孫璐 蔡金龍 郭其峰 孫志鋒

河口村水庫位于沁河中游太行山峽谷段的南端，屬河南省濟(jì)源市。水庫正常蓄水位275.00 m，最大壩高122.50 m，壩址以上控制流域面積9 233 km2，總庫容3.17億m3，電站總裝機(jī)11.6 MW，工程規(guī)模為大（Ⅱ）型。

河口村水庫庫壩區(qū)發(fā)育透水與隔水互層狀巖體，局部地段巖溶現(xiàn)象較為發(fā)育，水庫的巖溶滲漏問題是困擾工程的關(guān)鍵地質(zhì)問題之一[1-2]?？辈煸O(shè)計(jì)階段已通過大量勘測試驗(yàn)對水庫滲漏問題進(jìn)行了研究，并針對庫壩區(qū)可能發(fā)生永久性滲漏的地段采取了帷幕防滲等措施[3-5]。

2014年10月河口村水庫正式下閘蓄水后，為了監(jiān)測庫水滲流情況，驗(yàn)證兩岸防滲帷幕的防滲效果，建立了河口村水庫滲流監(jiān)測網(wǎng)。本文在勘察設(shè)計(jì)階段滲流分析的成果基礎(chǔ)上，結(jié)合水庫蓄水后的滲流監(jiān)測成果，運(yùn)用數(shù)值模擬方法，計(jì)算分析了水庫不同運(yùn)行條件和防滲措施的水庫滲流量，提出防滲帷幕加強(qiáng)處理措施[6]，并評價(jià)帷幕局部加強(qiáng)后的運(yùn)行效果。

1 庫壩區(qū)水文地質(zhì)條件

1.1 地層結(jié)構(gòu)

河口村水庫處于太行山中山峽谷區(qū)，是典型的峽谷河道型水庫，沁河主要沿NWW、NNE兩組節(jié)理裂隙發(fā)育。庫壩區(qū)基巖裸露，為古生代灰?guī)r地貌形態(tài)。庫壩區(qū)出露的地層由老到新分別為前震旦系太古界登封群、震旦系中元古界汝陽群、古生界寒武系、奧陶系、新生界第四系。

庫壩區(qū)基巖為多層狀可溶巖與非可溶巖相間的巖體。下部為太古界登封群及中元古界汝陽群的變質(zhì)巖、碎屑巖，為非可溶巖層，出露在壩址區(qū)河床和河谷兩岸。中下部由寒武系饅頭組下部地層組成，巖性為白云巖、泥灰?guī)r及頁巖，發(fā)育有溶孔、溶洞等溶蝕現(xiàn)象，受構(gòu)造影響，巖體破碎，該層出露在張莊以下河谷兩岸及壩肩，底板高程180～282 m，低于水庫正常蓄水位，是構(gòu)成水庫滲漏的主要層位。庫盤上部為寒武系饅頭組上部、毛莊組、徐莊組頁巖、灰?guī)r、砂巖互層，由于可溶巖與非溶巖相間迭置，垂直滲流不暢，巖溶不太發(fā)育。庫盤頂部為張夏組、徐莊組灰?guī)r，溶洞發(fā)育，透水性強(qiáng)，但其分布高程在275 m以上，高于水庫正常蓄水位，對水庫滲漏影響不大[7-8]。見表1。

表1 庫壩區(qū)地層分布及巖溶構(gòu)造發(fā)育特征表

1.2 地質(zhì)構(gòu)造單元與巖溶發(fā)育規(guī)律

根據(jù)構(gòu)造形跡，庫壩區(qū)由北至南可分為3個(gè)構(gòu)造單元，在不同的構(gòu)造分區(qū)巖溶發(fā)育的規(guī)模和程度不同。余鐵溝-老斷溝以北，為單斜構(gòu)造區(qū)，斷裂與褶皺不發(fā)育，構(gòu)造形跡微弱，巖溶形態(tài)以小溶孔、溶隙為主，總體上巖溶不發(fā)育。余鐵溝-老斷溝以南至五廟坡斷層間，為龜頭山褶皺斷裂發(fā)育區(qū)，該段斷層、褶皺發(fā)育，巖體破碎，饅頭組下部巖層巖溶程度較高，多呈不規(guī)則的小溶洞，該層由于裂隙發(fā)育，巖溶連通性較好。五廟坡斷層以南至盤谷寺斷層北支（F1）之間，為斷層密集區(qū)，巖溶發(fā)育主要集中在斷層及其影響帶內(nèi)，表現(xiàn)為沿?cái)鄬影l(fā)育的串珠狀溶洞，在該區(qū)其它斷層不發(fā)育的地段巖溶現(xiàn)象不明顯。

1.3 巖溶水文地質(zhì)單元

如圖1所示，根據(jù)水文地質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造條件，庫壩區(qū)可劃分為3個(gè)基巖水文地質(zhì)單元區(qū)：（1）余鐵溝-老斷溝以北的單斜構(gòu)造雙層含（透）水層區(qū)（I），該區(qū)為雙層含水結(jié)構(gòu)，上層含（透）水層為寒武系徐莊組上部、張夏組巖溶含水巖組，該含水巖組由于分布高程較高，對水庫滲漏影響不大；下部含（透）水層為寒武系饅頭組下部構(gòu)造透水層，水庫蓄水后，該透水層將成為單斜構(gòu)造區(qū)庫水向外滲漏的主要通道；上下兩層含（透）水層之間有約100 m的弱透水層相隔。（2）龜頭山褶皺斷裂混合透水層區(qū)（Ⅱ），透水介質(zhì)為碎屑巖類裂隙型含水巖組，該區(qū)地下水沿五廟坡斷層帶以北，有一個(gè)近東西向的弱透水帶分水嶺，分水嶺北側(cè)向河床排泄，南側(cè)向五廟坡斷層帶及斷層以南區(qū)排泄，為左岸水庫滲漏的主要通道。（3）五廟坡斷層以南斷層密集帶低水位區(qū)（Ⅲ），徑流方向總體上由北向南，主要排泄方式為沿?cái)鄬訋蛏畈繌搅髋判?，該區(qū)臨近水庫主體工程，地下水位普遍較低，與水庫滲漏關(guān)系密切。

圖1 庫壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造單元及基巖水文地質(zhì)單元分區(qū)簡圖

2 水庫滲漏途徑及滲流監(jiān)測分析

通過對河口村水庫庫壩區(qū)地形地貌、地層巖性的分布特征、地下水位、巖溶發(fā)育及巖體透水性規(guī)律的分析[9-10]，右岸滲漏主要集中在余鐵溝-老斷溝以北的單斜構(gòu)造區(qū)，存在自嚇魂灘向余鐵溝、疙料灘岸坡向余鐵溝的滲漏問題，滲漏途徑為近岸區(qū)巖溶發(fā)育、風(fēng)化卸荷巖體和遠(yuǎn)岸區(qū)下部構(gòu)造透水層；左岸滲漏主要集中在龜頭山褶皺斷裂區(qū)，滲漏途徑為沿?cái)嗔寻l(fā)育區(qū)破碎巖溶化巖體或下部構(gòu)造透水層滲漏；在壩址區(qū)，壩肩兩側(cè)存在庫水的繞壩滲漏，此外河床壩基由于存在砂礫石層以及風(fēng)化巖體，也存在壩基滲漏問題。根據(jù)前期滲漏量估算（表2），左岸的滲漏量最大，主要集中在壩肩至老斷溝向五廟坡斷層帶滲漏；其次是河床壩基區(qū)滲漏量較大；右岸的滲漏量最小，且隨著遠(yuǎn)離河岸滲漏量逐漸減小。

表2 水庫主要滲漏段滲漏量匯總表 m3/d

根據(jù)庫壩區(qū)滲漏途徑分析和滲漏量計(jì)算，河口村水庫庫壩區(qū)兩岸普遍分部有巖溶構(gòu)造透水層，同時(shí)還存在多個(gè)類似“?”的河曲及庫外低鄰谷，水庫可能產(chǎn)生永久性滲漏的范圍較廣，考慮到遠(yuǎn)離近壩區(qū)庫段產(chǎn)生的滲漏量占總滲漏量的比例較?。ú蛔?0%）、全面防滲代價(jià)過高等因素，水庫在設(shè)計(jì)時(shí)僅針對近壩庫岸段滲漏集中部位（占總滲漏量90%）采取了帷幕防滲措施。防滲的重點(diǎn)在左岸的龜頭山褶皺斷裂區(qū)壩肩-老斷溝段、壩基以及右岸的近岸區(qū)，其它地段可不進(jìn)行防滲，但后期應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測。施工階段防滲帷幕的布置情況為：左岸防滲帷幕方向沿五廟坡斷層帶以北平行五廟坡斷層帶向東延伸跨越老斷溝200 m左右，止于單斜構(gòu)造區(qū)；右岸近岸區(qū)防滲帷幕線與壩軸線一致，遠(yuǎn)岸區(qū)因巖體透水性有減弱趨勢，繞滲量不大，不再全面進(jìn)行帷幕防滲；壩基基巖防滲帷幕線在ZK166鉆孔附近與右岸防滲帷幕相接，沿混凝土面板趾板與左岸防滲帷幕線相接。

為監(jiān)測河口村水庫正常運(yùn)行后的地下水滲流情況，2016年在庫壩區(qū)布設(shè)18個(gè)地下水監(jiān)測孔，監(jiān)測孔均穿透寒武系饅頭組構(gòu)造透水層，孔底進(jìn)入汝陽群地層中。根據(jù)地下水滲流監(jiān)測成果可知：帷幕上游監(jiān)測孔的水位大多高于帷幕下游監(jiān)測孔，說明防滲帷幕對庫水起到了阻擋作用。但位于左岸帷幕下游的監(jiān)測孔JC10水位與庫水聯(lián)系較強(qiáng)，右壩肩帷幕下游監(jiān)測孔JC06、JC07與帷幕上游監(jiān)測孔JC09的地下水位相差不多，且與庫水位同步變化，表明左岸五廟坡斷層帶及右岸帷幕末端附近的地下水與庫水聯(lián)系密切，左岸帷幕局部地段止水效果需要提升，右岸帷幕需要延長。

3 水庫滲流及防滲效果數(shù)值模擬分析

3.1 水文地質(zhì)概念模型

對于模型邊界的概化，東部以山口河與白澗河之間的分水嶺為界；西部以魚天隧洞以西的分水嶺為界，作為零流量邊界；北部邊界沿玫溝鎮(zhèn)山脊連線，以地形分水嶺為界，作為零流量邊界，與河道相交處，采用通用水頭邊界；南部邊界沿盤古寺斷裂以南的F21、F23斷層連線向東延伸，位于五廟坡斷層以南的斷層密集帶低水位區(qū)，地下水排泄通暢，且該處為河水補(bǔ)給地下水，作為地下水排泄邊界。模型區(qū)面積約46.23 km2，頂部為現(xiàn)狀地表，主要接受大氣降雨的面狀補(bǔ)給，底部以透水性較弱的太古界登封群及元古界汝陽群新鮮巖體為界，可視為隔水邊界。模型地表中，壩址下游沁河采用通用水頭邊界，壩址上游庫水淹沒線以下節(jié)點(diǎn)均作為定水頭邊界，其水頭值采用實(shí)測庫水位變動(dòng)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

根據(jù)水文地質(zhì)特征，垂向上將模型區(qū)劃分為4層，第一層以張夏組、徐莊組、毛莊組、饅頭組上部等地層為主，透水性以中等-弱透水為主，高程300 m以上；第二層以寒武系饅頭組∈1m1、∈1m2、∈1m3和∈1m4下部為主，透水性以中等透水為主，高程在235～300 m；第三層為登封群或汝陽群上部，透水性以弱透水為主；第四層為第三層向下約20 m，假設(shè)該深度內(nèi)地下水運(yùn)動(dòng)受上層流動(dòng)影響微弱，透水性以弱透水-微透水為主。

3.2 地下水滲流數(shù)值模型的建立

本次數(shù)值計(jì)算采用FEFLOW軟件，用三維有限單元法將模型區(qū)離散為不規(guī)則三角形網(wǎng)格，對河道、壩軸線及帷幕線等進(jìn)行加密剖分，垂直方向上分4個(gè)模擬層，模型頂板高程按1∶10 000數(shù)字地形圖確定，模擬層的厚度依據(jù)前述地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行概化。如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格剖分三維視圖

模型中參數(shù)選取綜合考慮水文地質(zhì)單元分區(qū)和巖體透水性，庫壩區(qū)兩岸的滲透系數(shù)等參數(shù)將近20個(gè)，采用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GRNN）來反演各參數(shù)，經(jīng)過多次的分析與校正，最終得到的模型各分區(qū)、分層的參數(shù)如圖3所示及表3。根據(jù)地下水滲流監(jiān)測期高水位運(yùn)行時(shí)間（2016年8月至2017年3月）的監(jiān)測孔水位記錄，將庫水位時(shí)間序列數(shù)據(jù)到入模型，通過模型的非穩(wěn)定流計(jì)算及調(diào)整參數(shù)，并通過各監(jiān)測點(diǎn)水位變化情況的擬合對比，完成模型校驗(yàn)[11]。

表3 原參數(shù)建議值與模型參數(shù)最終取值 m/d

圖3 模型第二層滲透系數(shù)取值示意圖

3.3 滲流計(jì)算與分析

3.3.1 工況分析

根據(jù)水庫運(yùn)行情況，對于庫壩區(qū)的滲流場模擬主要分兩種情況進(jìn)行分析：（1）水庫現(xiàn)狀蓄水位238 m時(shí)，庫壩區(qū)滲流場的變化；（2）預(yù)測達(dá)到正常蓄水位275 m高程時(shí)，庫壩區(qū)滲流場的變化。

根據(jù)水庫滲流監(jiān)測分析結(jié)果，考慮對帷幕存在缺陷的段落局部加強(qiáng)，假定對右岸帷幕在現(xiàn)有帷幕的基礎(chǔ)上繼續(xù)向北西西方向山體內(nèi)延長約90 m，對左岸帷幕從溢洪道向左岸山體延長至觀測孔ZK76，為了分析不同帷幕條件下水庫滲流量的變化情況，本次計(jì)算共設(shè)定以下4種不同工況進(jìn)行水庫滲流量的預(yù)測。

工況1：水庫長期以現(xiàn)狀蓄水位238 m穩(wěn)定運(yùn)行。

工況2：庫水位達(dá)到正常蓄水位275 m高程，且長期以該水位穩(wěn)定運(yùn)行。

工況3：在工況1的基礎(chǔ)上，對帷幕進(jìn)行局部加強(qiáng)。

工況4：在工況2基礎(chǔ)上，對帷幕進(jìn)行局部加強(qiáng)。

3.3.2 滲流量對比分析

根據(jù)采取防滲措施前的解析解計(jì)算結(jié)果，正常蓄水位時(shí)，河口村水庫不采取帷幕措施的情況下，總滲流量為29.9萬m3/d。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，在現(xiàn)有防滲體系情況下，水庫蓄水位238 m時(shí)（工況1），總滲流量約為2.40萬m3/d，其中沿灌漿帷幕線的滲流量1.46萬m3/d，占總滲流量的60.83%。在現(xiàn)有防滲體系情況下，水庫蓄水位275 m時(shí)（工況2），總滲流量約為4.54萬m3/d，其中沿灌漿帷幕線的滲流量2.97萬m3/d，占總滲流量的65.42%。水庫蓄水位238 m時(shí)，帷幕加強(qiáng)后（工況3），水庫總滲流量約為1.86萬m3/d，其中沿灌漿帷幕線的滲流量為0.92萬m3/d，占總滲流量的50.00%。水庫蓄水位275 m時(shí)，帷幕加強(qiáng)后（工況4），水庫總滲流量約為3.47萬m3/d，其中沿灌漿帷幕線的滲流量為1.93萬m3/d，占總滲流量的56.94%。見表4。

表4 各工況滲流量對比分析一覽表

3.3.3 防滲效果分析

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知（見表4），由于施工階段已對滲流量較大的滲流通道做出防滲措施，且防滲范圍涵蓋了滲透性能較好的巖層和滲漏段，水庫蓄水后的滲流量與防滲前解析解計(jì)算結(jié)果（見表2）相比，防滲措施減少了80%～90%的滲流量。在現(xiàn)有防滲體系情況下，庫壩區(qū)帷幕段滲流量占總滲流量的60%以上，主要滲流通道為左岸帷幕段及右岸帷幕末端，若庫壩區(qū)帷幕段采取局部加強(qiáng)防滲措施后，水庫滲流量將明顯減小，表明帷幕的滲透性對水庫滲流量影響顯著，應(yīng)對左、右岸滲流量較大段采取防滲加強(qiáng)措施，并且要確保防滲帷幕施工質(zhì)量[12]。

根據(jù)水庫庫壩區(qū)滲流監(jiān)測分析及數(shù)值計(jì)算結(jié)果，對左、右岸帷幕段滲漏量較大的段落，需要采取帷幕加強(qiáng)措施來提升止水效果。左岸帷幕加強(qiáng)段從溢洪道向左岸山體延長至觀測孔ZK76，帷幕加強(qiáng)后，該段帷幕后山體地下水位不受庫水波動(dòng)影響，表明帷幕阻隔了該段庫水和帷幕后山體間的水力聯(lián)系，改變了庫水向山體滲流的趨勢。右岸帷幕加強(qiáng)段沿原右岸帷幕線端部向北西西方向延長新增約90 m，帷幕加強(qiáng)后，右壩肩帷幕下游218 m處的監(jiān)測孔（ZK153）水位，從原來低于庫水位4.0 m，到2019年10月逐漸下降到低于庫水位10.1 m，帷幕前后水位差明顯擴(kuò)大，表明帷幕止水效果良好。

4 結(jié) 語

（1）受巖溶發(fā)育和地質(zhì)構(gòu)造的控制作用，河口村水庫左、右岸和壩基均存在不同程度的滲漏，對水庫滲漏影響較大的是巖溶發(fā)育的左岸龜頭山褶皺斷裂區(qū)、右岸近岸區(qū)及壩基，前期防滲帷幕的設(shè)計(jì)和實(shí)施也重點(diǎn)集中在這些強(qiáng)滲流地段。

（2）根據(jù)蓄水后滲流監(jiān)測和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，對滲流量較大的滲流通道采取防滲措施后，減少了80%～90%的滲流量，有效地阻擋了庫水向外滲漏。但由于河口村水庫設(shè)計(jì)之初即允許有一定的滲流量存在，水庫蓄水后，壩址區(qū)左、右岸及壩基仍有滲漏現(xiàn)象存在，左、右岸局部地段帷幕的止水效果需要提升。

（3）庫壩區(qū)帷幕段采取局部加強(qiáng)防滲措施后，帷幕前后水力聯(lián)系減弱，水位差明顯擴(kuò)大，水庫滲流量明顯減小，表明帷幕止水效果良好。