大兴水库岩溶发育与水文地质问题研究

屈志勇 李松磊 潘兴军 刘扬

大兴水库岩溶发育与水文地质问题研究

屈志勇 李松磊 潘兴军 刘扬

碳酸盐岩地区修建水库，岩溶渗漏是首要的工程地质问题，直接决定了是否可以建库以及水库效益。以大兴水利枢纽工程为例，对成库条件进行了勘察评价。勘察期间，运用勘探及岩溶调查等方法，对该地区碳酸岩岩溶发育规律及地下水水文地质问题进行研究，从而得出水库正常蓄水位下该水库不存在邻谷渗漏、库首经工程处理不会发生集中渗漏的结论。

库区 岩溶 水文地质 地质构造 渗漏

大梁河发源于湖南省凤凰县腊尔山，属长江流域洞庭水系。大兴水利枢纽工程位于贵州省铜仁市松桃苗族自治县和碧江区境内、大梁河中游，拟建坝型为混凝土重力坝，正常蓄水位高程514.0 m。

库、坝址区出露地层岩性主要为碳酸盐岩，岩溶较为发育，主要工程地质问题是库坝址区存在着岩溶渗漏的可能性。

1 库坝区基本地质条件

1.1 地形地貌

大梁河干流在龙角寨以上总体由北东流向南西，龙角寨以下由北西流向南东。坝址位于峡谷内，河流由北西流向南东，河谷断面为U形，两岸岸坡陡峻，坡度一般80°以上，多形成陡壁，岸坡高度50～100 m。水面宽50～70 m。

1.2 地层岩性

库区出露寒武系下统地层，以清虚洞组为主，其次为牛蹄塘组和杷榔组。

坝址区出露地层为清虚洞组下段（∈1Q1），从老到新根据不同岩性及工程性状可细分为6个地质单元：下部为中厚层状灰岩，中部为稍有起伏差的条带状灰岩夹薄层灰岩，中上部为薄层灰岩及泥灰岩，上部为薄至中厚层条带状灰岩及白云质灰岩。

1.3 地质构造

工程区位于贵阳复杂构造变形区（四级）的东部与华南褶皱带的交接部位大桥复背斜的南东翼。大桥复背斜枢纽总体走向NE30°左右，为一短轴褶皱。库区岩层产状为NE10°～40°/SE∠5°～20°。坝址区未发现大规模的断层，构造行迹以小断层及裂隙为主，走向以NE向和NEE向为主，倾角较陡。

1.4 水文地质条件

1.4.1 地下水类型及化学特征

库坝区地下水划分为松散堆积物孔隙水、基岩裂隙水、碳酸盐岩类岩溶水，以碳酸盐岩类岩溶水为主，且与工程密切相关，河水和地下水化学类型均为型。

1.4.2 地下水运动的水动力特征

通过地质测绘及物探EH4探测，河间地块无大规模断层发育，库区范围内450 m高程以下岩溶发育程度低。从分水岭两侧泉水的出露高程及地下水的活动程度综合分析，大梁河与牛郎河之间的地下分水岭高程在520 m以上，地下水分别向大梁河和牛郎河排泄，两条河流之间无直接的水力联系。库首在勘察期间共布置14个长观孔，进行坝址区地下水位观测，观测频率为钻孔终孔后提水稳定水位后每隔10～15 d观测1次，观测结果见图1。

根据钻孔长观资料可知，坝址区两岸地下水位均高于河水位，说明地下水补给河水。坝轴线左岸平均水力坡降为0.063，右岸平均水力坡降为0.124，详见表1。

2 岩溶发育规律

2.1 可溶岩组划分

根据含水地层的岩性组合特征，将其划分为富水性中等的碳酸盐岩含水岩组、富水性弱的碳酸盐岩夹碎屑岩含水岩组（相对隔水层），见表2。

2.2 岩溶形态统计

2.2.1 碳酸盐岩岩溶发育形态特征

库坝区主要岩溶形态为岩溶洼地、漏斗、落水洞、溶洞及地下河。河谷两岸岸坡发育的溶洞集中分布于库首和库尾2处，呈现明显的成层性。据统计，大致可分为3层：①位于河水面附近；②高出河水面5～10 m；③位于岸坡顶部附近。其中有水溶洞均见于①层和②层，为现今地下水向河谷排泄的主要出口。

图1 坝址左岸钻孔地下水位观测曲线

表1 下坝线两岸钻孔地下水位及水力坡降统计表（枯水期2013.4.30）

2.2.2 岩溶发育形态统计

库坝区可溶岩分布广泛，地表、地下岩溶形态发育齐全，表现了岩溶发育程度高、岩溶形态及规模的多样性与复杂性特点。在上、下坝址区地块，由于左、右岸地形分水岭以脊状山峰为主，两侧地形陡峻，无外源水流集中补给，大气降水以地表排泄为主，少量分散补给地下水，同时由于地形高差较大，势能较高，地下水难以汇聚形成集中性的管道水流，以分散排泄为主，地下水活动相对微弱。溶洞按高程及规模大小统计见图2。

根据资料统计可知：库区范围内未见大型溶洞发育，也未见大型岩溶管道水出露。岩溶现象在平面上具有明显的分散性，在垂向上与地文期有一定的对应关系；同时岩溶形态分布密度及类型随高程具有明显的垂向分异特点：600 m高程以上，岩溶洼地、落水洞分别占总数的21.1%、17.4%；高程514～600 m，岩溶洼地、落水洞分别占总数的73.6%、78.0%；而岩溶地下水排泄出口主要分布550 m高程以下及现代河床，占总数的89.1%。高程514 m以下有水和无水溶洞分别占总数16.7%、61.7%；高程514 m以上有水和无水溶洞分别占总数13.3%、28.4%。

表2 水库区岩溶层组分类表

由图2可知，地下岩溶溶洞发育规模随高程具有分异性，约占90%以上溶洞发育洞径小于5 m，多集中在0～2 m；洞径大于10 m规模的溶洞仅占总数的1.7%。

图2 库坝区左、右岸岩溶溶洞发育统计散点图

2.2.3 岩溶泉的分布与特征

据调查，库坝区共有泉水50个、有水溶洞26个。其中河间地块两侧的岩溶泉主要出露在高程500～600 m；泉水以下降泉为主，所调查的50处泉点，仅2处为上升泉，分别为QS4、QS7，均发育于大梁河干流库尾河床。

根据地下水出露点高程及河间地块地质结构（岩层缓倾、无断层发育）判断，河间地块岩溶泉受排泄基准面控制，河间地块存在地下分水岭，其高程在500 m以上。

2.3 岩溶发育规律

由前述岩溶发育在空间上的分异特点分析，水库区岩溶发育具有以下规律。

2.3.1 岩溶发育程度受岩性控制

区内灰岩、白云质灰岩中岩溶最为发育，以发育有大量的岩溶洼地、落水洞、漏斗、溶洞、地下河为特征；白云岩次之，岩溶形态以溶孔、溶隙为主，溶洞少见；泥质灰岩及碳酸盐岩与碎屑岩夹层中岩溶发育程度最弱，以细小溶隙为特征；碎屑岩与碳酸盐岩接触带是岩溶发育的边界，沿接触带常发育岩溶泉或地下河出口。

2.3.2 岩溶发育方向受地质构造控制

断裂、褶皱为地下水提供了运移活动的空间，岩溶发育方向受其严格控制。区内构造北北东及北东方向为主，而溶洞、地下河的发育方向以NE20°～50°方向居多。沿区域断裂多有漏斗、落水洞及岩溶泉呈串珠状展布，而落水洞多沿构造裂隙发育；顺层发育的溶洞说明岩层产状对岩溶发育方向也有一定影响。

2.3.3 岩溶形态受地貌控制

从分水岭至河谷地带，岩溶发育强度不一。分水岭地带以漏斗、落水洞等垂直形态为主，水平岩溶形态发育微弱；分水岭与河谷之间的斜坡地带，漏斗、落水洞及溶洞均有发育；靠近河谷则以溶洞、地下河等水平岩溶形态为主。大梁河为本区岩溶发育最低基准面。

2.3.4 岩溶发育随深度增加而减弱

随着深度的增加，地下水径流强度、循环交替和溶蚀、侵蚀能力逐渐减弱，岩溶发育强度也相应减弱。据库区岩溶调查及坝址区勘探资料，库区发育的溶洞、落水洞均位于河床（即区内最低侵蚀基准面）以上，河床以下未发现有溶洞分布，仅见有溶隙，河床20～30 m以下未发现有明显溶蚀现象。

3 水库渗漏及成库条件分析

3.1 水库向两侧邻谷渗漏问题

库区为单斜构造，岩层较平缓，库区河谷多为斜向谷、纵向谷。库区未发现规模较大断层通过。大梁河及其各支流两岸均发现有泉水出露，均为补给型岩溶水文地质类型。

库区西侧发育另一条锦江支流——牛郎河，河床高程低于水库蓄水位。大梁河与牛郎河之间最近距离为1.5 km。分水岭山体雄厚，且分布有寒武系下统牛蹄塘组、杷榔组地层，岩性为板岩、页岩，透水性弱，地层厚度大，分布稳定，为相对隔水层。综合分析，水库基本不会向西侧邻谷渗漏。

库区东侧发育沱江及其支流，分水岭位于来龙山—正大—包家坪一线。根据区域水文地质资料，地下分水岭与地表分水岭一致。库区河谷距分水岭6～11 km。根据调查，库尾发现的2条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，高于水库正常蓄水位，水库基本不会向东侧沱江流域渗漏。

3.2 库首渗漏分析

左岸上、下坝线之间依次发育有RD55、RD45、RD46、RD56、RD57等多个低于水库正常蓄水位的溶洞。外侧洼地发育有LD5、LD104、LD105、LD107、LD6、LD7、LD8等多处漏斗及落水洞。此外，DZZK1及洼地DZZK6号钻孔揭露有溶洞，发育高程低于正常蓄水位。钻孔揭露地下水位低缓，因此，坝址左岸存在较复杂的岩溶管道，可能存在集中渗漏问题。

右岸上、下坝线之间由上游向下游依次发育有RD49、RD48、RD47、RD50、RD51等多个低于水库正常蓄水位的溶洞，坝线下游发育有低于正常蓄水位的溶洞RD52、RD53、RD58、RD59。地表发育通过坝线延长线的溶蚀洼地，洼地中发育有漏斗，沿洼地发育有岩溶管道，其高程低于水库正常蓄水位。此外，DZZK3钻孔揭露有溶洞，发育高程低于正常蓄水位，钻孔揭露地下水位低缓，坝址右岸可能存在集中渗漏问题。

4 结语

大兴水库不存在邻谷渗漏，河床部位不存在岩溶管道，坝基渗漏为裂隙式渗漏；两岸存在岩溶管道式集中渗漏。综合考虑以上因素，建议河床部位防渗帷幕以透水率5 Lu控制，帷幕灌浆深度约20 m；为防止绕坝渗流，防渗帷幕向两岸延伸至地下水与正常蓄水位相交处，同时根据两坝肩岩溶发育情况、存在岩溶连通管道等问题，以清虚洞组下段第1地质单元（∈1q1-1）薄—中厚层状灰岩作为相对隔水层，该层岩溶不发育，帷幕底进入本单元地层5～10 m为宜，左右两岸帷幕灌浆深度为22～52 m。

屈志勇 男 高级工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222

李松磊 男 工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222

潘兴军 男 工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222

刘扬 男 工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222

表3 大樟溪流域调水方案

表4 福州市流域2030年调水方案计算成果表

按评价指标进行评价，各断面下泄流量与多年平均天然流量相比，汛期介于119%～94%，按评价指标分类属于很好—较好，非汛期为34%～26%，按评价指标分类属于较好—较差。这表明大樟溪流域水资源有一定开发潜力。

4.3 调水可行性分析

大樟溪流域向外调水可行性，要综合考虑流域水资源的可利用量、河流各断面的生态需水量及工程规模等因素。大樟溪流域的开发利用率不应超过28.5%，即不超过水资源可利用量13.20亿m3。多年平均汛期下泄流量不应低于多年平均流量的80%，多年平均非汛期下泄流量不应低于多年平均流量的30%。考虑到修建调蓄水库可能引起的淹没损失，水库规模不宜超过2.20亿m3。

按以上指标分析，大樟溪流域可调水量可以满足大学城和平潭综合实验区调水需求，即方案1和方案2是可行的。

5 结语

大樟溪流域现状水资源开发利用率为23.7%，流域现状水资源总体开发尚有潜力。2030水平年，在满足流域内工农业生产需水和生态需水的条件下，参考适宜的水库规模，可以满足向大学城和平潭综合实验区调水，即调水量为2.73亿m3。

作者简介

史世平 男 高级工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222

冯宇鹏 男 高级工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222

（收稿日期 2015-03-12）

P642.25

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1007-6980（2015）02-0044-04

2015-03-09）