基于喀斯特發(fā)育特點的中梁水庫防漏標準探討

李新明，屈昌華

（1.重慶水利投資集團公司中梁水電站工程項目部,404000，巫溪；2.中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院，550081，貴陽）

基于喀斯特發(fā)育特點的中梁水庫防漏標準探討

李新明1，屈昌華2

（1.重慶水利投資集團公司中梁水電站工程項目部,404000，巫溪；2.中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院，550081，貴陽）

喀斯特發(fā)育特點；中梁水庫；防漏標準；探討

中梁水電站樞紐位于重慶市巫溪縣，由一、二、三級電站組成。一級電站為大寧河干流梯級開發(fā)龍頭電站，大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高118.5m，控制流域面積525 km2，多年平均流量17.1m3/s，壩址以上河道平均水力坡降27.84‰，水庫正常蓄水位高程為625m，總庫容0.9943億m3，3個梯級電站總裝機容量122MW。

水庫為縱向深切河谷，兩岸岸坡陡立，碳酸鹽巖分布廣泛，喀斯特發(fā)育。水庫龍頭嘴以上龍?zhí)逗樱ㄓ抑В┖铀當嗬m(xù)失水，枯水季節(jié)甚至干涸；右岸星溪溝（沖溝）橫切河谷，破壞了庫岸隔水層（中梁隔水層），且發(fā)育有3條平行于河床的喀斯特管道，存在明顯的喀斯特滲漏問題。據前期勘測證實，正常蓄水位條件下不存在左岸及鄰谷滲漏。

為防止庫水從625m高程以下一號喀斯特管道（二號、三號管道在正常蓄水位以上）向下游河段漏水，在星溪溝下游設置一道防滲帷幕，以避免庫水滲漏過大而影響發(fā)電效益。由于水庫防滲不涉及大壩等工程的安全問題，其實質是防漏而不是防滲，因此，以研究基本地質條件、喀斯特發(fā)育特點為基礎來探討水庫防漏標準具有重要的工程意義。

一、基本地質條件

1.水庫地質條件

（1）地層巖性

庫區(qū)出露地層為震旦系至三疊系（缺失奧陶系、泥盆系、石炭系）一套碳酸鹽巖與碎屑巖，其中碳酸鹽巖分布面積約占85%；第四系地層僅沿河谷及兩岸緩坡地帶分布。構造作用使各地層由北至南呈東西向條帶分布，區(qū)內與喀斯特滲漏密切相關的有三疊系、二疊系及志留系地層（滲漏與隔水地層）。

（2）地質構造

庫區(qū)處于南大巴山弧形構造帶內，受南北向擠壓應力作用，軸向近東西向的緊密線型褶皺發(fā)育如中梁向斜、天元背斜等；巖層產狀一般為285°～290°/SW＜50°～85°； 由于地層在褶皺過程中的擠壓作用伴生了逆沖的斷裂（層），主要是高觀寺—鐘寶斷裂、亮溪逆斷層、天星斷層、白馬穴斷層、星溪溝逆斷層等。

（3）喀斯特水文地質條件

地層巖性是喀斯特發(fā)育的基礎，是影響喀斯特發(fā)育的最基本因素，庫區(qū)喀斯特地層與非喀斯特地層相間分布，造成了區(qū)內喀斯特發(fā)育的多層性。根據喀斯特發(fā)育程度，將庫區(qū)地層分為強、較強、較強—中等、中等、中等—弱、弱、極弱與非喀斯特發(fā)育等8個喀斯特含水層組。

庫區(qū)為喀斯特峽谷型縱向谷，庫盆主要由三疊系地層組成。庫區(qū)喀斯特發(fā)育，整體受巖性與構造控制，順層或沿褶皺核部形成喀斯特滲漏通道。區(qū)內地下水排泄系統(tǒng)有白馬穴和湯家壩河兩個較大的泉群。左岸湯家壩河有較多的泉點向庫內排泄，不存在庫水外滲。右岸由于二疊系灰?guī)r出露在庫水位以下存在滲漏問題，其中沿天元背斜南北二翼發(fā)育3條喀斯特管道，估算3條滲漏通道的多年平均流量為2.43m3/s，并以南翼高于正常蓄水位的二、三號管道為主。防滲處理主要是針對正常蓄水位下的一號管道。

近壩右岸為三疊系大冶組地層，構造上位于中梁向斜的倒轉翼。水文地質條件復雜，三疊系地層為裂隙介質與網絡管道并存的含水系統(tǒng)，喀斯特發(fā)育較弱；二疊系為強喀斯特區(qū)，地下喀斯特管道發(fā)育。但近壩右岸星溪溝—壩址與黃連溪不存在水庫滲漏問題。星溪溝由于庫水淹沒了部分二疊系地層，水庫滲漏明顯。一號滲漏通道在天元背斜北翼，滲漏形式為分散溶隙式，滲漏點呈帶（段）分布，排泄區(qū)位于壩址下游兩扇門—白馬穴西溪河段，至星溪溝直線距離17.5 km。

由三疊系大冶組底部與二疊系頂部大隆組聯(lián)合組成的中梁隔水層（帶），厚度在 50 m以上，為右岸地下水系統(tǒng)的分區(qū)界線。平面延伸穩(wěn)定，巖體透水性小，隔水性能可靠。

2.防滲線地質條件

（1）地層巖性

防滲線所處地層巖性為二疊系（P2q+2m+3w+3c）灰?guī)r，其最大真厚度為 305 m。其中以P2m灰?guī)r可溶性最大，其真厚度為90m。

（2）地質構造

巖層以 50°～85°角傾向山內，走向近垂直帷幕線。因強烈構造變動，層面多為錯動裂隙，在高程626m灌漿平洞多溶蝕充填紅色黏土，或形成溶縫、溶洞；星溪溝逆斷層從地面高程785m以50°傾角從防滲線樁號0+357m （626m高程）、樁號0+301m（540m 高程）及樁號 0+210m（420m高程）通過，其斷距約10m，626m高程平洞順斷層有溶蝕現(xiàn)象；裂隙發(fā)育并多為方解石所充填。

（3）地下水位

防滲線含水地層（P2q+2m+3w+3c灰?guī)r）地下水水位低于河水位（575.2m），為一地下水水位凹槽區(qū)，其中最低水位高程為470m，比河水位低105m。

二、防滲線喀斯特發(fā)育特點

1.巖溶發(fā)育程度

根據大量灌漿及勘探鉆孔揭露，防滲線喀斯特主要發(fā)育于二疊系吳家坪組（P3w）各茅口組（P2m）地層中，其發(fā)育高程集中在565～626m、495～540 m、450～465m 等 3 個高程段，其中540～626m高程主要發(fā)育在樁號0+200～0+230m （P3w地層）、0+260～0+330m（P2m地層），最大喀斯特發(fā)育區(qū)面積約 650m2（P3w）；540m 高程以下主要發(fā)育在樁號0+295～0+310m（P2m地層）、0+330～360m（P2m地層），較大的3個喀斯特發(fā)育區(qū)面積分別為約160m2（樁號 0+311m）、70m2（樁號 0+311m） 及 50m2（樁號 0+351m）；此外，P3c+3d界面在高程 535～505m、460～445m高程有多處面積為2～45m2的喀斯特發(fā)育區(qū)，其中樁號0+330～0+360m與P3c+3d界面的喀斯特發(fā)育區(qū)均在地下水水位線以下。

2.防滲線喀斯特形態(tài)與規(guī)模

①以裂隙型為主，規(guī)模較大者多在地下水水位線以上，多充填黏土。626m高程灌漿平洞有的有外源砂卵礫石，表明曾被龍?zhí)逗铀嗳耄治鰹棰蚣夒A地時期發(fā)育的水平溶洞。隨著白馬穴泉排泄基準面的下降而發(fā)育了地下水水位線以下的管道。按照喀斯特洞穴形成的水動力分帶，地下水水位線以上的可能有與Ⅱ級階地相應的水平管道，其分布高程在帷幕區(qū)為600m，白馬穴泉排泄區(qū)為500m。地下水水位線以下的在帷幕區(qū)為460～450m白馬穴泉排泄區(qū)為400m。受現(xiàn)代排泄基準面的影響，地下水水位線以上的被遺棄，或進入衰亡期，故為黏土所充填，有的接受降水轉為垂直滲流帶洞穴。

②一號管道系統(tǒng)規(guī)模分析：龍?zhí)逗訌膲沃芬陨辖浺弧⒍⑷柟艿琅判沟亩嗄昶骄髁繛?.43 m3/s，其中一號管道因降水入滲面積有限且岸坡地形陡峻，在分析時可忽略降水入降量，分析估算時僅以龍?zhí)逗酉聺B為主并按所吸收的河段長度進行分配。帷幕線以上龍?zhí)逗颖晃盏暮拥篱L約23 km，其中被一號管道吸收排泄約5 km，占21.7%，流量Q為0.53 m3/s。據連通試驗地下水流速（V=0.05m/s）利用公式（Q=WV）估算防滲線上的過水斷面W為10.6m2。

據灌漿資料分析，串漿裂隙一般長10m，若裂隙寬0.01m，則有100條裂隙即可滿足排泄0.53m3/s的流量，由此說明地下水水位線以下的喀斯特管道規(guī)模較小。

③540m高程灌漿平洞于2008年兩次在樁號0+296m的溶蝕帶發(fā)生0.03m3/s的涌水，樁號0+283m的D 083孔在高程495m遇承壓水，水頭達高程 595m（0.5MPa），由此反映地下水水位線以下無暢通的排水洞穴存在。

④在帷幕尚未完全封閉好的情況下，626m高程灌漿平洞支洞內的地下水水位觀測孔水位，上游孔比下游孔的水位可高 53～70m（P2m）和 50～79m（P2q），也反映地下水水位線以下無暢通的排水洞穴存在。

3.防滲線喀斯特發(fā)育下限分析

①防滲線處于地下水的徑流區(qū)，一號管道系統(tǒng)的水力比降非常緩，且距離排泄區(qū)有17 km，喀斯特發(fā)育不可能是虹吸循環(huán)帶的；即便是排泄區(qū)的白馬穴泉再深循環(huán)至高程350m，其與防滲線地下水水位470m的水力比降也非常緩，也不可能使地下水流線不與地下水水位線平行，因此，受此動力網的控制，所發(fā)育的溶洞高程有限。

②據水動力條件，地下水水位線附近是地下水最富集的部位，加之降水的入滲，一般在地下水水位線以下30m范圍內喀斯特最發(fā)育。因此，當地下水水位為470m時，一般情況下喀斯特發(fā)育下限高程為440～420m。

三、水庫防漏標準

中梁水電站水庫防滲處理的目的是防止?jié)B漏不致影響發(fā)電效益，即防漏。基于以上地質條件與喀斯特發(fā)育特點分析認為，中梁水電站水庫以天元背斜南翼高于水庫正常的二、三號喀斯特通道為排泄區(qū)（白馬穴泉區(qū)為主）的主要滲漏通道，因此，不應以白馬穴泉流量的顯著減少作為防滲處理標準， 應以 《水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范》（GB 50287—2006）附錄B喀斯特滲漏評價中的B.0.5的規(guī)定并結合防滲帷幕透水率設計值及其他計算方法綜合評價為宜。

（1）按水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范計算允許滲漏量

水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范附錄B喀斯特滲漏評價中B.0.5第二條規(guī)定：滲漏評價應區(qū)分滲漏與工程部位的關系。對工程安全有影響的要做好滲控性質的處理；漏水量過大，影響水庫發(fā)揮正常效益的做防漏性質的處理。其允許漏水量一般以河流多年平均流量的允許百分比作依據：多年調節(jié)水庫，其允許百分比宜小于5%；非多年調節(jié)水庫，其允許百分比宜小于3%，或小于枯季平均流量的3%。

中梁水電站水庫為年調節(jié)水庫，其允許滲漏量小于或等于0.51 m3/s。

（2）按滲漏系數法計算滲漏量

如果考慮漏水對水庫調節(jié)性能的影響，可用滲漏系數法計算允許滲漏量，其計算公式如下：

式中，Pw為滲漏系數，Ws為多年平均滲漏量，W為河流多年平均年徑流量（本庫為5.39億m3），β為水庫庫容系數 （本庫為 0.127），Vb為水庫調節(jié)庫容（本庫為 0.6821 億 m3）。

Pw取小于或等于3%，代入式（1）計算出的滲漏量Ws小于或等于0.448m3/s，比按水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范計算的允許滲漏量小。

通過上述分析與計算，中梁水電站水庫允許滲漏量以小于或等于0.51m3/s為宜。

（3）防滲帷幕透水性要求

中梁水電站水庫防滲帷幕透水率設計標準：q≤3Lu

（4）水庫防漏綜合標準

在防滲帷幕透水率滿足設計要求（q≤3Lu）的條件下，其允許滲漏量小于或等于0.51m3/s。

四、結 語

通過對中梁水電站水庫地質條件、喀斯特發(fā)育特點的分析研究，提出了水庫防滲綜合檢驗標準，具有較為重要的工程意義。由于喀斯特發(fā)育的復雜性，所提出的防漏標準是否合理，還有待于水庫蓄水前后的滲漏觀測來加以證實。

[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]中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院.重慶中梁水電站水庫防滲工程設計咨詢與現(xiàn)場技術服務中間工作報告[R].2009.

[3]中國水電顧問集團中南勘測設計研究院.大寧河中梁水電站初步設計報告[R].2005.

[4]謝樹庸.喀斯特滲漏類型和判別標準[J].貴州水力發(fā)電，2003（17).

[5]屈昌華.中小型水庫壩基巖溶管道滲漏勘察與處理實例[J].探礦工程

(巖土鉆掘工程)，2007（34).

TV62

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1000-1123（2011）02-0047-02

2011-01-05

李新明（1966—），男，副總經理。

責任編輯 張金慧