地下水水位及水温对水库渗漏的影响

王森林，郑克勋

（1.中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院岩土工程有限公司，贵阳 550081；2.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081）

在碳酸盐岩分布区建坝成库， 水库岩溶渗漏是主要工程地质问题之一，诸多水库因岩溶渗漏，导致蓄水无法满足设计要求，甚至只能废弃，造成较大经济损失。在构造发育的地区，地质构造条件对岩溶的发育和发展起控制作用［1］。岩溶发育地区的地下水具有非均质性、敏感性、隐蔽性等特点［2］，常规水文地质勘察手段一般难以达到较好的勘察效果。 地下水渗流特征和温度特征分析是水库岩溶渗漏分析的重要手段，已较多地应用于岩溶发育程度划分、地下水渗流特点的分析及岩体透水性判断等问题［3］，同时在水电站及水库渗漏分析中也得到广泛应用［4］。

某水库是一座以农业灌溉为主的水利工程，水库建成后可解决下游318.67 hm2田地的灌溉用水问题，水库总库容123.8 万m3，工程规模为小（一）型，水库枢纽建筑物由拦河大坝、右岸导流兼输水隧洞、左岸溢洪道组成。2018 年水库建成后出现严重的渗漏问题，至今未能完成蓄水功能，为此，在2018 年和2019 年分别进行2 期补充勘察工作，本次研究以补充勘察依托，主要通过测定钻孔钻进过程中的内、外管地下水位和地下水温度及地下水位长观， 查明库坝区的地下水渗流特征和主要温度异常区， 为水库防渗处理设计提供科学依据。

1 工程区基本地质条件

工程区属于构造侵蚀低中山地貌， 库区地表分水岭最高2400～2680 m，一般2250～2450 m 左右，山顶与河床相对高差200～400 m， 平均河床比降为7%，岸坡坡度15°～40°，河谷呈“V”形，为山间狭窄型河谷。 区内岩性主要为： 震旦系上统观音崖组中段（Zbg2）灰白色白云岩夹少量黄色页岩，震旦系上统观音崖组上段下亚段（Zbg3-1）紫红色页岩夹灰白色、灰黄色泥岩和页岩， 震旦系上统观音崖组上段上亚段（Zbg3-2）深灰色、紫红色灰岩夹灰黄色泥岩、泥灰岩和灰黄色、 紫红色钙质砂岩， 震旦系上统灯影组（Zbd）灰白色薄至中厚层泥质条带状白云岩夹黄色、紫红色泥岩、泥质白云岩，燕山期侵入辉绿岩脉（ζπ35）。工程区构造主要有断层F1、F2 及F3 和岩体节理裂隙。工程区岩溶形态以岩溶泉、岩溶洼地和溶蚀裂隙为主，坝前溶蚀裂隙发育较广泛，库区及大坝下游分别发育7 个（S8～S14）和8 个（S1～S7 及S15） 岩溶泉水点。Zbg3-2地层为强岩溶含水层，Zbg3-1和Zbg2地层为中等岩溶含水层， 其余地层为隔水层或相对隔水层。 地下水类型主要有覆盖层孔隙水、基岩裂隙水及岩溶水。 库区辉绿岩脉至大坝下游钻孔ZK7 附近为悬托河段， 表现为河水补给地下水的水动力类型， 其余河段表现为地下水补给河水的水动力类型。 试蓄水后在溢洪道附近形成了一个小型覆盖层滑坡， 库区无崩塌、 泥石流等不良地质现象发育，如图1。

图1 工程区地质平面图

2 地下水位特征分析

2.1 钻孔水位长期观测

对库坝区各钻孔（ZK1、ZK301 等13 个）进行水位长期观测，各钻孔高程、位置及地下水位特征如表1。 从表1 可看出：除ZK6 外， 其余钻孔水位均低于正常蓄水位； 除钻孔ZK1、ZK308、ZK6 和ZK306 外，大坝附近钻孔水位均低于河水位。总体来看，大坝所处河段地下水埋深普遍较大， 在大坝附近以河水补给地下水为主，表现为悬托河。

表1 钻孔地下水位统计

2.2 钻孔内管水位变化分析

钻孔内管水位揭示钻孔某一段 （工程中多为压水试验段）范围内的分层地下水位。钻孔水位跌落说明钻孔揭穿隔水层，进入富水性较差的地层，上层地下水跌落至下层地下水中； 水位抬升说明钻孔揭穿承压含水层的顶板， 承压水由于水头压力作用反升至上层水中。 在钻孔压水试验前后分别测量每一试段的内管水位情况，得到各钻孔内管水位变化折线，如图2。

图2 钻孔内管水位变化折线图

从折线图中可看出：

（1） 钻孔内管水位总体随着钻孔钻进深度加深逐渐降低，最后稳定在某一高程，受坝址区附近“透水岩体夹隔水岩体”的地质结构特点控制，部分钻孔内管水位随钻进过程呈现多次先降后升的现象，最为明显的是钻孔ZK3 在钻进深度为106 m 和155 m（高程2106.8 m 和2057.8 m） 时均出现大幅下降，后又回升至一定高程。

（2）钻孔ZK1 和ZK7 的内管水位表现出在某一深度突然大幅度下降的现象，然后保持稳定，单次最大降幅分别达到69.7 m 和27.6 m，且钻孔ZK1 内管水位在前段呈现反复升降的现象， 说明存在多层地下水。

（3）钻孔ZK2、ZK3 和ZK5 存在水位多次下降，单次水位最大降幅分别为15.05，23.3，9.18 m， 水位下降幅度相对钻孔ZK1 和ZK7 较小。

（4）其余钻孔内管水位基本保持稳定。

分析与讨论： 大坝附近钻孔ZK2、ZK3、ZK4 和ZK5 内管水位最终稳定范围在2150～2170 m 之间，最低的内管水位在高程2120 m 左右。其中钻孔ZK2钻进高程在2098.0 m 以上水位一直处于跌落或稳定状态， 钻进高程在2087.9～2098.0 m 时水位稳定在2146.0～2151.0 m 之间， 基本与河床地下水位持平，说明该范围内水位基本达到稳定状态。 钻孔ZK3 钻进高程2022.8 m 以上水位为一直跌落或稳定状态，但当钻进高程在2007.6～2017.8 m 范围时内管水位出现回升， 水位上升到高程2159 m 附近后稳定，说明河床附近高程2017.8 m 以下地下水较丰富， 且为承压水。

2.3 钻孔外管水位变化分析

钻孔外管水位揭示钻孔进尺范围内的综合水位。钻孔水位跌落说明钻孔揭穿隔水层，进入富水性较差的地层，上层地下水跌落至下层地下水中；水位抬升说明钻孔揭穿了承压含水层的顶板， 承压水由于水头压力作用反升至上层水中。 在钻孔压水试验前后分别测量每一试段的外管水位情况， 得到各钻孔外管水位变化折线，如图3。

图3 钻孔外管水位变化折线图

从图3 可看出：

（1）钻孔外管水位的变化趋势与内管水位基本一致，但由于是综合水位，水位的变幅较内管水位小，最低外管水位高于最低内管水位。受坝址区附近“透水岩体夹相对隔水岩体”的地质结构特点的控制，钻孔外管水位变化特征呈现有升有降的现象。

（2）钻孔ZK1 和ZK7 存在外管水位突然大幅度下降现象，且ZK1 外管水位呈反复升降的现象，钻孔ZK2、ZK3 和ZK5 存在水位多次下降且最后保持稳定，其余钻孔外管水位基本保持稳定。

（3）大坝附近钻孔ZK2、ZK4 和ZK5 外管水位最低范围为2150～2170 m 之间， 最终稳定范围在2155～2170 m 之间。钻孔ZK3 钻进高程2033 m 以上时外管水位出现小幅度缓慢下降， 在钻进高程2033m 以下时外管水位稳定在2158～2160 m 之间。坝基范围内钻孔稳定外管水位高程在2155～2170 m之间，说明高程2155 m 以下地下水较丰富。

（4）坝后钻孔ZK7 外管水位稳定在2115 m 左右，大坝轴线附近至钻孔ZK7 之间存在约40 m 的外管水位跌幅，说明坝基附近岩体导水性较强，存在坝基渗漏问题。

3 地下水温度特征分析

地下水温度变化主要受地温、 补给水源温度及循环交替条件和气温的控制，在水库渗漏分析中，补给水源的温度和地下水强烈的循环交替条件将严重影响地下水温度的变化幅度和速度［4］。

3.1 库水温度特征

由于水库来水量较小， 地表水温度受气温影响变化较大进而影响地下水温度， 为减小气温对地下水温度的影响， 应尽量在相同气温时段进行地下水温度测试。 因此首先研究地表水温度随气温变化的情况，选择在导流洞进口处对河水温度进行一次24 h跟踪观测，每2 h 进行1 次观测，得到河水温度随时间变化折线，如图4。

图4 河水温度随时间变化折线图（24h 范围）

观测当天天气为晴天，日照充足，受阳光辐射的影响， 早晨7:00 到下午13:00 区间河水温度呈上升趋势，下午13:00 到凌晨1:00 河水温度呈下降趋势，凌晨3:00 到早晨7:00 河水温度变化较小，基本保持在15.1～15.2 ℃。其中，下午14:00 河水温度最高，达19.6 ℃；早晨5:00 和7:00 河水温度最低，为15.1 ℃；河水昼夜最大温差为4.5 ℃。因此地下水温度测试分为下午时段（13:00～17:00）和凌晨时段（3:00～7:00）两个时段分别进行。

3.2 地下水温度特征分析

地下水温度测量分为下午时段（13:00～17:00）和凌晨时段（3:00～7:00）两个时段分别进行，得到防渗线温度等值线和温度异常区分布，如图5。

图5 防渗线地下水温度等值线及异常区分布

天然地下水温度随着埋深的增加逐渐升高，钻孔地下水温度在某一高程往上随钻进深度的减小逐渐升高的可视为地下水温度异常区， 异常区的地下水位交换相对较活跃，受地表水影响较大，可视为水库渗漏的主要通道。

从图5 可看出： 地下水温度在坝基附近存在4个地下水温度异常区（异常区A、B、C 和D），异常区A 主要分布在钻孔ZK1 高程2166.4 m 以上；异常区B 主要分布在钻孔ZK2 高程2141.0 m 以上；异常区C 主要分布在钻孔ZK3 高程2077.8 m 以上及钻孔ZK301 高程2127.8 m 以上；异常区D 主要分布在断层F1 与F2 中间所夹持的范围， 高程主要在2086.1 m以上。该4 个温度异常区地下水位相对较活跃，受地表水影响较大，是水库坝基及绕坝渗漏的主要通道；异常区以下地下水温度特征表现正常， 说明坝基附近高程2077.8 m 以下地下水循环较缓， 受地表水影响较小。

同时，在地下水与地表水交换频繁的地方，地下水温度相比地下水交换缓慢的地方要较高， 异常区D（即断层F1 和F2 所夹持的范围）地下水温度较周围要稍高， 说明该区域地下水温度受地表水影响较周围更大，地下水交换较活跃，同时受断层及溶蚀破碎带的影响，该区域是水库主要的集中渗漏区。

4 结语

（1）从钻孔水位长观结果来看，大坝附近河段及两岸地下水埋深普遍较大，多低于河水位，以河水补给地下水为主，表现为悬托河，存在库水渗漏的势能条件。

（2）从钻孔内、外管水位变化来看，坝基范围内钻孔稳定外管水位高程在2155～2170 m 之间， 说明高程2155 m 以下地下水较丰富。坝后钻孔ZK7 外管水位稳定在2115 m 左右， 大坝轴线附近至钻孔ZK7之间水位从2155 m 左右跌落至2115 m，存在约40 m的外管水位跌幅， 说明该空间范围内存在水库渗漏问题。

（3）从地下水温度特征及异常区来看，坝基部位异常区发育深度最深，最低高程为2077.8 m，两岸异常区发育高程较坝基部位要高。 断层F1 和F2 破碎带附近地下水温度较周围要稍高， 是水库主要的集中渗漏区。

（4）结合钻孔内、外管水位变化、地下水位长观及温度特征成果， 以及岩体透水率和岩溶发育基准面，为确定防渗帷幕范围提供可靠依据。