云南省普朗铜矿尾矿库格斯特渗漏示踪实验研究.pdf

第36卷 第3期 成都理工大学学报自然科学版 Vol. 36No. 3 2009年6月JOURNAL OF CHENGDU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Science 2.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院,昆明650051 [摘要]喀斯特渗漏是在碳酸盐岩分布区修建尾矿库常遇到且必须解决的重大问题。在云南 普朗铜矿尾矿库地下水示踪试验工程实例中,通过对比使用染料示踪法与化学离子示踪法表 明,化学离子示踪法更适用于碳酸盐岩分布区。由时间2浓度曲线及实验结果确定了拟建尾矿 库地下水运移方向、 地下水流速,评价了地下喀斯特发育状况,为拟建尾矿库的防渗设计提供 依据。 [关键词]喀斯特渗漏;示踪试验;时间2浓度曲线;普朗铜矿 [分类号] P641. 2 [文献标识码] A [收稿日期] 2008201213 [基金项目]国家自然科学基金资助项目40572159 [作者简介]邹国富1970 - ,男,高级工程师,研究方向工程地质、 水文地质, E2mail zgf960 163. com。 在碳酸盐岩分布区修建尾矿库,喀斯特渗漏 问题是经常遇到且必须解决的重大问题[1]。示踪 试验是进行库区渗漏研究的最有效手段之一,在 很多喀斯特区示踪试验都曾有成功应用的先例。 普朗铜矿尾矿库拟建于云南省迪庆藏族自治 州香格里拉县城北东50 方向、 平距约36 km处 的热绒冰川盆地。普朗铜矿尾矿库主坝初期设计 坝高40 m ,最终堆积坝高105 m ,总库容约0. 3 109m3。前期勘察资料表明除尾矿库下游地段 外,中三叠统尼汝组 T n石灰岩分布于尾矿库大 部分地段,拟建尾矿库位置喀斯特发育,水文地质 条件复杂。为进一步查明库区内外地下水的水力 联系特征,特在该库区进行地下水的示踪试验。 1 试验区概况 1. 1 区域自然地理 1. 1. 1 地形地貌 普朗铜矿位于青藏高原东南缘,受新构造运 动的影响,区域地壳强烈抬升,河流深切,高山与 深切河流并行发育。区内总体地势较高,海拔高 度3. 1～4. 3 km ,相对高差0. 3～1. 2 km。 1. 1. 2 气候 拟建库区在区域上属寒温带气候,年平均气 温4℃,最热月平均气温10℃,最冷月平均气温 - 8℃。结冰期为每年的12月至次年3月,库区 内热绒河由于流量减小会出现冻结现象。 库区植被较好,雨量充沛,年平均降雨量 619. 9 mm ,以小雨为主,中雨次之,暴雨很少。5 ～9月份为雨季,其降水量占全年降水量的 87. 1 。 1. 1. 3 地表水 试验区河流、 溪水广泛分布,受气候的影响流 量变化亦较大。 a.库区外围发育的河流及湖泊 库区外围发育的河流和湖泊有普朗河、 属都 河及属都海图 1 。普朗河由西北流向东南,是 试验区最大的河流,2006年6月4日实测流量约 4 m3/ s ,雨季流量约25 m3/ s ,水温16～18℃,普 朗河河谷是试验区最低泄流线。属都河由北向东 流经属都牧场海拔高度3 670 m ,最终汇入格 图1 试验区水文地质与示踪实验工程布置略图 Fig. 1 The engineering disposal sketch of hydrogeology and tracing test in the experimented area 1.第四系覆盖层; 2. T3t1变质砂岩; 3. T3q2板岩; 4. T2n2泥晶灰岩; 5. T2n1板岩夹泥晶灰岩; 6.δou花岗闪长玢岩; 7.断层; 8.地质界线; 9.地下水径流方向; 10.河流及流向; 11.下降泉; 12.漏水洞; 13.干溶洞; 14.示踪实验投放点 咱河。属都海位于试验区南侧,距拟建尾矿库区 14 km ,湖水由其周边的嘎寺组板岩和尼汝组板 岩夹泥晶灰岩区泉水补给,湖面海拔高度为3 619 m。 b.库区内及周边发育的河流 拟建尾矿库库区地表水汇水面积较大约 33. 37 km2 , 其流域内沟谷纵横,呈树枝状,在库 区内形成了坐中河和热绒河两条河流。1坐中 河发源于拟建尾矿库的库尾,一般流量为144. 23 ～695. 4 L/ s ,河流流经灰岩区时沿漏斗、 落水洞 及裂隙逐渐漏失,最终形成断头河。2热绒河发 源于拟建尾矿库的主坝板岩区,一般流量为33. 75～202. 50 L/ s ,由西向东流经主坝后汇入普朗 河。上述两条河流在库区内有明显的分水岭,也 是库区地表水排泄的主要途径,其流量变化主要 受大气降水影响。在拟建库区周边发育了无名河 和罗国河两条河流。3无名河发源于拟建库区 西部山区,一般流量为12～45 L/ s ,并在流经灰 岩区时沿落水洞漏失,最终形成断头河。4罗国 河发源于拟建尾矿库右岸及副坝南部的低邻谷 内,一般流量为85～300 L/ s ,并在流经灰岩区时 沿漏斗、 裂隙漏失,最终形成断头河。无名河和罗 国河是库区周边地表水排泄的主要途径,排泄过 程中补给灰岩区喀斯特水。 1. 2 地质概况 1. 2. 1 地层 区域内出露地层主要为三叠系,由老至新为 尼汝组 T 2n、 曲嘎寺组 T 3q、 图姆沟组 T 3t。 尼汝组分布于南东部热绒-地基统一带。尼 汝组第一段 T 2n 1 为灰绿色玄武岩、 浅灰色绢云 母板岩夹灰色泥晶灰岩;第二段 T 2n 2 为灰色石 灰岩,岩层产状40 ～165 ∠11 ～86;节理60 ∠81,180 ∠78,45 ∠88,312 ∠73;厚度大于 1 726 m。 曲嘎寺组与下伏尼汝组呈断层接触。曲嘎寺 组为深灰色板岩、 变质砂岩、 砾岩夹灰岩及基性火 山岩,厚度1 182. 2～2 041. 6 m。 图姆沟组岩性为灰至深灰色板岩、 绢云母板 岩、 变质砂岩,夹薄层灰岩、 含砾绢云母板岩。中 酸性岩体附近形成角岩,厚度大于400 m。 第四系堆积物主要分布于热绒盆地及沟谷 内,其成因类型有湖积、 冲积、 残积、 洪积、 冰积等。 1. 2. 2 地质构造 区域内构造活动强烈,断裂、 褶皱发育。北西 392第3期邹国富等云南普朗铜矿尾矿库喀斯特渗漏示踪试验研究 向紧密线性褶皱和同向断裂是控制沉积建造、 喀 斯特发育、 变质作用、 岩浆活动及有关矿产的主要 构造。试验区构造与区域构造线方向基本一致。 试验区的褶皱为热绒背斜,属于红山复式背斜的 主要次级褶皱,库区位于褶皱的核部。试验区的 主干断裂有北西向的F1和F3,为逆断层;次一级 断裂有F2和F4。F2长约7 km ,走向由西向东穿 越整个热绒盆地拟建库区 ;F 4长约8. 5 km ,走 向近北西,由库尾沿串珠状分布的漏斗条带向东 南穿过副坝至普朗河边。 1. 2. 3 岩浆岩 试验区的岩浆岩主要为沿F3断裂分布的浅 成侵入的花岗闪长玢岩。 1. 3 地下水水文地质特征 研究区地下水类型主要为喀斯特水和裂隙 水,分布主要受岩性和构造的控制。变质岩和岩 浆岩分布的地区为弱含水层,含基岩裂隙水;碳酸 盐分布的地区为富水层,含喀斯特水。 泉是试验区地下水排泄主要的方式,泉的类 型为下降泉,分布主要受地形、 岩性和构造的控 制。1排泄带位于F3与F4断层交汇处沿普朗 河向下游1 km处图1 ,尼汝组灰岩与图姆沟组 板岩地层界线沿普朗河向上游约50 m处,由17 个下降泉组成河左岸16个、 右岸1个 , 排泄带 总长650 m ,2006年6月4日实测流量单泉最大 流量70 L/ s、 最小流量0. 1 L/ s ,泉水总流量约 228. 31 L/ s ,水温8～9℃,泉点海拔高度为3 165 ～3 198 m ,高出普朗河水位约0～1 m。2泉点 1位于属都牧场东北侧的深切比擦冲沟内,沿冲 沟距离普朗河约700 m ,其东侧距离尼汝组灰岩 与花岗闪长玢岩接触带100 m ,2006年6月4日 实测流量0. 5 L/ s ,水温8℃,泉点海拔高度3 320 m ,泉水在流经灰岩区时消失。3泉点2位于地 基统牧场东北侧的深切冲沟内,沿冲沟距离普朗 河约2 km ,其东侧距离尼汝组灰岩与花岗闪长玢 岩接触带180 m ,2007年5月29日实测流量 322. 50 L/ s ,水温8℃,泉点海拔高度3 480 m ,泉 水最终汇入普朗河。4泉点3位于地基统牧场 东侧的深切冲沟内,沿冲沟距离普朗河约1. 4 km ,其东北侧距离尼汝组灰岩与图姆沟组板岩地 层界线200 m ,2006年5月30日实测流量579. 00 L/ s ,水温8℃,泉点海拔高度3 265 m ,泉水最终 汇入普朗河。 1. 4 喀斯特发育特征 拟建库区喀斯特发育,漏斗有140多个、 落水 洞4个,大致以走向北西-南东呈3个串珠状条 带分布图 1 。大量地表水通过第四系沿漏斗条 带下渗,常年性漏失地表水,2007年6月实测漏 失量约144. 23 L/ s , 2005年9月雨季漏失量约 695. 4 L/ s。普朗河边喀斯特发育形态以溶蚀裂 隙为主,产状 140 ～200 ∠66 ～85 。 2 示踪试验 2. 1 试验目的 本次地下水示踪试验的主要目的是为确定拟 建尾矿库地下水运移方向,计算地下水的流速,评 价地下喀斯特发育状况,为拟建尾矿库的防渗设 计提供依据。 2. 2 示踪剂的选择与确定 示踪剂的选择原则为无毒、 对环境无不良影 响,易降解,自然本底值低,不受围岩干扰,围岩对 示踪剂无吸附或吸附损失很小,化学性能稳定,不 改变地下水运移方向,易检测,灵敏度高且成本相 对低[2 ,3]。根据上述原则和试验区域水文地质特 征,确定二种试验方法 1 染料示踪法选择食用 色素胭脂红做为示踪剂 ;2 化学离子示踪法选择 氯化钠示踪剂。试验前,对二种试剂在测区内接 收点的本底值进行了调查,证明采用二种试剂的 有效合理性。 2. 3 示踪剂投放量 示踪剂投放量的确定应考虑如下因素示踪 剂投放后,经扩散、 运移到达检测点,其浓度不能 超出中国饮用水标准的有关规定,且易于被所选 用的检测方法检测而不低于仪器的检测灵敏 度[4]。结合该区的地下水量、 水力坡度、 示踪距离 及场区喀斯特发育程度,并参照库区勘查资料,本 次试验采用下式计算示踪剂的投放量 M Km J 10- 9 1 式中M为示踪剂投放量; K为喀斯特率系数; m 为示踪区段总水量; J为检测方法灵敏度。经计 算,二种示踪剂投放量分别为色素胭脂红3 t ,氯 化钠20 t。 2. 4 投放与接收点的选择与布置 2. 4. 1 投放点的选择与布置 根据现场勘察和地下水的水位观测资料,投 492成都理工大学学报自然科学版 第36卷 放点选取在坐中河的漏失端,示踪剂应完全溶解 后快速投放,见图1。 2. 4. 2 接收点的选择与布置 根据试验区的水文地质条件、 自然环境条件、 交通运输情况,设置6个接收点。 1普朗河边排泄带距离投放点6. 5 km , 根据排泄带泉点的环境和水文条件,在整个排泄 带设置3个接收点,编号为J1 - 1,J1 - 2,J1 - 3 ; 2 泉 点 1 距离投放点7. 3 km ,编号为J2。3泉点2 距离投放点9. 5 km ,编号为J3。4泉点 3 距 离投放点12 km。编号为J4。各投放点和接收 点的位置见图1。 2. 5 试验技术要求 2. 5. 1 示踪剂的投放 将示踪剂放入预先建设的溶解池内,经人工 搅拌溶解后,将溶解液直接导入投放点的地下水 中。 本次示踪试验于2007年6月23日开始。食 用色素胭脂红投放为时间2 h ,投放的质量浓度 为12 361. 68 mg/ L ;间隔24 h后,投放氯化钠,投 放时间为340 min ,投放的质量浓度为133 333. 33 mg/ L。 2. 5. 2 示踪取样 在每个接收点,昼夜派人值班取样。取样瓶 要清洗,登记取样时间、 位置、 天气情况等。检测 点的取样频率应以不错过示踪剂浓度变化的初值 点、 拐点、 峰值点、 低谷点为准则,一般间隔时间为 3 h ;初始浓度异常出现时加密取样,间隔时间为 1 h。取样后及时送至现场实验室进行检测。 2. 6 示踪样品检测技术 a.食用色素胭脂红示踪剂的检测试验前先 配置标准色阶,色阶由1/ 5 000 000～1/ 10 000 , 检测点取样后与标准色阶进行比色分析。 b.氯化钠示踪剂的检测按 水电水利工程 地质勘察水质分析规程DL/ T519422004 [6] 采 用离子选择电极法测定示踪剂氯离子的质量浓 度。 2. 7 异常识别 识别示踪剂异常是否出现的指标是示踪元素 在检测点质量浓度异常出现标准值ρ 检。如果在 一个接收点检测到示踪元素的质量浓度超过了该 接收点的异常出现标准值ρ 检,表明出现异常 [5] 。 本次试验采用的异常判别的标准公式为 ρ 检 ρ B 2S 2U测2 式中ρ 检为检测点质量浓度异常出现时的标准; ρ B为检测点平均质量浓度本底值;S为检测点本 底值标准偏差;U测为检测点检测不确定度。 2. 8 资料整理 示踪剂于2007年6月23日投放,2007年9 月10日试验结束,历时80 d。根据示踪试验取样 点的本底值调查及样品分析结果,按异常判别公 式确定样品是否出现异常浓度。根据样品检测结 果,绘制时间与浓度曲线,计算区内地下水初现视 速度和峰现视速度,确定地下水的流向[7]。 氯化钠示踪剂由于大气降雨影响,普朗河边 排泄带接收点J1 - 1和J1 - 3从7月9日开始被普朗 河水淹没,该接收点的试验工作终止;接收泉点 1、 泉点2和泉点3在整个试验过程中均未有氯化 钠示踪剂异常浓度检出,仅排泄带接收点J1 - 2有 氯化钠示踪剂异常质量浓度检出。在整个试验过 程中,各接收点均未收到食用色素胭脂红示踪剂 的信息。氯化钠示踪试验成果见表1 ,浓度历时 变化曲线见图2。 表1 氯化钠示踪试验成果汇总表 The summary table of tracing test result in NaCl 接 收 点 位置 海拔 高度 / m 距投 放点 / km 质量浓度 本底值 /mgL - 1 检测 次数 异常初现 时间 最大 质量浓度 / mgL - 1 初现 视速度 / mh - 1 平均 视速度 / mh - 1 备 注 J1 - 1排泄带31806. 510. 6～14. 250////7月9日被河水淹没 J1 - 2排泄带31756. 510. 6～14. 22407月10日16 0023. 015. 88. 5多峰,不稳定,回收率52 J1 - 3排泄带31706. 510. 6～14. 250////7月9日被河水淹没 J2泉点133207. 310. 6～14. 2240////未检出异常 J3泉点234809. 510. 6～16. 0240////未检出异常 J4泉点3326512. 010. 6～16. 0240////未检出异常 592第3期邹国富等云南普朗铜矿尾矿库喀斯特渗漏示踪试验研究 图2 Cl - 浓度历时变化曲线 Fig. 2 Curve of concentration changing with time in Cl - 3 试验结果分析 排泄带接收点J1 - 2距离投放点6. 5 km ,与投 放点之间的水力梯度为0. 023。该接收点于2007 年7月10日16时接收到了氯化钠示踪剂的信 息,信号持续时间为592 h ,但信号较慢、 较弱,初 现视速度为15. 8 m/ h ,平均视速度为8. 5 m/ h , 最大质量浓度为23. 0 mg/ L ;其氯离子时间2浓度 曲线特点为多峰、 峰值较低、 不稳定。 根据以上试验结果可知 a.投放点与排泄带接收点J1 - 2之间存在水力 联系,与接收点泉点1、 泉点2、 泉点3之间无水力 联系。 b.排泄带接收点J1 - 2的时间2浓度曲线呈多 峰,流速较慢、 浓度较低。分析其原因主要为 1 它们之间的渗漏路径主要形式为裂隙。由于裂隙 发育,其连通错综复杂,地下水的流动形式主要为 隙流。2由于示踪剂投放后,自2007年7月9 日开始断续降雨,大量地表水很快转入地下补给 地下水,排泄带接收点J1 - 2泉水流量从33. 1 m3/ h2007年6月23日增大到115. 2 m3/ h 2007 年7月15日和162. 20 m3/ h 2007年7月22 日 , 到试验结束基本稳定在150 m3/ h。示踪剂 溶液在地下径流的过程中被不规则地稀释,发生 不规则变化。3投放点与排泄带接收点J1 - 2之 间水力梯度较小,也是地下水流速较慢的原因之 一。 c.由于投放的食用色素胭脂红示踪剂溶液处 于饱和状态,同时含水介质主要为溶蚀裂隙,示踪 剂在地下径流的过程中,产生沉淀或被岩石吸附, 故各接收点均未收到食用色素胭脂红示踪剂的信 息。 d.推测它们之间地下喀斯特形态为溶隙为 主,溶蚀裂隙发育,连通性较好,存在地下暗河的 可能性小。 e.根据收集的相关资料和本次水文地质调 查、 工程勘探、 地球物理勘探、 示踪试验成果等分 析表明 1 新构造隆升运动对试验区喀斯特的垂 直分带影响十分明显,表现为喀斯特水垂直循环 带厚度大于300 m。2拟建尾矿库场地内地表 喀斯特发育形态以漏斗、 落水洞为主,普朗河边喀 斯特发育形态以近垂直溶蚀裂隙为主。3工程 钻探揭示拟建尾矿库场地灰岩区受地质构造影 响,岩体较破碎,溶蚀裂隙发育,地下水位一般埋 深为330 m ,其海拔高度为3 327. 66 m。4地球 物理勘探结果未发现重大异常,工作剖面上反映 有多处存在范围较大的喀斯特裂隙发育区。5 示踪试验结果表明拟建尾矿库场地地下水向其 东南方向的普朗河边排泄带集中排泄,主径流方 向与场区次一级断裂F4走向基本一致,地下水流 速相对缓慢。 4 结 论 a.通过对比使用染料示踪法与化学离子示踪 法,得出化学离子示踪法更适用于碳酸盐岩分布 区。 b.试验结果证明了拟建尾矿库场区与普朗 河边排泄带之间存在水力联系,与泉点1、 泉点 2、 泉点3之间无水力联系。表明地下水在拟建尾 矿库场区接受灌入式补给后,沿溶蚀构造裂隙缓 慢向南东方向径流,在普朗河边排泄带集中排泄。 c.拟建尾矿库场区距离其泄流点普朗河边 排泄带6. 5 km ,示踪试验期间实测的水力梯度 为0. 023 ,地下水径流的初现视速度为15. 8 m/ h ,平均视速度为8. 5 m/ h。 d.拟建尾矿库区地下喀斯特发育主要特征 692成都理工大学学报自然科学版 第36卷 为拟建尾矿库区域喀斯特发育受地质构造、 岩 性、 地貌、 气象、 水文和生物等多种因素控制,其中 构造起主导作用。由于区域上新构造运动主要表 现为强烈的隆升作用,地壳的强烈抬升,河流深 切,饱和带以下水流系统不断转化为非饱和带的 垂直水流,所以地下喀斯特发育形态以垂向溶蚀 裂隙及规模不大的垂向洞穴为主,水平溶蚀洞穴 一般不发育[8]。沿次一级F4断裂带岩体较破碎、 裂隙发育,因而喀斯特较发育。该断裂带对拟建 尾矿库灰岩区地下水的运动、 富积与排泄起着主 要的控制作用。喀斯特地貌发育的阶段为青年 期[9]。 e.试验结果表明,在喀斯特发育地区采用地 下水示踪试验的方法,对于研究其地下水系的水 力联系,计算地下水的流速,探讨地下喀斯特发育 情况是行之有效的。 [参考文献] [1]孙继朝,郭秀红,刘满杰,等.黄河龙口库区岩溶渗漏 示踪试验研究[J ].海洋地质动态,2005 ,2111 33 - 37. 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In the groundwater tracing test for the tailing reservoir in the Pulang copper deposit , the chemistry ion tracing test is appropriate in the carbonate distribution area by contrast to the dye tracing test . By concentration2time curve and test result , the direction of groundwater move and flows of groundwater in the tailing reservoir is determined and the hydrogeological conditions in karst area are uated.This provides reliable evidences for the design of preventing leaking in the tailing reservoir. Key words karst leakage ; tracing test ; concentration2time curve ; Pulang copper deposit 792第3期邹国富等云南普朗铜矿尾矿库喀斯特渗漏示踪试验研究