蒲石河抽水蓄能電站上庫分水嶺滲漏分析

楊宗玲，田作印，鄭以寶，張建輝，呂君卓

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

蒲石河抽水蓄能電站上庫擋水建筑物為上庫鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高78.5 m，壩址以上控制流域面積1.12 km2，總庫容1 238萬m3，正常蓄水位392 m，死水位360 m。

1 庫區工程地質條件

蒲石河抽水蓄能電站上庫庫區位于三面環山的泉眼溝溝首?？傮w呈NW向展布。溝谷底寬60～250 m，谷底高程320～365 m。

上庫庫周分水嶺長3 700.2 m，按樁號0-24.7～0+704.0、 0+704.0～1+550.0、 1+550.0～2+994.0、 2+994.0～3+675.5分東、北、西、南庫岸4部分，地面高程多為 420.0～504.2 m，高出設計蓄水位25.0～109.0 m。無低矮地形埡口分布，但在東、西、南見有三處地形相對較低矮的單薄分水嶺，地面高程分別為 434.0～440.0 m、 425.0～449.0 m、 429.0～445.0 m，分水嶺寬度僅230～350 m。庫周分水嶺外側見有5條走向呈NW向和NE向分布的切割深度70～150 m的深溝谷，溝端距上庫分水嶺一般＜180 m左右。庫周外側邊坡陡峻，坡度30°～50°，局部地段呈陡崖，地下水排泄條件良好。庫周覆蓋層較薄，一般1～2 m，較大沖溝部位3～5 m，局部地段7.5 m，主要由殘坡積含碎塊石低液限粘土組成?；鶐r主要為較完整、堅硬的混合花崗巖，后期穿插有閃長玢巖、煌斑巖等巖脈。

庫區斷層不發育，多分布于西、南庫岸一帶，主要見有規模較大的斷層有 F1、 F19、 F22、 F101、 F102、F103、 f61、 Fy3、 fy7等斷層破碎帶， F1、 F101、 F103、 Fy3、f61等斷層走向 N25°～70°E， 其余斷層走向為 NW，斷層寬度多＞10 m，F1斷層最寬達35 m左右，其中fy7、 f61＜7 m， 延伸較長的有 F1、 F103、 Fy3等斷層破碎帶，均通過分水嶺延伸至庫外。

本區地下水按其埋藏條件可分為賦存于基巖裂隙水和第四系松散堆積層中孔隙潛水?；鶐r裂隙水以裂隙潛水為主，局部分布有基巖承壓水。地下水多以泉水形式補給地表水。沿上水庫泉眼溝見有地下水沿基巖裂隙面流出的下降泉，但一般流量不大。

根據上水庫庫周鉆孔資料和地下水長期觀測孔2006年7月至2010年1月近42個月的監測成果資料統計，上庫庫周分水嶺地下水位埋深情況如下：東庫岸、北庫岸地下水埋深一般21～50 m，最深達98 m。西庫岸、南庫岸地段地下水位埋深多為30～80 m，局部地段達80～100 m左右。

巖體透水性與巖性、構造發育程度、巖體風化及巖體破碎有關。據可研階段鉆孔資料統計，庫周分水嶺基巖相對隔水層 （透水率≤3 Lu）頂板埋深一般北庫岸33～45 m，西、南庫岸60～80 m，F1等斷層集中滲漏通道80～95 m。據設計蓄水位至死水位間巖石87段壓水試驗資料統計，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%。強風化巖經鉆孔注水試驗，滲透系數K為2.75～3.8 m/d。

2 滲漏分析

2.1 根據前期地質資料的分析

上庫區為山嶺環抱的洼地，庫周巖石主要為較完整、堅硬的混合花崗巖。庫周分水嶺地段庫水位392.0 m以下主要由弱～微風化巖石組成。據可研鉆孔壓水試驗資料，西庫岸總長約1 444.0 m。其中，長595.0 m （樁號2+144.0～2+739.0）段為中等透水巖石，占西庫岸總長的41.2%，485.15 m長段為弱透水巖石，占33.6%；其余25.2%為微透水巖石，南庫岸基本多為弱透水巖石。東、西、南庫岸分布有3處低矮單薄分水嶺地段 （樁號分別為0+580.0～0+704.0、 1+889.0～2+974.0、 3+020.0～3+617.4）， 地下水位及相對隔水層頂板均低于設計蓄水位，滲徑較短，多為200～300 m，滲透坡降較大。設計蓄水位392 m至相對隔水層頂板巖石透水率分別為：東、 南庫岸 3.7～11.3 Lu， 西庫岸 3.1～16.0 Lu， 屬弱～中等透水巖石。其余分水嶺地段滲徑較長，多超過300 m，多為弱～微透水巖石，地下水位和相對隔水層頂板多接近或高于設計蓄水位。

據前期地質資料得，東、西、南、北庫岸分水嶺長3 700.2 m，北庫岸長約846.0 m，占分水嶺總長22.86%，地面高程多＞450 m地下水位及相對隔水層頂板多高于或接近設計蓄水位，不具備庫水外滲的條件。雖于該庫岸東端處尚有長約120 m左右的地段，地形相對相對較低，但于該地段內庫邊線附近高程395.5 m處見有基巖裂隙水下降泉，且常年流水，故該地段水庫蓄水后庫水外滲的可能性不大。其中占48.9%的地段 （含繞壩滲漏），地下水位及相對隔水層頂板均低于設計蓄水位。水庫蓄水后，沿上述低矮單薄分水嶺地段將產生庫水外滲。其余地段地下水位及相對隔水層頂板多接近或高于設計蓄水位，不具備引起庫水外滲的地質條件。此外，庫周分水嶺地段地下水位及相對隔水層頂板高程多高于死水360 m，故庫水沿死水位以下庫盆外滲的可能性亦不大。

2.2 根據地下洞室開挖影響調查及地下水長期觀測孔資料的分析

自2004年11月對外交通洞 （南庫岸近側）形成和廠房交通洞、通風洞等地下洞室群相繼開挖成洞以來，上庫泉眼溝、前眼溝和西庫岸鄰側的黃草溝等溝內泉水水流相繼明顯減少或干枯，往年這些溝內一般常年流水。最明顯的例子是位于地下廠房上部70.0 m高程的PD02“十”字形勘探平硐，于2004年5月前洞內水位為167.0 m高程，接近洞口，隨著廠房交通洞、通風洞開挖，至2005年8月，洞內水位降至109.0 m高程，降幅達58.0 m，當2005年11月廠房交通洞開挖結束，副廠房開始施工時，PD02勘探平硐成干洞。同樣，對外交通洞與施工前后情況相比較，洞內滲水情況也大為減小或僅局部地段有滲水。又據上庫分水嶺地下水長觀孔2006年7月～2010年1月期間的水位觀測成果：東、北庫岸地段的KUP16～KUP14孔，地下水位一般為392～414 m，埋深一般為21～50 m左右，與可研勘探階段的情況比無明顯變化；但西、南庫岸與可研階段勘探時的地下水位比較，呈大幅下降，如KUP03、KUP05、KUP07、KUP10、KUP12等觀測孔的水位降幅多達11～28 m，地下水位埋深一般為40～80 m，最大達80～100 m，南庫岸為30～80 m。因此，這使得西、南庫岸分水嶺地段地下水位多低于設計蓄水位 16～26 m。

由上述情況可以看出，西、南庫岸地段地下水位呈較大幅度下降，主要受對外交通洞和地下廠房等洞室群施工開挖排水影響。據地下水動力學原理，上述施工從空間上在較大范圍內切割了這一地帶的地下水流網，從而導致沿地下水流線方向上在不同地段水力坡降增大，滲徑縮短，滲流量增大。

2.3 根據庫盆開挖地質測繪資料的分析

西、南庫岸外側分別有5條走向NW （南庫岸）和NE、切割深度為70～150 m的溝谷展布。這些溝谷末端多緊鄰分水嶺，相距多＜300 m，如黃草溝、前眼溝等。西庫周外側地形一般較陡峻，多為30°～50°，部分地段呈陡崖。同時，根據庫盆開挖測繪資料，F103、F1、Fy3等4條寬度較大的斷層，陡傾角自庫盆呈NE向通過分水嶺。由長觀孔資料可知，位于上述3條斷層破碎帶分水嶺外側部位的地下水位為360～370 m左右，接近庫盆死水位，因此判斷，西庫岸存在沿F1、Fy3、F103等斷層破碎帶滲漏通道的地質條件。上水庫滲漏分析情況詳見表1。

3 滲漏計算

3.1 計算條件假設

在計算前，我們先進行如下兩種假設：

（1）假定所計算的含水層為均質、各向同性。我們知道，基巖裂隙水主要由地質構造、層面等諸多因素控制，各項差異也較大，上水庫庫岸巖石多為弱～微風化混合巖。從鉆孔壓水試驗資料可知，滲透系數K多＜0.5 m/d，水力梯度 i＜1，屬層流。因此，為計算方便，按均質、各向同性裂隙介質問題處理。

（2）據設計，上水庫水位正常工況下是在392～370 m之間變化，每天庫水位在正常高水位的時間要占12 h以上，發電時庫水下降速度要比地下水補給庫水的速度快，經過一段運行時間后，分水嶺的地下水位基本接近正常蓄水位，并保持這一狀態，因此用正常高水位392 m為計算時的庫水位。

3.2 公式選擇與計算

（1） 庫周滲漏

式中，K為滲透系數，各層以透水率最大值換算成單位吸水量 ω， 按經驗公式計算 K≈2ω=2×1/100 Lu；T為含水層厚度，取地下水位到q=3 Lu界線之間的最大鉛直距離為滲漏帶厚度，在剖面圖上量??；L為滲徑長，庫水向外滲出點到庫邊線水位在計算剖面上量得相應的水平滲徑長度；B為計算寬度，各部位巖體的滲透性、滲漏帶厚度等各不相同，故在計算時，將庫區滲漏分水嶺分為若干計算段。各段參數與計算結果詳見表2。經計算，庫周總滲漏量為 Q庫周=Q庫周1+Q庫周2+···+Q庫周12=2 826.28 m3/d。

（2） 繞壩滲漏

式中，K為滲透系數，取值方法同庫周滲漏計算；B值取繞壩滲漏帶邊緣至壩肩的直線距離；r0為壩肩與山體接觸部位寬度的1/2，取趾板寬度2b=6 m，r0=1.91 m；H1、H2為繞壩滲漏段上、下游水位；H1+H2為未知數，先假設上、下游其中一個水位為Hx，T已知，因此蓄水前另一水頭為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為庫外溢出點地下水位；△H為蓄水前后庫邊線地下水位升高值。 各段計算參數詳見表3。根據表3計算得，繞壩總滲漏量Q繞壩=Q繞壩1+Q繞壩2=587.61 m3/d。

上水庫總滲漏量Q總=Q庫周+Q繞壩=2826.28+587.61=3413.89 m3/d。

表1 上水庫分水嶺庫水滲漏分析匯總

表2 上水庫庫周滲漏參數與計算結果

表3 上水庫繞壩滲漏參數

4 結語

現階段對上水庫分水嶺滲漏分析，各種因素考慮得比較全面，大體上能夠反映實際情況，但仍存在著以下問題需進一步研究解決：

（1）為計算方便，含水層按均質、各向同性裂隙介質問題處理，而實際情況中地下水的滲漏多數是受構造控制的，各向差異較大。

（2）計算時分水嶺的地下水位都是按照正常高水位392 m考慮的，沒有考慮水庫運行工況下庫水位變幅的問題，也就是說，長期運行時分水嶺的實際地下水位是多少暫時還是未知的。

（3）分水嶺在20世紀90年代勘探時長觀孔甚少，資料多已不全，因此水文地質剖面上勘探的地下水位都不是同一天的，時間、季節差異較大。所以，分析時用現階段長觀孔同一天的地下水位與勘探時的地下水位進行比較，不能完全真實地反應地下水位的升、降問題。

（4）西、南庫岸接觸部位長觀孔間距較大，期間地下水位取值與實際可能有一定誤差。