苗 旺，萬偉鋒，鄒劍峰，卜新峰

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003)

1 工程概況

涇河?xùn)|莊水利樞紐是陜西省“十二五”重點(diǎn)建設(shè)工程，根據(jù)《渭河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》，水庫(kù)建設(shè)任務(wù)以防洪、減淤為主，兼顧供水、發(fā)電及改善生態(tài)環(huán)境。水庫(kù)位于陜西省禮泉縣與淳化縣交界處涇河下游峽谷段，推薦壩型為混凝土雙曲拱壩，最大壩高230 m，壩頂高程804 m，水庫(kù)總庫(kù)容30.62×108m3。壩址上游約2.7 km范圍內(nèi)為碳酸鹽巖地層，地表存在溶洞、溶隙、溶孔等溶蝕現(xiàn)象，地下一定深度范圍內(nèi)也同樣存在巖溶現(xiàn)象，且地下水位低于河水位30～45 m，存在巖溶滲漏問題。

本區(qū)碳酸鹽巖地層沉積環(huán)境、構(gòu)造條件、古巖溶和深部巖溶的分布及發(fā)育規(guī)模等一直是巖溶滲漏問題的制約性因素。為了加快東莊項(xiàng)目的建設(shè)速度，近幾年，勘測(cè)設(shè)計(jì)人員圍繞著東莊水庫(kù)建壩條件開展了大量工作，本文根據(jù)項(xiàng)目成果資料，對(duì)區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖地層的沉積建造環(huán)境、巖溶發(fā)育背景進(jìn)行了深入的研究，研究成果對(duì)分析碳酸鹽巖庫(kù)壩段的巖溶發(fā)育特征和水庫(kù)滲控工程設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用。

2 區(qū)域巖溶發(fā)育背景

2.1 區(qū)域碳酸鹽巖沉積建造環(huán)境

東莊水庫(kù)所在的渭北中部地區(qū)處于華北臺(tái)地西端，位于華北穩(wěn)定克拉通被動(dòng)大陸邊緣—秦祁海槽的過渡地帶(見圖1)。震旦紀(jì)之后，鄂爾多斯地區(qū)于早寒武世辛集期開始海侵，海水從西緣和南緣進(jìn)入鄂爾多斯地區(qū)，開啟了研究區(qū)漫長(zhǎng)的碳酸鹽巖沉積歷史［1］。中、晚寒武世和早、中奧陶世沉積環(huán)境比較穩(wěn)定，研究區(qū)沉積了巨厚的淺海相碳酸巖地層，直至奧陶紀(jì)中晚期(平?jīng)銎讪D唐王陵期)，鄂爾多斯大部分地區(qū)抬升形成古陸，海水從西南緣完全退去，才結(jié)束了地層的沉積。在此期間，鄂爾多斯地區(qū)在早奧陶世冶里―亮甲山期發(fā)生過一次大規(guī)模海退，并在中奧陶世馬家溝期的海進(jìn)階段經(jīng)歷過三次小規(guī)模的海退［2－4］。雖然奧陶紀(jì)海水有多期韻律性進(jìn)退變化，甚至間歇性短暫露出水面，但因抬升時(shí)間短，連續(xù)沉積時(shí)間長(zhǎng)，位于臺(tái)地南緣斜坡帶上的東莊水庫(kù)地區(qū)，地層發(fā)育完整，厚度大，相帶演化層序清楚［5］。

圖1 早古生代研究區(qū)沉積環(huán)境Fig.1 Sedimentary environment of study area in Early Paleozoic

碳酸鹽巖地層形成后，經(jīng)歷加里東運(yùn)動(dòng)和燕山運(yùn)動(dòng)兩次大的造山運(yùn)動(dòng)，區(qū)域上存在兩次沉積間斷，在這兩次沉積間斷期間，碳酸鹽巖普遍裸露地表，遭受風(fēng)化、淋濾和剝蝕，形成巖溶風(fēng)化夷平面［6－8］。同時(shí)受斷層所分割塊體間差異升降的影響，下降地塊的巖溶風(fēng)化夷平面被后期沉積物埋藏于地下，巖溶形跡得以保存，并在后期構(gòu)造和地下水活動(dòng)的影響下，進(jìn)一步發(fā)展，而上升地塊則由于長(zhǎng)期裸露地表而被剝蝕殆盡。

2.2 區(qū)域巖溶發(fā)育分期

本區(qū)碳酸鹽巖有兩個(gè)大的沉積間斷期，第一次發(fā)生在晚奧陶紀(jì)—中石炭紀(jì);第二次發(fā)生在三疊紀(jì)末—新近紀(jì)，歷時(shí)都在1億年以上，期間碳酸鹽巖裸露地表，接受風(fēng)化剝蝕作用，形成巖溶。這兩個(gè)階段發(fā)育的巖溶可分別稱為古老巖溶和古巖溶，而第四紀(jì)以來形成的巖溶稱為近代巖溶。

根據(jù)上述分析，對(duì)研究區(qū)的巖溶可劃分為如下幾期:①沉積期同生巖溶，寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)地層沉積期形成的巖溶;②古老巖溶，中奧陶紀(jì)末—石炭紀(jì)碳酸鹽巖裸露期(區(qū)域第一次沉積間斷期)形成的巖溶，后進(jìn)入埋藏發(fā)育階段;③古巖溶，三疊紀(jì)末—新近紀(jì)碳酸鹽巖裸露期(區(qū)域第二次沉積間斷期)形成的巖溶，后進(jìn)入埋藏發(fā)育階段;④近代巖溶，第四紀(jì)以來形成的巖溶。

2.2.1 沉積期同生巖溶

在碳酸鹽巖沉積期，受海退海進(jìn)期間海水體深淺、碳酸鹽巖易溶蒸發(fā)類膏鹽含量影響，發(fā)育有溶孔、溶洞和溶縫等，但這些巖溶洞穴、溶孔等多被同時(shí)期的碳酸鹽巖充填。這一巖溶現(xiàn)象在東莊壩址區(qū)的平硐中多見，多呈圓形和不規(guī)則多邊形，邊緣層理明顯，規(guī)模一般數(shù)厘米—數(shù)十厘米，被碳酸鹽巖和方解石充填，且已成巖，和周邊巖石成為一體，不會(huì)對(duì)工程的滲漏產(chǎn)生影響。

2.2.2 古老巖溶

形成于晚奧陶世—中石炭世，即碳酸鹽巖形成后的第一次沉積間斷期。該時(shí)期受加里東運(yùn)動(dòng)影響，灰?guī)r隆起，沉積間斷長(zhǎng)達(dá)1.4億年，長(zhǎng)期遭受剝蝕、溶蝕，造成灰?guī)r起伏不平巖溶化地形，形成溶洞、漏斗、陷阱、溶槽等各種形態(tài)。古老巖溶發(fā)育方向，以正北向張性裂隙發(fā)育為主，其次北東及北西向，這與秦嶺緯向構(gòu)造相吻合。

該時(shí)期巖溶古地貌分為巖溶高地、巖溶臺(tái)地、巖溶坡地和巖溶洼地。巖溶高地通常為巖溶水補(bǔ)給區(qū)，地下水以垂向運(yùn)動(dòng)為主，循環(huán)深度較淺，深部巖溶不發(fā)育;巖溶臺(tái)地和坡地形成徑流區(qū)，地下水除了垂向滲透外，還有水平運(yùn)動(dòng)，在層狀和垂向上均有巖溶發(fā)育的特征;而巖溶洼地則形成排泄區(qū)，地下水以自下而上的垂向運(yùn)動(dòng)為主，不利于巖溶發(fā)育。另外，巖溶高地遭受剝蝕強(qiáng)烈，風(fēng)化殼殘留少，而巖溶臺(tái)地和斜坡受剝蝕相對(duì)較差，風(fēng)化殼保留較完整，古老巖溶較發(fā)育。水庫(kù)工程區(qū)在古地貌類型上位于巖溶高地，地下水運(yùn)動(dòng)以垂向運(yùn)動(dòng)為主，水平徑流活動(dòng)弱，古老巖溶發(fā)育相對(duì)較弱。

晚石炭世以后，海水再次入侵，二疊、三疊系砂頁(yè)巖沉積，超覆不整合在古老巖溶發(fā)育的碳酸鹽巖地層上，并對(duì)古老巖溶進(jìn)行了充填。一些古老巖溶空穴被河湖相沉積物充填，部分被保存下來。如橫水河岸坡出露的溶蝕痕跡已被砂頁(yè)巖充填，另外五峰山南側(cè)灰?guī)r(O2m)露頭中有殘存的楔形狀淺肉紅色含礫砂巖充填物，砂巖堅(jiān)硬成巖并與灰?guī)r相依無縫構(gòu)成一個(gè)整體，巖性與鄰近二疊系下統(tǒng)山西組粗砂礫巖相同。另?yè)?jù)永壽縣水泥廠鉆孔資料，孔深99.5～165 m灰?guī)r段夾厚約0.2～1.3 m的灰綠色砂巖互層，均為成巖狀，堅(jiān)實(shí)。工程區(qū)左岸鉆孔資料顯示，在孔深148～157 m白云巖段夾厚約9 m的灰綠色—棕紅色砂巖，砂巖堅(jiān)硬并與白云巖膠結(jié)緊密。這些充填現(xiàn)象同淺部溶洞中充填物砂礫、粘土、石灰?guī)r碎塊等顯著不同。

但在構(gòu)造活動(dòng)和地下水活動(dòng)強(qiáng)烈的地段，在古老巖溶的風(fēng)化侵蝕面上往往形成規(guī)模較大的巖溶，如桃曲坡水庫(kù)在0.15 km2范圍內(nèi)的O2灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)了149個(gè)溶洞、溶隙，溶洞充填有上石炭系(C3)鋁土頁(yè)巖，證明此類溶洞在石炭紀(jì)C3以前形成。巖溶形跡以垂直溶洞、溶隙、落水洞、溶斗為主，規(guī)模較大，洞徑數(shù)米—數(shù)十米，長(zhǎng)幾十米—數(shù)百米。

2.2.3 古巖溶

是指三疊紀(jì)之后到新近紀(jì)之間，碳酸鹽巖受燕山運(yùn)動(dòng)影響，再次隆起遭受剝蝕，開始第二個(gè)巖溶化階段。期間區(qū)內(nèi)老龍山斷層逆沖上千米，斷層以南的五峰山―鉆天嶺―嵯峨山一帶形成渭北的區(qū)域性高地。

(1)渭河地塹形成前:后燕山運(yùn)動(dòng)使二疊系、三疊系地層發(fā)生形變，研究區(qū)老龍山斷層大規(guī)模的逆沖活動(dòng)使下奧陶系灰?guī)r逆沖在二疊系砂巖、泥巖地層之上，垂直斷距逾千米，下伏碳酸鹽巖地層再次抬升，成為陜北鄂爾多斯盆地侏羅系及白堊系沉積物的物源供給區(qū)，長(zhǎng)期遭受風(fēng)化、剝蝕和溶蝕作用，歷時(shí)0.8億年。

此階段渭北中西部地區(qū)在石炭紀(jì)、二疊紀(jì)和三疊紀(jì)形成的碎屑巖相對(duì)較薄，遭受風(fēng)化、剝蝕較為強(qiáng)烈，碎屑巖和沿碳酸鹽巖古風(fēng)化殼形成的古老巖溶形跡多被剝蝕掉，碳酸鹽巖再次裸露，遭受淋濾、溶蝕，形成古巖溶。而渭北東部遭受風(fēng)化、剝蝕相對(duì)較弱，石炭紀(jì)、二疊紀(jì)和三疊紀(jì)形成的碎屑巖又較深厚，碎屑巖未被完全剝蝕掉，古老巖溶形跡仍得以保存，處于埋藏發(fā)育階段。

(2)渭河地塹形成后:喜山運(yùn)動(dòng)使本區(qū)發(fā)生重大變化，北部鄂爾多斯臺(tái)地上升隆起，而南部斷陷下降，形成渭河地塹，包括工程區(qū)在內(nèi)近東西一帶的渭北山區(qū)和秦嶺共同成為渭河沉降區(qū)古近紀(jì)沉積物的物源供給區(qū)，在盆地內(nèi)接受沉積。

受斷陷和地形控制，渭北東部重新接受沉積，形成三趾馬紅土層上覆于碳酸鹽巖風(fēng)化殼面，古巖溶得以保存并進(jìn)入埋藏發(fā)育階段;而東莊水庫(kù)一帶仍處于高地遭受風(fēng)化、剝蝕，古巖溶形跡多被剝蝕掉;唐王陵以南雖遭受剝蝕，但古老巖溶仍被埋藏而被保存下來。

根據(jù)區(qū)域已有的巖溶調(diào)查資料，古巖溶形跡多沿層面、斷裂帶發(fā)育形成溶洞、溶斗、溶槽、溶孔等多種形態(tài)，部分巖溶形跡被紅土層充填，如乾縣水泥廠鉆孔在深度93～200 m范圍內(nèi)，遇高度0.5～2 m不等的棕紅色粘土充填的溶洞，并有灰?guī)r碎塊，呈半成巖狀;南北村鉆孔于孔深380～420 m范圍內(nèi)，揭露淺褐色黃泥灰質(zhì)充填的溶洞(直徑多＜1 m)、溶隙(寬數(shù)厘米)，泥灰質(zhì)堅(jiān)硬成巖，細(xì)晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2.2.4 近代巖溶

第四紀(jì)以來，喜馬拉雅山運(yùn)動(dòng)以強(qiáng)烈升降運(yùn)動(dòng)為主，渭河地塹形成，渭北山區(qū)繼續(xù)隆起，現(xiàn)代地表水系相繼形成，涇河快速下切，下古生界碳酸鹽巖遭受剝蝕，沿河谷兩岸產(chǎn)生新的巖溶現(xiàn)象，形成了河谷型近代巖溶。

圖2 壩址區(qū)地表溶洞Fig.2 The surface karst caves in research area

近代巖溶特點(diǎn)是發(fā)育規(guī)模較小，一般深度數(shù)米，最深者10余米，形態(tài)上口大里小，多呈三角形，由口向內(nèi)收縮很快，傾向河心，連續(xù)性差，多孤立存在，充填物為第四紀(jì)松散堆積物、粘土、砂、少量礫石以及鈣質(zhì)巖屑方解石等，圖2所示為東莊水庫(kù)壩址區(qū)地表溶洞。

3 庫(kù)壩區(qū)巖溶發(fā)育特征

3.1 巖溶發(fā)育強(qiáng)弱分區(qū)

老龍山斷層至東莊壩址為2.7 km碳酸鹽巖庫(kù)段，地層巖性變化不大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，呈單斜產(chǎn)出，傾向南西。根據(jù)庫(kù)區(qū)鉆孔所揭露的線性巖溶率和遇洞率來看，庫(kù)壩區(qū)巖溶發(fā)育程度整體為弱發(fā)育，但A區(qū)地表溶洞數(shù)量明顯多于B區(qū)和C區(qū)，故將其定為巖溶中等發(fā)育區(qū)。

庫(kù)壩區(qū)由上游至壩址分為A區(qū)(中等發(fā)育區(qū))、B區(qū)(弱發(fā)育區(qū))和C區(qū)(弱發(fā)育區(qū))。A區(qū)受老龍山斷層影響，巖性以白云巖為主，巖體破碎，地表巖溶較為發(fā)育，共發(fā)育溶洞45個(gè)，平硐揭露的巖溶形跡多沿小斷層、裂隙發(fā)育;B區(qū)為白云巖、灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖韻律段，地表發(fā)育溶洞4個(gè)，巖溶形跡主要為沿?cái)鄬?、層面和軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育的溶隙和溶孔，且大部分都沿河谷岸坡發(fā)育;C區(qū)為厚層、巨厚層灰?guī)r段，地表發(fā)育溶洞7個(gè)，鉆孔、平硐揭露的巖溶形跡主要為溶孔、溶隙。庫(kù)壩區(qū)地表溶洞平面分布圖見圖3，高程分布圖見圖4。

3.2 巖溶發(fā)育特征

庫(kù)壩區(qū)內(nèi)巖溶以溶隙、溶孔為主，巖溶形跡主要沿?cái)鄬用?、?gòu)造裂隙、結(jié)構(gòu)面、軟弱夾層發(fā)育。地表發(fā)現(xiàn)的溶洞主要發(fā)育在涇河河谷岸坡老龍山斷層破碎帶及其影響帶內(nèi)?？傮w來看，庫(kù)壩區(qū)巖溶與典型的南方巖溶有著明顯的差異，具有以下特征:

(1)巖溶主要為沿河谷岸坡發(fā)育的近代巖溶，古老巖溶和古巖溶不發(fā)育。東莊水庫(kù)工程區(qū)在古地理地貌類型上一直處于巖溶高地，即使在歷史時(shí)期發(fā)育有古老巖溶、古巖溶，大部分也在后期被剝蝕掉，在地表以下亦不存在發(fā)育連通性管道和大規(guī)模深部巖溶的條件。

(2)地表調(diào)查、鉆孔、平硐等手段揭露的巖溶形跡幾乎都與構(gòu)造有關(guān)。區(qū)內(nèi)巖溶主要沿?cái)鄬?、小型斷裂和微裂隙?gòu)造形成的裂隙、層面、軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面發(fā)育，以溶隙、溶孔為主，溶洞次之，局部沿構(gòu)造裂隙發(fā)育淺表型溶洞。

(3)巖溶發(fā)育總體上隨深度增加而減弱，在水平方向發(fā)育深度有限，河谷兩岸50 m范圍內(nèi)沿結(jié)構(gòu)面溶蝕現(xiàn)象相對(duì)明顯，較大溶蝕裂隙發(fā)育深度可達(dá)100 m以上，多被粘土、巖屑、鈣質(zhì)充填，但在遠(yuǎn)離岸坡150～200 m以后發(fā)育微弱。巖體透水率總體上隨埋深的增大而降低，局部透水性增大，但仍以弱透水為主。

(4)第四紀(jì)以來，工程區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以急劇抬升為主，間歇性不甚明顯，近代巖溶發(fā)育始終處于初級(jí)階段(即裂隙擴(kuò)溶期)。隨著地殼的急劇抬升，河流迅速下切，侵蝕、排泄基準(zhǔn)面隨之下降，在地下水強(qiáng)烈溶蝕帶附近，尚未形成水平方向的巖溶平衡系統(tǒng)時(shí)，地下水位已經(jīng)下降，強(qiáng)烈溶蝕帶也隨之下移，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)巖溶作用形成了以溶隙發(fā)育為主，分布較分散、程度較微弱的特征，垂直分帶規(guī)律不顯著。

(5)工程區(qū)內(nèi)泥質(zhì)白云巖可溶性差，對(duì)巖溶發(fā)育起阻礙作用，但其完整性較差，相對(duì)破碎，多發(fā)育為沖溝，影響著地表溶洞的分布與發(fā)育，地表調(diào)查顯示，區(qū)內(nèi)溶洞主要呈條帶狀分布，如圖3所示。

圖3 庫(kù)壩區(qū)地表溶洞平面分布圖Fig.3 The plane distribution of surface karst caves in dam region

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)碳酸鹽巖沉積主要發(fā)生在寒武紀(jì)和奧陶紀(jì)，在加里東運(yùn)動(dòng)和燕山運(yùn)動(dòng)兩次大的造山運(yùn)動(dòng)的影響下，碳酸鹽巖普遍裸露地表，并在兩個(gè)沉積間斷期接受風(fēng)化、淋濾和剝蝕作用，發(fā)育為古老巖溶和古巖溶。

(2)工程區(qū)不具備發(fā)育大規(guī)模古巖溶和近代巖溶的背景條件，也不具備發(fā)育連通性管道、洞穴系統(tǒng)的背景條件，碳酸鹽巖庫(kù)壩段巖溶為近代巖溶，主要沿河谷岸坡發(fā)育且處于發(fā)育初級(jí)階段，古巖溶和近代巖溶發(fā)育程度弱。

(3)工程區(qū)巖溶形跡以溶隙、溶孔為主，局部沿構(gòu)造裂隙發(fā)育有淺表型溶洞，勘探深度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模深部巖溶及連通的巖溶管道系統(tǒng)，巖溶發(fā)育總體上隨深度增加而減弱，水平方向上發(fā)育深度有限。

圖4 庫(kù)壩區(qū)地表溶洞高程分布圖Fig.4 The elevation distribution of surface karst caves in dam region

綜上所述，東莊水庫(kù)壩前2.7 km碳酸鹽巖庫(kù)段巖溶發(fā)育不強(qiáng)烈，未見暗河、較大的泉水和延伸較遠(yuǎn)的溶洞，主要巖溶形態(tài)為溶隙和溶孔，偶見溶蝕寬縫。壩址區(qū)平硐揭露的溶蝕現(xiàn)象多分布在岸坡50 m范圍內(nèi)。勘探過程中，未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的巖溶洞穴，掉鉆現(xiàn)象少見，巖溶現(xiàn)象發(fā)育程度較弱。故在采取合理帷幕防滲處理措施后，具備建壩成庫(kù)條件。

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