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岩溶水综合示踪理论在句容抽水蓄能电站中的应用


                   44 勘  察  科  学  技  术             2008 年第 2 期

岩溶水综合示踪理论在句容抽水蓄能电站中的应用
方  芳  刘建刚  咸云尚
( 河海大学土木工程学院  南京市  210098)

提要  岩溶水探测和分析的方法众多 , 该文运用 岩溶水综合示

踪方法对句容抽水蓄能电站 上库区岩 溶水文地质 条 件进行分析研究 , 为抽水蓄能电站上库的防渗措 施的采取提供建议 。 关键词  岩溶水综合示踪方法  温度场  电导率法  人工同位素示踪  连通试验

Application of Synthetical Tracing Theory of Karst Water in Jurong Pumped Storage Power Station
Fang Fang   Liu Jiangang   Xian Yunshang ( Civil Engineering College , Hohai University ) Abstract   There are lots of methods applied in detecting and analyzing the characters of karst water . In this paper , synthetical tracing theory of karst water is adopted in analyzing the hydrogeological condition in Jurong pumped storage power station , and relevant measures of seepage prevention are proposed . Keywords  synthetical tracing method of karst water ; temperature field ; conductivity method ; antificial isotope tracer technique ; communicating test 呈反“ S” 型 。 仑山一带褶皱束宽约 5m , 主轴走向为 NW 向 。 上库出露断层主要有 F7 、 F8 、 F9 、 F12 1, 伴随主断层的是次一级的小断层 。 从上库区的地质 构造及岩性描述来 看 , 本区断 层较多 , 呈格子状分 布 。 本区碳酸盐岩时代比较连续 , 从震旦系到志留 系各个组段的岩性都有 。 从现场踏勘的情况来看 , 上库区的辉绿岩脉分布比较多 , 大都沿断层的走向 延伸 , 长短不一 。 为查明库水应力影响深度内的地质情况和库周 山体的渗漏条件 , 沿坝轴线及库周布置钻孔 22 个 。 库周钻孔的分布主要在断层线上 , 或其附近 。 利用 这些钻孔和泉对其岩溶水温度 、电导率进行点检测 , 绘制水温曲线与电导率线 。 钻孔及泉的相对位置如 图 1 。 从泉的出露高程看 , 上库外周泉的出露高程 差不多 , 一般在 75 ~ 80m 。

1  前言
中国岩溶分布广阔 , 类型众多 。 国内外水文地 质学家越来越多地关注岩溶水的研究 。 示踪试验作 为研究岩溶水的一种重要手段取得了长足发展 , 其 技术方法不断进步 , 理论体系日趋完善 。 本文通过 运用岩溶水综合示踪方法对句容抽水蓄能电站上库 区岩溶水文地质条件进行分析研究 , 为抽水蓄能电 站上库的防渗措施的采取提供建议 。

2  地质构造概况
句容抽水蓄能电站位于江苏省句容市境内的东 昌镇仑山区 , 北距长江约 30km 。 上水库在仑山西南 侧冲沟筑坝拦蓄而成 , 下水库位于仑山水库库尾高 家边村上游 。 工程由上水库 、输水系统 、 地下厂房及 下水库等枢纽部位组成 。 上库有效库容 为 1411 × 10 m , 正常蓄水位 死水位为 263. 5 237. 0m 。 本区处于汤仑复式背斜( 汤山 —仑山复式大背 斜) , 即宁镇山脉的南带之中段偏东 。 整个背斜枢纽
作者简介 : 方  芳( 1983) , 女 , 硕士研究生 , 地球探测与信息技术专业 。 收稿日期 : 2007 10 -31
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3  上库区温度场分析
地下水温的空间分布规律通过钻孔和各出露泉 水的温度测量来分析 , 钻孔地下水温的测量采用点 测法 , 每隔 1m 测一点 , 得到某深度的水温 。 在上库 区 22 个钻孔中进行了系统的水温测量 。

2008 年第 2 期             勘   察  科  学  技  术                   45 常 , 4 个存在大小不等溶洞的钻孔呈现出直线型水 温曲线 , 均不存在水温异常 , 这可能与溶洞被充填或 溶洞尺寸较小 , 无法引起水温或地温变化有关 。 上 述分析表明 , 存在溶洞的钻孔 , 不论溶洞大小 , 只要 溶洞被充填或溶洞尺寸过小 , 溶洞在水温曲线上不 能得到反映 , 我们就不能依据温度场来分析岩溶发 育状况 。 但是 , 反过来 , 水温曲线呈现异常的钻孔 , 水温异常部位与该孔溶洞的位置却有着很好的一致
图 1  工程区上库钻 孔及泉相对位置示意

关系 , 这又表明 , 我们可以利用水温曲线的异常来分 析判断岩溶地区岩溶的发育 , 由此分析出的溶洞数 量可能会少于溶洞存在的实际数量 。

3. 1  地下水温沿平面变化 上库地形起伏变化 大 , 相对高差近 300m , 各钻 孔的 孔 口高 程 和 孔 深变 化 也 大 , 根 据 ZK3 、ZK4 、 ZK5 、 ZK9 、 ZK10 、 ZK12 和 ZK21 孔在 84m 高程平面上 的水温数据 , 并结合 直线型水 温曲线计 算出 ZK6 、 ZK7 、 ZK11 和 ZK22 孔在 84m 高程的水温 , 从而可以 画出 84m 高程的等温线图 , 如图 2 所示 。

4  上库区电导率示踪分析
工程区 , 尤其是上库区域 , 大气降水是唯一补给水 源 , 电导率值很低的大气降水入渗进入地下后与岩石 发生相互作用 , 径流强烈地段的电导率值一般偏低 , 反 之则高
[ 3]

。 属于低电导率组的上库钻孔 ZK4 在地形上

与 ZK12 类似 , ZK5 与 ZK11 、 ZK3 类似 , ZK7 与 ZK2 类似 , 但径流相对强烈 。 一般情况下 , 在一个地下水流动系 统中 , 同一钻孔的电导率应呈上低下高趋势 , 反映不同 的循环交替条件 。 下降型电导率曲线( 如 ZK12 、 ZK18) 的电导率曲线呈上高下低趋势 , 反映钻孔下部地层的 渗透性相对上部地层要强 。 4. 1  平面与剖面等电导率曲线 在一个地下水流动系统中 , 电导率值的大小在 平面上和剖面上应呈有规律变化 , 同时也可以依据
图 2  上库区 84m 高程等温线

电导率值的变化趋势分析地下水的径流方向 。 等电 导率线的疏密程度( 电导率梯度大小) 反映地下水的 径流强度 , 间接地反映地层的渗透性大小 。 图 3 给 出了 84m 、74m 高 程 依据 ZK1 ~ ZK5 、 ZK14 、 ZK16 ~ ZK18 和 ZK21 的电导率背景值画出的 平面等电导率曲线图 。 两个不同高程的等电导率线 图的形状类似 , 但电导率值不同 , 往深处电导率值增 大 , 符合地下水的一般规律 。 总体分四个带 : 两个等 电导率线密集带和两个等电导率线稀疏带 。 两个等 电导率线密集带分别是 ZK17 和 ZK18 之间到 ZK11 、 ZK12 一带及 ZK5 的一侧 , 两个等电导率线稀疏带分 别是 ZK1 、 ZK16 、 ZK17 和 ZK21 一带 。 ZK17 和 ZK18 间大量分布和岩脉 , 起隔水作用 , 径流缓慢 , 因而等 电导率线密集 , ZK11 、 ZK12 在钻孔揭露段均发育了 9 条溶蚀裂隙 , ZK12 的裂隙呈 闭合状 , 表现为弱径 流 , 这与后来分别在 ZK4 、 ZK3 和 ZK34 孔中投入示 踪剂进行连通试验时基本无反映的结果相符 , ZK5 一侧的密集带 , 与岩层硅化有关 。

从平面上看 , 该 高程上的水温一 般大于 17 ℃, 但 ZK4 、 ZK5 、 ZK9 和 ZK21 孔的水温较低 , 为 16 . 7~ 16 . 9 ℃。 考虑到这 4 个孔的水温比较接近 , 平面上 接近一个条带 , 但中间有高温等温线阻隔 , 在该高程 平面 上它 们不 存在 水 力联 系 。 ZK3 、ZK11 、ZK9 和 ZK12 孔基本位于上库的库底 , 地形相对平坦 , 附近 的等温线较密 , 反映了地下径流较弱 , 为慢速分散流 [ 1] 场 的特征 。 3. 2  利用钻孔地下水垂向温度曲线判断上库岩溶 的渗漏情况 分析溶洞或溶蚀裂隙的分布位置与水温曲线之 间的相关关系是利用温度场分析岩溶及其渗漏的关 键 。 本工程发现溶洞的钻孔有 7 个 , 无溶洞 , 也无溶 蚀裂隙的钻孔 7 个 。 5 个钻孔中共有溶洞 9 个 , 分 布于不同的位置高程 , 洞径 0 . 4 ~ 7. 5m 不等 。 直线 [ 2] 型水温曲线 意味着孔中 不存在水温 ( 或地 温) 异

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图 3  不同高程等电导率曲线

   ZK1 和 ZK21 一带的等电导率稀疏带应引起足 够重视 , 这一带虽然山体雄厚 , 但岩溶发育 , ZK21 孔 中揭露了多个溶洞 , 且地下水位最低 , 钻进中一直无 回水 。 ZK5 另一侧的等电导率稀疏带与岩溶发育有 关 , ZK5 孔本身没有溶洞 , 但在距离仅几米 的 ZK40 孔中 24 . 7 ~ 26 . 8m 深处打到了直径 2 . 1m 的溶洞 。 ZK5 溶洞一侧到 ZK14 和 ZK18 一带存在溶洞的可能 性比较大 。 4. 2  工程区地下水电导率空间分布规律 地下水的电导率是地下水总溶解固体大小的反 映 , 在一定的水文地质条件下与总溶解固体存在着 定量关系 。 测量电导率快速方便 , 通过对研究区域 泉水与勘探孔中地下水不同深度不同时间的测量 , 可以宏观掌握区域地下水流状况 , 分析不同的地下 水流系统 , 为分析地下水的补径排条件增加研究手

段 。 对研究区域进行温度与电导率的时空测量 , 是 研究区域水文 地质条件和水文地质问 题的重要手 段。 地下水电导率的空间分布规律通过钻孔和各出 露泉水的电导率测量来分析 , 钻孔地下水电导率的 测量采用点测法 。 工程区钻孔地下水的电导率背景值一般在 397 ~ 575μ s cm , 最大值是 ZK24 , 达 到 617μ s cm , 最小值 是 ZK33 孔下部的值 , 为 330μ s cm 。 泉水的电导率变 化值为 300 ~ 590μ s cm 不等 , 姊 妹桥村一些民井水 的电导率值为 417 ~ 554μ s cm , 与钻孔地下水的电导 率值基本一致 。 姊妹桥水沟水的电导率值为 223 ~ 264μ s cm , 在仙人眼泉附近得到泉水补给的局部地 段稍偏大 。 泉和部分钻孔地下水的温度 、电导率随 深度的变化曲线见图 4 。

图 4  上库外围泉的温度电导率动态

   大哨泉温度变化幅度最小 , 方解石矿泉 2 的变 化幅度最大 。 流量以老虎头泉最稳定 , 变幅最小 , 大 哨泉变幅最大 。 温度和电导率 值均以大哨泉 为最 大 , 方解石矿泉 1 为最小 。 这与泉水的出露条件或

补给 、 径流条件有关 。 与上述各泉相比仙人眼泉的 温度与电导率变幅都不大 , 说明仙人眼泉有稳定的 地下水来源 。 通过后续的连通试验证明 , 它与上库 内的 F8 断层以溶隙介质相连 。

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5  人工同位素示踪分析
在句容抽水蓄能电站水文地质勘察中 , 对上库

所有的钻孔都进行了单孔同位素示踪测试 。 得出各 孔岩溶水不同深度的流速 、流向参数( 主要为水平流 向) , 部分特征明显的钻孔如图 5 。

图 5  部分钻孔同位素示踪流速 、流向

   经分析 , ZK1 孔渗透流速 0 . 3~ 0. 8m d , 最大流 速在 88m 孔深 , 流向 145 ° ~ 240 ° , 流向上库库盆内 。 ZK2 孔渗透流速 2 . 0~ 3. 6m d , 最大流速在水深 67m 处 , 主要有两个流动方向 , 大体上是 60° 和 300° , 流向 库盆内的不同方向 。 ZK4 孔渗透流速 0 . 5 ~ 10m d , 最大流速在 51m 深处 , 是所有钻孔流速最大值 , 流 向稳定在 360 ° , 流向库外 , 与连通试验证实的 它与 ZK21 孔连通的结果完全一致 。 ZK22 孔渗透流速有 两段 : 54 ~ 57m 孔深 , 一般为 3 ~ 3 . 5m d , 58m 以下 , 一般为 1 ~ 2m d 。 流动方向为 236 ° ~ 358 ° 。 从 ZK4 孔的流向分析 , ZK4 的岩溶水流向是 360° , 恰好与向 仙人眼泉的方向一致 , 在 51m 深处渗透流速达到最 大值 。 可以初步判定 F8 断层是导水的 。 通过连通 试验也进一步得到了证明 。

走向近东西看 , ZK4 和 ZK3 与 ZK21 之间的渗流通道 是切层的 , 它们又不在同一 条线上 , ZK4 和 ZK3 与 ZK21 之 间的 平面直 线距离 分别为 965m 和 860m 。 在进行岩溶水流场实际流速 u 计算时 , 水流运动距 离可按实际平面直线距离的 1 . 2 倍考虑 。 根据邹成 [ 4] 杰 的汇流理论 , 可得出试验段间的岩溶介质类型 , 如表 2 。
表 1  ZK21 孔的温度与电导率值随孔深变化
深度 m 244 246 248 250 252 254 256 258 260 262 温度 ℃ 1 月 13 日 15. 5 15. 6 15. 6 15. 6 15. 6 15. 5 15. 4 15. 4 15. 6 15. 8 1 月 15 日 16 . 1 16 . 1 16 . 1 16 . 1 16 . 0 15 . 9 15 . 9 15 . 8 15 . 8 15 . 8 电导率 ( μ s·cm -1) 1 月 13 日 1593 1628 1667 1648 1468 1124 792 808 805 783 1 月 15 日 545 535 534 536 538 534 537 537 536 536

6  连通试验
隔日分别在 ZK4 投放 100kg 食盐作为示踪剂 , 在 ZK3 孔投入 3kg 玫瑰红染料作为示踪剂 , 在 ZK21 号孔进行检测和接收 。 观测结果如表 1 。 3 次连通试验已经证实的明显渗流通道有 : ZK4 ※ ZK21 、 ZK3 ※ ZK21 。 从 ZK4 孔的水流流向北 、 地层

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表 2  句容抽水蓄能电站上库岩溶水示踪试验结果 汇总
序号 1 2 岩溶通道位置 ZK4 ※ ZK21 ZK3 ※ ZK21 水位差 h m 28 . 4 66 . 7 水力比降 I % 0. 0245 0. 0646 实际流速 u ( m·d -1) 579 . 0 516 . 0 比流速 ui 1 [ m·( d·m) ] 20 . 4 7. 7( 上限) 岩溶水流场性质 溶隙流场 溶隙流场

7  结论与建议
根据以上示踪与连通试验结果 , 可得仑山上库 区岩溶渗漏示意图 , 如图 6 。

由于为单一碳酸盐岩地层 , 无隔水层的存在 , 岩溶发 育程度相对较强 。 部分地段地表分水岭与地下分水 岭不一致 , 上库库内地下水通过姊妹桥河排泄 。 此 外还存在通过 F8 断层向北侧库外渗漏和通过上库 大坝左坝基向库外渗漏的可能 。 因此 , 东侧分水岭 的防渗条件最差 , 需重点防渗 。 参考文献
1  张祯武 . 喀斯特水示踪模拟研 究 . 贵 州工学院 学报 , 1989 , 3( 1) : 27 ~ 32 2  邹成杰 . 水利水电岩溶工程地质 . 水利电 力出版社 , 1994 3  刘建刚 , 彭汉兴 , 汪 绍文 . 句容 抽水蓄 能电 站预可 行研 究

图 6  仑山上库 区岩溶渗漏示意

阶段岩溶水文地质专 题研 究报告 . 河 海大 学土木 工程 学 院地质及岩土工程系 , 2004 . 3 4  何宇彬 , 等 . 中国喀斯特水研究 . 上海 : 同济大学出版社 , 1996

上库区西侧 、 南侧分水岭由于岩脉及石英脉带的 分布 , 有利于水库的防渗 , 东侧分水岭虽山体宽厚 , 但 ( 上接第 6 页)

图 6  Asaoka 法 Δ t =30 时的沉降预测过程

显的流变软土路基 , 可以很方便的确定最终沉降以 及工后某时刻的沉降量 , 避免了 Asaoka 法需要把实 测数据等间距化插值处理 、 不能直接考虑次固结导 致推算结果偏小的缺点和三点法计算结果不稳定 , 存在试算结果取值困难的问题 。   2)该方法没有使用现有确定主固结 , 次固结分 界点的方法 , 而是采用逐步回归的方法 , 结合相关性 系数 R 进行判断 , 并且是可行的 。 由于预测精度受 到参与拟合数据多少的影响 , 所以在可能的情况下 , 建议采用本文的方法 , 即采用相关性系数和尽量采 用较多的次固结段数据 、剔除个别离散数据点两个 原则作为取点依据 , 以保证推算的精度 。 参考文献
1  龚晓南 .高等土力学 .杭 州 : 浙江大学出版社 , 1996 2  王志亮 , 黄景忠 , 李永池 .沉降预测中的 Asaoka 法应用 研 究. 岩土力学 , 2006 ,( 11) 3  JTJ017 -96   公路软土路基路堤设计与施工技术规范 4  雷学文 , 白世伟 , 孟庆山 .灰色预测 在软土地基 沉降分 析 中的应用 . 岩土力学 , 2000 ,( 2) 5  刘勇健 . 用人工神经网 络预测 高速公 路软 土地基 的最 终 沉降 . 公路交通科技 , 2000 ,( 6) 6  王志亮 . 软基路堤沉降预测和计算 : [ 学位论文] . 南京 : 河 海大学 , 2004 7  钱家欢 , 殷宗泽 . 土工原理与计算 . 北京 : 中 国水利水电 出 版社 , 1996 8  卢廷浩 . 土力学 . 南京 : 河海大学出版社 , 2002 9  龚晓南 . 土工计算及分析 . 北京 : 中国建筑工业出版社 , 2000 10  飞思科技产 品研发中心 . MA TLAB6 . 5 辅助优化计 算与设 计. 北京 : 电子工业出版社 , 2003

通过表 3 数据可以看出 , Asaoka 法计算结果较 为稳定 、 可靠 , 由不同插值间距和插值点数所造成的 最终沉 降量预 测结果 在很 小的 范围内 波动 ; 由于 Asaoka 法不能直接考虑次固结 , 其计算结果已明显 小于实测值 , 而三点法的计算结果却偏差较大 , 结果 不稳定 , 在对其试算结果取值上存在困难 。 比较可 以看出 , 本文所提出对数曲线模型在工后沉降过程 预测及最终沉降预测方面效果较好 。

5  结论
1)本文所提出对数曲线模型方法简单易于掌 握 , 在实际工程中有一定的参考及实用价值 。 但是 该方法不能用于早期施工阶段的沉降预测 , 仅适用 于次固结发生较早 、在 S ~ lg t 坐标系上次固结段明


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