洪屏抽水蓄能电站上水库地下水动态分析

李 群, 王锦国, 刘克勤

(1.河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 211100; 2.福建华东岩土工程有限公司,福建 福州 351000)

洪屏抽水蓄能电站上水库地下水动态分析

李 群1, 王锦国1, 刘克勤2

(1.河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 211100; 2.福建华东岩土工程有限公司,福建 福州 351000)

洪屏抽水蓄能电站由于引水隧洞和地下厂房施工,改变了天然地下水流场。为研究施工对于地下水的影响,需要对区内地下水水位动态进行观测和分析。上水库库周多数山体地下水位和相对隔水层均高于正常蓄水位,不存在渗漏问题。由上水库各区域钻孔水位动态曲线图分析可得,上水库的防渗及监测重点在西北垭口、西副坝与西南副坝之间山体及南库岸地段山体。

地下水;动态分析;上水库;抽水蓄能

1 工程概况

洪屏抽水蓄能电站位于江西省靖安县境内,上、下水库高差约555 m,装机容量240万kW,分两期开发,一期设计装机容量120万kW。电站枢纽主要由上水库(坝)、下水库(坝)、输水系统及地下厂房等组成[1]。上水库枢纽建筑物由主坝、副坝和进出水口组成,主坝坝型为混凝土重力坝,最大坝高36 m,坝顶长70 m,坝顶高程737.5 m,副坝设两座,即西副坝和西南副坝,坝型为粘土心墙堆石坝。设计正常蓄水位733.0 m,有效库容约2 450.0万m3,上水库自身集水面积约6.0 km2[2-3]。天然条件下,区域地下水主要接受大气降水的补给,在地形低处以泉水形式向冲沟排泄。由于施工的原因,改变了天然地下水流场。为研究施工对于地下水的影响,需要对区内地下水水位动态进行观测和分析。

2 地质概况

洪屏抽水蓄能电站上水库为一四面环山的沟源天然盆地,近圆形,直径约有1 800 m,集雨面积约6.67 km2。盆底高程690～710 m,库周山体较雄厚,山顶高程一般900～1 119 m,属中低山区。库盆后倚的横岩山脉系修水河与潦河的分水岭,其北面俯瞰柘林水库。盆地内分布彼此相连的山包,山顶高程一般750～780 m。库岸山坡坡角15°～45°。库内冲沟发育,以走向北西、北北西和北东东向为主。东库岸山体地形宽厚,山顶高程920～930 m,正常蓄水位733 m处山体水平宽度600～700 m左右,库岸冲沟不发育,以小型浅冲沟为主,沟内无地下水出露。南库岸、西库岸山体地形较宽厚,山顶高程800～810 m,正常蓄水位733 m处山体水平宽度350～400 m,库岸小型冲沟较发育,沟内无地下水出露。北库岸山体地形雄厚,山体高程800～1 100 m,正常蓄水位733 m处山体水平宽度600～700 m,库岸冲沟发育,冲沟多处见泉水出露,出露高程740～770 m。

库周分布有4个垭口,其中库区西北面库外有一条北东东向深切峡谷,与库盆内西北侧冲沟形成对顶沟,其分水岭垭口最低高程735.82 m。库区内有两条终年流水不断的小溪,水流方向一条由北东转向南,在南库岸南东隅经狮子口垭口冲沟(主坝部位)流出盆地后转向南西方向,流经引水线路上方,至下库库区汇入秀峰河,该冲沟主坝部位地面高程698～702 m;另一条向西在库岸进上库公路峡谷垭口冲沟(西副坝部位)流出盆地,该处地面高程约688 m。在库区西南有一条通向库外的冲沟垭口,其地面高程724 m左右,为西南副坝位置[4]。

上水库出露的地层为震旦系下统硐门组(Z1d)和第四系全新统(Q4)地层(图1),从老至新为:变质含砾中粗砂岩(Z1d1-1),灰紫、浅紫红色,砂状结构,中厚—厚层状构造,主要分布于东库岸与库尾周围山坡及主坝和南库岸;变质长石石英中细砂岩(Z1d1-2),紫红色,呈砂状结构,显微鳞片变晶结构,中厚层状构造,分布于西南副坝、南库盆—库尾ZKS15孔一带;变质泥质粉砂岩(Z1d1-3),灰绿色和紫红色,具粉砂质泥质结构,显微鳞片变晶结构,薄层构造,略具千枚状构造,分布于北库岸—西副坝一带;冲积层(Q4al),灰黄色砂(卵)砾石,主要成分为石英、中粗砂岩,砾石呈磨圆状,砾径0.5～5 cm,少量漂石直径50～150 cm,分布于库区主溪及主坝轴线狮子口沟谷谷底;冲洪积层(Q4al+pl),该层具二元结构,分布于整个库盆盆底;洪积层(Q4pl),缓坡冲沟处为粉质粘土夹碎(块)石、漂石,陡坡冲沟内为泥砾(卵)石、漂石,呈扇状分布,分布于库区冲沟沟口处及西南副坝—右岸进出水口间的库底;残坡积层(Q4el+dl),黄、黄褐色粘土、粉质粘土夹碎石,碎(块)石夹粉质粘土,碎(块)石直径5～10 cm,少量>20 cm,厚度1.0～10.0 m,主要分布于库区南库岸、东库岸边坡坡脚及北库岸局部;崩坡积层(Q4col+dl),由碎石、块石组成,厚1.0～11.6 m,分布于主坝狮子口下游陡崖脚处。

图1 上水库工程地质图(黑线为设计正常蓄水位线)Fig.1 Engineering geological map of upper reservoir

上水库的区域构造位置处于大源—滩下(丁坑口)向斜北翼,距武宁岩—燕山断裂带(区域断层Fa)不足2 km,受其及周围地质构造影响,库区内岩层褶皱、断裂和挤压破碎带较发育,并形成一系列劈理带,局部受牵引扭曲严重。

整个上水库区为一个洪屏向斜构造盆地,对库盆蓄水有利,该向斜为一倾伏向斜,倾向南西,倾角5°～8°。向斜轴向N60°～75°E,其北东侧被NNW方向横断层F53切割,南西侧经西副坝垭口向库外延伸,两翼岩层为震旦系下统硐门组变质中粗砂岩、变质长石石英中细砂岩和变质泥质粉砂岩。两翼岩层产状分别为N60°～70°ESE∠10°～55°和N65°～75°ENW∠10°～50°,两翼岩层厚度不对称,但向斜中心大致为上库库盆中心。库区节理的优势产状:节理走向以北东东为主,北西方向的相对较少,倾角以陡倾角为主,缓倾角很少。

3 水文地质条件

上水库库区地下水为孔隙性潜水和基岩裂隙性潜水。孔隙性潜水主要分布于第四系冲—洪积层及坡积层中,水量较丰富。基岩裂隙性潜水主要分布于弱风化岩体内,除库尾冲沟高程740～770 m和西北垭口冲沟高程720 m左右有泉水出露外,其余地段山坡及冲沟内未见地下水出露。

由地下水位资料分析可知,库周山体除主、副坝垭口,西北库岸垭口,西副坝与西南副坝之间山体及南库岸外,地下水分水岭高程均高于或接近正常蓄水位733 m。因此,由于东库岸、北库岸山体分水岭雄厚,集水面积较大,地下水补给来源较广,水量较丰富,所以库盆内两条小溪终年水流不断。

地下厂房系统勘探平硐PDX4渗水现象较普遍,有的地方出现涌水,引起南岸地下水位大幅度下降[5],同时上库南库岸钻孔ZK2在钻探过程中随着孔深的增加,地下水位不断下降。为了查明上水库南库岸与主坝地段地下水与PDX4长探洞的水力联系,对上水库南库岸进出水口附近进行示踪试验,结果表明,上水库主坝和副坝间,以及地表冲沟水与平硐PDX4及其支洞之间存在渗漏的贯通性断裂或断裂网络,且其渗透性都较大[6]。为了查明库岸山体的渗漏问题,预可研阶段和可研阶段在主坝、副坝及东库岸、南库岸、西库岸山体共布置地下水长期观测钻孔46个,其中坝址布置21个,库岸山体布置25个,并进行了压水试验,孔深进入相对隔水层q≤1.0 Lu两段以上试验段。

上库库盆内广泛覆盖的粘性土层透水性弱,渗透系数K平均值8.45×10-5cm/s;库岸和库底广泛分布有全风化(土)岩,库岸广泛覆盖为残坡积的粉质粘土,透水性也较弱,渗透系数K平均值2.17×10-5cm/s,但上水库右线进出水口—西南副坝下坝线间的库盆粉质粘土层的渗透系数3.35×10-4cm/s,为中等透水层。现场渗水试验测得全风化土层的渗透系数在2.59×10-5～6.40×10-5cm/s之间,为弱透水层。

库岸基岩内为孔隙—裂隙性含水层,透水性一般随深度的增加而减弱,裂隙性含水层近地表分布张开裂隙,致使部分钻孔透水率>10.0 Lu,属中等透水段。库区基岩地层以弱—微透水性为主,分布各钻孔透水性呈中等透水层主要位于强风化岩层内,且随孔深的增加透水率减弱,同一层中西副坝中等—弱透水层所占百分比略比西南副坝高些,这与西副坝的断层构造相对发育有关。主坝基岩地层为变质含砾中粗砂岩,岩体以弱—微风化为主,且断层构造不甚发育,规模小,对地层的透水性影响较小,所以主坝基岩的弱—微透水层所占百分比要比副坝高。断层带的渗透系数在1.00×10-4～2.33×10-4cm/s之间,为中等透水性。西副坝与西南副坝之间山体相对隔水层埋深高程最低,其次为西北垭口(渗漏段长度约210 m)和南库岸的ZKS76-ZKS63孔之间(渗漏段长度约110 m),这些地段存在渗漏问题,这主要与岩性和构造密切相关。

4 天然条件工程区地下水动态

洪屏抽水蓄能电站位于九岭山脉东段南翼。九岭山脉呈北东走向,绵延于整个赣西北,九岭山属中低山区,南麓多呈波状起伏的丘陵,工程区位于山脉南翼,处于中低山边缘,山峦起伏。整个区域地形呈北高南低之势。整个研究区域内地下水动态既有区域地下水流的特征,又有局部地下水流的特点。研究区地下水主要由大气降雨及外围地下水侧向补给,在低洼处以泉的形式排泄或直接排向沟谷,同时以裂隙水或孔隙水流形式排向区域基准面。

天然条件下,研究区地下水的补径排关系主要受地形地貌、地质构造和降雨蒸发的影响。该区域的地形是北高南低,正常条件下地下水接受大气降水补给和侧向径流补给,顺地形起伏自北东流向南西,最后流入何峰河。局部水流在主坝冲沟的上游,两岸岩体的地下水向冲沟排泄;在主坝冲沟的下游,两岸岩体的地下水接受冲沟地表水的补给。

由1998年6月15日—1999年6月15日的地下水位长观资料(图2)可以看出,该地区天然条件下地下水动态呈周期性变化:ZKS13、ZKS15、ZKS16和ZKS17等孔代表的是上库盆等较为平坦部位的地下水动态特征,它们的变化幅度很小,主要是因为该部位是水流的汇集区,它们反应的是排泄区的地下水动态;ZKS1、ZKS3、ZKS5等孔代表了地形陡峭部位的地下水水位动态,它们反应了降雨入渗补给区和径流区的地下水动态,即随时间具有周期性变化,最低水位出现在11月—1月间,但1月30日有一次高值,而最高水位出现在7月—8月间,但3月—9月水位均较高。

图2 天然条件下地下水水位动态变化Fig.2 Water level dynamic change under natural condition

5 施工期上水库地下水动态

上水库设置有若干水位观测孔,由于施工等若干因素,有不少孔位被破坏而停止观测,也有孔位在后期修复而恢复观测。由上水库各区域钻孔水位动态曲线图(图3)可以得出如下结果。

图3 上水库各区域钻孔水位动态曲线图Fig.3 Curves of water level regime of upper reservoir

东库岸地下水位总体为平稳上抬,该段地下水位高于设计正常蓄水位733.0 m,且山体雄厚,故此段没有渗漏风险[7]。西库岸地下水位总体大致平稳,在2014年3月少数钻孔水位有较大波动,应为西北垭口施工导致地下水沿断层F68失水，使相邻钻孔如ZKS66、ZKS118内水位下降,后期也趋于平稳,平稳后水位在733.0 m上下,垭口水位偏低,需进一步处理。南库岸地下水位总体大致平稳,少数钻孔水位在早期有大幅波动,后期也趋于平稳,地势较低的钻孔ZKS84水位高于临近山体上的钻孔ZKS81水位,可能此处会有库水渗漏。

主坝水位观测孔分布在大坝右岸边坡770 m高程以上,由于观测孔之前遭到破坏,一直无法正常观测水位,2014年5月钻孔经过处理已开始正常水位观测,该部位两钻孔ZKS78、ZKS1水位呈上下小幅度不规则变化,属正常变化。西副坝钻孔大多已被破坏,剩下ZKS59及ZKS44可供观测,两者水位均有所起伏,近几个月来趋于平稳,由于该处山体薄弱,建议加强观测;另钻孔ZK44在2014年5月水位突降,应与周边施工有关。西南副坝下坝线钻孔大多被毁,剩余ZKS60可供观测,其水位波动前期具有周期性,后期周期性被破坏。西南副坝上坝线钻孔也大多被毁,剩余ZKS98可供观测,其水位波动初期表现周期性,2014年3月后周期性受到较大程度地干扰[8],应是周边施工导致地下水沿断层F132、f45失水，使钻孔ZKS98内水位下降,水位在733.0 m左右,但其后山体单薄,应注重防渗处理,特别是断层f45与F132。

库底已处于施工状态,部分溪流由于施工原因已改道或在库尾形成大片积水。库底钻孔大部分由于施工原因被破坏,总体水位平稳或略有上升,属正常情况,可以观测的钻孔ZKS119、ZKS120水位近期起伏较大,可能与南库岸齿槽开挖有关,但基本保持在700 m以上,属于正常情况。此外,2012年8月—2013年1月有诸多钻孔水位偏低,ZKS121最为明显,应为同期地下设施施工导致。

6 结论

洪屏抽水蓄能电站上水库为一地形条件良好的天然盆地,库周山体较雄厚,库周岸坡残坡积粉质粘土、库底冲洪积粉质粘土层覆盖广泛,下伏基岩为变质含砾中粗砂岩、变质中细砂岩和变质泥质粉砂岩,中粗砂岩风化浅,中细砂岩和泥质粉砂岩风化较深;库盆内冲洪积和库岸残坡积粘性土层及下伏的全风化岩层渗透性均弱,下伏微风化基岩埋藏多较浅,其透水率一般<1.0 Lu。库周除西北垭口、西副坝与西南副坝之间山体及南库岸地段山体地下水分水岭或相对隔水层高程低于正常蓄水位,存在渗漏问题[9]需防渗处理外,多数山体地下水位和相对隔水层均高于正常蓄水位,不存在渗漏问题。值得注意的是,库周有部分断层带可能发生渗漏,如导致周边钻孔水位突降的F68、F132、f45等,需要得到处理。

就目前钻孔水位变化而言,施工对地下水位变化总体影响较小,大多数钻孔水位与天然条件下的水位大体持平,有少量钻孔水位确实受到施工的影响,但其多在处理的区域,其水位变化是可以预见的。上水库的防渗及监测重点与施工前相同,依然在西北垭口、西副坝与西南副坝之间山体及南库岸地段山体。

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(责任编辑：于继红)

Dynamic Analysis of Groundwater System in Upper Reservoir ofHongping Pump-storage Power Station

LI Qun1, WANG Jinguo1, LIU Keqin2

(1.SchoolofEarthScienceandEngineering,HohaoUniversity,Nanjing,Jiangsu211100; 2.EastChinaGeotechnicalEngineeringCorporation,Fuzhou,Fujian351000)

As the reason of construction,original flow field of groundwater in Hongping Pump-storage Power Station has changed. For studying the influence of construction to groundwater and guiding the further construction,observation and analysis of groundwater level dynamic is needed. The most groundwater levels and relative impermeable layers in surroundings of upper reservoir are higher than normal pool level,there are no leakage problems. According to the curve of groundwater level dynamic in each region of upper reservoir,the key areas of seepage control and monitoring are the mountain between northwest pass area,west auxiliary dam and southwest auxiliary dam,and the mountain in south reservoir bank.

groundwater; dynamic analysis; upper reservoir; pump-storage power station

2016-05-13;改回日期:2016-05-20

李群(1992-),男,在读硕士,地质资源与地质工程专业,从事水文地质计算方面研究工作。E-mail:hydrogeolq@sina.com

P641.2

A

1671-1211(2016)03-0364-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.028

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160523.1109.002.html 数字出版日期:2016-05-23 11:09