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摘要： 在复杂地质环境条件下的岩溶地区，抽水蓄能电站建设的可行性和安全性评价愈来愈受到重视。以陕西某岩溶地区的抽水蓄能电站为例，分析库区岩溶发育特征和水动力条件，利用数值模拟方法精细刻画库区复杂岩溶通道的空间形态，测算了潜在岩溶渗漏通道的渗漏量。结果显示，水库建成后，三个岩溶通道会发生严重渗漏，其中“一线天”渗漏量最大，为4 058.89 m3/d，坝基和黑松梁渗漏量分别为3 564.69 m3/d和3 085.23 m3/d，在施加防渗帷幕措施后，各个岩溶通道的渗漏量明显减小。
关键词： 水库渗漏；岩溶介质；数值模拟；抽水蓄能电站
中图分类号： P641 文献标识码： A 文章编号：
1672-1683（2016）03-0150-06
Abstract： It is thought highly on feasibility and safety evaluation in karst region particularly in complex geological environmental conditions.In this article，a pumped storage power station in a karst area of Shaanxi province was taken as an example，karst development law and hydrodynamic condition of upper reservoir were analyzed，and a numerical simulation method was used to make fine description of space form of complex karst channel in reservoir，so as to predict potential karst leakage channel.The prediction results showed that three karst channels would be serious leakage after the completion of the reservoir，of which the maximum was "First day"，with the leakage of 4 058.89 m3/d，and the leakages of foundation and lodgepole pine beam were 3 564.69 m3/d and 3 085.23 m3/d respectively.However，the leakages of karst channels decreased obviously after being applied the impervious curtain measures.
Key words： reservoir leakage；karst medium；numerical simulation；pumped storage power station
在我国西部山区的人类工程活动中，经常会遇到岩溶水库工程建设[1]。岩溶是复杂地质环境的主要表现，此不良地质体的存在，对工程稳定性、安全性以及水库能否成功蓄水均有重大影响[2]。同时，在一定的地质条件下，水库蓄水抬高的水头有可能驱使库水通过某些岩溶通道向邻区或下游发生渗漏，从而影响水库效益的正常发挥[3-5]。
对于水库的岩溶渗漏问题，早期研究主要集中于定性分析水动力条件和渗漏通道等，同时，受限于不同渗漏模式和地下水在各方向上单位流量的变化，量化预测不易获得精准数据。采用数值模型模拟地下水渗流场，可以准确反映地下水时空变化特征，另外可根据模拟中的水均衡原理测算渗漏量，最终获得相对较为准确的量化结果。
岩溶发育具强烈各项异性，而数值方法对于不连续介质的三维渗流模拟本身具有一定难度，需要利用合理模块进行精细的空间形态表征[6-7]。本文以陕西某抽水蓄能电站为例，对上库区岩溶通道和地下水动力条件进行研究，分析可能产生的渗漏问题，利用数值模拟手段对复杂岩溶渗漏通道进行具体刻画，从而预测水库的岩溶渗漏量，为工程措施提供科学建议。
1 工程概况
某抽水蓄能电站地处陕西省西南部中高山区的秦岭山脉腹地的断块构造之中[8]，沟谷切割强烈，山高沟深，植被茂密，地形地势交错复杂。电站上库位于金盆沟内，库容1 000×104 m3，正常蓄水位13 92 m。库区地表有第四系崩坡积覆盖物，下伏中泥盆统可溶大理岩，底部为印支期侵入花岗岩及由热液蚀变作用产生的变质岩，接触面呈不规则状。金盆沟由三条支流汇合而成，两岸地势较陡，呈不对称的“V”型谷。左岸坡度40°-60°，多为岩质边坡，局部形成陡崖；右岸坡度较缓，表面覆盖有薄层坡崩积物。坝址位于沟口上游1 km处，左右岸库盆封闭，具良好的建库地形条件见图1。
区内包含了第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水以及岩溶裂隙水三种地下水类型。孔隙水分布在崩坡积物的粉质黏土中，水量极小，基岩裂隙水赋存于花岗岩中，水量不均匀，可溶岩富水性一般，岩溶泉点很少。总体来说，库区地下水露头少，水位埋深普遍较浅，主要受沟谷的切割分散排入金盆沟中。
2 库区岩溶特征及渗漏问题分析
2.1 岩溶发育特征
区内发育三类基岩层组：泥盆系可溶岩主要分布于库区中下游地带，岩性以大理岩与结晶灰岩为主，局部地段表层有第四系覆盖；印支期黑云母花岗岩则集中于库区尾部，岩体坚硬，完整性好，裂隙发育程度中等偏弱；此外，两岩组之间还有一层厚度不大且不均匀的蚀变带岩体，是由热液蚀变大理岩构成。整个研究区面积约为1.66 km2，其中裸露型和覆盖型可溶岩分布面积为1.12 km2。花岗岩从底部侵入，切断了上覆可溶岩层与库区周边其它含水层组的水力联系，同时阻碍了近现代岩溶的垂向发育，为形成库盆创造了独特的地质条件。
库区内可溶岩地表岩溶发育程度中等～较弱，以规模小、数量多为主要特征，大部分岩溶均顺层发育。根据平硐资料显示，位于坝轴线两岸的PD3和PD4揭示的岩溶现象以小型溶孔和溶隙为主，而大坝上游左岸PD13内揭露了一条大型岩溶管道，平均宽度为20～40 cm，局部扩容至60 cm，发育高程在蓄水位之下。同时，结合库区29个钻孔资料显示，地下发育溶蚀的钻孔有14个，除ZK24线溶蚀总长度达2.25 m外，其余钻孔溶蚀均较少，分布零星，溶蚀总长度都小于0.25 m，见图2。
此外，库盆左岸山脊黑松梁处钻孔揭示，ZK51在孔深43～103 m段内呈无岩芯空腔状态。据孔内摄像成果显示：该孔浅部岩体发育层间小溶孔溶隙，向下逐渐出现大型溶蚀孔洞，在埋深43 m处长大的垂向溶蚀裂隙彻底展露，倾角近乎直立。同时，调查发现右坝肩处也发育一条近NE向的陡倾裂隙，倾角接近90°，宽度2 m，切割形成“一线天”地势。长大裂隙的切割使右坝肩山体变的更加单薄，库岸边坡形成临空陡壁，根据其延伸规模和趋势推测该裂隙切割深度可能贯通至邻谷近谷底处图3。
2.2 潜在的渗漏通道分析
综上岩溶发育特征，“一线天”山体单薄，黑松梁溶蚀发育，水库蓄水后会通过这些通道向邻谷发生渗漏[9-11]。同时，坝基处库水径流途径短、水头坡降大，也具有发生孔隙-裂隙型渗漏的风险[12]。
黑松梁ZK51揭示的溶蚀空腔规模大，沿垂向不规则延伸达60多m，钻探没有揭示地下水位，推测其地下水分水岭可能会受到裂隙通道的影响而发生变化。同时，黑松梁库外发育一个大型潮湿溶洞，有水流滴渗而出，溶洞走向与山体内部的裂隙发育方向和高程几乎一致，推测山内溶蚀与库外洞穴相连通。因此，水库蓄水后地下水位雍高超过库外溶洞发育高程，黑松梁会成为向邻谷管道型渗漏的主要部位见图4。
“一线天”垭口位于库区右坝肩附近，高程为1 430 m。根据钻孔资料进行剖面分析，可能发生两种情况的渗漏：如果裂隙延伸没有深切，则在钻孔揭示的大理岩与花岗岩破碎接触带发生渗漏；如果陡倾裂隙切割至邻谷谷底，水库蓄水后必将淹没地下分水岭，库水直接从裂隙切割的破碎带发生渗漏（图5）。
3 数值模型的建立与模拟预测
3.1 复杂岩溶的模拟方法
水库蓄水后地下水渗流场将发生一定变化，采用一般的地下水动力学公式计算渗漏量可能有失精确[13]。本文采用Visual Modflow来计算水库三个部位的渗漏量，做出预测评价。
在复杂岩溶介质中，由于岩溶形态存在小尺度的溶缝到大尺度的岩溶管道的变化，岩溶地下水流呈现为层流-紊流多种流态共存的复杂系统。因此，对含水层中岩溶管道的准确概化是精确模拟复杂岩溶介质地下水流动的前提[14]。对于黑松梁和“一线天”渗漏通道运用Drain模块，Drain模块具有岩溶含水介质向岩溶管道排水过程无水头损失的特性，用以反映管道和含水介质间的水力交换较为恰当，可以很好的表现一般岩溶管道的控水作用，而在岩溶介质的岩溶通道附近岩体导水能力强，Drain模块可以采用较大的等效水力传导系数反映岩溶管道快速袭夺地下水的特点。
根据前述孔内摄像资料，成果显示黑松梁岩溶空腔的空间形态近似为椭圆形，长约64 m，延伸方向为NW83°，上部宽为5.8 m，最宽处为12 m，位于腔体上三分之一处，底部最窄为2.4 m，在NE7°方向上，厚度基本相同，概化后约为2.2 m，结合三维空间网格细化进行局部刻画，单元网格细化为1 m，长度不足1 m时按一格计算，具体形态和空间模型模拟概化情况见图6。
白色区域赋值Drain模块后便成为刻画的黑松梁空间溶洞剖面，局部网格的细化均以1 m为一个基准单元格，由于该洞穴处于垂向径流带，水力传到系数取值为10。同样，“一线天”部位也可用上述方法进行细化网格刻画。其次，对于岩溶孔隙、裂隙介质，在风化较强的垂直入渗带中，将其概化为垂向入渗系数较大、孔隙度较大的各向异性介质体，在模型中起到垂向导水作用，透水性好而实际储水较少；潜水位以下的水平径流带以溶蚀裂隙为主，岩溶发育程度变弱，对大尺度模拟来说采用连续介质模型即可。
3.2 模型建立与概化
模型空间范围X轴方向为1 300 m，Y轴方向为1 280 m，Z方向范围1 000～1 600 m，垂向上根据含水层特性分为3层，第一、第二层分别为大理岩和蚀变带可溶岩岩溶裂隙含水层D2和D2′，第三层为火成岩相对隔水层γ5，由此建立起130行×128列×3层的概念模型，共剖分单元格49 920个，刻画的岩溶通道均位于第一层可溶岩内，局部加密后黑松梁网格为224个，“一线天”网格为581个。
时间上，模拟期为10年。工作区内气象资料显示，降雨量年内分配不均匀，按照降雨量将一年分为2个水文期，每个水文期内包括6个时间步长。
对于模型边界的概化，考虑将模拟区内水库蓄水高度设定为定水头边界；金盆沟由南向北流动，所以将南侧定为流入边界，北侧为流出边界，溪沟为河流定水头边界；库区左右两侧分别以黑松梁和右岸分水岭带作为变水头边界，也可视为通用流入流出边界（图7）。
3.3 时空离散及参数选取
结合研究区的水文地质条件，输入含水层参数，利用现场钻孔压水试验资料进行分析、筛选和整理，在此范围内反复试算，分别获取可溶岩与非可溶岩的渗透参数以及岩、土体样品的物理性质，具体参数见表1。
跟据研究区多年气象统计数据，平均年降水量804.8 mm，并且呈季节性变化，6月-9月为丰水期，12月-2月份为丰水期，其余月份为平水期，降雨入渗系数参考区域水文地质资料，取0.25，而库区多年平均蒸发量为806.3 mm，蒸发深度为3～5 m见表2。降水和蒸发分别用补给模块Recharge与Evapotranspiration进行分时段刻画。
3.4 渗流场模拟和渗漏量计算及防渗措施
根据钻孔长期的观测水位对模型进行拟合校验，得出库区天然的渗流场状态，随后水库蓄水加载运行定水头边界模块进行计算，地下水渗流场见图8-图11。
计算稳定后，同时运用zone budget模块，对上述分析的岩溶通道的渗漏情况进行模拟，计算库水的渗漏量。通过区域水均衡计算，结果显示“一线天”渗漏量最大，为4 058.89 m3/d，坝基的绕坝渗漏量为3 564.69 m3/d，黑松梁岩溶通道的渗漏量为3 085.23 m3/d，三个通道均发生了严重渗漏，与上述分析相吻合。
根据现场勘查资料分析，结合钻孔揭示成果及岩溶发育特征，需要对库区几处渗漏通道做出防渗措施[15-18]。按照设计要求，我们在库区可溶岩库盆内盆底施加防渗铺盖措施，同时在坝基底部、“一线天”与黑松梁施加设计深度的防渗帷幕，分别为85 m、98 m和88 m，具体工程措施布置见图12。
地下水渗流场在防渗措施条件下会发生一定程度的变化，同时，各岩溶通道渗漏量也有相应的变化，运用zone budget模块再次进行计算后，“一线天”、坝基和黑松梁对应的各部位渗漏量分别为224.22 m3/d、95.81 m3/d和58.24 m3/d，均有了大幅度的减小。
4 结语
综上所述，根据岩溶的空间展布规律、可溶岩完整性程度和岩体陡倾裂隙结构面特征，结合钻孔资料可以判断，水库向邻谷渗漏、绕坝基渗漏以及左库岸山体内的管道型岩溶渗漏是最为显著的，并且渗漏通道主要发育在“一线天”、坝基和黑松梁三个部位。
利用visual modflow地下水模拟软件，对工程建设现状以及工程建设后进行了数值模拟，预测工程建成水库岩溶通道的渗漏量，其中“一线天”渗漏量最大，为4 058.89 m3/d，坝基和黑松梁渗漏量分别为364.69 m3/d和3 085.23 m3/d，这些渗漏都会对水库的运营和效益产生影响。
工程库区可溶岩库盆内施加防渗铺盖，同时在坝基底部、“一线天”与黑松梁施加85 m、98 m和88 m深度防渗帷幕后，各岩溶通道的渗漏量明显较小，“一线天”渗漏量为224.22 m3/d，坝基渗漏量95.81 m3/d，黑松梁渗漏量58.24 m3/d，因此工程防渗措施起到了一定的效果。
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