连通试验在山区沟谷岩溶水库渗漏勘察中的应用

刘 胜，郑克勋，王森林

(1.中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院岩土工程有限公司，贵州 贵阳 550081；2.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

水利水电工程是解决岩溶山区水资源分布不均、工程性缺水的有效措施，而水库渗漏却是岩溶地区水利水电工程主要的工程地质问题之一，是决定工程成败的关键。水库渗漏产生的影响，轻则影响水库功能的正常发挥，降低工程经济效应；重则成为废库，亦或因渗漏引发其他负效应，影响岸坡稳定或危及枢纽建筑安全，造成生命财产损失等重大社会影响[1-2]。

水库岩溶渗漏根据其渗漏部位、渗漏通道及与水系的相对位置等可分为库区、库底、库首、库周渗漏；管道型、溶隙型渗漏；邻谷、河湾、隐伏低邻谷等渗漏形式[3]。通过岩溶水文地质调查，研究工程区地形地貌、地层岩性、地质构造、岩溶发育及分布、水系分布、分水岭位置、地表水及地下水补—径—排条件等基础地质条件，可初步判定岩溶渗漏条件及可能的渗漏类型，以岩溶水文地质试验、钻探、物探等手段相互对比，可分析其具体渗漏通道和范围，该勘察方法在岩溶水库渗漏分析中具有很好的效果，其中连通试验往往起着支撑和验证勘察结论的决定性作用[4-6]。

本文以云南岩溶高原山区沟谷上游区域地形裂点附近某水库工程为例，根据水库渗漏特征，通过水文地质勘察，查明工程区基本地质、水文地质条件，判断水库渗漏类型及范围，后以连通试验确认其渗漏通道，为工程后期防渗处理提供依据。

1 工程概况

该水库是一座小型水利工程，总库容123.8万m3。其枢纽建筑物由黏土心墙堆石坝、右岸导流兼输水隧洞、左岸溢洪道组成，坝顶高程2 212.8 m，正常蓄水位2 210 m。水库建成后出现了严重渗漏问题，至今未完成蓄水功能的使用。

1.1 基本地质条件

水库位于云南北部岩溶山区，其地表分水岭高程在2 500 m左右，坝址在某高原山间溪谷的源头区域，山顶与河床相对高差300 m左右，岸坡坡度15°～40°，坝址下游为溪谷裂点，水库悬托于溪流侵蚀基准面上。

区内构造发育强烈，致使地层层序不完整，出露的地层以元古界震旦系上统碳酸盐岩地层为主，同时分布有燕山期侵入辉绿岩脉，覆盖层主要为第四系冲洪积和残坡积黏土夹碎石。库坝区主要出露的基岩地层如表1所示。

表1 库坝区主要基岩地层岩性

将工程区主要基岩地层按岩体透水性分为强岩溶透水层、中等岩溶透水层及隔水层或相对隔水层。库坝区含水岩组划分如表2所示。

表2 库坝区含水岩组划分

坝基地层岩性主要为Zbd白云岩夹泥岩和Zbg3-2灰岩夹钙质砂岩，均为含水层夹隔水岩层，隔水层空间发育不连续。Zbg3-2地层为强岩溶含水层，Zbg2和Zbd地层为中等岩溶含水层，其余地层为隔水层或相对隔水层。

工程区构造主要有断层F1、F2及F3和岩体节理裂隙。岩溶形态以岩溶泉、岩溶洼地、落水洞和溶蚀裂隙为主，溶蚀裂隙发育广泛，库区及大坝下游分别发育S8—S14泉和S1—S7、S15岩溶泉。

区内地下水类型主要有覆盖层孔隙水、基岩裂隙水及岩溶水。坝基附近地下水埋藏较深，受左岸白云岩溶蚀破碎带及右岸断层构造影响，坝基附近地下水位基本处于同一水平面，低于正常蓄水位52 m左右，地下水运动特征为地表水补给地下水，因此溪谷由库区辉绿岩脉至大坝下游钻孔ZK7附近表现为悬托河，其余河段表现为地下水补给河水的水动力类型。从钻孔压水试验来看，坝基岩体总体为中等透水层。工程区岩溶水文地质平面示意简图如图1所示。

图1 工程区岩溶水文地质示意简图

2 水库渗漏特征

在岩溶水文地质勘察过程中，对水库进行试蓄水，从中调查库坝区库水入渗点和渗出点分布情况。试蓄水勘察过程中发现库盆内有多个入渗点，大部分集中在坝前右岸K1落水洞和导流洞进口附近，库水渗出点则主要分布在坝后溢洪道出口附近、左岸灌渠边及右岸下游S7泉点。

库盆内入渗点分布具有一定规律性：(1)主要分布在Zbd白云岩和Zbg3-2灰岩地层内，入渗点尺寸主要集中在20 cm×70 cm左右；(2)分布高程集中在2 184.2 m～2 185.1m之间，沿K1落水洞边缘呈线状展布。

渗出点分布较广，在坝后下游220 m～850 m有多处渗出点，主要渗出点分布特征表现为：(1)坝后溢洪道出口和灌渠边Zbg2白云岩地层内有面状渗出点，分布不均，呈分散渗漏特点；(2)坝后下游右岸泉点流量显著增加，S7只在蓄水过程中出流，说明其受到了库水补给；(3)坝后渗出点分布不均，左、右岸及河床附近均有渗出点，其中左岸以分散性渗出点为主，右岸以集中性渗出点为主。各渗入渗出点特征见表3，其平面分布位置见图1。

表3 水库试蓄水过程坝前坝后渗入渗出点位统计表

3 连通试验

通过岩溶水文地质勘察，了解区内地表地下水资源、岩溶及含水岩层的分布特征及发育规律，可大致指示岩溶库水渗漏带；根据试蓄水过程库水渗入渗出点调查，可基本确定与库水渗漏有相关性的排泄出口分布；随后，采用连通示踪试验验证并分析库水渗漏的径流路径和渗漏通道。

连通示踪试验是当前水文地质勘察中研究地下水运动最常用最有效的试验手段，通过在地下水系统中某部位投放可随地下水运移而不被地下水环境影响的示踪剂，在相应部位接收到示踪剂的这个过程，可获取地下水运移速度、径流通道、地下水系统边界条件等水文地质信息。本着示踪剂应符合性质稳定、易溶于水、对地下水环境及生态环境无毒无害、天然背景值低、方便检测、试验成本低等原则[3，7]，本工程采用食盐作为示踪剂在2018年和2019年进行两期试验。

3.1 一期连通试验

试验原理是在投源点投食盐，在拟接收点取样滴入AgNO3溶液，根据化学反应式：Cl-+AgNO3=AgCl↓+ NO3-，水样中滴入AgNO3溶液变浑浊的位置即与投源点有连通关系。为验证下游各泉群与库水间的连通关系，在2018年枯期将库水蓄至1 000 m3左右，将4 500 kg盐溶解在桶内，再用水泵均匀喷洒向水库。其试验结果如表4所示。

表4 库水与泉水连通试验成果表

结果表明S1、S2、S3、S4和S5与库水有直接连通关系，S6和S7泉未检测到示踪信号，认为S6与库水无连通性，而S7泉在试蓄水过程中出流，说明S7与库水存在连通关系，本次未接收到信号可能是试验过程中蓄水位抬升有限所致。

3.2 二期连通试验

为查明具体的渗漏通道，2019年从库区右岸导流洞附近的水库渗漏入口K1落水洞注水投放食盐示踪剂500 kg，在库坝区钻孔及下游各泉点进行电导率监测，通过监测各排泄点电导率值在示踪剂投放前后的变化来分析水库渗漏的主要通道。

试验前在投源点及库坝区钻孔、泉水等地表地下水点测定电导率背景值，次日进行示踪剂投放，投源后24 h内对各钻孔和泉水每2 h取一次水样做电导率检测，其中钻孔每5 m一段进行分层取水。考虑到工程区示踪剂主要在岩体溶蚀裂隙中运移，弥散速度较缓，取样时间间隔可逐渐扩大，因此在投源后24 h～48 h之间每4个小时取一次水样，投源后48 h～72 h之间每6 h取一次水样。投源点与接收点位置分布示意图见图1所示，试验点情况如表5所示。

表5 连通试验投源点、接收点统计表

本次示踪试验中，部分钻孔在一定时间和一定深度范围内接收到由示踪剂产生的电导率异常值。从坝址附近钻孔至下游泉水各接收点电导率变化过程线如图2—图6所示。

图6 ZK7钻孔55 m、60 m孔深处电导率过程线图

如图2所示，距离投源点直线距离最短的ZK4钻孔在投源后约5 h开始接收到电导率异常值，其中在孔深100 m以上只是零星接收到电导率异常，孔深100 m～150 m深度能在较连续的时间段内接收到电导率异常值，且呈“双峰”，表明渗漏通道较深，上部水中的电导率异常多是受上下层水交换所致，主要渗漏高程约在2 107 m～2 063 m左右。以孔深140 m处表示，第一段峰线出现在投源后5 h～18 h之间，峰值为307.19 μS/cm，相对背景值226.83 μS/cm增加了约35.4%；第二段峰线出现在投源后31 h～38 h之间，峰值为350.61 μS/cm，相对背景值增加了约54.6%；按最先接收到的最大电导率异常值折算出的示踪反映速度约为3.16 m/h。

图2 ZK4钻孔部分深度电导率过程线图

在试验过程中因检测设备迟到，ZK302钻孔未检测到峰值上升过程，见图3。以65 m孔深处为代表，检测到的电导率最大值为1 816.01 μS/cm，相对背景值302.68 μS/cm增加了499.97%。最大电导率异常值折算出的示踪反映速度为3.52 m/h。孔深62 m以下电导率异常值相对背景值变幅较大，可确定其受示踪剂影响，表明该点位于渗漏通道范围，该钻孔位于灰岩地层中，受构造作用影响显著，岩溶较发育，但从示踪剂消散速率来看，其渗漏不具大规模岩溶管道特征，应以溶蚀裂隙为主。

图3 ZK302钻孔65m孔深处电导率过程线图

位于坝轴线右岸侧的ZK3钻孔中，孔深105 m至195 m范围均收到较大的电导率异常单峰曲线，表明该点位的渗漏通道主要集中在高程2 107 m～2 018 m范围，渗漏通道埋深较大。图4以150 m孔深为例，最大电导率异常值为293.03 μS/cm，相对背景值182.93 μS/cm增加了60.1%，示踪反映速度约为4.08 m/h。

图4 ZK3钻孔部分深度电导率过程线图

位于左坝肩的ZK2钻孔在投源后各段均为零星收到不连续电导率异常值，见图5。最大电导率值为505.44 μS/cm，相对背景值444.94 μS/cm增加了13.6%。示踪剂反应弱，流速慢，与其白云岩地层的溶隙性渗漏特点相关。

图5 ZK2钻孔部分深度电导率过程线图

ZK7钻孔位于大坝下游，图6显示在孔水位50 m以下均检测到电导率变化的完整峰值曲线过程，距离投源后约21 h接收到电导率峰值异常值，其中55 m孔深处的电导率峰值为474.26 μS/cm，相对背景值338.94 μS/cm增加了39.9%；60 m孔深处电导率峰值为468.44 μS/cm，相对背景值328.54 μS/cm增加了42.6%。该孔的示踪反映速度为12.84 m/h，为溶蚀性渗漏。

下游泉群均未收到显著的示踪剂异常，究其原因在于投源点K1落水洞消落能力有限，示踪剂投放剂量偏小，同时下游泉群距离投源点较远，非库水渗漏的泉水流量本身较大，示踪剂弥散后，地下水中示踪剂浓度下降，使得下游泉群中电导率未能检测出异常。

由此试验结果表明，右坝肩ZK4-ZK302-ZK3区域所体现出的地下水径流速度较快，接收到的示踪剂异常值较高且频率大，表明其与K1落水洞的连通性较强。ZK4最先接收到异常且呈双峰，距离投源点近，其连通关系显著；ZK302接收到的示踪剂异常值最大，速度快，ZK3与ZK7接收到示踪剂异常的时间相近，但ZK7的异常最值和示踪反映速度都较ZK3大，综合分析认为ZK3、ZK4、ZK7和ZK302与K1落水洞存在直接的连通关系。示踪剂在投源后主要通过右岸灰岩地层中F2断层及其周边溶蚀破碎带从K1落水洞和导流洞进口附近入渗点向下游方向渗漏；渗漏流速缓慢，表明径流通道中无较大岩溶管道发育，主要为溶隙型渗漏通道。ZK2位于白云岩地层中，其示踪剂信息弱，速度慢，表现为白云岩地层的溶隙性渗漏。

3.3 连通试验综合结果

综合两期“盐类法”连通示踪试验成果，库水与ZK3、ZK4、ZK302和下游ZK7、S1—S5、S7存在直接连通性，其渗漏形式为灰岩溶隙型渗漏。左岸白云岩也存在溶隙性渗漏，但其渗漏量与速度均较右岸弱。在平面上库水渗漏范围左至ZK2岸坡处，右至ZK4岸坡处，向下游可至S4泉，距离库首直线距离约1.03 km；其渗径主要向下游方向，侧向运移渗漏能力有限。在竖向上，ZK2—ZK4深孔的异常段在100 m以下，相对较浅的ZK7和ZK302异常段在60 m以下，对应高程分别在2 111 m～2 018 m和2 152 m～2 117 m范围，表明裂隙型渗漏通道具有成层性。当水库蓄水时，其主渗漏通道为向下游方向展布的右岸F2断层及其周边溶蚀裂隙破碎带，在坝后下游再顺倾向往河床方向运移；左岸的渗漏相对右岸较弱。

4 结 论

根据岩溶水文地质勘察及连通试验结果，主要得出以下结论：

(1)水库坝址区位于溪谷裂点，岩性主要为灰岩和白云岩可溶性岩，溶蚀裂隙发育，且有断层切割，溪谷为地表水补给地下水水动力类型，水库渗漏问题突出。

(2)库水向两岸的渗漏有限，渗漏主要发生于坝轴线及右坝肩，主要由K1渗漏沿右坝肩F2断层及周边溶蚀裂隙破碎带向下游方向渗流，左岸白云岩地层存在的渗漏较右岸弱。

(3)各钻孔检测出示踪剂的深度差异明显，说明岩溶发育和渗漏具有成层性。

(4)基于岩溶水文地质勘察和试验，查明岩溶水文地质基本特征后，以连通试验验证水库渗漏成因、渗漏类型和渗漏通道，为工程后续处理提供地质依据的方法是有效的。