南水北調(diào)西段引水工程區(qū)地下水徑流模數(shù)研究

南水北調(diào)西段引水工程區(qū)地下水徑流模數(shù)研究

1計(jì)算水文流斷面流量的計(jì)算方法引水溪一期工程區(qū)位于青藏高原東緣，距大曲河、泥曲河、色曲河、杜克河、馬科河、阿科河和賈庫河。分布范圍以變質(zhì)砂巖為主，以變質(zhì)砂巖與板巖互層為主。工程區(qū)地下水徑流模數(shù)和巖體透水性等水文地質(zhì)參數(shù)的研究是水文地質(zhì)條件專題評價(jià)中的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)內(nèi)容，對引水隧洞及渠道涌水量估算、邊坡滲流研究等都具有重要的意義。地下水徑流模數(shù)是評價(jià)基巖山區(qū)裂隙富水性的最基本的參數(shù)。非巖溶基巖山區(qū)的區(qū)域調(diào)查中，評價(jià)地下水徑流模數(shù)的方法主要有：根據(jù)泉流量觀測進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)實(shí)測溪流斷面流量計(jì)算，水文圖分析法，水均衡法等。對于一般的非巖溶基巖山區(qū)主要的評價(jià)方法就是前3種。鑒于西線工程區(qū)地處高寒高原的特點(diǎn)，難以對每個(gè)泉域中各個(gè)泉都進(jìn)行測流，溪流量測流中將存在需剔除地表水流量的問題，而且兩種野外測流皆無法建立長期觀測數(shù)據(jù)，并存在量測中地下水潛流被忽視的問題，因此，在遙感解譯基礎(chǔ)上，建立以水文圖分析法為主，結(jié)合野外泉流量測量和溪流量測量，進(jìn)行地下水徑流模數(shù)綜合評價(jià)的方法，可以彌補(bǔ)各種單一方法評價(jià)的缺陷，使評價(jià)結(jié)果適合于工程應(yīng)用。巖體透水性是研究邊坡、地下洞室滲流問題和確定隧洞涌水量的最基本參數(shù)。透水性的研究方法有理論定量法、經(jīng)驗(yàn)比擬法、現(xiàn)場壓水試驗(yàn)法、反演分析法等。巖體透水性的大小不僅與地層巖性有關(guān)，還與所處圍壓有關(guān)，通常出現(xiàn)隨深度增加而透水性減小的現(xiàn)象。特別是西線一期工程中引水隧洞大部分埋深較深，主要穿越風(fēng)化微弱及未風(fēng)化的地層中，因此有必要研究巖體隨深度的增加，風(fēng)化程度的減弱，其透水性的減小規(guī)律。本文結(jié)合現(xiàn)場鉆孔壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和鉆孔同位素示蹤試驗(yàn)，對此進(jìn)行了較深入的研究，揭示出透水性隨埋深的分布規(guī)律，為工程服務(wù)。隧洞涌水量估算研究已經(jīng)有近半個(gè)多世紀(jì)的歷史，特別是近30a來，無論是研究的深度還是廣度都有了很大的進(jìn)展，提出了多種計(jì)算方法和模型，比如水均衡法、地下水動力學(xué)法、比擬法、評分法、同位素氚(T)法，以及科研院所提出的有限元數(shù)值模型、隨機(jī)數(shù)學(xué)模型以及滲流–應(yīng)力耦合模型等。本文基于西線工程區(qū)地下水徑流模數(shù)和巖體透水性的研究成果，根據(jù)引水隧洞所通過區(qū)域的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，選用水均衡法中的地下徑流模數(shù)法，地下水動力學(xué)法中的裘布依理論式等多種方法，對引水隧洞的涌水問題進(jìn)行了初步研究。2地下水徑流模數(shù)初步確定的問題首先運(yùn)用水文圖分析法研究工程區(qū)地下水徑流模數(shù)。達(dá)曲、泥曲流域采用下游鮮水河的朱巴水文站的水文氣象觀測資料，色曲、杜柯河流域采用下游綽斯甲河的綽斯甲水文站觀測資料，瑪柯河、阿柯河下游有足木足河的足木足水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)，賈曲、結(jié)柯、鄧扎柯流域則可借用地質(zhì)地貌和水文氣象條件相似的白河流域的唐克水文站資料進(jìn)行分析。根據(jù)4個(gè)水文站的多年平均流量過程線和降水過程線的特征，對地下水流量過程線進(jìn)行分割，初步確定地下水基流量和徑流模數(shù)。再應(yīng)用衛(wèi)星遙感資料(TM圖像)，按地下水徑流條件的差異，將流域的下墊面進(jìn)行分區(qū)，按全流域不同區(qū)的比重，和研究區(qū)不同下墊面區(qū)的比重，對初步分割進(jìn)行修正。水文圖分析法對枯水季地下水徑流量和徑流模數(shù)的計(jì)算是準(zhǔn)確的，但對豐水季的地下水徑流量，不易得到準(zhǔn)確的評價(jià)。因此本文進(jìn)一步運(yùn)用夏季野外測流資料，并引入季節(jié)性折減系數(shù)對其進(jìn)行補(bǔ)充修正，以減少野外測流時(shí)間與降雨關(guān)系的隨機(jī)性造成的誤差，特別是豐水季地下水徑流模數(shù)，具有較高的可靠性。根據(jù)上述方法可確定出該研究區(qū)的地下水徑流模數(shù)，達(dá)曲—泥曲單元為4.23L/(s·km2)，色曲—杜柯河單元為4.73L/(s·km2)，瑪柯—克柯河單元為4.78L/(s·km2)，賈曲單元為6.33L/(s·km2)?？梢钥闯?，該區(qū)域地下水徑流模數(shù)總體比較高，反映了因受強(qiáng)烈的融凍風(fēng)化，風(fēng)化裂隙水比較發(fā)育，地下水徑流較強(qiáng)。對于賈曲單元，由于地形平緩，風(fēng)化層保存完好，堆積層厚，地下水徑流模數(shù)最大。其他3個(gè)單元的地下水徑流模數(shù)基本接近，越向西南，由于切割漸深，徑流模數(shù)逐漸減小。3關(guān)于巖體的滲透性的研究3.1地層中l(wèi)u值的選取巖體的透水性通常以現(xiàn)場壓水試驗(yàn)得到的Lu值表示。按照規(guī)程，可按以下標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行分類：Lu值<1為極微透水巖體；1≤Lu值<10為微透水巖體；10≤Lu值<100為中等透水巖體；Lu值≥100為強(qiáng)透水巖體。1Lu定義為：在1MPa壓力下長為1m鉆孔經(jīng)過1min后壓入的水量為1L。本文采用黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司進(jìn)行的45個(gè)鉆孔壓水試驗(yàn)成果，按各個(gè)鉆孔逐段的Lu值大小進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出Lu值總體的分布頻率為：0～1Lu的極微透水巖體段占12.49%；1～10Lu的微透水巖體段占51.57%；10～100Lu的中等透水巖體段占34.32%；大于100Lu的強(qiáng)透水巖體段占1.62%。因此研究區(qū)巖體的透水性總體上屬于微～中等透水巖體。3.2．?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)的lu值將鉆孔壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)繪成Lu值與埋深的關(guān)系曲線，通過觀察，可以發(fā)現(xiàn)：(1)巖層的Lu值總體隨鉆孔深度的增加而減小。這是因?yàn)轱L(fēng)化裂隙發(fā)育的程度直接影響了巖體的Lu值，越靠近地表，風(fēng)化裂隙越發(fā)育，透水性越大。這一點(diǎn)符合該區(qū)域水文地質(zhì)特征，也與其他西部工程巖體透水性的一般規(guī)律相吻合。(2)Lu值總體都小于40Lu，但存在個(gè)別很大的數(shù)值(最大達(dá)385.5Lu)，基本上發(fā)生在近地表，可能是因?yàn)橹顾缓没蚩卓谔幚碛腥毕?，或是有大的斷裂影響造成的，這些點(diǎn)應(yīng)作剔除。(3)有些鉆孔(約占總數(shù)的1/4)中Lu值隨深度的分布明顯不符合上述規(guī)律，構(gòu)成了圖上“奇異”的點(diǎn)陣。這些點(diǎn)陣的Lu值明顯偏大，或越往深部越大，反映了斷層或裂隙密集帶對Lu值的影響。這些數(shù)據(jù)也應(yīng)該剔除。因此，在應(yīng)用壓水試驗(yàn)資料研究透水性時(shí)，首先需對壓水試驗(yàn)資料作必要的處理。這里以達(dá)曲申達(dá)壩址4個(gè)鉆孔壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理為例。將原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)繪成Lu值與埋深的關(guān)系曲線，如圖1(a)所示。從圖1(a)可以看出，絕大部分壓水試驗(yàn)點(diǎn)的Lu值都小于40Lu，因此需要剔除40Lu以上的壓水試驗(yàn)點(diǎn)。剔除Lu值在40Lu以上點(diǎn)之后，可以得到如圖1(b)所示的關(guān)系曲線。從圖1(b)可以看出，1#鉆孔在80m深度以下還有大于15Lu的點(diǎn)，這明顯不符合上述規(guī)律。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因可能是在壓水的過程中上下止水沒有做好，或者是反映了斷層或裂隙密集帶對巖體透水性的影響，因此需剔除1#鉆孔的數(shù)據(jù)，最后可得到圖1(c)所示的達(dá)曲申達(dá)壩址的Lu值與埋深的關(guān)系。從圖中可以看出，剔除有斷層及裂隙密集帶影響的鉆孔的資料和大于40Lu的“奇異”點(diǎn)后，得到的點(diǎn)陣分布規(guī)律更明顯。3.3砂板巖組的風(fēng)化方程按上述“奇異”點(diǎn)剔除方法，對所有鉆孔壓水試驗(yàn)資料進(jìn)行處理，最后可以按巖性點(diǎn)繪制Lu值與埋深的關(guān)系曲線，兩者總體符合負(fù)指數(shù)關(guān)系。圖2和3所示為兩類地層的Lu值隨深度增加而衰減的曲線，從圖中可以看出：(1)巖層的透水性總體上是隨鉆孔深度的增加而減小的，呈負(fù)指數(shù)曲線衰減。其方程可表示如下：式中：a和b均為擬合參數(shù)。第一類為以變質(zhì)砂巖為主的地層(主要包括雜谷腦組、兩河口組、格底村組等)，其擬合參數(shù)為a=26.74754,b=-0.01552。第二類為以變質(zhì)砂巖與板巖大段互層為主的地層(包括中扎尕山組、侏倭組和雅江組)，其擬合參數(shù)為a=28.29439,b=-0.02036。(2)兩類地層在風(fēng)化帶的Lu值是接近的，均值達(dá)到30～35Lu。第二類砂板巖互層的巖組，在強(qiáng)風(fēng)化帶，其Lu值可能比第一類巖組(砂巖為主巖組)會稍高些。(3)深度在80m以下時(shí)，風(fēng)化裂隙的影響將變小。深度80m處，第一類巖組的Lu值為8Lu，第二類巖組的Lu值為5.5Lu。(4)深度在100m以下時(shí)，風(fēng)化裂隙對巖體的影響越來越微弱。深度100m處，第一類巖組的Lu值為6Lu，第二類巖組的Lu值為3.5Lu。(5)在青藏高原的東北緣，巖體風(fēng)化的深度大約為80～100m。3.4涌水壓段的分布共選用7個(gè)鉆孔，進(jìn)行鉆孔同位素示蹤試驗(yàn)，測定地下水的流速、流向及垂向流，以研究不同深度、不同巖性的巖石滲透系數(shù)及涌漏水段的位置。從測試結(jié)果來看，所有鉆孔的總體滲透流速都很小，所有地層的水平流速分布隨深度遞減，表層的滲透流速一般比底部高一個(gè)數(shù)量級。除XLZK14鉆孔由于垂向流的存在(估計(jì)與孔的地質(zhì)條件、斷層和裂隙的發(fā)育情況有關(guān))，使得計(jì)算最大滲透系數(shù)在10-3cm/s數(shù)量級，其余鉆孔整體平均滲透性能均能和壓水試驗(yàn)對應(yīng)，最小在10-6cm/s數(shù)量級。4隧道的勇流預(yù)測4.1計(jì)算參數(shù)滲透系數(shù)按照文，分別選用水均衡法中的地下徑流模數(shù)法，地下水動力學(xué)法中的佐藤邦明經(jīng)驗(yàn)式、正常涌水量經(jīng)驗(yàn)式、大島洋志經(jīng)驗(yàn)式、佐藤邦明非穩(wěn)定流式、最大涌水量經(jīng)驗(yàn)式，進(jìn)行引水隧洞涌水量的估算，作為比較還采用了數(shù)值分析中的有限元法。計(jì)算參數(shù)滲透系數(shù)的選取系基于本文建立的巖體透水性隨埋深變化的規(guī)律來確定，可以根據(jù)地下水位埋深和隧洞埋深，以地下水位埋深到隧洞埋深范圍內(nèi)的滲透系數(shù)平均值作為各洞段的計(jì)算滲透系數(shù)。由于該模型是在剔除斷層和裂隙密集帶的影響下而建立的，因此在隧洞涌水量估算中，對于斷層和裂隙密集帶還需重新單獨(dú)考慮。有關(guān)參數(shù)見表2中所示。對于穿過洞線斷裂帶的透水性，系根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，一般取值為0.1m/d，對于個(gè)別張性斷層，取為1m/d。根據(jù)引水隧洞沿線地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件，建立如圖4所示的涌水量評價(jià)概化模型。4.2丘洛斷裂帶及地質(zhì)條件基于上述評價(jià)模型和各種估算方法，對引水隧洞各自然洞段各小段逐段進(jìn)行涌水量評價(jià)，采用徑流模數(shù)法和裘布依公式計(jì)算的結(jié)果比較接近，而采用規(guī)范經(jīng)驗(yàn)式則偏大很多。無論采用哪種方法，克曲—賈曲段涌水量最大，達(dá)曲—泥曲段涌水量最小。影響涌水量大小的因素主要有引水隧洞埋深和長度，以及穿越斷層的發(fā)育情況。從隧洞單位長度涌水量來看，達(dá)曲—泥曲段的丘洛斷裂前500m至格底村斷裂后500m之間、泥曲—杜柯河段的吉澤柯至色曲、杜柯河—瑪柯河段的進(jìn)洞口—則柯、若曲隧洞進(jìn)口—扣格通東溝的涌水量較大，特別是丘洛斷裂—格底村斷裂和吉澤柯—色曲隧洞段存在斷層突水的可能。丘洛斷裂前500m至格底村斷裂后500m段，是斷裂影響地段，地面所見的斷裂影響帶寬度均達(dá)500m，這兩條斷裂帶之間為如年各組火山巖夾石灰?guī)r地層。因斷裂帶的影響，如年各組各層的分布極不均衡，石灰?guī)r地層在丘洛附近大片出露，形成石灰?guī)r高山，但在洞線附近地表卻未見出露，反映了其中的石灰?guī)r層呈透鏡狀分布的特點(diǎn)。該洞段穿越達(dá)曲—泥曲分水嶺，埋深很大。由于斷裂帶的影響和可能的石灰?guī)r透鏡體，該段水文地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜。吉澤柯—色曲洞段穿過塔子鄉(xiāng)斷裂、亞龍鄉(xiāng)斷裂、亞龍寺—羅柯斷裂、烏熱柯斷裂等巨大的NNW向壓性斷裂帶，在地表可觀察到其產(chǎn)狀近直立，并向下延伸，總體產(chǎn)狀將傾向NE。因壓性斷裂帶上盤巖體較破碎，泥曲—色曲的分水嶺牟尼芒起山在此比較低，隧洞埋深一般為400m。隧洞過色曲河底處埋深為150m，該洞段巖體破碎，地下水活動是不可忽視的問題。5地質(zhì)深度及構(gòu)造影響的地質(zhì)估算(1)地下水徑流模數(shù)對于某類工程計(jì)算是重要的參數(shù)，但它終究是具有基于隨機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的數(shù)據(jù)，本文所建立方法的目的在于盡可能在數(shù)量上正確反映地下水的這種特性。研究結(jié)果表明，賈曲單元地下水徑流模數(shù)最大，其他3個(gè)單元則基本接近，越向西南，徑流模數(shù)逐漸減小。(2)本文在現(xiàn)場鉆孔壓水試驗(yàn)資料分析與處理的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆孔同位素示蹤試驗(yàn)，初步建立了巖體透水性隨深度的變化規(guī)律，可直接應(yīng)用于引水隧洞涌水量估算中。但需注意以下問題：(1)本文所作統(tǒng)計(jì)分析是在剔除了局部構(gòu)造影響的情況下進(jìn)行的