玉田水库溢洪道岩溶发育特征分析

李 才，田清朝

（中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌，330029）

0 前言

多年来，国内对在岩溶区建设水利工程开展了大量研究，取得了丰硕成果，如赵勇[1]、任爱武[2]等分析了山区分水岭地带及河谷斜坡地带不同岩溶区水库的渗漏原因，提出了与水库蓄水相关联的岩溶发育的独特性以及控制因素等分析成果；吕超[3]、杨元丽[4]、余凯[5]等在地质调查及勘探的基础上应用综合物探技术分析了工程区岩溶发育特征。

赣东北地区岩溶较发育[6]，部分水利枢纽工程关键建筑物坐落于灰岩上，易于产生岩溶塌陷及渗漏问题，直接影响到水利枢纽工程的稳定和效益。本文的研究对象玉田水库位于江西省景德镇市湘湖镇，其溢洪道兴建于石炭系上统船山组灰岩的岩溶发育区，为保证水库长期发挥效益，需要对溢洪道场址岩溶发育特征进行研究，以求证岩溶治理的必要性或有效治理方法。因此迫切需要开展溢洪道建设区岩溶发育特征研究。

1 工程地质概况

1.1 区域地质概况

研究区内地质构造复杂，褶皱断层发育，新老地层错位。本区基底地层为中元古界双桥山群第五组上段千枚状板岩，盖层二叠系下统（P1q、P1x、C2-P1c）灰岩。勘察查明，基底地层覆盖于盖层之上；二叠系下统灰岩又覆盖三叠系夹煤线粉砂岩层之上，地层均倒转，说明地质构造作用强烈。此外，研究区内石灰岩体中发育有溶洞，岩溶水分布于溶洞、溶隙中，水文地质条件较复杂。

1.2 溢洪道场址地质概况

溢洪道区处于溶蚀洼地形成的天然垭囗，覆盖层较厚，植被良好，褶皱断层及岩溶发育，岩溶泉露头极少。

溢洪道区表层分布有第四系中更新统坡积砾质粘土，揭露层厚0.0～14.9m，为良好铺盖层。下伏基岩为石炭系黄龙组、船山组和二叠系栖霞组可溶岩，发育溶洞，溶洞无充填，或半充填，或满充填，充填物为砾质粘土等。经勘察成果综合分析，溢洪道左岸发育F3断层（如图1），为压性逆断层，产状为 N60～70°E/SE∠25°，顺断层发育溶洞，该断层走向与溢洪道流向夹角很小，倾角较缓，且倾向溢洪道之外。溢洪道区地下水类型主要有岩溶水和孔隙潜水，富水性不同部位差异很大，向水库或溢洪道下游低地排泄；溶洞充填的砾质粘土多为弱透水性，局部中等透水性。

图1 L1剖面高密度电阻率反演及地质综合解释

2 综合勘察技术应用

本文在岩溶区地质测绘的基础上，利用综合物探技术（高密度电法及浅层地震放射波法）并辅以钻探验证等手段基本查明了研究区的岩溶发育特征。

2.1 地球物理条件

研究区基岩主要为灰岩，覆盖土层为人工填土、粉质粘土、卵石、淤泥、细砂、砾质粘性土等组成，基岩呈高阻特征，覆盖土层呈低阻特征，两者的电性存在明显的差异。场地具备较好的开展高密度电法及浅层地震反射波法勘探工作的物理前提条件。

2.2 综合勘察解释成果

通过高密度电法及浅层地震放射波法，结合钻探地质资料解释，如图1，推演溢洪道附近有39处溶洞发育区（编号 R1～R39），如图2。

图2 工程勘察平面图

物探推断有F2、F3断层，呈北东走向，沿断层带有溶洞发育。

从物探推断岩溶分布的位置分析，研究区溶洞较发育，场地岩溶主要发育区分布于南部，北部呈星点状分布，中部少量分布。北部有一个岩溶发育带YR1，主要沿可溶岩与非可溶岩断层接触带（F2）发育，总体呈西南走向，其东北部发育有塌陷洞及溶洞，西南部发育有出露泉，岩溶水流向西南。中部有三个岩溶发育带YR2、YR3、YR4，总体呈东西走向，其中 YR2 发育带内溶洞高度为11.7～13.9m，溶洞底高程为52.3到30.8m（黄海高程，下同）；YR3发育带内溶洞高度为10.1～13.7m，溶洞底高程为56.2到32.7m；YR4发育带溶洞高度为9.4～13.5m，溶洞底高程为50.6到28.4m；岩溶水均流向东，入库区。南部为岩溶主要发育区，有4个岩溶发育带YR5、YR6、YR7、YR8，其中YR5总体呈南东走向，发育带内溶洞高度为4.6～14.3m，溶洞底高程为54.6m到27.8m，岩溶水流向南东，在溢洪道上游入库区；YR6总体呈南北转南东走向，发育带溶洞高度为5.5～12.2m，溶洞底高程为50.1m到32.3m，岩溶水流向南东，在溢洪道上游入库区；YR7位于断层F3下盘，呈南东走向，发育带溶洞高度为5.9～26.1m，溶洞底高程为46.2m到24.8m，岩溶水流向南西，沿F3断层向溢洪道下游排泄；YR8总体呈南北转东西，再转南北走向，发育带溶洞高度为7.6～15.6m，溶洞底高程为43.4m到32.0m，岩溶水流向西转北，在溢洪道上游入库区；南部溶洞发育最低底高程为24.8m，位于YR7发育带。

从溶洞底高程与溶洞发育带走向分析，北部岩溶发育带YR1，属断层型溶洞带，其溶蚀深度受侵蚀基准面控制；中部岩溶发育带YR2、YR3、YR4，属压扭性节理型溶洞带，其溶蚀深度受节理开度控制；南部岩溶发育带 YR5、YR6、YR7、YR8，属断层与纵张节理复合型溶洞带，其溶蚀深度受侵蚀基准面和节理开度控制。即溶洞的发育程度和规模与断层构造有密切联系，本区的溶洞基本上是沿断层和节理发育，且具有越临近断层，规模越大，底高程越低的特点。

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3 岩溶发育特征分析

为查明溢洪道区岩溶问题，根据地质测绘、钻探、物探、水文地质试验等成果，分析了岩溶类型、岩溶与岩层的关系、岩溶与地质构造的关系、溶洞充填与充填物情况、岩溶系统及其组合关系等。

3.1 岩溶类型

溢洪道区岩溶类型主要有岩溶出露泉、塌落洞、溶沟、溶槽、溶隙和溶洞 6种类型。

3.2 岩溶与岩层的关系

根据出露的和探明的岩溶均分布在石炭系黄龙组、船山组和二叠系栖霞组分布区浅部，因二叠系小江边组为透镜状微晶灰岩夹炭质页岩，炭质页岩为非可溶岩，其存在在一定程度上限制了微晶灰岩岩溶的发育，因此在该岩层中未勘察到明显的岩溶。研究区的岩溶侵蚀基准面大致会在南河流入昌江的汇合口的水面高程，该高程与探测最低溶洞底高程相近。

3.3 岩溶与地质构造和地势的关系

灰岩及炭质灰岩为结构紧密且渗透性极小的岩石，其溶蚀条件是地下水在岩体表面及层面节理和其他断裂等导水结构面中的运移和物理化学作用。溢洪道区的主干压性断层、层面节理和横张节理为北东向，纵张节理为北西向，X型节理为北北东向和北西西向，一般情形是压性断层、层面节理、横张节理、纵张节理为岩溶的优先发育结构面，或相互追踪发育。溢洪道区可溶岩分布于F2、F3断层之间，且呈北东向展布，在溢洪道上游的北东侧约700m处可溶岩分布终止，向下游呈带状延伸到景德镇市区以远。由此判断本区的岩溶系统是总体呈南西流向，基本与近代南河流向一致。

3.4 岩溶系统及其组合关系

岩溶系统的形成与导水构造和地下水流向相关。本研究区内，经统计，由钻探和物探探测的溶沟溶槽有12处，岩溶发育底高程在36.8～50.6m之间，底高程在40～50m间的占92%；探测溶洞有30处，底高程在22.5～57.8m之间，底高程在20～30m间的占11%，底高程在30～40m间的占52%，底高程在40～50m间的占19%，底高程在50～60m间的占18%。据此并结合上述分析，本区岩溶发育的侵蚀基准面大约在高程22m；本区的浅部岩溶系统以溶沟、溶槽和溶隙为主，少数溶洞，一般沿纵张节理呈北西向展布，溶洞底高程一般在42～52m之间；深部岩溶系统以溶洞和溶隙为主，一般沿层面节理和断层呈南西流向，且与近代南河流向基本一致，溶洞底高程一般在28～35m之间。揭露的岩溶基本低于水库正常蓄水位。

3.5 岩溶系统与岩溶渗漏问题

经分析，溢洪道区的岩溶渗漏与岩溶发育通道流向、高程、充填度、充填物渗透性及水库库盆与岩溶之间的天然粘土防渗铺盖有效厚度及其渗透性有关。按《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）推荐的粘性土流土临界水力比降公式Jcr=（Gs-1）（1-n），依据天然粘土防渗铺盖6组室内土工试验指标，计算得到其临界水力比降平均值为 0.863，基于土体压缩系数较低，凝聚力较高，流土大部无临空面，仅在局部的无充填和半充填的溶洞才有临空面的条件，宜取安全系数1.45，则天然防渗铺盖粘土允许水力比降为 0.60。由于粘土产生流土破坏主要是土块隆起、膨胀、浮动、断裂等，按水力比降公式 J=H/S，当 J=0.6时，每米水深需1.67m粘土铺盖厚度则可满足铺盖的渗透稳定要求。各钻孔部位的天然铺盖厚度详见表1；从物探资料分析，溢洪道区总粘土铺盖厚度（含已有人工铺盖）基本能满足有效厚度要求。

表1 各钻孔和探井处水深与天然覆盖层厚度满足性计算表m

综上所述，溢洪道区岩溶系统具备水库渗漏的地质条件，但粘土铺盖（天然粘土铺盖加已有人工铺盖）厚度基本满足浅层渗透稳定要求。

4 结语

（1）本文对玉田水库溢洪道建设区应用地质测绘、高密度电法物探、浅层地震反射波法、钻探等多种手段，研究表明溢洪道附近有39处溶洞发育区，岩溶类型主要有岩溶出露泉、塌落洞、溶沟、溶槽、溶隙和溶洞6种类型

（2）本区的浅部岩溶系统一般沿纵张节理呈北西向和东西向展布，深部岩溶系统一般沿层面节理和断层呈南西流向，且与近代南河流向基本一致，揭露的岩溶现象均低于水库扩建正常蓄水位。

（3）溢洪道区岩溶系统具备水库渗漏的地质条件，但水库库盆粘土铺盖厚度基本满足浅层渗透稳定要求。