后家河水库渗漏分析研究

王奇辉

摘要：本文研究对象为湖北省恩施土家族苗族自治州咸丰县后家河水库，该水库的主要功能是缓解咸丰县城区饮水不足的现状。后家河水库地处西南裸露型岩溶山区，库坝区地质构造较为复杂，寒武系碳酸盐岩广泛分布，岩溶十分发育。因此，对后家河流域岩溶发育规律、岩溶地下水系统的空间分布以及岩溶管道系统特征等开展调查，在此基础上运用地下水示踪试验对水库渗漏条件进行分析，可以从岩溶水文地质角度对水库工程坝址方案进行对比和优化研究，为工程设计提供水文地质依据。

关键词：岩溶水系统；岩溶发育规律；水库渗漏

1.引言

我国是世界上岩溶分布最广的国家之一，碳酸盐岩的分布面积（含埋藏在非可溶岩之下的）可达346.3×104km2，出露面积达90.7×104km2。其中西南岩溶分布区的碳酸盐岩分布面积约78×104km2，出露面积约50×104km2。这些岩溶地区由于岩溶管道等发育，地表水及地下水联系密切、转换频繁，使得岩溶地区水资源的分布极为不均。由于降雨充沛且集中，地下水与地表水联系密切，使得岩溶地区岩溶管道发育，地表落水洞、岩溶洼地、溶蚀漏斗以及岩溶槽谷的广泛分布，同时岩溶地区的岩溶发育规律受多种条件控制，这些都导致岩溶区岩溶管道分布復杂，而这些管道系统往往是水库发生渗漏的主要途径，也是水库选址所要考虑的最主要因素之一。大量的工程实践表明：水库渗漏是在岩溶地区筑坝建库面临的关键问题之一。水库渗漏形式、渗漏发生部位及渗漏量的大小，直接关系到工程的规模、效益，甚至成败。示踪试验作为一种重要的地质勘察工作方法，是库区岩溶渗漏研究的最有效手段之一，通过示踪试验，可以查明地下水的来源、运移方向、速度、地下岩溶与裂隙发育状况及地表水与地下水之间的水力联系等岩溶地区的水文地质条件，为岩溶水库渗漏评价、坝址选择以及防渗设计提供基础的地质依据。

后家河水库位于乌江水系唐岩河二级支流、曲江河一级支流后家河之上，是一座以乡镇、农村供水及农业灌溉为主，兼顾防洪的水利工程，拟建后家河水库正常蓄水位886.50m，总库容约736m3，工程主要由拦河坝、导流洞、围堰等建筑物组成。挡水建筑物坝顶高程891.0m，最大坝高约54m。后家河水库地处西南裸露型岩溶山区，库坝区地质构造较为复杂，寒武系碳酸盐岩广泛分布，岩溶十分发育，后家河水源主要来自库尾的大溪洞地下暗河，下游河流沿岸还发育有七眼泉、大坡泉、滴水岩、犀牛洞等地下暗河、管道或岩溶大泉。因此，对后家河流域岩溶发育规律、岩溶地下水系统的空间分布以及岩溶管道系统特征等的研究以及在此基础上的库区基本地质条件分析和水库渗漏条件的分析，将直接关系到该水库是否能解决当地缺水问题、水库工程坝址方案的选择以及水库防渗工程设计等。

2.岩溶水系统特征

咸丰县在晚白垩世以后受咸丰断裂带影响，断裂北西盘出露志留系、二叠系地层；断裂南东盘地层上升出露寒武系碳酸盐岩地层，经历了长期的溶蚀和侵蚀作用，形成了极为丰富的地表、地下岩溶形态。地表岩溶形态除了普遍发育有岩溶洼地、落水洞、溶沟、溶槽、溶丘及溶蚀沟谷等外，还有少量的石芽、峰丛等，地下岩溶形态则有溶洞、地下岩溶管道等。

后家河流域总体呈北东向长条状展布，北西侧以大马岩塘—筒车坝地表分水岭与青根沟流域为界，南东侧以梯儿岩—小马岩塘与龙洞湾地下河流域为界，后家河支流众多，自南向北主要有大溪洞暗河、官岩溪溪沟、七眼泉、烂泥坝溪沟、滴水岩暗河、犀牛洞暗河等多个补给来源。其中大溪洞暗河的补给来源主要为老岩孔及扁担坑等地的岩溶洼地等汇集的降水，按照每个支流溪沟、岩溶泉的补给面积圈定系统流域面积，共49.34km2。后家河流域主要发育于寒武系碳酸盐岩地层中，地表水与地下水转换频繁，根据岩溶水文地质调查，基本查明了研究区地表水和地下水的补给、径流和排泄条件，结合野外调查及示踪试验确定，后家河流域主要有7个集中排泄型岩溶地下水系统和2个分散排泄型岩溶水系统。（见图1）

3.水库渗漏分析

通过示踪试验及水文地质调查，可能影响水库渗漏的有大坡泉暗河系统（H-5）、滴水岩暗河系统（H-2）及犀牛洞暗河系统（H-1）。

大坡泉暗河系统：当坝址选在大坡泉暗河系统出入口之间时，在水库进行蓄水后，库水将会从河床处三处渗漏点沿层面裂隙从下游大坡泉群再次出露地表发生水库渗漏。

滴水岩暗河系统：当所选坝址区位于滴水岩下游时，水库水位抬升将会淹没滴水岩暗河入口及被河道切开的方家坝复式向斜，库水将沿滴水岩暗河出口及方家坝复式向斜轴部向王家林方向发生水库渗漏，库水将沿滴水岩管道系统回水至王家林一带，有可能发生向水车坪溪沟的岩溶管道式渗漏；水库正常蓄水条件下滴水岩至王家林一线的岩溶洼地将被淹没，尤其在雨季下游库水顶托会导致洪水排泄不畅形成洪涝灾害；另外随着库水位的频繁升降这些岩溶洼地中会发生岩溶塌陷等地质灾害。

犀牛洞暗河系统：为确定下游河段在水库蓄水后是否会越过犀牛洞暗河系统与后家河之间的分水岭，从而使库水进入犀牛洞岩溶水系统发生渗漏，现计算如下：

由前期进行的地下水示踪试验所得的地下水流速参数可以计算调查区内石龙洞组地层的渗透系数K，进而推求三十丈暗河入口（A3）至犀牛洞（A2）的水力梯度，最终得出暗河入口A3的标高。

水车坪渗漏点（A1）标高858.53（m）至犀牛洞暗河出口（A2）标高798.46m，两点间水力梯度I为5.26%，由地下水示踪试验数据可知两点间天然地下水流速为657.12m/d，得出调查区石龙组的渗透系数K。又由三十丈暗河入口（A3）至犀牛洞的地下水示踪试验数据可知两点间的天然地下水流速为518.88m/d，可得三十丈暗河入口（A3）至犀牛洞暗河出口（A2）的水力梯度为4.15%，根据两点间的水平距离可知三十丈暗河入口的地下水位标高为832.12m。计算结果如下表1所示：

由此得到三十丈地下暗河进口A3的标高为832.12m，且该岩溶管道与此处后家河段存在天然地下分水岭。由于河间地块天然地下分水岭的位置确定计算公式中的K仅适用于各向同性均质含水层，此处为强岩溶含水层且发育有岩溶管道，此外由河间地块分水岭至三十丈地下暗河进口A3的地下水流向非主径流方向，水力梯度较小。将三十丈地下暗河进口A3至河间地块分水岭的水力梯度按经验取得最大值为1%，平面距离400m以内，以此求得次分水岭的地下水位标高不超过837m，理论上蓄水位超过837m便会由石龙洞组强岩溶含水层发生管道式渗漏（如图2）。

综上分析，即使考虑蓄水后地下水位壅高的情况，下游段蓄水位超过840m后将直接通过下伏管道跨过右岸平台向下游产生严重的渗漏。如若采取防滲措施，则防渗线路需大于1km。

6.结论

后家河流域碳酸盐岩广泛分布，岩溶总体发育程度较高，尤其是后家河河谷两岸以石龙洞组强岩溶含水岩组为主，岩溶管道、地下暗河极为发育，尤其是滴水岩以下河段，受咸丰背斜向北东倾伏的构造控制，背斜两翼石龙洞组灰岩强岩溶含水岩组相互连通，后家河右岸存在宽约200m的强岩溶发育的低水位区（推测地下水水位不高于850m），在该河段筑坝建库存在岩溶管道式渗漏。滴水岩以上河段岩溶强发育范围相对较窄，主要在河床及坝肩两侧，工程可控；滴水岩以下河段水文地质条件最差，除了库首右岸存在200m宽的岩溶管道式低水位渗漏区外，库内滴水岩也有向水车坪发生岩溶管道式渗漏的可能，同时还存在王家林一带水库浸没和洪涝灾害以及岩溶塌陷等不良地质环境问题。

参考文献：

[1]袁道先.中国岩溶学[M].北京：地质出版社， 1993.

[2]陈汉宝，李瑞清，刘贤才.鄂西南岩溶地区几个水库渗漏的教训与反思[J].资源环境与工程， 2010， 24（5）：450-453.

[3]肖爱明，叶运华.野三河水库库区岩溶渗漏分析[J].水电与新能源， 2010（4）：14-17.

[4]张祯武，杨胜强.岩溶水示踪探测技术的新进展[J].工程勘察， 1999（5）：40-43.

[5]邓振平，周小红，何师意等.西南岩溶石山地区岩溶地下水示踪试验与分析—以湖南湘西大龙洞为例[J].中国岩溶， 2007， 26（2）： 163-169.

[6]王建强，陈汉宝，朱纳显.连通试验在岩溶地区水库渗漏调查分析中的应用[J].资源环境与工程， 2007， 21（1）：30-34.

[7]周代荣.上福冲水库坝体地质评价及加固措施探讨[J].西部资源， 2019（02）：86-87.

[8]袁道先，戴爱国，蔡五田等.中国南方裸露型岩溶峰丛山区岩溶水系统及其数学模型的研究—以桂林丫吉村为例[M].桂林：广西师范大学出版社， 1996.

[9]徐福兴，陈飞.水库岩溶渗漏问题研究[J].西部水利水电开发与岩溶水文地质论文选集， 2004：3-9.

[10]周宁.鄂西南岩溶区水库渗漏类型浅析[J].西部水利水电开发与岩溶水文地质论文选集， 2004：16-20.