湖北某抽水蓄能电站建设中地下河系统多元信息综合分析评价.pdf
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1、湖北某抽水蓄能电站建设中地下河系统多元信息综合分析评价曹建文1,2,杨海洋3,王喆1,2,赵良杰1,2,林玉山1,2,栾崧1,2,李录娟1,2(1.中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室/联合国教科文组织国际岩溶研究中心,广西桂林541004;2.广西平果喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站,广西平果531406;3.中南勘测设计研究院有限公司,湖南长沙410014)摘要:岩溶发育特征是岩溶区水电工程建设中必须查明的水文地质条件,岩溶渗漏问题更是工程建设成败的关键。湖北某抽水蓄能电站上水库位于岩溶洼地区,工程区地下水系统边界不清、条件不明,可能面临严重的岩溶渗漏问题
2、,本次研究将区域构造分析、地貌成因识别、地下河追踪溯源、微动态自动化监测等多种技术手段有机结合,提取多元信息综合分析,对工程区地下河系统进行了有效识别。结果表明:上水库周边不存在隔水层及阻水构造,子良坪背斜控制了地下水系统的基本格局;地下河岩溶管道具有单支管道状结构特征,南北向岩溶管道不发育,上水库存在向南西侧发生管道式渗漏的风险;上水库内垂向溶蚀作用强烈,建议进行库底土工膜全库盆防渗处理,工程蓄水后应防范可能发生的不均匀沉降和岩溶塌陷问题。关键词:岩溶;库区渗漏;地下河系统;识别;多元信息中图分类号:P641文献标识码:A文章编号:10014810(2023)04069912开放科学(资源服
3、务)标识码(OSID):0引言党的十八大以来,我国坚定不移推进能源绿色低碳转型,把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局的同时,大力推动清洁能源发展,其中水电更是能源转型的最前沿,在电力工业中发挥中流砥柱的作用,发展水电一直是我国能源电力的重要战略方针。我国西南地区水能资源极其丰富,是我国水能资源最为集中的地区,水能蕴藏量高达 2.7 亿 kW1,但是西南地区又是我国最主要的岩溶分布区,岩溶分布面积占三分之一以上,随着水利水电建设事业的迅猛发展,常常会在岩溶地区开展水库工程建设,库区地质条件复杂2。岩溶对于水利工程是一种不良地质现象,岩溶发育形成的地下水运移空间具有高度非均质性,孔、缝、洞多尺
4、度岩溶形态并存,对施工期主体工程的结构稳定性、基础的处理措施及运行期工程的蓄水成功与否会产生重大影响,甚至影响整个工程的成败。不同于北方平原区地下水系统,我国西南岩溶区地质条件复杂,在不同的地层结构、地形地貌条件和新构造运动背景组合下,可形成不同模式的岩溶水系统2,具有难以准确划分系统资助项目:中国地质调查局地质调查项目(DD20221758);中南勘测设计研究院科技项目第一作者简介:曹建文(1983),男,教授级高级工程师,博士,主要从事水文地质、岩溶地质调查研究。E-mail:。通信作者:杨海洋(1987),男,工程师,主要从事工程地质、水文地质工作。E-mail:。收稿日期:202302
5、28第42卷第4期中国岩溶Vol.42No.42023年8月CARSOLOGICASINICAAug.2023曹建文,杨海洋,王喆,等.湖北某抽水蓄能电站建设中地下河系统多元信息综合分析评价J.中国岩溶,2023,42(4):699-710.DOI:10.11932/karst20230406边界、难以探测管道形态与位置、流量动态变幅巨大等特征,如何准确识别工程建设区岩溶水系统的特征及其工程影响仍然是一个难题。近年来国内学者综合利用水文地质调查、示踪试验、水文地球化学、同位素、地下水动态监测等多种技术来开展地下水系统识别研究,为查明地下水动力条件和岩溶发育规律,提供了可靠的借鉴310。湖北某抽
6、水蓄能电站是国家抽水蓄能中长期发展规划“十四五”重点实施项目,工程利用高部位的凤凰倘岩溶洼地作为上水库,北侧洈水支流沟谷作为下水库,工程区总体位于子良坪背斜,其中上水库位于背斜核部,近地表分水岭附近,岩溶发育极其强烈,由于不存在区域上的隔水层及阻水构造,地下水系统边界不易划分,地下水流系统情况不明,对库区工程建设影响巨大。本文以电站上水库为研究对象,通过岩溶水系统多元信息综合分析,将区域构造分析、地貌成因识别、地下河追踪溯源、微动态自动化监测等多种技术手段有机结合,提取对地下水系统形成具有重要影响作用的多元信息,准确识别库区岩溶水系统边界及特征,分析岩溶发育对工程的影响机制,为该库区工程建设提
7、供科学依据,同时为其他岩溶地区库区选址提供参考。1工程区概况该抽水蓄能电站位于武陵山余脉,属湘鄂西构造侵蚀褶皱地貌区,地形以中深切割的中低山丘陵地形为主。本区域地处亚热带过渡性季风气候区内,年降水量为 10501300mm,区内河流主要有洈水及其支流南河、曲尺河(北河)、红岩河,干流总体走向多为 SN 向,工程区位于洈水支流红岩河中游,河道狭窄曲折,两岸山岭纵横。子良坪背斜西起湖南省石门县子良镇,向东延至湖北松滋西斋附近,轴线呈近东西向伸展,东西长30 多千米,南北宽约 10km。西部在曲尺河一带向西倾没,东部在斯家场西斋一线受江汉断块凹陷影响,被第四系覆盖,背斜核部为寒武系地层,南北翼为奥陶
8、系、志留系地层,两翼地层产状不对称,北翼 倾 角 较 陡,多在 5070,南 翼 倾 角 缓,多 在2030,因而造成斜歪背斜,背斜北翼受曲尺河大断裂(F1)破坏,使部分地层缺失(图 1)。地层及岩性由老到新依次为:寒武系中上统娄山关组(2-3l)中厚层白云岩;奥陶系下统南津关组(O1n)中厚层状灰岩夹页岩、分乡组(O1f)中厚层状灰岩、红花园组(O1h)厚层状灰岩、大湾组(O1d)泥质条带灰岩,中统牯牛滩组(O2g)泥质条带瘤状灰岩、宝塔组(O2b)龟裂纹灰岩,上统临湘组(O3l)泥质灰岩;志留系下统龙马溪组(S1ln)砂页岩。子良坪背斜发育碳酸盐岩含水岩组(2-3l)、纯碳酸盐岩夹碎屑岩含
9、水岩组(O1n、O1f、O1h)、不纯碳酸盐岩含水岩组(O1d、O2g、O2b、O3l)等三类岩溶含水岩组,岩溶水文地质格架相对较简单。上库区地势较高,位于近分水岭地带,岩溶发育强烈,洼地及落水洞密集分布,汇水能力较强,为地下水的补给提供了良好的地形条件,地下水埋藏较深,岩溶管道受层控影响较为明显。该区域内地下水主要接受大气降水的补给,局部接受季节性泉水补给,在岩溶洼地分布区,大气降水通过裂隙和岩溶通道迅速补给地下水,在地形及构造共同控制下自凤凰倘长冲倘一带向红岩河谷方向排泄。上水库位于子良坪背斜核部,周边均为单一的娄山组白云岩地层,附近不存在隔水层及阻水构造,地下分水岭表征不明,地下水系统边
10、界不易划分,岩溶水系统结构特征难以准确识别。2岩溶地下河系统多元信息识别根据研究区特点,本次研究采用“构造地貌溯源验证”的多元信息识别来进行岩溶地下河调查研究工作,准确识别出冬竹水地下河系统及其岩溶发育特征。2.1构造分析法地质构造控制着地下水的形成及运动和岩溶发育的方向与格局8,1112。本区位于鄂西南边陲,地貌的基本轮廓定型于侏罗纪末的燕山运动,山川的展布,皆受这一构造骨架的控制。在燕山运动后,鄂西地区一直处于大面积的间歇性隆起之中,在地壳运动相对稳定时,地壳向夷平方向发展,形成剥夷面。而同时岩溶形态也向水平方向发展,形成槽谷、洼地和地下水平管道。地壳上升时,夷平作用结束,岩溶向垂向管道发
11、展,形成漏斗、落水洞等。由于在挽近构造运动的作用下,地壳处于大面积的急剧上升之中,侵蚀基准面和溶蚀基准面也随之急剧下切,但地下溶蚀速度低于地表侵蚀下切速度,导致大部分岩溶管道出口要高悬于侵蚀基准面之上(表 1)。在新700中国岩溶2023年0500碳酸盐岩含水岩组松散岩类孔隙含水岩组落水洞纯碳酸盐岩夹少量碎屑岩含水岩组不纯碳酸盐岩含水岩组下降及上升泉示踪投放点及接收点碎屑岩类含水岩组地下河出口地下水流向有水及无水溶洞库区浸没范围线1 000 m图1研究区水文地质简图Fig.1Hydrogeologicalsketchofthestudyarea表 1研究区主要岩溶泉或地下河出口发育特征表Tab
12、le1Developmentcharacteristicsofmainkarstspringorundergroundriveroutletsinthestudyarea编号类型规模/m洞口高程/m高于附近河床高度/m发育层位宽长深SK1岩溶泉出口0.82.5不详154.502-3lSK2岩溶泉出口170.00O1nSK3岩溶泉出口0.40.5不详195.08O1fSK4岩溶泉出口210.00O1n+f+hSK6岩溶泉出口不详162.020O1n+f+hSK8水平溶洞出口3.0不详228.025O1fSK5水平溶洞出口2.02.5不详165.025O1f+hSK10水平溶洞出口1.02.515
13、5.015O1nSK9地下河出口3.0不详165.0152-3lSK12水平溶洞出口2.3不详172.022O1f第42卷第4期曹建文等:湖北某抽水蓄能电站建设中地下河系统多元信息综合分析评价701构造运动的改造下,该地区岩溶发育也具有典型的垂向分带特征13:在上库区洼地及丘峰受生物溶蚀和散流水溶蚀作用形成了表层岩溶带,向下在强烈的垂向侵蚀及溶蚀作用下形成了垂直岩溶发育带,在丘峰向河谷的转折地带,形成了最新一期近水平延展的地下河管道系统。上水库整体处于子良坪背斜核部,褶皱发育且无断层影响,沿背斜轴部发育大量拉张性质的垂向裂缝及次生裂缝,为地下水的流动提供良好的径流通道,形成沿背斜轴部及向背斜两
14、翼运移的两类地下水径流方向。轴部碳酸盐岩形成顺主体构造线分布的条带状岩溶洼地,由于垂向上裂隙的导水作用,有利于岩溶的向下发育,在地下一定深度形成地下河管道(图 2)。总体来看,背斜转折端的次级张裂为地下水提供了向纵深的运移空间,包括落水洞及溶蚀沟槽等(图 3),背斜转折端的宽缓地层分布增大地下水的汇水面积,通过大气降雨补给的地下水先顺岩层倾向运动到一定深度后,受该地区线状特殊地质构造条件的控制,再顺岩层走向纵向运动至横切沟谷排泄。a.落水洞b.溶蚀沟槽图3上库区典型地表岩溶形态Fig.3Typicalsurfacekarstmorphologyintheupperreservoirarea2.
15、2地貌成因分析法通过区域地形地貌可以大致判断地下水的运动趋势和方向,可以直观地了解地下水补给区及排泄基准面,尤其岩溶负地貌形态、数量和规模是表征地下岩溶发育情况的重要依据1416,通过地貌及地貌组合形态的调查,可以分析地表和地下径流过程的转化及结果17。对上库区岩溶洼地及落水洞发育特征进行统计发现(图 4,表 2,表 3):(1)岩溶洼地主要分布于岩溶溶丘洼地地貌单元中。按洼地底部高程,上库区段岩溶洼地可分为二级:级洼地(洼地底部高程为 453585m)、级洼地(洼地底部高程为 272414m),说明工作区至少经历了两期岩溶夷平作用;(2)洼地平面上多呈不规则的长条状,在背斜核部,洼地长轴方向
16、多为近东西向,而背斜两翼洼地则多近南北向发育,体现出明显的褶皱构造控制性特征;(3)上库区及周边地段共发育 18 处落水洞,洞口一般呈圆形或椭圆形,直径一般为 15m,可见深度一般为 410m,落水洞的发育方向主要受裂隙控制,整体形态多为垂直或倾斜的,多位于洼地底部,具有明显的地表径流汇入特征,是地表水转入地下河或溶洞的通道。岩溶地貌组合形态是地表地下水溶蚀侵蚀作用为主形成的组合群体,对含水层类型及岩溶水的形成、运动和赋存特征具有较为确切的反映17。在研究区,溶丘洼地是该区最重要的岩溶汇水地貌组S红岩河岩溶管道裂隙地下水流向2-3l图2子良坪背斜对岩溶发育的控制Fig.2Controlofka
17、rstdevelopmentbytheZiliangpinganticline702中国岩溶2023年合形态,洼地内落水洞、溶蚀沟槽、垂向裂隙等大气降水补给通道发育,地下水获得补给后向西侧河谷区径流,在背斜核部附近形成集中排泄通道,并与地表发育的洼地及落水洞互为对应,如 L1、L3、L13 及L16 等洼地的长轴方向基本与地下河管道发育方向一致,K1、K2、K12、K39 等落水洞在平面上的连接线能够基本反应地下河主管道的发育位置。2.3追踪溯源法地下河系统具有完整的补径排分区,并且多以出水溶洞作为集中排泄点(地下河出口)出露于地表,实际工作中以该处为起点向地下来水方向进行追索溯源调查,重点关
18、注岩溶洼地、天窗、落水洞、竖井及伏流出入口等岩溶地貌形态在平面上的延展变化情况,并由此初步判断地下河系统补径排的大概轮廓。上库区及周边地段发育具有一定规模的主要溶洞为 SK9(冬竹水),为一处地下河出口,位于朱家坡L16 洼地的西侧山脚处(图 5),洞口高程 165m,洞口朝向 273,沿岩层面近东西向发育,宽 1.54m,高23m,可见深度大于 5m。溶洞发育于2-3l 浅灰色中厚层白云岩、细晶白云岩地层中,沿溶蚀裂缝、断层破碎带发育。洞口的冲积物多为砂砾石,砾石直径 25cm,含砂量约为 70%,磨圆度较好,分选性较差,搬运距离可能较远,并存在溶潭。洞口发育少量钟乳石,有跌水现象,属流出型
19、溶洞,流量 20200Ls1。由地下河出口 SK9 向东部补给区追溯,依次发0400800 m洼地(编号:L1)落水洞岩溶泉地下河管道及出口地下水流向背斜地下水系统边界N图4上库区及周边地区主要洼地、落水洞、岩溶泉、岩溶管道分布图Fig.4Distributionofmaindepressions,sinkholes,karstspringsandkarstpipelinesintheupperreservoirareaanditssurroundingarea表 2上库区及周边地段岩溶洼地基本特征一览表Table2Developmentcharacteristicsofkarstdepres
20、sionintheupperreservoirareaanditssurroundingarea洼地编号洼地底部高程/m按底部高程分级长轴方向与背斜位置关系L1551级近EW向核部L2552级近SN向L3578级近EW向L12414级近EW向L4585级近NW向北翼L5528级近SN向L10537级近SN向L6553级近SN向南翼L7482级近SN向L8558级近SN向L9548级近SN向L11453级近SW向L13338级近SW向L14290级近SW向L15302级近SW向L16272级近EW向第42卷第4期曹建文等:湖北某抽水蓄能电站建设中地下河系统多元信息综合分析评价70370高程/m红
21、岩河冬竹水白云岩消水洞熔隙钻孔地下水流向补给区海拔约 560 m,出口海拔约 180 m水力坡度约 9.5%600500K39K77K12K2K122015Qed1Qed1Qed1凤凰倘(上库区)七泉湾YZK10200124003002001000250 500 m2-3l图5冬竹水地下河系统剖面图Fig.5CrosssectionoftheDongzhushuiundergroundriversystem表 3上库区及周边地段落水洞基本特征一览表Table3Developmentcharacteristicsofsinkholesintheupperreservoirareaanditssu
22、rroundingarea落水洞编号洞口高程/m分布位置落水洞规模/m发育条件宽度长度深度K1551L1洼地西侧底部24684受30085裂隙控制K2552L2洼地东侧底部12233长轴方向60K3578L3洼地南侧底部0.651被填埋K4585L4洼地南侧底部20被填埋K5586L4洼地北侧底部232长轴方向20K6558L8洼地东南侧底部221.5长轴方向60K12457L12洼地东侧底部2被填埋K31414L12洼地底部26K32449L12洼地西北侧底部58受34080裂隙控制K33449L12洼地西北侧底部0.3不详K36302L15洼地北侧K37295L14洼地西侧底部2.20.3
23、不详沿31715岩层面发育K38290L14洼地西侧底部1.80.4不详裂隙控制K44530L5洼地东北侧底部310K46556.6L5洼地东北侧底部2.51.35受岩层面控制K47528L5洼地北侧底部1410沿330裂隙垂向发育K48534L5洼地中部1.83.8不详沿310裂隙垂向发育K49543.1L5洼地西侧底部1.81.8不详沿290裂隙垂向发育704中国岩溶2023年育 L16、L13、L12、L3、L2、L1 等 6 处岩溶洼地,洼地底部高程呈阶梯状上升,且这些洼地底部都发育了规模不一的落水洞(K39、K77、K12、K3、K2、K1),由此基本确立了地下河系统的补径排分区,即
24、 SK9为地下河出口,上库区 L1 及 L2 洼地为补给区。2.4高精度示踪试验法地下水示踪试验是在地下水系统的某个部位投放相关的示踪剂,并在预期可能到达的部位进行接收检测,综合分析和评价场区的水力联系的探测方法,目前在岩溶区应用最广的是荧光试剂结合高精度自动化监测的方法手段。为验证以上推测,本次研究利用高精度示踪试验进行检验,以此证明冬竹水地下河系统的空间分布特征。监测仪器使用自动化荧光光度计(瑞士,GGUN-FL30,精度可达 0.01gL1),试验监测时间步长设为 120s,示踪剂选取荧光素钠(C20H10Na2O5),投放点为凤凰埫落水洞 K1,接收点为冬竹水地下河出口 SK9 和红岩
25、河左岸 W30 泉(图 1)。从图 6a.可以看出,荧光素钠的浓度变化曲线呈现出三个明显特征:一是呈单峰状;二是峰值陡升陡降,没有明显的浓度平缓区域;三是回收率高达73.42%。以上三个特征可以说明,凤凰埫 K1 落水洞与冬竹水地下河出口 SK9 是连通的,二者分属地下河系统的补给和排泄区;冬竹水地下河系统的管道具有单支管道状结构特征,即地下河系统主要由一条较大的主管道构成,峰值陡升陡降且没有明显浓度平缓区,反映出地下系统内没有发育空间规模较大的储水溶潭或水力坡度平缓的廊道。200示踪剂浓度/gL1示踪剂浓度/gL14/194/244/29a.冬竹水地下河出口 SK9b.W30 泉5/45/9
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