蒲石河抽水蓄能电站上库分水岭渗漏分析

杨宗玲，田作印，郑以宝，张建辉，吕君卓

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

蒲石河抽水蓄能电站上库挡水建筑物为上库钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高78.5 m，坝址以上控制流域面积1.12 km2，总库容1 238万m3，正常蓄水位392 m，死水位360 m。

1 库区工程地质条件

蒲石河抽水蓄能电站上库库区位于三面环山的泉眼沟沟首。总体呈NW向展布。沟谷底宽60～250 m，谷底高程320～365 m。

上库库周分水岭长3 700.2 m，按桩号0-24.7～0+704.0、 0+704.0～1+550.0、 1+550.0～2+994.0、 2+994.0～3+675.5分东、北、西、南库岸4部分，地面高程多为 420.0～504.2 m，高出设计蓄水位25.0～109.0 m。无低矮地形垭口分布，但在东、西、南见有三处地形相对较低矮的单薄分水岭，地面高程分别为 434.0～440.0 m、 425.0～449.0 m、 429.0～445.0 m，分水岭宽度仅230～350 m。库周分水岭外侧见有5条走向呈NW向和NE向分布的切割深度70～150 m的深沟谷，沟端距上库分水岭一般＜180 m左右。库周外侧边坡陡峻，坡度30°～50°，局部地段呈陡崖，地下水排泄条件良好。库周覆盖层较薄，一般1～2 m，较大冲沟部位3～5 m，局部地段7.5 m，主要由残坡积含碎块石低液限粘土组成。基岩主要为较完整、坚硬的混合花岗岩，后期穿插有闪长玢岩、煌斑岩等岩脉。

库区断层不发育，多分布于西、南库岸一带，主要见有规模较大的断层有 F1、 F19、 F22、 F101、 F102、F103、 f61、 Fy3、 fy7等断层破碎带， F1、 F101、 F103、 Fy3、f61等断层走向 N25°～70°E， 其余断层走向为 NW，断层宽度多＞10 m，F1断层最宽达35 m左右，其中fy7、 f61＜7 m， 延伸较长的有 F1、 F103、 Fy3等断层破碎带，均通过分水岭延伸至库外。

本区地下水按其埋藏条件可分为赋存于基岩裂隙水和第四系松散堆积层中孔隙潜水。基岩裂隙水以裂隙潜水为主，局部分布有基岩承压水。地下水多以泉水形式补给地表水。沿上水库泉眼沟见有地下水沿基岩裂隙面流出的下降泉，但一般流量不大。

根据上水库库周钻孔资料和地下水长期观测孔2006年7月至2010年1月近42个月的监测成果资料统计，上库库周分水岭地下水位埋深情况如下：东库岸、北库岸地下水埋深一般21～50 m，最深达98 m。西库岸、南库岸地段地下水位埋深多为30～80 m，局部地段达80～100 m左右。

岩体透水性与岩性、构造发育程度、岩体风化及岩体破碎有关。据可研阶段钻孔资料统计，库周分水岭基岩相对隔水层 （透水率≤3 Lu）顶板埋深一般北库岸33～45 m，西、南库岸60～80 m，F1等断层集中渗漏通道80～95 m。据设计蓄水位至死水位间岩石87段压水试验资料统计，中等透水段占16.1%，弱透水段占21.8%，＜3 Lu弱～微透水段占62.1%。强风化岩经钻孔注水试验，渗透系数K为2.75～3.8 m/d。

2 渗漏分析

2.1 根据前期地质资料的分析

上库区为山岭环抱的洼地，库周岩石主要为较完整、坚硬的混合花岗岩。库周分水岭地段库水位392.0 m以下主要由弱～微风化岩石组成。据可研钻孔压水试验资料，西库岸总长约1 444.0 m。其中，长595.0 m （桩号2+144.0～2+739.0）段为中等透水岩石，占西库岸总长的41.2%，485.15 m长段为弱透水岩石，占33.6%；其余25.2%为微透水岩石，南库岸基本多为弱透水岩石。东、西、南库岸分布有3处低矮单薄分水岭地段 （桩号分别为0+580.0～0+704.0、 1+889.0～2+974.0、 3+020.0～3+617.4）， 地下水位及相对隔水层顶板均低于设计蓄水位，渗径较短，多为200～300 m，渗透坡降较大。设计蓄水位392 m至相对隔水层顶板岩石透水率分别为：东、 南库岸 3.7～11.3 Lu， 西库岸 3.1～16.0 Lu， 属弱～中等透水岩石。其余分水岭地段渗径较长，多超过300 m，多为弱～微透水岩石，地下水位和相对隔水层顶板多接近或高于设计蓄水位。

据前期地质资料得，东、西、南、北库岸分水岭长3 700.2 m，北库岸长约846.0 m，占分水岭总长22.86%，地面高程多＞450 m地下水位及相对隔水层顶板多高于或接近设计蓄水位，不具备库水外渗的条件。虽于该库岸东端处尚有长约120 m左右的地段，地形相对相对较低，但于该地段内库边线附近高程395.5 m处见有基岩裂隙水下降泉，且常年流水，故该地段水库蓄水后库水外渗的可能性不大。其中占48.9%的地段 （含绕坝渗漏），地下水位及相对隔水层顶板均低于设计蓄水位。水库蓄水后，沿上述低矮单薄分水岭地段将产生库水外渗。其余地段地下水位及相对隔水层顶板多接近或高于设计蓄水位，不具备引起库水外渗的地质条件。此外，库周分水岭地段地下水位及相对隔水层顶板高程多高于死水360 m，故库水沿死水位以下库盆外渗的可能性亦不大。

2.2 根据地下洞室开挖影响调查及地下水长期观测孔资料的分析

自2004年11月对外交通洞 （南库岸近侧）形成和厂房交通洞、通风洞等地下洞室群相继开挖成洞以来，上库泉眼沟、前眼沟和西库岸邻侧的黄草沟等沟内泉水水流相继明显减少或干枯，往年这些沟内一般常年流水。最明显的例子是位于地下厂房上部70.0 m高程的PD02“十”字形勘探平硐，于2004年5月前洞内水位为167.0 m高程，接近洞口，随着厂房交通洞、通风洞开挖，至2005年8月，洞内水位降至109.0 m高程，降幅达58.0 m，当2005年11月厂房交通洞开挖结束，副厂房开始施工时，PD02勘探平硐成干洞。同样，对外交通洞与施工前后情况相比较，洞内渗水情况也大为减小或仅局部地段有渗水。又据上库分水岭地下水长观孔2006年7月～2010年1月期间的水位观测成果：东、北库岸地段的KUP16～KUP14孔，地下水位一般为392～414 m，埋深一般为21～50 m左右，与可研勘探阶段的情况比无明显变化；但西、南库岸与可研阶段勘探时的地下水位比较，呈大幅下降，如KUP03、KUP05、KUP07、KUP10、KUP12等观测孔的水位降幅多达11～28 m，地下水位埋深一般为40～80 m，最大达80～100 m，南库岸为30～80 m。因此，这使得西、南库岸分水岭地段地下水位多低于设计蓄水位 16～26 m。

由上述情况可以看出，西、南库岸地段地下水位呈较大幅度下降，主要受对外交通洞和地下厂房等洞室群施工开挖排水影响。据地下水动力学原理，上述施工从空间上在较大范围内切割了这一地带的地下水流网，从而导致沿地下水流线方向上在不同地段水力坡降增大，渗径缩短，渗流量增大。

2.3 根据库盆开挖地质测绘资料的分析

西、南库岸外侧分别有5条走向NW （南库岸）和NE、切割深度为70～150 m的沟谷展布。这些沟谷末端多紧邻分水岭，相距多＜300 m，如黄草沟、前眼沟等。西库周外侧地形一般较陡峻，多为30°～50°，部分地段呈陡崖。同时，根据库盆开挖测绘资料，F103、F1、Fy3等4条宽度较大的断层，陡倾角自库盆呈NE向通过分水岭。由长观孔资料可知，位于上述3条断层破碎带分水岭外侧部位的地下水位为360～370 m左右，接近库盆死水位，因此判断，西库岸存在沿F1、Fy3、F103等断层破碎带渗漏通道的地质条件。上水库渗漏分析情况详见表1。

3 渗漏计算

3.1 计算条件假设

在计算前，我们先进行如下两种假设：

（1）假定所计算的含水层为均质、各向同性。我们知道，基岩裂隙水主要由地质构造、层面等诸多因素控制，各项差异也较大，上水库库岸岩石多为弱～微风化混合岩。从钻孔压水试验资料可知，渗透系数K多＜0.5 m/d，水力梯度 i＜1，属层流。因此，为计算方便，按均质、各向同性裂隙介质问题处理。

（2）据设计，上水库水位正常工况下是在392～370 m之间变化，每天库水位在正常高水位的时间要占12 h以上，发电时库水下降速度要比地下水补给库水的速度快，经过一段运行时间后，分水岭的地下水位基本接近正常蓄水位，并保持这一状态，因此用正常高水位392 m为计算时的库水位。

3.2 公式选择与计算

（1） 库周渗漏

式中，K为渗透系数，各层以透水率最大值换算成单位吸水量 ω， 按经验公式计算 K≈2ω=2×1/100 Lu；T为含水层厚度，取地下水位到q=3 Lu界线之间的最大铅直距离为渗漏带厚度，在剖面图上量取；L为渗径长，库水向外渗出点到库边线水位在计算剖面上量得相应的水平渗径长度；B为计算宽度，各部位岩体的渗透性、渗漏带厚度等各不相同，故在计算时，将库区渗漏分水岭分为若干计算段。各段参数与计算结果详见表2。经计算，库周总渗漏量为 Q库周=Q库周1+Q库周2+···+Q库周12=2 826.28 m3/d。

（2） 绕坝渗漏

式中，K为渗透系数，取值方法同库周渗漏计算；B值取绕坝渗漏带边缘至坝肩的直线距离；r0为坝肩与山体接触部位宽度的1/2，取趾板宽度2b=6 m，r0=1.91 m；H1、H2为绕坝渗漏段上、下游水位；H1+H2为未知数，先假设上、下游其中一个水位为Hx，T已知，因此蓄水前另一水头为2T-Hx，蓄水后H1+H2=H1+2T-Hx+△H，T取地下水位至3.0 Lu界限的厚度；Hx为库外溢出点地下水位；△H为蓄水前后库边线地下水位升高值。 各段计算参数详见表3。根据表3计算得，绕坝总渗漏量Q绕坝=Q绕坝1+Q绕坝2=587.61 m3/d。

上水库总渗漏量Q总=Q库周+Q绕坝=2826.28+587.61=3413.89 m3/d。

表1 上水库分水岭库水渗漏分析汇总

表2 上水库库周渗漏参数与计算结果

表3 上水库绕坝渗漏参数

4 结语

现阶段对上水库分水岭渗漏分析，各种因素考虑得比较全面，大体上能够反映实际情况，但仍存在着以下问题需进一步研究解决：

（1）为计算方便，含水层按均质、各向同性裂隙介质问题处理，而实际情况中地下水的渗漏多数是受构造控制的，各向差异较大。

（2）计算时分水岭的地下水位都是按照正常高水位392 m考虑的，没有考虑水库运行工况下库水位变幅的问题，也就是说，长期运行时分水岭的实际地下水位是多少暂时还是未知的。

（3）分水岭在20世纪90年代勘探时长观孔甚少，资料多已不全，因此水文地质剖面上勘探的地下水位都不是同一天的，时间、季节差异较大。所以，分析时用现阶段长观孔同一天的地下水位与勘探时的地下水位进行比较，不能完全真实地反应地下水位的升、降问题。

（4）西、南库岸接触部位长观孔间距较大，期间地下水位取值与实际可能有一定误差。