大理岩主要分布在上库坝址区,结晶灰岩主要分布在库盆和库周,在局部段大理岩与结晶灰岩呈相互夹杂发育。印支期侵入岩性为灰白色花岗闪长岩,具有半自形细粒状结构,块状构造。位于花岗闪长岩与泥盆系地层的接触部位,发生明显蚀变,薄片鉴定结果,该蚀变带为黑云母石英片岩,岩石具有鳞片粒状镶嵌变晶结构,片状构造,蚀变带厚度变化较大。

上水库揭露的白、灰白色大理岩、深灰色结晶灰岩等为可溶岩,主要以碳酸性溶蚀为主。根据调查、地质勘探等资料显示,可溶岩主要沿裂隙面、裂隙带等进行,呈串珠状分布,形成溶蚀性裂隙,或局部段扩溶成孔洞,连通性较差。基本上,溶蚀高程在1 280～1 360 m内,最低低于沟水面20～30 m,上水库基本以浅层溶蚀为主。

上水库地下水以基岩裂隙水为主,局部存在少量的碳酸性岩溶裂隙水。地下水主要来源为大气降水,金盆沟为上库最低基准面,地表水流汇聚至金盆沟,排泄至下库月河。第四系覆盖层为最表层含水岩组,主要受大气降水补给,因其透水性较好,具有明显的季节变换特征,总体上富水性较弱。其下主要为基岩裂隙水,主要受大气降水及上部覆盖层滞留水补给。因基岩裂隙发育贯通性差、量少,致使其富水性不强,流通性差。主要受地形高程差异,由高向低渗流。碳酸性裂隙水主要是发育在溶蚀裂隙中,贯通性好,受大气降水补给,向低洼处排泄,是可能致使库盆形成较大渗透通道的因素。

根据分水岭的长期观测钻孔长达2年多的连续地下水位观测资料揭露,左坝头地下水位1 287～1 342 m,右坝头水位1 306～1 312 m,东面分水岭地下水位1 311.60～1 360 m。除左坝头外,其余地段地下水分水岭与地形分水岭位置基本一致。另外,从库内、外地下水出露点分析,西面、南面沟内地下水出露点均高于1 392 m,两岸坝头和东面邻谷地下水位均在1 340 m以下,且流量小,亦表明地下水位低。

1.3 库周岩体透水性

根据上库钻孔压水试验成果表明,大理岩透水率q=0.43～3.98 Lu,结晶灰岩透水率为q=0.58～4.42 Lu,花岗闪长岩透水率q=0.21～2.10 Lu。以q≤1 Lu为相对隔水层,西面和南面埋藏较大,为80～120 m,高出正常蓄水位11～111 m；两岸坝头和东面埋深为88～164.5 m,顶板高程为1 279.35～1 303.60 m,低于正常蓄水位。

2 上水库渗漏综合分析

2.1 上水库基本地质条件渗漏分析

左坝头岩性为大理岩与结晶灰岩,底部为花岗闪长岩,主要发育以裂隙为主,未见大的断裂构造。分水岭地面高程为1 436～1 505 m,分水岭地下水位高程1 287～1 342 m,分水岭相对隔水层高程为1 287～1 413 m,正常蓄水位时分水岭宽度为98～120 m,分水岭山体单薄,地下水位与相对隔水层顶板均低于正常蓄水位,且地表分水岭和地下分水岭位置不相符。在实际测绘发现有长大溶蚀裂隙Lf1,溶蚀裂隙由库内连接至邻谷,左坝头存在渗透问题可能性大。右坝头岩性为大理岩与结晶灰岩,底部为花岗闪长岩,局部存在裂隙密集带,地面分水岭高程1 445 m,地下分水岭高程为1 312 m,正常蓄水位时分水岭宽度为170 m,基本未发现岩溶情况,主要存在裂隙性渗漏可能性。库周东面主要岩性上部为结晶灰岩,下部为花岗闪长岩,基本未发育断裂构造。但分水岭山体单薄,库内外泉水出露点、分水岭地下水位和相对隔水层顶板高程低于正常蓄水位,岩体以弱透水为主,局部为中等透水或强透水,在高程1 368～1 363 m为溶隙密集带,构成渗漏通道,水库存在渗漏可能性大。库周南面主要为花岗闪长岩,基本不发育断裂构造。分水岭地下水位和相对隔水层顶板高程远大于正常蓄水位,存在渗漏可能性小。库周西面主要为结晶灰岩,未发育断裂构造,主要发育层间裂隙。分水岭地下水位和相对隔水层顶板高程远大于正常蓄水位,整体存在渗漏可能性小,但在黑沟大梁上ZK51、ZK51-1等位置发育有长大溶蚀裂隙Lf2、Lf3,溶蚀裂隙连接至邻谷,可能沿此裂隙形成渗漏通道(各部位典型水文剖面图见图1-4)。

图1 左坝头典型水文剖面Fig.1 Typical hydrological profile of left dam head

图2 西面典型水文剖面Fig.2 Typical hydrological profile in the West

图3 东面垭口典型水文剖面Fig.3 Typical hydrological profile of Dongmianyakou

图4 右坝头典型水文剖面Fig.4 Typical hydrological profile of right dam head

2.2 上水库可能渗漏通道分析

水库发生渗漏,必然有渗漏通道产生,其与水库地层岩性、蓄水库盆岩体结构的完整性、断裂构造和裂隙发育程度、以及含水介质的渗透特性密切相关[2]。按含水介质及其导水性质的不同,渗漏通道可分为孔隙性、裂隙性、管道式三种主要渗漏型式。孔隙性渗漏主要通过松散介质的孔隙产生的渗漏。裂隙性渗漏是通过岩石中节理裂隙或断层产生的渗漏。管道式渗漏主要是通过灰岩、白云岩等可溶岩中发育的溶洞等岩溶管道产生的渗漏[3]。

上水库库区及坝区第四系松散堆积物较少,库盆开挖和库底清挖以后,覆盖层基本已清除至基岩,因此,库坝区发生孔隙性渗漏的可能性较小。上水库库区及坝址区上部主要为白色大理岩或结晶灰岩,下部为花岗闪长岩,未发现区域性断裂,以小断层和3～4组裂隙为主。平硐揭示,裂隙多具有一定程度的张开,局部裂隙有潮湿、渗水甚至连续线状滴水的现象,而地表深处的钻孔岩芯表面还伴有铁质锈染。表明库区基岩裂隙比较发育,并具有较好的含水、导水性能。裂隙性渗漏是库区潜在的主要渗漏模式。上库库盆均为大理岩和结晶灰岩等可溶岩,库区东南为印支期花岗岩的侵入,上部可溶岩的岩溶发育受阻,难以形成良好的排水通道。实地调查中尚未发现大型溶洞、洼地和落水洞等大型岩溶通道,库区周边也未见岩溶大泉出露地表。但局部地段可见溶孔、溶缝和溶蚀裂隙等规模较小的溶蚀现象。这表明上水库通过管道模式进行渗漏的可能性很小,仅黑沟大梁上钻孔ZK5、ZK51-1、ZK51-2、PD20-1、PD13-1揭示的大型溶蚀通道可能会导致库水向邻谷发生管道型渗漏。

依据地质调查和钻孔平硐揭露情况,从地形、岩性条件、钻孔地下水长期观测成果分析,上水库及坝址区可能的渗漏通道位置如表1。

2.3 上水库岩溶渗漏通道示综试验

在钻孔ZK50、ZK51、ZK51-1、ZK51-2和平硐PD13-1、PD20-1中陆续出现地下水位异常、孔内掉钻、塌孔、硐内溶蚀宽缝、溶腔揭露后,对左岸坝肩及邻谷、西面黑沟大梁ZK51-ZK59段进行补充地质调查,同时进行钻孔与钻孔、钻孔与平硐、及地下水出水点之间的岩溶管道示踪试验,以确定这些部位岩溶点之间的水力联系。本次示踪试验采用萤光素罗丹明B作为示踪剂,采用国产精密仪器722S型分光光度计作为检测仪器。根据地下水出水点、钻孔、平硐出现岩溶点的分布位置,在初步分析各出水点、岩溶点相互关联的可能性后,确定试剂投放点与观测点,布置图如图5所示。

表1 上水库(坝)区可能渗漏通道位置表Table 1 Location of possible leakage channels in upper reservoir (dam) area

图5 示踪试验平面布置图Fig.5 Layout of tracer test1.钻孔；2.实验点；3.平硐；4.水系；5.模拟贯通途径；6.库盆线；7.蓄水位线；8.坝轴线。

各试验点信息情况和完成情况列于表2和表3。

表2 各示踪试验点信息情况表Table 2 Information of each tracer test point

表3 各示踪试验点完成情况汇总表Table 3 Summary of completion of each tracer test point

经过投放点试剂浓度与接收点比对和分析,ZK50与ZK35旁边的沟水有水力联系,同时ZK51与PD13中的溶蚀宽缝(Lf1)和黑沟外的泉点2(溶洞1)是贯通的,PD13投放的荧光素溶液在泉点1(溶洞2)也可以接收到。根据实际勘探洞揭露,其中Lf1的平硐出露高程为1 427.5 m,产状为倾向NE8°,倾角为58°,宽度为0.1～0.5 m,平硐内可见延伸长度>15 m。延伸方向基本将库内和左岸分水岭相连,结合示踪试验,因此说明ZK51与泉点1也是贯通的,同时由此印证了前述的可能存在的渗漏通道是成立的。

3 上水库渗漏量估算

裂隙型渗漏选取典型剖面,对可能存在水库渗漏问题的地段进行可能渗漏量的计算评价。根据水力发电工程地质手册(彭土标),将库区周边地下水考虑为潜水,采用渗漏量计算公式(5.2.3-1)计算上库渗漏情况。

(1)

式中：Q——渗漏量(m3/d)；K——岩体渗透系数(m/d)；b1——过水断面宽度(m)；H——渗漏过程水头损失(m)；H1——过水断面最大高度(m)；h1——过水断面最小高度(m),(本次计算h1均为0)；li——渗漏途径长度(m)；J——水力坡度。

通道型渗漏采取水力学中的有压管道流计算公式,计算渗漏管道可能产生的渗透量。

(2)

式中：Q——渗漏量(m3/d)；μc——计算管道系统的流量系数；A——过水断面面积(m2)；H——渗漏过程水头损失(m)；g——重力加速度(m2/d)。

(3)

式中：λ——沿程损失系数；l——计算管道系统的长度；d——计算管道直径(m)；H——渗漏过程水头损失(m)；ξ——局部损失系数。

复杂多变的岩溶通道与人工管道差别很大,但依据人工管道材料对岩溶管道的相关参数等类比简化,依然可以对岩溶管道渗漏量进行估算,作为渗透定性分析的补充。

本次计算拟采用透水率与渗透系数近似对应关系的方法来获取渗透系数。即：1 Lu相当于渗透系数为1.25×10-5cm/s。利用各钻孔试验数据分别获取其可溶岩与非可溶岩部分的渗透系数(见表4)。

表4 各钻孔渗透系数(10-5 cm/s)Table 4 Permeability coefficient of each borehole

通过对整个上库的保守计算,整个库区总渗漏量为11 392.17 m3/d。坝基在无防渗帷幕的情况下渗漏较为严重,渗漏量达3 121.61 m3/d,左坝肩的渗漏量为1 607.66 m3/d,黑沟梁的渗漏量为1 874.32 m3/d,东面垭口的渗漏量为1 142.18 m3/d,东面中段的渗漏量为755.57 m3/d,右坝头的渗漏量为1 806.37 m3/d。包括蚀变岩体在内的可溶岩渗漏量达10 454.09 m3/d,占通道渗漏总量的98.70%,而非可溶岩渗漏量均很小,对水库的影响不大,岩溶渗漏才是库区内的主要影响因素,是水库发生渗漏的主要通道,应重点做好防渗措施。

4 结论

(1) 由于上水库水文地质条件及防渗工程地质条件复杂,两坝肩、左右坝头、西面局部及东面库周存在渗漏问题,且相对不透水层埋深达149 m,如考虑垂直帷幕防渗,施工难度大,且防渗效果难以保证。因此建议采用全库盆防渗型式。

(2) 根据整个勘察过程总结经验,抽水蓄能上水库渗漏条件揭露,长期水位观测孔的布置尤为重要,钻孔布置位置、深度、观测时间均需和实际的地形地貌、地层岩性、蓄水库盆岩体结构的完整性、断裂构造和裂隙发育程度相结合,综合分析可能渗漏位置,山体单薄部位、垭口、与邻谷相贯通部位重点勘察,针对特殊情况,应专题研究,可全面系统的查清渗漏情况,为水库防渗处理提供可靠、精确的依据。