茨竹灣水庫(kù)利用巖溶天坑成庫(kù)的地質(zhì)勘察探析

楊 野，景隨心，史殿順

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020)

1 工程概況

茨竹灣水庫(kù)大致呈橢圓形，長(zhǎng)150～180m，寬55～90m，利用天然巖溶天坑，通過封堵巖溶天坑中心的巖溶漏斗成庫(kù)，水庫(kù)正常蓄水位為1454.20m，水庫(kù)總庫(kù)容為72.4萬m3，是一座以灌溉為主，兼人畜飲水等綜合利用功能的水利工程，建成后將保障周邊多個(gè)村寨灌溉用水、飲用水安全。

2 水庫(kù)區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件

(1)地形地貌。工程區(qū)位于四川盆地東部邊緣，大婁山脈北東側(cè)、武陵山脈北西緣。區(qū)域地貌型態(tài)屬喀斯特侵蝕、剝蝕中—低山地貌，山脈走向多與構(gòu)造線一致，呈北東—南西向，區(qū)內(nèi)山體寬厚、溝谷深切，地形地貌受巖性、構(gòu)造控制。區(qū)域地貌成層性明顯，各級(jí)夷平面標(biāo)高分別為Ⅰ級(jí)1800～2000m；Ⅱ級(jí)1400～1600m；Ⅲ級(jí)1000～1200m，Ⅳ級(jí)700～900m；Ⅴ級(jí)300～500m。

工程區(qū)位于Ⅱ級(jí)夷平面，地文期屬大婁山第二亞期。地貌受褶皺構(gòu)造形跡的控制，總體呈現(xiàn)背斜山。山頂最大高程為1645.20m，最低為茨竹灣水庫(kù)庫(kù)底高程1435.00m，相對(duì)高差約為210m，區(qū)內(nèi)巖溶洼地、漏斗、落水洞多順構(gòu)造線，呈串珠狀分布，壟崗上多獨(dú)立的峰叢呈不連續(xù)的分布，地表沖溝不發(fā)育。

庫(kù)盆天坑內(nèi)主要為湖積堆積層和四壁的崩坡積堆積層：湖積堆積層為庫(kù)內(nèi)多年淤積的褐黃色粉土、灰黑色淤泥質(zhì)土及粉細(xì)砂，呈互層狀無韻律分布于盆底，多夾塊石、腐木，局部分布有大孤石等，分布均一性很差，其厚度一般為5～25.0m。崩坡積堆積層由孤石、塊碎石夾土組成，厚20～45m，該層多被湖積淤泥質(zhì)土包裹，塊石一般粒徑為5～50cm，個(gè)別孤石大于3m，呈棱角狀，分布均一性很差。

(3)地質(zhì)構(gòu)造。庫(kù)盆位于郁山背斜北西翼，巖層產(chǎn)狀N55°E/NW∠12°；庫(kù)盆區(qū)無區(qū)域性大斷裂發(fā)育，在庫(kù)盆西南側(cè)岸坡發(fā)育一小逆斷層F，產(chǎn)狀N80～90°E/SE∠20°～30°，破碎帶寬0.2～1.0m，下盤有寬約3～4m的扭曲帶，長(zhǎng)約400m，出露高程為1425～1475m，沿該斷層溶蝕發(fā)育。

(4)巖溶發(fā)育情況。根據(jù)地表測(cè)繪及鉆孔揭示，庫(kù)盆巖體溶蝕類型主要為順陡傾角裂隙、斷層形成落水洞、溶洞及漏斗，但洞壁四周巖體溶蝕較微弱，鉆孔巖心溶蝕率極低，巖體完整性較好，局部段見有零星小孔。根據(jù)庫(kù)盆調(diào)查統(tǒng)計(jì)，庫(kù)盆面巖溶率>30%，整體屬于極強(qiáng)烈溶蝕區(qū)。

(5)巖溶地下水。庫(kù)區(qū)巖溶水主要分布在三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r中，地下水運(yùn)動(dòng)一般屬管道溶隙流或溶隙流類型，地下水以泉的形式在地表出露，水庫(kù)地下水屬補(bǔ)排型。

根據(jù)連通試驗(yàn)的結(jié)果，庫(kù)區(qū)周圍巖溶系統(tǒng)從北向南發(fā)育排泄，主要分別為：

① 三岔河溝至趙家暗河系統(tǒng)。該系統(tǒng)位于水庫(kù)西北部，距庫(kù)區(qū)約360m，發(fā)育于三疊系上統(tǒng)大冶組灰?guī)r中，由一串連續(xù)發(fā)育的巖溶洼地、落水洞、暗河組成。連通試驗(yàn)證實(shí)該巖溶系統(tǒng)與庫(kù)區(qū)無連系，經(jīng)過地下暗河沿大冶組底部頁(yè)巖向水庫(kù)外下游長(zhǎng)巖村排泄，出口高程約為1130m。

② 筲箕塘暗河系統(tǒng)。該系統(tǒng)位于水庫(kù)東南部，距庫(kù)區(qū)約為1000m，發(fā)育于二疊系灰?guī)r中，由一串連續(xù)發(fā)育的巖溶洼地、落水洞、暗河組成。連通試驗(yàn)證實(shí)該巖溶系統(tǒng)與庫(kù)區(qū)無連系，經(jīng)過地下暗河沿二疊系灰?guī)r向下游吳家村排泄，出口高程約為1200m。

③茨竹灣暗河系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)育于三疊系上統(tǒng)大冶組灰?guī)r中，由巖溶洼地、落水洞、暗河、巖溶泉組成。庫(kù)水主要為水庫(kù)西側(cè)地表降雨，通過巖溶管道及溶溝溶槽等向水庫(kù)內(nèi)排泄，經(jīng)過地下暗河沿大冶組底部頁(yè)巖向水庫(kù)外下游長(zhǎng)巖村排泄，出口高程約為1175m。

3 成庫(kù)條件分析

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、連通試驗(yàn)、地質(zhì)物探等方法，查明庫(kù)盆巖溶天坑主要巖溶形態(tài)為巖溶天坑、水平溶洞、巖溶泉。

(1)巖溶天坑分布于水庫(kù)庫(kù)底，以垂直向下作用為主，為地表水、地下水的主要排泄通道、匯集區(qū)域，溶蝕發(fā)育很強(qiáng)烈，已查明的有K4、K5、K6、K7，根據(jù)鉆探及物探揭示，天坑垂直向下順陡傾角裂隙發(fā)育，現(xiàn)被淤泥質(zhì)土、粉土及塊石等充填。

(2)溶蝕裂縫分布于水庫(kù)西側(cè)陡壁，主要有K1、K2、K3，直徑為1～3m，高于庫(kù)地面3～8m，發(fā)育深度大于10m，順庫(kù)壁的裂隙發(fā)育，延伸長(zhǎng)度長(zhǎng)，溶蝕較強(qiáng)，當(dāng)水庫(kù)蓄水后有順層面及陡傾角裂隙向南側(cè)與西側(cè)隧洞槽及庫(kù)底滲漏的可能性。

(3)巖溶泉主要見于庫(kù)盆北側(cè)泉S4與S5，高于庫(kù)底約20m，均為下降泉。K7為庫(kù)盆內(nèi)一水塘，常年有水，枯水期該水塘主要由茨竹灣泉點(diǎn)S4、S5及K7底部上升泉補(bǔ)給，水量約為1L/s；汛期K7內(nèi)水量隨降雨增大，該泉為上升泉，由水庫(kù)北側(cè)及北東側(cè)匯水區(qū)補(bǔ)給。

3.1 巖溶水補(bǔ)給條件

本區(qū)大氣降水較豐富，區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖分布較廣泛，巖石受侵蝕和溶蝕作用，因而，巖溶發(fā)育在不同的高程上，巖溶水主要受大氣降水呈滲入—灌入式補(bǔ)給。

巖溶水主要補(bǔ)給源為北東面與北側(cè)洼地地表降雨補(bǔ)給，經(jīng)巖溶管道運(yùn)移以泉及地表徑流的形式補(bǔ)給庫(kù)水，補(bǔ)給區(qū)分布有眾多溶蝕洼地、漏斗、落水洞，大氣降水至地表后幾乎都補(bǔ)給地下徑流，具有集中、迅速灌入為主的特點(diǎn)。

3.2 地下水徑流

工程區(qū)內(nèi)為NE—SW向構(gòu)造地區(qū)，區(qū)內(nèi)地下水流向受地形、地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖性和巖溶發(fā)育程度等因素的制約，地下水徑流方向主要順巖層傾向與走向運(yùn)動(dòng)，徑流以管道運(yùn)動(dòng)為主，裂隙散流為輔，汛期可在茨竹灣水庫(kù)庫(kù)內(nèi)的S4、S5及K7泉水點(diǎn)觀測(cè)到地下水呈管道式集中排泄，雨后實(shí)測(cè)流量大于300L/s，具有徑流集中、速度快的特征。

3.3 地下水排泄和動(dòng)態(tài)

茨竹灣水庫(kù)庫(kù)水受北東面地表降雨補(bǔ)給，經(jīng)巖溶管道運(yùn)移以泉及地表徑流的形式補(bǔ)給庫(kù)水，泉具有漲水快、疏干快的特點(diǎn)。經(jīng)調(diào)查，降雨后庫(kù)水迅速上升，雨后約3d，庫(kù)水就可以排泄成干庫(kù)。

茨竹灣水庫(kù)庫(kù)水由地表沖溝、泉點(diǎn)S4、S5及K7補(bǔ)給。根據(jù)開挖后對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行的編錄調(diào)查，S4與S5連通，流量不穩(wěn)定，洞口寬約3m，高約2m，平常無水，暴雨后流出，該洞可進(jìn)入長(zhǎng)約50m，洞整體呈管道型，寬為2～3m，高為1.5～2m，在據(jù)洞口約50m處有一向下發(fā)育的落水洞，寬約1m，枯水期所有水沿該落水洞流走，去向未知，豐水期沿S4或者S5流出，洞內(nèi)有堆積的砂土、塊石等。

據(jù)水文觀測(cè)，水庫(kù)在地表降雨后迅速蓄水，雨后2～3d成干庫(kù)，庫(kù)盆曾多次發(fā)生大規(guī)模管道性滲漏，枯水期水庫(kù)為干庫(kù)；水庫(kù)屬于典型的補(bǔ)排型水庫(kù)，因此該水庫(kù)存在管道性巖溶滲漏問題，主要有三種方式：①沿庫(kù)盆底部塊碎石土層滲漏后向深部或水平方向溶蝕通道產(chǎn)生管道型或裂隙性滲漏；②沿巖土分界面向深部產(chǎn)生滲漏；③滲漏直接沿四壁落水洞或溶蝕裂隙產(chǎn)生滲漏。

4 工程處理措施地質(zhì)建議

(1)對(duì)庫(kù)周防滲

庫(kù)周地表巖體主要為陡傾角溶蝕裂隙及溶蝕裂縫，局部段分布有水平溶洞，為庫(kù)水外滲的通道，庫(kù)周深部巖體有溶洞發(fā)育，根據(jù)巖體滲水特點(diǎn)，庫(kù)周防滲通過灌漿處理溶洞封堵的難度大，且完全封堵的可靠性不高，建議將庫(kù)周地表坡面清理平順后采用鋼筋混凝土板方式對(duì)庫(kù)周進(jìn)行全防滲處理，并注意庫(kù)周與庫(kù)盆封堵防滲搭接。

(2)對(duì)庫(kù)底的封堵

根據(jù)地表地質(zhì)測(cè)繪、物探測(cè)試及地質(zhì)鉆探揭示綜合分析，水庫(kù)庫(kù)底為上大下小的巖溶天坑，天坑被粉土、淤泥質(zhì)土及塊石充填，地表地形平坦。天坑上部長(zhǎng)約150m、寬約60m，下部逐漸變狹窄，底部長(zhǎng)約30m、寬約20m，局部呈陡坎地形，天坑中心位置局部呈倒懸空腔。由于庫(kù)盆(天坑)深度較大，已被粉土、淤泥質(zhì)土及塊碎石等全部充填，土體屬高壓縮土、弱透水土體，不滿足庫(kù)底變形與防滲要求，粉土、淤泥質(zhì)土及粉細(xì)砂為細(xì)粒土，上述土體極易被地下水流陶蝕，導(dǎo)致地基被掏空后發(fā)生變形破壞。根據(jù)該區(qū)地下水流特點(diǎn)及水庫(kù)漏斗土體性質(zhì)，建議封堵天坑底部。

(3)對(duì)水平溶洞的封堵

根據(jù)野外地質(zhì)測(cè)繪，水庫(kù)庫(kù)周表面分布的三個(gè)水平溶洞，內(nèi)有少量黏土及碎石充填。建議封堵時(shí)應(yīng)先清除洞內(nèi)淤積物，挖除強(qiáng)卸荷巖體后用水洗凈，再用混凝土充填，其填塞寬度不應(yīng)小于洞徑的1.5倍，深度不小于洞徑的1倍。

(4)對(duì)上升泉的疏導(dǎo)

經(jīng)地質(zhì)測(cè)繪調(diào)查，水庫(kù)庫(kù)底有一處上升巖溶泉， 曾多次采取工程措施進(jìn)行封堵，但均未成功。由于該巖溶泉水補(bǔ)給區(qū)高程高于庫(kù)底板高程，若按設(shè)計(jì)混凝土拱封堵，會(huì)造成高水頭破壞混凝土結(jié)構(gòu)；另一方面，若K7通過管道引至水庫(kù)水位1463.00m以后，空庫(kù)會(huì)形成約0.4MPa的水頭壓力，對(duì)庫(kù)底板會(huì)形成一個(gè)“頂托”作用，會(huì)對(duì)混凝土拱造成破壞；再者，K7為庫(kù)水的主要補(bǔ)給源之一，該水源封堵后會(huì)造成庫(kù)水來源不足。因此，建議設(shè)計(jì)將K7開挖至庫(kù)底后再通過管道將地下水引至水位1462.00m處，一方面保證庫(kù)水不反流，另一方面可補(bǔ)給庫(kù)水。

5 設(shè)計(jì)方案布置及處理原則

庫(kù)盆設(shè)計(jì)正常蓄水位高程為1454.20m，采用的設(shè)計(jì)方案是在高程1397.50～1403.4m處設(shè)置碾壓黏土層+土工膜防滲處理，北側(cè)布置鋼筋混凝土防滲墻。庫(kù)盆底部可置于覆蓋層上，采用黏土層、碾壓灰?guī)r石渣料回填、碾壓灰?guī)r塊石換填處理，四周與基巖連接。

庫(kù)內(nèi)覆蓋層開挖至設(shè)計(jì)高程后對(duì)覆蓋層土基經(jīng)碾壓平整處理后，由于庫(kù)底黏土承載能力非常差，因此，從下至上依次鋪設(shè)碾壓灰?guī)r石渣料層、3m厚碾壓黏土層、土工膜防滲層、膜上覆蓋黏土保護(hù)層、灰?guī)r碎石料+干砌塊石防沖刷層。土工膜上部的黏土保護(hù)層、碎石層、干砌塊石層的主要作用是在水庫(kù)蓄水后保護(hù)土工膜。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于茨竹灣水庫(kù)修建于巖溶天坑內(nèi)，有其特殊的地質(zhì)條件，利用充分的地質(zhì)調(diào)查資料和合理的地下水徑流分析，對(duì)其成庫(kù)條件做了分析說明，提出了庫(kù)盆處理措施。但由于本工程具有自身特點(diǎn)的局限性，僅能作為同類工程成庫(kù)條件分析的借鑒。