皮家寨岩溶大泉束流调压壅水开发
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发布时间：2022-04-29 01:57
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时间：2022-05-17 08:12
3.4.1.1 开发技术条件
皮家寨大泉位于泸西岩溶盆地东北部盆底边缘槽谷中，槽谷呈南北向条带状展布，平坦开阔，谷底北高南低，均为稻田和藕塘。槽谷东、西、北三面环山，谷坡约25°～45°，西缘、北部山地海拔1830～1900m，洼地、落水洞发育，地貌形态为峰丛洼地，东缘山地海拔1900～2300m，为盆地边缘岩溶中山地貌。
皮家寨大泉流量1072.75～1957.5L/s，目前仅有部分流量(约200L/s)被泸西县氮肥厂、烟叶复烤厂等工厂利用及中枢镇用于农灌，而大部分泉水则沿溪沟流入中大河，雨季由于排水不畅泉口下游地段常形成涝灾。谷地东侧与该泉相距约300m的东大沟建于1956年，全长13km，计划灌溉4000亩农田，引水源头为坝心大泉，流量250～400L/s。沟渠现仅有3.0km为浆砌石三面光水渠，其余为土沟，由于年久失修，无人管理，沟堤垮塌，沟床淤积，渠道渗漏严重，加之坝心泉流量较小，目前仅有少量沟水到达小龙甸村，实灌面积约500亩左右，小龙甸村以下的陆良寨、神树坡、大兴堡等地农田旱季约有2万多亩因无水灌溉而采用电泵从中大河提灌。
3.4.1.1.1 水源地概况
皮家寨大泉位于皮家寨村北，距县城2.5km，泉口坐标东经103°47′20″，北纬24°32′16″，泉口高程1711m。泉域内主要有坝心、皮家寨2个岩溶大泉，泉域呈北东向展布的长条形，泉域面积115km2，东部以个旧组砂泥岩为隔水边界，西部边界为小高坡—大七号山一线与阿庐古洞暗河系统的地下分水岭，北部边界为师宗彩云一带泸西小江流域与罗平九龙河流域的分水岭，南部泉点下游则为进入泸西盆地底部覆盖型岩溶水分布区的透水边界。
3.4.1.1.2 含水介质特征
泉域内为向西倾斜的单斜构造，断层不发育。主要含水层组个旧组岩性组合为中厚层状灰岩、白云质灰岩、薄层灰岩，含泥质薄层灰岩。节理裂隙发育，主要有走向为60°～80°、300°～320°、340°～350°的3组高角度节理裂隙，间距一般30～80cm。岩溶发育强烈但不均匀，岩溶发育程度受岩性、节理裂隙控制较为明显，洼地、漏斗、落水洞呈串珠状，具有沿厚层纯灰岩地层分布密度大的特征。泉水补给区白水—彩云一带，岩溶发育相对均匀，上部强—中等岩溶发育带一般小于120m，以溶孔、溶隙为主，连通性较好，构成网脉状结构；120m以下则岩溶发育微弱，以细小溶孔为主，连通性差。补给、径流区的白水—坝心一带，50～110m深度范围内岩溶发育强烈，但均匀性差，以溶隙、溶洞为主，包气带厚度一般大于30m，垂直岩溶形态以落水洞、竖井为主，构成非均匀的隙—管结构，据7个钻孔资料统计，钻孔遇洞率57.1%，遇洞2.8m/100m，洞高一般1～5.5m，最大达16.10m，粘土充填—半充填，溶洞高程1723～1782m。110m以下则岩溶发育微弱，以溶隙、溶孔为主。坝心—皮家寨径流排泄区，据勘探资料分析，水平、垂直岩溶发育程度差异较大，皮家寨东侧谷底，岩溶强—中等发育带厚一般25～40m，以溶隙、管道为主，最深可达100m。而大泉下游侧岩溶发育较弱，强—中等岩溶发育带厚度小于10m，以溶隙、溶孔为主。
3.4.1.1.3 岩溶水补给、径流、排泄特征
皮家寨大泉补给途径长，补给径流区为盆地上游白水岩溶槽谷、盆地边缘峰丛洼地等裸露岩溶区，补给区与大泉出口相对高差约70～100m。彩云—白水补给径流区内，主要接受大气降水的渗入补给和地表河流的渗漏补给，在白水塘水库—坝心一带，除大气降水通过洼地，漏斗底部的落水洞、竖井以集中贯入形式补给岩溶水外，白水塘水库的渗漏补给是坝心、皮家寨两个大泉稳定而重要的补给源。
皮家寨大泉岩溶水总体沿彩云—白水—白水塘水库—坝心—皮家寨方向径流。彩云—白水一带岩溶赋水空间以溶孔、溶隙为主，富水性相对均匀，岩溶水位埋藏较浅，一般小于20m，径流滞缓，向南岩溶水位埋藏渐深。岩溶水在向盆地径流汇集过程中部分在小孟泽、小吾乃白一带以泉水形式排泄，另一部分则通过溶隙、管道向坝心、皮家寨方向径流排泄。白水塘水库—坝心之间，岩溶水在补给、径流过程中，循环交替作用强烈，水力坡度大，为1.43%～1.62%，视流速144.82～176.45m/h，岩溶水位埋藏深度一般大于30m，沿个旧组中厚层灰岩常形成岩溶管道，富水性极不均匀，以管道流为主。
白水塘水库一带，岩溶水位高程1760m左右，获得补给的岩溶水总体上自北东向南西径流，当岩溶水运移至坝心、皮家寨后，岩溶水位逐渐变浅，由于上覆弱透水土层而承压，一部分以上升泉方式集中排泄，主要有坝心及皮家寨大泉，另一部分则侧向流入盆地第四系覆盖型岩溶含水层之下，参与盆地深部循环向更低一级排泄基准小江径流排泄。
3.4.1.1.4 泉口工程地质条件
经物探和钻探勘查，大泉附近覆盖层为第四系粘土，西部基岩裸露，东部土体较厚，总厚度2.0～15.2m。整个场地地基土结构复杂，均匀性差，自上而下可分为4层：
(1)素填土，厚0.5～2m，结构松散。
(2)粉质粘土，褐红色，硬塑状，呈透镜状，厚0～2.1m，中等压缩性，fk=140kPa。
(3)粘土，褐灰、褐*，软塑—可塑状，厚0.8～9.6m，间夹厚1.5～1.9m的粉土透镜体。高压缩性，fk=60 kPa。
(4)粘土，褐红色，可塑—硬塑状，厚0～7.1m，中等压缩性，fk=180 kPa。
下伏含水层岩溶发育，但均匀性相对较差。泉口北部岩体透水率一般均大于50Lu，最大4200 Lu，泉口东部岩体透水率20m以上一般在20～657 Lu，泉口南部30m以下岩体透水率7～80 Lu，30m以上岩体透水率25～410 Lu。土层与基岩接触带土质软弱，透水性普遍较强。
3.4.1.1.5 泉流动态
皮家寨大泉1991～1992年长期观测流量1093.4～2170L/s，2004～2005年长期观测流量1072.75～1957.5L/s。白水塘水库渗漏的调节，流量动态变幅不大，泉流动态为稳态型(表3-5)。皮家寨大泉系统，在白水塘水库—坝心补给径流区岩溶水位埋深较大，一般在20～50m，最大变幅据调查可达70m，在排泄区的坝兴—皮家寨一带，岩溶水位埋藏浅，多具承压性质，年变幅小于2.5m。
表3-5 泸西小江流域皮家寨大泉流量动态特征表
3.4.1.2 实验情况
勘查设计工作在充分收集利用已有资料的基础上进行，主要布置了1：5千遥感解译，1：5万区域水文地质测绘，1：1万工程规划区水文地质测绘，地质雷达、高密度电法剖面探测，管道示踪试验、壅水试验，岩溶水动态监测，水文工程地质钻探，压水试验，土样和水样分析测试、开发工程可行性研究及初步设计等工作。其中，现场水文地质试验是溶洞管道流系统调查必不可少的方法，它能够提供最为确切的水文及地质信息。主要试验工作及认识如下：
3.4.1.2.1 示踪试验
本次典型研究收集利用了已有的试验记录资料。试验投放点为皮家寨大泉上游白水塘水库内的落水洞，接收点为坝心大泉、皮家寨大泉、阿鲁法大泉、阿庐古洞暗河、疯龙潭大泉。落水洞入口流量82.2L/s，自1992年6月21日9 时投放食盐6000 kg开始，至1992年6月28日14时结束。
5个接收点中有坝心大泉、皮家寨大泉Cl-含量出现异常。投放点标高1783.17m，至坝心平距4200m，高差68.17m，至皮家寨平距5470m，高差78.17m。
皮家寨大泉Cl-背景值为1.69mg/L，6月22日15时45分—6月25日23时15分为异常时间，历时79小时30分，其中22日21时30分—23日16时30分为Cl-通过高峰期，历时19小时，浓度一般10～20mg/L，最高值为38.15mg/L。Cl-含量过程曲线为尖单峰型，Cl-含量快速增高达到峰值，降低后再缓慢下降，延续时间较长，表明从落水洞至皮家寨大泉之间为较单一的岩溶通道，岩溶系统规模较大，含水介质以岩溶管道为主，导水性强。经计算，水力坡度为1.43%～1.62%，流速144.82～176.45m/h。
皮家寨大泉(流量1584L/s)、坝心大泉(流量427L/s)，两个接收点食盐回收量4893 kg，回收率81.6%，其中，皮家寨大泉食盐回收量4293 kg。表明皮家寨大泉为主要排泄点，但皮家寨、坝心大泉并不是唯一的排泄点，尚有部分潜流或其他排泄途径存在。
3.4.1.2.2 壅水试验
研究岩溶水水位特征多数情况下是利用抽水试验和钻孔水位观测资料[7][8]，文献[9][10]则利用堵放水试验研究暗河水位特征。但利用壅水试验研究大泉及附近水位动态变化特征尚未见报道。
(1)壅水试验的布置：对岩溶大泉天然泉口进行围堵，设置溢流口使其能溢流。在泉口附近设置了16个水位观测孔，观测孔深30～50m。壅水前对泉口及观测孔进行一次统测水位，壅水时每间隔10min连续观测3次，间隔30min连续观测5次，随后1 h观测1次至稳定。壅水自2004年2月24日10时开始至25日10时结束，观测持续时间24 h。3天后又统测一次，各观测点水位仍保持稳定。受围堰高度所限，泉口壅水时水位上升最大高度为0.66m。
(2)雍水试验结果分析：皮家寨岩溶大泉口束流壅水后，附近16个观测孔中11个水位有响应，水位抬升幅度、响应时间各向异性十分明显。①水位升幅泉口最大。泉口处于自流排泄状态，水位上升稳定最大幅度为0.61m，其余地带上升稳定幅度为0.02～0.56m，均小于泉口，形成大致以泉口为中心，南北向抬升幅度相对较大、东西向抬升幅度相对较小的不规则环状(图3-20)。显示出来的导水与排水的机理犹如一个喷水的莲蓬头及相连接的输水管道系统。也表明了大泉输水管道埋藏较深，水压力较周围溶隙系统都大，由于输水管道和大泉出口周围的岩溶含水层透水性弱，约束了泉口水压力的扩散，使其能够上升涌出，形成了承压上升泉，具备束流壅水的势能条件。②水位升幅差异大，各向异性明显。如北东面的ZK10和南西面的ZK8孔距泉口都为85m，水位升幅则分别为0.14m和0.06m，南东面距泉口100m的ZK9孔水位升幅则仅为0.02m。对泉口壅水的水压力变化上游响应比下游快，总体上泉口壅水升高时，上游观测孔一般2分钟后即有响应，泉水变浑时，ZK1、ZK2、ZK6孔出现水变浑的现象，亦说明其连通性好。下游水位上升响应速度滞缓，约60分钟后才缓慢响应。如距泉口220m的上游ZK3 孔、100m的下游ZK9孔响应时间都为210分钟，距泉口上游50m的ZK1孔和下游75m的ZK12孔响应时间分别为2分钟和60分钟，响应时间差异明显。当泉水变浑时，下游ZK8、ZK9、ZK12等自流孔始终不变浑，亦说明其连通性较差。这主要是由于岩溶发育程度的差异所致。据高密度电法及钻探资料，大泉上、下游岩溶发育差异较大，上游及东部覆盖区岩溶发育强烈，岩心破碎，RQD小于40%，以溶隙、管道、溶洞为主，钻孔遇洞率76.9%，遇洞4.6m/100m，溶洞标高1710～1670m，溶洞直径一般0.2～1.5m，最大4.7m，粘土半充填，并且越向上游岩溶的成层性越明显；大泉下游岩溶发育相对较弱，岩心完整，RQD为63%～77%，以溶隙为主，部分为粘土充填，钻孔遇洞率66.7%，遇洞1.0m/100m，溶洞标高1700～1670m，溶洞少而小，一般直径0.2m左右，最大0.6m。泉口下游犹如一道天然的前坝，成为束流壅水工程得以成立的水文地质前提条件。
图3-20 泸西小江流域皮家寨大泉等水头线图
1—泉；2—钻孔及编号；3—等水头线(标高m)；4—水头升幅等值线(m)
3.4.1.2.3 技术方案
皮家寨大泉水力坡度大，具备使水头抬升的水动力条件和地质条件。根据皮家寨大泉的水文地质条件，结合当地需水要求，适宜的开采方式是充分利用有利水文地质条件，沿泉点周围在地下灌浆构成防渗束流帷幕，地上建一底部与防渗束流帷幕相连的马蹄形束流调压池，将水位壅高至能与东大沟形成自流的水位高度，然后用管道将水引入东大沟，实现自流引水开发(图3-21)。开发工程技术方案包括三个分项工程，即：地下防渗束流帷幕、地上束流调压池、引水工程。
(1)地下防渗束流帷幕：在皮家寨大泉周围，根据岩溶发育特点、岩溶发育程度分带，对碳酸盐岩含水层进行防渗束流帷幕灌浆，构成悬挂式防渗束流帷幕，与深部弱岩溶发育带相连，平面分布形状如马蹄形。目的是约束岩溶水流，阻滞其在水位上升后扩散速度加快；避免潜蚀强度增大，保护覆盖土层的稳定。其中，西南面灌浆深度为30m，东面的灌浆深度15m，北面为岩溶水的主要来水方向，灌浆深度不超过8m，起到既不阻碍大泉的来水量，又可实现预期的目的。
图3-21 泸西小江流域皮家寨大泉束流调压壅水工程原理图
1—导水溶洞管道；2—松散土覆盖层；3—岩溶水流向；4—原泉口水位面；5—工程壅高后的水位面
共完成灌浆孔90个，孔深8～30.00m，总进尺1854m，灌注水泥260.65t，砂19.94t。单位注入量在20kg/m至大于1000kg/m之间，平均单位注入量202.6kg/m，其中，单位注入量20～50kg/m 的占 3.3%，50～100kg/m 的占 29.2%，100～500kg/m 的占56.7%，500～1000kg/m的占10.0%，＞1000kg/m的占0.8%。
(2)地上束流调压池：据地形条件，地上束流调压池设计呈马蹄形，最大边长55m，半圆半径27.5m，高4.6m，容积10255m3。束流调压池与防渗束流帷幕相连构成整体的束流壅水桶，整体起到壅高和调节水位的作用，池上的两道闸门可以按需要任意调节水位高度和分水。由于泉口地基土承载力低且变化极大，前期设计的浆砌石池墙不均匀沉降及错裂严重。之后根据地基工程地质特征，采用粘土堤坝替换和加固池墙，并在泄水闸一带打了一部分木桩和混凝土预制桩加强淤泥和软土地基，有效地解决了上述问题，工程才得以稳定地发挥作用。
(3)输水管道工程：为了不占用农田，输水管设置为埋置式倒虹吸管，长312m，采用0.8m直径0.4MPa的预应力混凝土管，进口为钢管，直径0.8m，设凡尔阀控制，出口设插板闸控制。倒虹吸管埋入地下1.5m，底部采用碎石砂浆垫层除了淤泥地基段。
除皮家寨大泉壅水开发外，对坝心大泉实施了联合引水。坝心大泉出露于南北向条带状展布的盆底边缘槽谷源头坡脚下，位于皮家寨大泉北东1.5km处。坝心大泉长期观测流量250～400L/s，泉流动态为稳态型。开发方案是对大泉出口清理后，用浆砌石围砌，再沿槽谷东部山脚下修建宽2m，深2.5m的浆砌石三面光盘山水渠引水，实现了自流引水开发的目的。
