桐梓水庫巖溶成庫條件分析

楊其國

(四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 611731)

水庫工程位于梅江河二級支流的溶溪河上，以農(nóng)業(yè)灌溉為主，鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲水等綜合利用的中型水利工程。設(shè)計(jì)庫水位451.50 m，總庫容2 149×104m3。

1 基本地質(zhì)條件概述

溶溪河總體流向NE向，與巖層走向大致相同，為縱向河谷。水庫由溶溪河主庫和茅坡溪支庫組成，回水長度分別約6.5 km，3.0 km；屬巖溶—侵蝕低山地貌，多呈“U”型谷。出露可溶巖有奧陶系下統(tǒng)紅花園組(O1h)、桐梓組(O1t)，寒武系上統(tǒng)毛田組(∈3m)、后壩組(∈3h)，中統(tǒng)平井組(∈2p)、高臺組(∈2g)及寒武系下統(tǒng)清虛洞組(∈1q)之灰?guī)r、白云巖夾少量灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等,非可溶巖為志留系下統(tǒng)龍馬溪組(S1ln)、奧陶系上統(tǒng)澗草溝組(O3j)及五峰組(O3w)之泥巖、頁巖夾泥灰?guī)r、砂巖等和奧陶系下統(tǒng)大灣組(O1d)之泥灰?guī)r、頁巖夾粉砂巖等，均呈NE-SW向沿構(gòu)造線呈條帶狀展布(水庫區(qū)巖溶水文地質(zhì)圖見圖1)。構(gòu)造上位于雞公嶺背斜南東翼、平陽蓋向斜北西翼，總體為一單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀N40°～60°E/SE∠40°～60°，庫盆內(nèi)無斷裂構(gòu)造分布。

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 巖溶形態(tài)

主要發(fā)育溶溝、溶槽、溶穴、溶隙、洼地、落水洞、溶洞、暗河等形態(tài)各異的喀斯特地貌形態(tài)。

2.2 巖溶水文地質(zhì)

工區(qū)巖溶水以石灰?guī)r溶蝕作用最強(qiáng)，次為白云巖類。碳酸鹽類巖溶水為地下水主要類型，大多呈股狀；白云巖、碎屑巖的巖溶不發(fā)育，地下水多為巖溶裂隙水。調(diào)查常年性泉水點(diǎn)50個(gè)，一般流量0.1 L/s～1.5 L/s，最大S152，S153暗河泉6 m3/s～7 m3/s；季節(jié)性泉水點(diǎn)35個(gè)，一般流量0.01 L/s～1.0 L/s，最大流量2.0 L/s。受大氣降水及地表水補(bǔ)給，以泉的形式出露并排泄于河谷。

1)從泉點(diǎn)流量動(dòng)態(tài)變化來看，季節(jié)變化明顯。

2)平面分布上，泉點(diǎn)出露受地層巖性及構(gòu)造控制。在灰?guī)r、白云巖中泉水點(diǎn)分布較多，特別是在透水巖層與非透水巖層接觸帶，泉水分布較廣。

3)垂直分布上，泉點(diǎn)受巖溶發(fā)育影響，高程560 m以下和河流兩側(cè)泉點(diǎn)分布較集中，也是水平巖溶(溶洞、暗河出口)較發(fā)育地帶。

4)調(diào)查常年性泉水分布位置主要集中在河流兩岸及洼地兩側(cè)，溶溪河為最低侵蝕基準(zhǔn)面，反映出河谷水動(dòng)力條件為補(bǔ)給型。

2.3 巖溶發(fā)育特征

在巖溶發(fā)育諸多因素中，地層巖性是基礎(chǔ)，地質(zhì)構(gòu)造是主導(dǎo)，而水動(dòng)力條件是決定因素。巖性和地質(zhì)構(gòu)造的差異控制巖溶發(fā)育強(qiáng)度、深度及其分布，而巖溶發(fā)育程度、形式又直接影響到巖溶水富集。因此具明顯不均一性。

1)不同地層與巖性組合，巖溶發(fā)育強(qiáng)度具明顯差異性。石灰?guī)r類可溶性大于白云巖類和泥質(zhì)灰?guī)r類。

2)巖溶發(fā)育方向受構(gòu)造控制。庫區(qū)巖溶發(fā)育方向主要受NE向構(gòu)造控制，與主構(gòu)造線方向一致。

3)巖溶發(fā)育具階段性。庫區(qū)內(nèi)溶洞及巖溶泉發(fā)育可分兩層：第一層相當(dāng)于烏江Ⅲ期的Ⅲ-1巖溶亞期，高程對應(yīng)Ⅱ級階地或以上(高出河水位20 m～200 m)。第二層相當(dāng)于烏江Ⅲ期的Ⅲ-2巖溶亞期，高程對應(yīng)Ⅰ級階地(高出河水位3 m～10 m)，該時(shí)期巖溶發(fā)育逐漸減弱巖溶分布高程示意圖見圖2。

4)巖溶發(fā)育具不均一性。順層面或構(gòu)造線方向地下水力聯(lián)系較好，巖溶發(fā)育較強(qiáng)烈，而切層方向地下水力聯(lián)系差，巖溶發(fā)育弱。

3 巖溶水文地質(zhì)區(qū)劃

根據(jù)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)特點(diǎn)、巖溶發(fā)育強(qiáng)度、泉水點(diǎn)分布和流量及滲漏形式等特征，水庫區(qū)巖溶水文地質(zhì)區(qū)劃見表1。

4 水庫滲漏及成庫條件評價(jià)

據(jù)平面地質(zhì)測繪、物探、勘探等揭示，水庫區(qū)具以下特征：1)無大的地質(zhì)構(gòu)造；2)地層連續(xù)，無缺失，地層間整合接觸，無古風(fēng)化殼存在；3)補(bǔ)給型河流；4)無單薄分水嶺存在；5)高程420.0 m以上為中等巖溶發(fā)育區(qū)，400 m～420 m為弱巖溶發(fā)育區(qū)。因此水庫區(qū)總體上向庫周滲漏的可能性較小。

水庫蓄水后可能存在沿巖層走向方向的左、右壩肩兩岸岸坡向下游低鄰谷的滲漏問題：1)左岸支庫茅坡溪庫水向下游低鄰谷溶溪河、梅家溝、薄道溝的滲漏問題；2)右岸主庫庫水沿奧陶系中統(tǒng)可溶巖地層向下游土地堡溝、袁家溝的滲漏問題。

表1 水庫區(qū)巖溶水文地質(zhì)區(qū)劃表

4.1 左岸支庫茅坡溪庫水向下游鄰谷的滲漏問題

1)庫尾地層向下游鄰谷薄道溝的滲漏問題。

分布地層為寒武系下統(tǒng)清虛洞組(∈1q)、中統(tǒng)高臺組(∈2g)和平井組(∈2p)，地面高程435 m～1 000 m，庫尾到下游薄道溝水平距離約2.5 km。巖性為厚層塊狀灰?guī)r、白云巖夾薄層頁巖、石英砂巖，總厚度大于600 m。地表溶槽、溶穴、溶隙較發(fā)育，未見大的溶洞，為弱喀斯特化地層，屬Ⅱ-2(弱巖溶發(fā)育區(qū))。庫尾暗河泉水S152，S153等出露高程454.26 m～457.49 m，泉水補(bǔ)給庫水。薄道溝中出露常年性巖溶水S140～S142，高程516.62 m～518.41 m(高于庫水位)，因此在茅坡溪～薄道溝間存在高于500 m以上的地下水分水嶺。因此不存在庫水向下游鄰谷的滲漏問題。

2)寒武系上統(tǒng)后壩組(∈3h)地層向下游鄰谷的滲漏問題。

分布于庫尾～庫中段，出露寬度約2.9 km，地面高程430 m～900 m，左岸到下游薄道溝水平距離約1.8 km。巖性為厚層塊狀白云巖，總厚270 m～300 m。該地層巖溶不發(fā)育，僅地表發(fā)育少量溶槽、溶隙等，為弱喀斯特化地層，屬Ⅱ-2區(qū)(弱巖溶發(fā)育區(qū))。發(fā)育溶洞K117洞口高程460.27 m，呈斜長條形，底寬3.5 m～4 m，高5 m～7 m，可見水平深度約50 m，地下水流量0.2 L/s～0.6 L/s，順巖層走向N50°～55°E發(fā)育；薄道溝發(fā)育溶洞K125，洞口高程470.60 m，呈斜長條形，底寬0.3 m～1.0 m，高5 m～6 m，可見水平深度約30 m，地下水流量1.0 L/s～2.5 L/s，基本沿巖層走向N48°E發(fā)育。岸坡常年性泉水點(diǎn)S111等，分布高程高于455.36 m，一般流量0.1 L/s～0.3 L/s。長觀孔庫ZK1、庫ZK2地下水位高程分別為483.76 m～485.29 m，494.89 m～496.29 m，高于庫水位32.26 m～44.79 m。以上說明存在高于庫水位的地下水分水嶺，且高程大于495 m。據(jù)物探成果，存在4處低阻異常區(qū)(推測為溶蝕及影響區(qū))均分布于庫外，深部無連通性巖溶管道，巖溶不發(fā)育。因此不存在庫水向下游鄰谷薄道溝的滲漏問題。

3)寒武系上統(tǒng)毛田組(∈3m)地層向下游鄰谷的滲漏問題。

分布于支庫中段，出露寬度約200 m，地面高程415 m～581 m。左岸到下游溶溪河、梅家溝、薄道溝水平距離分別約2.1 km，2.3 km，2.7 km。巖性厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖不等厚互層，總厚度90 m～110 m。據(jù)平面地質(zhì)測繪，地表發(fā)育少量溶蝕溝槽、溶隙、溶穴等，未發(fā)現(xiàn)暗河或地下巖溶管道，巖溶不發(fā)育，屬Ⅱ-1區(qū)(中等巖溶發(fā)育區(qū))。在劉家灣洼地見規(guī)模較小的落水洞K107～K09，K115，K116，暴雨季節(jié)雨水從河床岸邊或泉水點(diǎn)S19等常年性泉水點(diǎn)流出。劉家灣一帶泉水點(diǎn)高程496.59 m～552.84 m，梅家溝水車村泉水點(diǎn)S166高程為472.01 m。據(jù)鉆孔庫ZK3、長觀孔庫ZK7、庫ZK10未發(fā)現(xiàn)巖溶管道、溶洞或暗河，遇洞率為0；據(jù)水文試驗(yàn)，庫水位附近及以下新鮮巖體透水率為0.6 Lu～6.4 Lu，屬弱透水層。觀測地下水位高程466.97 m～506.85 m(2017年3月～2020年12月)，高于庫水位15.47 m～55.35 m。說明在劉家灣與梅家溝間存在地下水分水嶺，推測高程大于474 m。據(jù)物探成果，存在2處異常區(qū)(推測為溶蝕及影響區(qū))均分布于庫外，無連通的巖溶管道，巖溶不發(fā)育。因此水庫蓄水后不存在庫水向庫外滲漏的問題。

4)奧陶系下統(tǒng)桐梓組(O1t)地層向下游鄰谷的滲漏問題。

分布于支庫中段，出露寬度約300 m，地面高程407 m～630 m。左庫到下游溶溪河、梅家溝水平距離分別約1.4 km，2.2 km，溶溪河上、下游地下水比降約7‰。地層巖性為薄～厚層塊狀灰?guī)r夾白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，頂部分布厚約1.0 m的石英砂巖，下部夾5 m～7 m的黃綠色頁巖，該層總厚140 m～200 m。據(jù)平面地質(zhì)測繪，地表發(fā)育溶槽、溶隙和落水洞、溶洞K104，K120等共6個(gè)，常年性泉水點(diǎn)K127，S169等共7個(gè)，未發(fā)現(xiàn)暗河或地下巖溶管道，巖溶不發(fā)育，屬Ⅱ-1區(qū)(中等巖溶發(fā)育區(qū))。劉家灣洼地分布落水洞K10，K12，K100，K104；支庫左岸河岸邊見溶洞K127，基本沿巖層走向N50°E發(fā)育，地下水流量0.2 L/s～0.3 L/s，常年有水，隨季節(jié)性變化。暴雨季節(jié)K104雨水從水車村泉水點(diǎn)S103(高程479.21 m)、S104(高程456.62 m)流出；K120雨水從泉水點(diǎn)S144(高程407.77 m)流出等，說明地下水分別向茅坡溪和溶溪河排泄。地下水長觀孔庫ZK4揭示，風(fēng)化巖體中見少量溶蝕小孔，新鮮巖體完整，未見巖溶管道、溶洞或暗河等，遇洞率為0。據(jù)水文試驗(yàn)資料，地下水位高程459.96 m～467.66 m(2016年12月～2020年12月)，高于庫水位8.46 m～16.16 m。以上說明該地層存在地下分水嶺，其高程高于庫水位。據(jù)物探成果，未發(fā)現(xiàn)低電阻率異常區(qū)，無連通的巖溶管道。因此不存在庫水沿該地層向下游的滲漏問題。

5)奧陶系下統(tǒng)紅花園組(O1h)地層向下游鄰谷的滲漏問題。

分布于支庫中段，出露寬度約160 m，地面高程410 m～651 m，到下游溶溪河水平距離約1.1 km，地下水比降約7‰。巖性為厚層塊狀灰?guī)r，厚40 m～60 m。底部為厚1.2 m～1.5 m的石英砂巖、頂部與大灣組(O1d)黃綠色頁巖分界。據(jù)平面地質(zhì)測繪，地表發(fā)育小溶槽、溶隙，未見落水洞、溶洞，未發(fā)現(xiàn)暗河或地下巖溶管道。由于該層灰?guī)r夾于石英砂巖和頁巖相對隔水層之間，且厚度較小，支庫河水到排泄基準(zhǔn)面比降小(約8‰)，說明本層地下水活動(dòng)弱，巖溶不發(fā)育，屬Ⅱ-1區(qū)(中等巖溶發(fā)育區(qū))。長觀孔庫ZK8、庫ZK9，新鮮巖體完整，未見溶蝕現(xiàn)象，遇洞率為0。庫ZK8投放示蹤劑進(jìn)行連通試驗(yàn)，連續(xù)觀測半月以上，未發(fā)現(xiàn)示蹤劑從河流或岸坡流出，說明地下水滲透途徑長，與外界連通性差，滲透比降小。庫ZK8、庫ZK9地下水位高程分別為451.68 m～458.38 m，528.61 m～535.71 m(2017年3月～2020年12月)，因此存在高于庫水位的地下水分水嶺。據(jù)物探，庫ZK8位置存在1處相對低阻異常區(qū)，推測為溶蝕裂隙及影響區(qū)，未發(fā)現(xiàn)連通的巖溶管道。因此水庫蓄水后不存在庫水沿該地層向下游溶溪河的滲漏問題。

6)奧陶系下統(tǒng)大灣組(O1d)地層向下游鄰谷的滲漏問題。

分布于壩址左、右壩肩一帶，河流總體流向同巖層走向基本一致，巖性為泥灰?guī)r、頁巖夾粉砂巖、砂巖，底部夾薄層灰?guī)r。據(jù)平面地質(zhì)測繪、鉆孔及聲波測試資料，地表未見溶洞等溶蝕現(xiàn)象，巖體溶蝕微弱，屬Ⅲ區(qū)(非巖溶發(fā)育區(qū))，為相對隔水層。因此該地層不存在庫水沿壩肩向下游溶溪河的滲漏問題。

4.2 右岸溶溪河庫水向下游鄰谷的滲漏問題

庫尾至鄧石溪間的庫岸段山體雄偉寬厚，無低鄰谷存在，可溶巖受非可溶巖阻隔，且非可溶巖厚度大，特別是龍馬溪組(S1ln)泥巖、頁巖，厚度大于200 m，封閉條件好，因此該庫岸段不存在向右岸山體外的滲漏問題。

鄧石溪～右壩肩庫岸段為橫向河谷，在右壩肩下游垂直溶溪河發(fā)育土地堡溝、袁家溝等支溝，溝內(nèi)常年有水，分別距壩肩約0.9 km，1.7 km。右壩肩地層由大灣組(O1d)和五峰、澗草溝組(O3w+j)、龍馬溪組(S1ln)組成，巖性為泥灰?guī)r、泥巖、頁巖等，為相對隔水層，屬非可溶巖發(fā)育區(qū)(Ⅲ區(qū))，不存在滲漏問題。寶塔、十字鋪組(O2b+sh)巖性為灰?guī)r，厚40 m～70 m，地表發(fā)育溶孔、溶隙、溶槽，未發(fā)現(xiàn)溶洞、落水洞及貫通性巖溶管道。因此地下水活動(dòng)弱，巖溶不發(fā)育，屬Ⅱ-1區(qū)(中等巖溶發(fā)育區(qū))。常年性泉水點(diǎn)S53出露高程459.18 m，地堡溝灰?guī)r出露最低高程456.01 m，長觀孔庫ZK6地下水位高程517.78 m～527.73 m，均高于庫水位。說明存在遠(yuǎn)高于庫水位的地下水分水嶺。物探亦未發(fā)現(xiàn)連通的巖溶管道。因此水庫蓄水后不存在庫水向下游鄰谷的滲漏問題。

4.3 大壩壩基及繞壩滲漏

據(jù)大壩鉆孔水文試驗(yàn)成果，壩基、壩肩風(fēng)化巖體以中等透水層為主，新鮮巖體以弱透水層為主，存在透水巖層，故存在壩基滲漏和繞壩滲漏問題，需采取防滲帷幕灌漿工程措施。

4.4 水庫成庫條件評價(jià)

水庫區(qū)由溶溪河主庫和茅坡溪支庫組成，屬巖溶—侵蝕低山地貌，庫岸山體高大寬厚，無單薄分水嶺及低矮埡口分布，在地形上封閉條件較好。庫盆由志留系非可溶巖地層和奧陶系、寒武系可溶巖～非可溶巖地層組成，可溶巖屬弱～中等巖溶發(fā)育區(qū)，地表發(fā)育少量洼地、落水洞、溶洞，通過大量平面地質(zhì)測繪、勘探、物探、示蹤試驗(yàn)等證實(shí)，可溶巖主要以淺表層風(fēng)化溶隙、溶孔發(fā)育為主，溶蝕作用不強(qiáng)，深部巖溶不發(fā)育，不存在大型管道式溶洞或暗河；加之河流為補(bǔ)給型河流，岸坡均存在高于庫水位451.50 m的地下水分水嶺；通過對大壩壩基、壩肩的防滲帷幕灌漿工程措施，水庫庫盆封閉性良好，因此蓄水后不存在庫水向周邊岸坡及左、右壩肩向下游鄰谷的滲漏問題。因此水庫具備成庫條件。

5 結(jié)語

評價(jià)喀斯特地區(qū)水庫滲漏問題一直是難題，但只要通過平面地質(zhì)測繪、勘探、物探、示蹤試驗(yàn)等，查明庫區(qū)基本地質(zhì)條件、可溶巖和非可溶巖分布范圍，可溶巖的地形地貌、地層巖性、溶洞、落水洞、巖溶管道、泉水點(diǎn)等分布位置、高程、規(guī)模、流量等，分析巖溶發(fā)育特征、巖溶水文地質(zhì)特征、地下水補(bǔ)徑排關(guān)系的動(dòng)態(tài)特征及其規(guī)律等。在滿足條件和對大壩采取防滲工程措施，水庫成庫是完全可行的。目前水庫正在施工，蓄水后應(yīng)加強(qiáng)庫周的監(jiān)測和巡視。