东庄水库岩溶渗漏三维数值模拟

曾 峰，蔡金龙，万伟锋，苗 旺

(黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003)

东庄水库岩溶渗漏三维数值模拟

曾 峰，蔡金龙，万伟锋，苗 旺

(黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003)

东庄水库2.7 km长碳酸盐岩库段的岩溶渗漏问题是制约工程建设的关键技术问题。为了分析蓄水后库水的渗漏情况，并掌握不同防渗处理措施的效果，在总结分析东庄水库水文地质特征的基础上，通过建立地下水三维数值模型对水库渗漏量进行模拟，得出不同防渗处理措施下的水库渗漏量均属于轻微渗漏，为防渗帷幕的设计工作提供必要的参考。

东庄水库;渗漏量;防渗处理;三维数值模型

陕西省泾河东庄水库的建设历经60余年的风雨，前期勘察工作几经中断，其中各方研究和争论的焦点就是2.7 km碳酸盐岩库段的岩溶渗漏问题，该问题是决定东庄水库能否成坝的关键工程地质问题。经过勘察发现，碳酸盐岩库段地表存在溶洞、溶隙、溶孔等溶蚀特征，地下一定深度范围内已存在岩溶现象，且地下水位低于河水位30～45 m，形成悬托河，在水库建成蓄水后，存在岩溶渗漏问题。但关于水库渗漏的部位、渗漏方式、渗漏途径以及渗漏量却一直没有定论。本文就是在分析和总结项目建议书阶段的成果和认识的基础上，对岩溶渗漏问题进行进一步研究，探讨影响库水渗漏的边界条件、左岸分水岭等问题，对水库可能发生渗漏部位、方式、途径进行分析，并通过建立地下水三维渗漏模型，分析估算不同防渗处理措施的水库渗漏量，提出可能的防渗处理措施。

1 区域水文地质概况

东庄水库地处渭北中部，地势整体上北高南低，自北向南呈阶梯状排列，地形差异巨大，最高海拔1599 m(钻天岭)，最低海拔约430 m(泾河峡谷出口)。构造条件复杂，地层分布受到构造的控制作用明显。区内主要河流有4条，自西向东分别是:漆水河、泔河、泾河以及冶峪河。

以乾县—富平断裂为界，渭北岩溶可分为两个大区:一是沿东西向展布的碳酸盐岩断续出露的北部山区;二是山前深埋岩溶区。其中在北部山区，受构造和当地河流排泄基准的控制，自西向东分布着5个泉域，分别是周公庙泉域(主泉高程850 m)、龙岩寺泉域(主泉高程547 m，已干涸)、筛珠洞泉域(主泉实测高程452 m)、袁家坡泉域(主泉高程377 m)和瀵泉泉域(主泉高程350 m)。东庄水库即位于筛珠洞泉域岩溶地下水子系统内［1］。

2 筛珠洞泉域子系统边界条件

筛珠洞泉域子系统呈西窄东宽的楔形展布，面积381.85 km2，北部以老龙山断层北侧的砂页岩为隔水边界，西南部以唐王陵向斜核部砂泥质碎屑岩为相对隔水边界，东南边界以北东走向的张家山断裂为潜流渗水排泄边界，地下水在此处跨越断层带向山前深部岩溶水系统潜流排泄(图1)。系统内地下水总体上由西向东、东南径流［2］。

3 碳酸盐岩库段岩溶水文地质特征

碳酸盐岩库段为老龙山断层—东庄坝址2.7 km长河段，属于泾河深切峡谷，岸坡陡峭，河谷断面呈“V”字型，出露的地层为奥陶系下统冶里—亮甲山组(O1y-l)、中统马家沟群(O2m)及第四系松散堆积层(Q)。根据地表岩溶发育特征、地质构造、地层岩性、薄片鉴定和实测地质剖面资料，并结合矿物成分分析成果，将2.7 km碳酸盐岩库段岩溶发育程度分为A(中等发育区)、B(弱发育区)、C(弱发育区)三个区，见图2。

图1 筛珠洞泉域子系统边界条件示意图Fig.1 The sketch showing the boundary conditions of subsystem in Shaizhudong spring area

图2 碳酸盐岩库段岩溶发育程度分区图Fig.2 The zoning map for karst development degree in reservoir segments of carbonate rock

库坝区地下水属于碳酸盐岩岩溶裂隙水，无可靠的不透水层或相对隔水层。库坝区地下水流向总体与河流走向一致，向南、南东方向径流。据钻孔揭露，近河两岸地下水位低于河水位，泾河在此段为悬托型河谷。在前期各阶段的工作中，曾推测在库区左岸钻天岭一带有地下水的分水岭，但一直没有充足的证据。项建补充阶段在库区左岸的钻天岭附近布置的两个新钻孔(YRZK01和YRZK05)地下水位分别为737 m和723 m(2013年7月)，初步判定在钻天岭附近存在地下水分水岭［3］(图3)。

图3 筛珠洞泉域地下水等水位线图Fig.3 The sketch showing the groundwater contour of Shaizhudong spring area

4 水库渗漏途径和渗漏形式分析

4.1 渗漏途径

右岸远处五峰山一带存在高于水库正常高水位的地下水位，地下水整体自西向东径流，水库蓄水后，不会向西产生永久渗漏。其中右岸A、B区产生的渗漏量有限;C区为库首区厚层、巨厚层灰岩，蓄水后由于水力梯度相比蓄水前陡增，存在渗漏问题，是防渗的重点。

左岸钻天岭附近存在地下水分水岭，但分水岭水位低于正常蓄水位且分水岭的分布范围尚不明确，因此左岸仍存在向东渗漏的可能，根据现有资料分析，蓄水后向东渗漏的可能性较小。

根据库坝区地下水位观测资料，在巨厚层灰岩段(C区)，尤其是靠近河床部位，地下水位与河水有一定的水力联系，因而，存在坝基和两岸坝肩绕坝渗漏问题，也是绕坝渗漏的主要部位。

东庄坝址左岸约7.0 km河段为一河湾地段，弦长约3.5 km。河湾地块地层岩性为奥陶系中统(O2)灰岩，无稳定连续的隔水层，因此，水库蓄水后在库首段可能存在河湾渗漏问题。

4.2 渗漏形式

根据地表地质测绘、钻孔、平硐揭露的岩溶现象，并结合压水试验、示踪试验等成果分析，水库岩溶渗漏形式以溶隙型为主，局部浅表层风化卸荷带、断层破碎带可能存在顺缝隙的脉管型渗漏。

5 水库渗漏量三维数值模拟

5.1 水文地质概念模型

本次数值模拟的计算范围为整个筛珠洞泉域子系统，呈狭长三角形状，位于老龙山断层以南，唐王陵向斜的北翼，模型总面积约380 km2，总厚度约150～1250 m，顶部为现状地表，主要接受大气降雨的面状补给以及河流的线状补给，底部以透水性较弱的奥陶系碳酸盐岩顶面为界，可视为隔水边界;北部以老龙山断层为界，老龙山断层南侧为奥陶系的碳酸盐岩，北侧为二叠系和三叠系的碎屑岩，由于构造作用，岩层近直立，构成隔水边界;西南部为唐王陵向斜核部碎屑岩组成的隔水边界;根据地下水水化学与同位素资料推测有来自龙岩寺泉域地下水的径流补给，岩溶区西南边界为流量边界;东南边界为北东走向的张家山断裂，在张家山断层南侧碳酸盐岩陷落并与松散层对接，在宋家山以东构成流量边界;筛珠洞泉和风箱道泉作为溢出边界处理。

5.2 地下水渗流数学模型

本次研究的重点是模拟水库蓄水后碳酸盐岩库段的渗漏特征，故采用稳定流进行模拟。根据上述水文地质概念模型，可以建立下列与之相适应的地下水运动三维稳定流数学模型:

式中:H，Hr为地下水位标高(m)，泾河水位标高(m); Kxx、Kyy、Kzz为含水层各向异性主方向渗透系数(m/d); Kr为河床淤积层垂向渗透系数(m/d);μs为潜水含水层给水度;W为源汇项(m3/d);h为点(x，y，z)在t时刻的水头值;h0为初始水位标高(m);q，Qr为变流量边界流量(m3/d·m2)，河水入渗量或地下水溢出量(m3/d); A，Mr为泾河入渗与地下水溢出面积(m2)，河床淤积层厚度(m);ε为潜水面垂向交换量(入为正、出为负) (m3/d·m2);x，y，z，t为坐标变量(m)，时间变量(d); Γ1，Γ2为一类边界，二类边界;n，Ω为二类边界外法线方向，计算区范围。

5.3 地下水渗流数值模型的建立

5.3.1 网格剖分

本次三维数值模拟计算采用的是Visual Modflow 4.1软件系统，MODEFLOW计算采用三维有限差分方法，六面体单元。模型中的网格间距为200 m，在碳酸盐岩库段加密为50 m间距，垂直方向上分四个模拟层，模型顶板高程按1∶5万数字地形图确定，模型底板高程为280 m。模拟层的厚度依地形高度变化。

5.3.2 参数识别

本次模拟主要在以往采集的水位资料的基础上，增加本次新测量地下水位点，用模拟区控制点的实测水位与计算水位吻合程度来对模型进行校正，通过不断调整水文地质参数及源汇项，使得区内控制点的实测和计算水位达到拟合要求，从而完成模型的校正。图4即为校正后模型计算出的地下水天然流场。

图4 模型计算的地下水天然流场及观测点分布图Fig.4 Groundwater natural flow field calculated by model and the distribution of observation points

各观测孔实测水位与计算水位拟合情况见图5。

图5 各观测孔水位拟合结果图Fig.5 The fitting results for the water level in observation holes

根据模型识别结果，碳酸盐岩裸露区降水入渗系数取0.2，碳酸盐岩裸露河谷区降水入渗系数取0.15，黄土覆盖区降水入渗系数取0.016(图6)。工程区多年平均降水量为560 mm(降水强度为1.5×10-3m/d)，降水入渗补给强度分别为3.2×10-4m/d、2.3×10-4m/d和2.5×10-5m/d，第三层参数分区见图7。

图6 研究区降雨入渗系数分区Fig.6 Zoning for infiltration coefficients of rainfall in study area

图7 第三层渗透系数K分区(m/d)Fig.7 The zoning of infiltration coefficient K in third layer(m/d)

5.4 渗漏量数值模拟预测

5.4.1 模拟工况

为了分析不同帷幕条件下水库渗漏量的变化情况，本次模拟设定以下几种不同工况进行水库渗漏量的预测:

工况1 坝址区和左、右岸均设置防渗帷幕，即全封闭方案。

工况2 坝址区设置防渗帷幕，左岸A、B和C区均设置防渗帷幕。

工况3 仅在坝址区设置防渗帷幕，并向坝肩两岸延伸接弱透水(3 Lu)岩体。

工况4 仅在坝址区设置防渗帷幕。

5.4.2 模拟计算结果

仅在坝基设置防渗帷幕，计算蓄水后渗漏量与地下水流场。当坝基帷幕底界高程为380 m时，蓄水后等水头线分布见图8。

图8 工况0蓄水后地下水位等水位线分布Fig.8 The distribution of the groundwater contour after anti-seepageand impoundment in the dam foundation

工况1 当坝基帷幕底界高程为380 m时，蓄水后地下水位等水位线分布见图9。

图9 工况1蓄水后地下水位等水位线分布Fig.9 The distribution of the groundwater contour after impoundment in first condition

工况2 当坝基帷幕底界高程为380 m时，蓄水后地下水位等水位线分布如图10。

图10 工况2蓄水后地下水位等水位线分布Fig.10 The distribution of the groundwater contour after impoundment in second condition

工况3 当坝基帷幕底界高程为380 m时，蓄水后地下水位等水位线分布见图11。

工况4 当坝基帷幕底界高程为380 m时，蓄水后地下水位等水位线分布见图12。

从表1中可以看出，仅坝基采取防渗措施，水库年渗漏量达到了0.65×108m3/a，为泾河多年平均入库径流量(12.1×108m3/a)的5.40%，渗漏量较大，须采取工程防渗处理措施。在库坝区分别采用不同防渗措施的其它4种工况条件下(幕底高程380 m，不考虑淤积)，水库年渗漏量分别为1923×104m3/a、2018× 104m3/a、1974×104m3/a和3339×104m3/a，占多年平均径流量的1.59%～2.76%，库坝区采取防渗处理后的水库渗漏量减小明显，均属于轻微渗漏。

图11 工况3蓄水后地下水位等水位线分布Fig.11 The distribution of the groundwater contour after impoundment in third condition

图12 工况4蓄水后地下水位等水位线分布Fig.12 The distribution of the groundwater contour after impoundment in fourth condition

表1 各工况渗漏量对比分析一览表Table 1 The list for comparative analysis on leakage in different conditions

6 结论

(1)渭北地区岩溶地下水分为北部山区岩溶水和南部山前深埋岩溶水，东庄水库处于北部山区筛珠洞泉域岩溶地下水子系统(I1)中沙坡断层以北水文地质单元(I1

1)内。(2)东庄水库库坝区左岸的钻天岭附近钻孔水位720～740m，存在地下水分水岭。

(3)水库主要的渗漏途径为近坝段绕坝渗漏、库首河湾渗漏以及A、B区通过C区向下游的绕渗。渗漏形式以溶隙型为主，局部浅表层风化卸荷带、构造破碎带可能存在顺缝隙的脉管型渗漏。

(4)在库坝区分别采用不同防渗措施的4种工况条件下，水库年渗漏量分别为1923×104m3/a、2018 ×104m3/a、1974×104m3/a和3339×104m3/a，占多年平均径流量的1.59%～2.76%，库坝区采取防渗处理后的水库渗漏量减小明显，均属于轻微渗漏。

［1］ 万伟锋，邹剑峰，曾峰，等.陕西省泾河东庄水利枢纽工程可行性研究阶段岩溶渗漏专题研究报告［R］.郑州:黄河勘测规划设计有限公司，2014.

［2］ 周益民，王泉伟，万伟锋，等.陕西省泾河东庄水利枢纽工程项目建议书补充报告［R］.郑州:黄河勘测规划设计有限公司，2014.

［3］ 万伟锋，王泉伟，邹剑峰，等.东庄水库岩溶渗漏几个关键问题的探讨［J］.人民黄河，2015，37(2):99-103.

(责任编辑:于继红)

Three-dimensional Simulation of Karst Leakage of Dongzhuang Reservoir

ZENG Feng，CAI Jinlong，WAN Weifeng，MIAO Wan
(Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd.，Zhengzhou，Henan 450003)

The karst leakage of 2.7km carbonate rock is one of the key technological problems that restrict the construction of Dongzhuang Reservoir.In order to analyze the leakage of reservoir and the effect of different anti-seepage treatment，on the basis of summary and analysis of hydrological geology characteristics，a three-dimensional groundwater numerical model of leakage was established，it confirm that reservoir leakage of different anti-seepage treatment are slight，which provide the necessary reference for the design of impervious curtains.

Dongzhuang reservoir;leakage;anti-seepage treatment;three-dimensional simulation

TV697.3+2

:A

:1671-1211(2015)05-0538-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201505004

2015-06-23;改回日期:2015-07-28

曾峰 (1982-)，男，高级工程师，博士，地质工程专业，从事水文地质及环境地质方面的研究。E-mail:zengfeng1982 @126.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150818.0841.002.html数字出版日期:2015-08-18 08:41