屈志勇 李松磊 潘興軍 劉揚(yáng)

大興水庫巖溶發(fā)育與水文地質(zhì)問題研究

屈志勇 李松磊 潘興軍 劉揚(yáng)

碳酸鹽巖地區(qū)修建水庫，巖溶滲漏是首要的工程地質(zhì)問題，直接決定了是否可以建庫以及水庫效益。以大興水利樞紐工程為例，對(duì)成庫條件進(jìn)行了勘察評(píng)價(jià)。勘察期間，運(yùn)用勘探及巖溶調(diào)查等方法，對(duì)該地區(qū)碳酸巖巖溶發(fā)育規(guī)律及地下水水文地質(zhì)問題進(jìn)行研究，從而得出水庫正常蓄水位下該水庫不存在鄰谷滲漏、庫首經(jīng)工程處理不會(huì)發(fā)生集中滲漏的結(jié)論。

庫區(qū) 巖溶 水文地質(zhì) 地質(zhì)構(gòu)造 滲漏

大梁河發(fā)源于湖南省鳳凰縣臘爾山，屬長江流域洞庭水系。大興水利樞紐工程位于貴州省銅仁市松桃苗族自治縣和碧江區(qū)境內(nèi)、大梁河中游，擬建壩型為混凝土重力壩，正常蓄水位高程514.0 m。

庫、壩址區(qū)出露地層巖性主要為碳酸鹽巖，巖溶較為發(fā)育，主要工程地質(zhì)問題是庫壩址區(qū)存在著巖溶滲漏的可能性。

1 庫壩區(qū)基本地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

大梁河干流在龍角寨以上總體由北東流向南西，龍角寨以下由北西流向南東。壩址位于峽谷內(nèi)，河流由北西流向南東，河谷斷面為U形，兩岸岸坡陡峻，坡度一般80°以上，多形成陡壁，岸坡高度50～100 m。水面寬50～70 m。

1.2 地層巖性

庫區(qū)出露寒武系下統(tǒng)地層，以清虛洞組為主，其次為牛蹄塘組和杷榔組。

壩址區(qū)出露地層為清虛洞組下段（∈1Q1），從老到新根據(jù)不同巖性及工程性狀可細(xì)分為6個(gè)地質(zhì)單元：下部為中厚層狀灰?guī)r，中部為稍有起伏差的條帶狀灰?guī)r夾薄層灰?guī)r，中上部為薄層灰?guī)r及泥灰?guī)r，上部為薄至中厚層條帶狀灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)位于貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)（四級(jí)）的東部與華南褶皺帶的交接部位大橋復(fù)背斜的南東翼。大橋復(fù)背斜樞紐總體走向NE30°左右，為一短軸褶皺。庫區(qū)巖層產(chǎn)狀為NE10°～40°/SE∠5°～20°。壩址區(qū)未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的斷層，構(gòu)造行跡以小斷層及裂隙為主，走向以NE向和NEE向?yàn)橹?，傾角較陡。

1.4 水文地質(zhì)條件

1.4.1 地下水類型及化學(xué)特征

庫壩區(qū)地下水劃分為松散堆積物孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖類巖溶水，以碳酸鹽巖類巖溶水為主，且與工程密切相關(guān)，河水和地下水化學(xué)類型均為型。

1.4.2 地下水運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力特征

通過地質(zhì)測(cè)繪及物探EH4探測(cè)，河間地塊無大規(guī)模斷層發(fā)育，庫區(qū)范圍內(nèi)450 m高程以下巖溶發(fā)育程度低。從分水嶺兩側(cè)泉水的出露高程及地下水的活動(dòng)程度綜合分析，大梁河與牛郎河之間的地下分水嶺高程在520 m以上，地下水分別向大梁河和牛郎河排泄，兩條河流之間無直接的水力聯(lián)系。庫首在勘察期間共布置14個(gè)長觀孔，進(jìn)行壩址區(qū)地下水位觀測(cè)，觀測(cè)頻率為鉆孔終孔后提水穩(wěn)定水位后每隔10～15 d觀測(cè)1次，觀測(cè)結(jié)果見圖1。

根據(jù)鉆孔長觀資料可知，壩址區(qū)兩岸地下水位均高于河水位，說明地下水補(bǔ)給河水。壩軸線左岸平均水力坡降為0.063，右岸平均水力坡降為0.124，詳見表1。

2 巖溶發(fā)育規(guī)律

2.1 可溶巖組劃分

根據(jù)含水地層的巖性組合特征，將其劃分為富水性中等的碳酸鹽巖含水巖組、富水性弱的碳酸鹽巖夾碎屑巖含水巖組（相對(duì)隔水層），見表2。

2.2 巖溶形態(tài)統(tǒng)計(jì)

2.2.1 碳酸鹽巖巖溶發(fā)育形態(tài)特征

庫壩區(qū)主要巖溶形態(tài)為巖溶洼地、漏斗、落水洞、溶洞及地下河。河谷兩岸岸坡發(fā)育的溶洞集中分布于庫首和庫尾2處，呈現(xiàn)明顯的成層性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大致可分為3層：①位于河水面附近；②高出河水面5～10 m；③位于岸坡頂部附近。其中有水溶洞均見于①層和②層，為現(xiàn)今地下水向河谷排泄的主要出口。

圖1 壩址左岸鉆孔地下水位觀測(cè)曲線

表1 下壩線兩岸鉆孔地下水位及水力坡降統(tǒng)計(jì)表（枯水期2013.4.30）

2.2.2 巖溶發(fā)育形態(tài)統(tǒng)計(jì)

庫壩區(qū)可溶巖分布廣泛，地表、地下巖溶形態(tài)發(fā)育齊全，表現(xiàn)了巖溶發(fā)育程度高、巖溶形態(tài)及規(guī)模的多樣性與復(fù)雜性特點(diǎn)。在上、下壩址區(qū)地塊，由于左、右岸地形分水嶺以脊?fàn)钌椒鍨橹?，兩?cè)地形陡峻，無外源水流集中補(bǔ)給，大氣降水以地表排泄為主，少量分散補(bǔ)給地下水，同時(shí)由于地形高差較大，勢(shì)能較高，地下水難以匯聚形成集中性的管道水流，以分散排泄為主，地下水活動(dòng)相對(duì)微弱。溶洞按高程及規(guī)模大小統(tǒng)計(jì)見圖2。

根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)可知：庫區(qū)范圍內(nèi)未見大型溶洞發(fā)育，也未見大型巖溶管道水出露。巖溶現(xiàn)象在平面上具有明顯的分散性，在垂向上與地文期有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系；同時(shí)巖溶形態(tài)分布密度及類型隨高程具有明顯的垂向分異特點(diǎn)：600 m高程以上，巖溶洼地、落水洞分別占總數(shù)的21.1%、17.4%；高程514～600 m，巖溶洼地、落水洞分別占總數(shù)的73.6%、78.0%；而巖溶地下水排泄出口主要分布550 m高程以下及現(xiàn)代河床，占總數(shù)的89.1%。高程514 m以下有水和無水溶洞分別占總數(shù)16.7%、61.7%；高程514 m以上有水和無水溶洞分別占總數(shù)13.3%、28.4%。

表2 水庫區(qū)巖溶層組分類表

由圖2可知，地下巖溶溶洞發(fā)育規(guī)模隨高程具有分異性，約占90%以上溶洞發(fā)育洞徑小于5 m，多集中在0～2 m；洞徑大于10 m規(guī)模的溶洞僅占總數(shù)的1.7%。

圖2 庫壩區(qū)左、右岸巖溶溶洞發(fā)育統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖

2.2.3 巖溶泉的分布與特征

據(jù)調(diào)查，庫壩區(qū)共有泉水50個(gè)、有水溶洞26個(gè)。其中河間地塊兩側(cè)的巖溶泉主要出露在高程500～600 m；泉水以下降泉為主，所調(diào)查的50處泉點(diǎn)，僅2處為上升泉，分別為QS4、QS7，均發(fā)育于大梁河干流庫尾河床。

根據(jù)地下水出露點(diǎn)高程及河間地塊地質(zhì)結(jié)構(gòu)（巖層緩傾、無斷層發(fā)育）判斷，河間地塊巖溶泉受排泄基準(zhǔn)面控制，河間地塊存在地下分水嶺，其高程在500 m以上。

2.3 巖溶發(fā)育規(guī)律

由前述巖溶發(fā)育在空間上的分異特點(diǎn)分析，水庫區(qū)巖溶發(fā)育具有以下規(guī)律。

2.3.1 巖溶發(fā)育程度受巖性控制

區(qū)內(nèi)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r中巖溶最為發(fā)育，以發(fā)育有大量的巖溶洼地、落水洞、漏斗、溶洞、地下河為特征；白云巖次之，巖溶形態(tài)以溶孔、溶隙為主，溶洞少見；泥質(zhì)灰?guī)r及碳酸鹽巖與碎屑巖夾層中巖溶發(fā)育程度最弱，以細(xì)小溶隙為特征；碎屑巖與碳酸鹽巖接觸帶是巖溶發(fā)育的邊界，沿接觸帶常發(fā)育巖溶泉或地下河出口。

2.3.2 巖溶發(fā)育方向受地質(zhì)構(gòu)造控制

斷裂、褶皺為地下水提供了運(yùn)移活動(dòng)的空間，巖溶發(fā)育方向受其嚴(yán)格控制。區(qū)內(nèi)構(gòu)造北北東及北東方向?yàn)橹?，而溶洞、地下河的發(fā)育方向以NE20°～50°方向居多。沿區(qū)域斷裂多有漏斗、落水洞及巖溶泉呈串珠狀展布，而落水洞多沿構(gòu)造裂隙發(fā)育；順層發(fā)育的溶洞說明巖層產(chǎn)狀對(duì)巖溶發(fā)育方向也有一定影響。

2.3.3 巖溶形態(tài)受地貌控制

從分水嶺至河谷地帶，巖溶發(fā)育強(qiáng)度不一。分水嶺地帶以漏斗、落水洞等垂直形態(tài)為主，水平巖溶形態(tài)發(fā)育微弱；分水嶺與河谷之間的斜坡地帶，漏斗、落水洞及溶洞均有發(fā)育；靠近河谷則以溶洞、地下河等水平巖溶形態(tài)為主。大梁河為本區(qū)巖溶發(fā)育最低基準(zhǔn)面。

2.3.4 巖溶發(fā)育隨深度增加而減弱

隨著深度的增加，地下水徑流強(qiáng)度、循環(huán)交替和溶蝕、侵蝕能力逐漸減弱，巖溶發(fā)育強(qiáng)度也相應(yīng)減弱。據(jù)庫區(qū)巖溶調(diào)查及壩址區(qū)勘探資料，庫區(qū)發(fā)育的溶洞、落水洞均位于河床（即區(qū)內(nèi)最低侵蝕基準(zhǔn)面）以上，河床以下未發(fā)現(xiàn)有溶洞分布，僅見有溶隙，河床20～30 m以下未發(fā)現(xiàn)有明顯溶蝕現(xiàn)象。

3 水庫滲漏及成庫條件分析

3.1 水庫向兩側(cè)鄰谷滲漏問題

庫區(qū)為單斜構(gòu)造，巖層較平緩，庫區(qū)河谷多為斜向谷、縱向谷。庫區(qū)未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大斷層通過。大梁河及其各支流兩岸均發(fā)現(xiàn)有泉水出露，均為補(bǔ)給型巖溶水文地質(zhì)類型。

庫區(qū)西側(cè)發(fā)育另一條錦江支流——牛郎河，河床高程低于水庫蓄水位。大梁河與牛郎河之間最近距離為1.5 km。分水嶺山體雄厚，且分布有寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組、杷榔組地層，巖性為板巖、頁巖，透水性弱，地層厚度大，分布穩(wěn)定，為相對(duì)隔水層。綜合分析，水庫基本不會(huì)向西側(cè)鄰谷滲漏。

庫區(qū)東側(cè)發(fā)育沱江及其支流，分水嶺位于來龍山—正大—包家坪一線。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，地下分水嶺與地表分水嶺一致。庫區(qū)河谷距分水嶺6～11 km。根據(jù)調(diào)查，庫尾發(fā)現(xiàn)的2條向河流排泄的地下河出口（RD12、RD13）以及泉水QS4高程均在530 m左右，高于水庫正常蓄水位，水庫基本不會(huì)向東側(cè)沱江流域滲漏。

3.2 庫首滲漏分析

左岸上、下壩線之間依次發(fā)育有RD55、RD45、RD46、RD56、RD57等多個(gè)低于水庫正常蓄水位的溶洞。外側(cè)洼地發(fā)育有LD5、LD104、LD105、LD107、LD6、LD7、LD8等多處漏斗及落水洞。此外，DZZK1及洼地DZZK6號(hào)鉆孔揭露有溶洞，發(fā)育高程低于正常蓄水位。鉆孔揭露地下水位低緩，因此，壩址左岸存在較復(fù)雜的巖溶管道，可能存在集中滲漏問題。

右岸上、下壩線之間由上游向下游依次發(fā)育有RD49、RD48、RD47、RD50、RD51等多個(gè)低于水庫正常蓄水位的溶洞，壩線下游發(fā)育有低于正常蓄水位的溶洞RD52、RD53、RD58、RD59。地表發(fā)育通過壩線延長線的溶蝕洼地，洼地中發(fā)育有漏斗，沿洼地發(fā)育有巖溶管道，其高程低于水庫正常蓄水位。此外，DZZK3鉆孔揭露有溶洞，發(fā)育高程低于正常蓄水位，鉆孔揭露地下水位低緩，壩址右岸可能存在集中滲漏問題。

4 結(jié)語

大興水庫不存在鄰谷滲漏，河床部位不存在巖溶管道，壩基滲漏為裂隙式滲漏；兩岸存在巖溶管道式集中滲漏。綜合考慮以上因素，建議河床部位防滲帷幕以透水率5 Lu控制，帷幕灌漿深度約20 m；為防止繞壩滲流，防滲帷幕向兩岸延伸至地下水與正常蓄水位相交處，同時(shí)根據(jù)兩壩肩巖溶發(fā)育情況、存在巖溶連通管道等問題，以清虛洞組下段第1地質(zhì)單元（∈1q1-1）薄—中厚層狀灰?guī)r作為相對(duì)隔水層，該層巖溶不發(fā)育，帷幕底進(jìn)入本單元地層5～10 m為宜，左右兩岸帷幕灌漿深度為22～52 m。

屈志勇 男 高級(jí)工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

李松磊 男 工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

潘興軍 男 工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

劉揚(yáng) 男 工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

表3 大樟溪流域調(diào)水方案

表4 福州市流域2030年調(diào)水方案計(jì)算成果表

按評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，各斷面下泄流量與多年平均天然流量相比，汛期介于119%～94%，按評(píng)價(jià)指標(biāo)分類屬于很好—較好，非汛期為34%～26%，按評(píng)價(jià)指標(biāo)分類屬于較好—較差。這表明大樟溪流域水資源有一定開發(fā)潛力。

4.3 調(diào)水可行性分析

大樟溪流域向外調(diào)水可行性，要綜合考慮流域水資源的可利用量、河流各斷面的生態(tài)需水量及工程規(guī)模等因素。大樟溪流域的開發(fā)利用率不應(yīng)超過28.5%，即不超過水資源可利用量13.20億m3。多年平均汛期下泄流量不應(yīng)低于多年平均流量的80%，多年平均非汛期下泄流量不應(yīng)低于多年平均流量的30%。考慮到修建調(diào)蓄水庫可能引起的淹沒損失，水庫規(guī)模不宜超過2.20億m3。

按以上指標(biāo)分析，大樟溪流域可調(diào)水量可以滿足大學(xué)城和平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)調(diào)水需求，即方案1和方案2是可行的。

5 結(jié)語

大樟溪流域現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用率為23.7%，流域現(xiàn)狀水資源總體開發(fā)尚有潛力。2030水平年，在滿足流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水和生態(tài)需水的條件下，參考適宜的水庫規(guī)模，可以滿足向大學(xué)城和平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)調(diào)水，即調(diào)水量為2.73億m3。

作者簡(jiǎn)介

史世平 男 高級(jí)工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

馮宇鵬 男 高級(jí)工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

（收稿日期 2015-03-12）

P642.25

B

1007-6980（2015）02-0044-04

2015-03-09）