桐梓水库岩溶成库条件分析

杨其国

(四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，四川 成都 611731)

水库工程位于梅江河二级支流的溶溪河上，以农业灌溉为主，乡镇饮水等综合利用的中型水利工程。设计库水位451.50 m，总库容2 149×104m3。

1 基本地质条件概述

溶溪河总体流向NE向，与岩层走向大致相同，为纵向河谷。水库由溶溪河主库和茅坡溪支库组成，回水长度分别约6.5 km，3.0 km；属岩溶—侵蚀低山地貌，多呈“U”型谷。出露可溶岩有奥陶系下统红花园组(O1h)、桐梓组(O1t)，寒武系上统毛田组(∈3m)、后坝组(∈3h)，中统平井组(∈2p)、高台组(∈2g)及寒武系下统清虚洞组(∈1q)之灰岩、白云岩夹少量灰质白云岩、白云质灰岩等,非可溶岩为志留系下统龙马溪组(S1ln)、奥陶系上统涧草沟组(O3j)及五峰组(O3w)之泥岩、页岩夹泥灰岩、砂岩等和奥陶系下统大湾组(O1d)之泥灰岩、页岩夹粉砂岩等，均呈NE-SW向沿构造线呈条带状展布(水库区岩溶水文地质图见图1)。构造上位于鸡公岭背斜南东翼、平阳盖向斜北西翼，总体为一单斜构造，岩层产状N40°～60°E/SE∠40°～60°，库盆内无断裂构造分布。

2 岩溶发育特征

2.1 岩溶形态

主要发育溶沟、溶槽、溶穴、溶隙、洼地、落水洞、溶洞、暗河等形态各异的喀斯特地貌形态。

2.2 岩溶水文地质

工区岩溶水以石灰岩溶蚀作用最强，次为白云岩类。碳酸盐类岩溶水为地下水主要类型，大多呈股状；白云岩、碎屑岩的岩溶不发育，地下水多为岩溶裂隙水。调查常年性泉水点50个，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；季节性泉水点35个，一般流量0.01 L/s～1.0 L/s，最大流量2.0 L/s。受大气降水及地表水补给，以泉的形式出露并排泄于河谷。

1)从泉点流量动态变化来看，季节变化明显。

2)平面分布上，泉点出露受地层岩性及构造控制。在灰岩、白云岩中泉水点分布较多，特别是在透水岩层与非透水岩层接触带，泉水分布较广。

3)垂直分布上，泉点受岩溶发育影响，高程560 m以下和河流两侧泉点分布较集中，也是水平岩溶(溶洞、暗河出口)较发育地带。

4)调查常年性泉水分布位置主要集中在河流两岸及洼地两侧，溶溪河为最低侵蚀基准面，反映出河谷水动力条件为补给型。

2.3 岩溶发育特征

在岩溶发育诸多因素中，地层岩性是基础，地质构造是主导，而水动力条件是决定因素。岩性和地质构造的差异控制岩溶发育强度、深度及其分布，而岩溶发育程度、形式又直接影响到岩溶水富集。因此具明显不均一性。

1)不同地层与岩性组合，岩溶发育强度具明显差异性。石灰岩类可溶性大于白云岩类和泥质灰岩类。

2)岩溶发育方向受构造控制。库区岩溶发育方向主要受NE向构造控制，与主构造线方向一致。

3)岩溶发育具阶段性。库区内溶洞及岩溶泉发育可分两层：第一层相当于乌江Ⅲ期的Ⅲ-1岩溶亚期，高程对应Ⅱ级阶地或以上(高出河水位20 m～200 m)。第二层相当于乌江Ⅲ期的Ⅲ-2岩溶亚期，高程对应Ⅰ级阶地(高出河水位3 m～10 m)，该时期岩溶发育逐渐减弱岩溶分布高程示意图见图2。

4)岩溶发育具不均一性。顺层面或构造线方向地下水力联系较好，岩溶发育较强烈，而切层方向地下水力联系差，岩溶发育弱。

3 岩溶水文地质区划

根据地层岩性、地质构造、水文地质特点、岩溶发育强度、泉水点分布和流量及渗漏形式等特征，水库区岩溶水文地质区划见表1。

4 水库渗漏及成库条件评价

据平面地质测绘、物探、勘探等揭示，水库区具以下特征：1)无大的地质构造；2)地层连续，无缺失，地层间整合接触，无古风化壳存在；3)补给型河流；4)无单薄分水岭存在；5)高程420.0 m以上为中等岩溶发育区，400 m～420 m为弱岩溶发育区。因此水库区总体上向库周渗漏的可能性较小。

水库蓄水后可能存在沿岩层走向方向的左、右坝肩两岸岸坡向下游低邻谷的渗漏问题：1)左岸支库茅坡溪库水向下游低邻谷溶溪河、梅家沟、薄道沟的渗漏问题；2)右岸主库库水沿奥陶系中统可溶岩地层向下游土地堡沟、袁家沟的渗漏问题。

表1 水库区岩溶水文地质区划表

4.1 左岸支库茅坡溪库水向下游邻谷的渗漏问题

1)库尾地层向下游邻谷薄道沟的渗漏问题。

分布地层为寒武系下统清虚洞组(∈1q)、中统高台组(∈2g)和平井组(∈2p)，地面高程435 m～1 000 m，库尾到下游薄道沟水平距离约2.5 km。岩性为厚层块状灰岩、白云岩夹薄层页岩、石英砂岩，总厚度大于600 m。地表溶槽、溶穴、溶隙较发育，未见大的溶洞，为弱喀斯特化地层，属Ⅱ-2(弱岩溶发育区)。库尾暗河泉水S152，S153等出露高程454.26 m～457.49 m，泉水补给库水。薄道沟中出露常年性岩溶水S140～S142，高程516.62 m～518.41 m(高于库水位)，因此在茅坡溪～薄道沟间存在高于500 m以上的地下水分水岭。因此不存在库水向下游邻谷的渗漏问题。

2)寒武系上统后坝组(∈3h)地层向下游邻谷的渗漏问题。

分布于库尾～库中段，出露宽度约2.9 km，地面高程430 m～900 m，左岸到下游薄道沟水平距离约1.8 km。岩性为厚层块状白云岩，总厚270 m～300 m。该地层岩溶不发育，仅地表发育少量溶槽、溶隙等，为弱喀斯特化地层，属Ⅱ-2区(弱岩溶发育区)。发育溶洞K117洞口高程460.27 m，呈斜长条形，底宽3.5 m～4 m，高5 m～7 m，可见水平深度约50 m，地下水流量0.2 L/s～0.6 L/s，顺岩层走向N50°～55°E发育；薄道沟发育溶洞K125，洞口高程470.60 m，呈斜长条形，底宽0.3 m～1.0 m，高5 m～6 m，可见水平深度约30 m，地下水流量1.0 L/s～2.5 L/s，基本沿岩层走向N48°E发育。岸坡常年性泉水点S111等，分布高程高于455.36 m，一般流量0.1 L/s～0.3 L/s。长观孔库ZK1、库ZK2地下水位高程分别为483.76 m～485.29 m，494.89 m～496.29 m，高于库水位32.26 m～44.79 m。以上说明存在高于库水位的地下水分水岭，且高程大于495 m。据物探成果，存在4处低阻异常区(推测为溶蚀及影响区)均分布于库外，深部无连通性岩溶管道，岩溶不发育。因此不存在库水向下游邻谷薄道沟的渗漏问题。

3)寒武系上统毛田组(∈3m)地层向下游邻谷的渗漏问题。

分布于支库中段，出露宽度约200 m，地面高程415 m～581 m。左岸到下游溶溪河、梅家沟、薄道沟水平距离分别约2.1 km，2.3 km，2.7 km。岩性厚层状灰岩、白云质灰岩及白云岩不等厚互层，总厚度90 m～110 m。据平面地质测绘，地表发育少量溶蚀沟槽、溶隙、溶穴等，未发现暗河或地下岩溶管道，岩溶不发育，属Ⅱ-1区(中等岩溶发育区)。在刘家湾洼地见规模较小的落水洞K107～K09，K115，K116，暴雨季节雨水从河床岸边或泉水点S19等常年性泉水点流出。刘家湾一带泉水点高程496.59 m～552.84 m，梅家沟水车村泉水点S166高程为472.01 m。据钻孔库ZK3、长观孔库ZK7、库ZK10未发现岩溶管道、溶洞或暗河，遇洞率为0；据水文试验，库水位附近及以下新鲜岩体透水率为0.6 Lu～6.4 Lu，属弱透水层。观测地下水位高程466.97 m～506.85 m(2017年3月～2020年12月)，高于库水位15.47 m～55.35 m。说明在刘家湾与梅家沟间存在地下水分水岭，推测高程大于474 m。据物探成果，存在2处异常区(推测为溶蚀及影响区)均分布于库外，无连通的岩溶管道，岩溶不发育。因此水库蓄水后不存在库水向库外渗漏的问题。

4)奥陶系下统桐梓组(O1t)地层向下游邻谷的渗漏问题。

分布于支库中段，出露宽度约300 m，地面高程407 m～630 m。左库到下游溶溪河、梅家沟水平距离分别约1.4 km，2.2 km，溶溪河上、下游地下水比降约7‰。地层岩性为薄～厚层块状灰岩夹白云岩、白云质灰岩，顶部分布厚约1.0 m的石英砂岩，下部夹5 m～7 m的黄绿色页岩，该层总厚140 m～200 m。据平面地质测绘，地表发育溶槽、溶隙和落水洞、溶洞K104，K120等共6个，常年性泉水点K127，S169等共7个，未发现暗河或地下岩溶管道，岩溶不发育，属Ⅱ-1区(中等岩溶发育区)。刘家湾洼地分布落水洞K10，K12，K100，K104；支库左岸河岸边见溶洞K127，基本沿岩层走向N50°E发育，地下水流量0.2 L/s～0.3 L/s，常年有水，随季节性变化。暴雨季节K104雨水从水车村泉水点S103(高程479.21 m)、S104(高程456.62 m)流出；K120雨水从泉水点S144(高程407.77 m)流出等，说明地下水分别向茅坡溪和溶溪河排泄。地下水长观孔库ZK4揭示，风化岩体中见少量溶蚀小孔，新鲜岩体完整，未见岩溶管道、溶洞或暗河等，遇洞率为0。据水文试验资料，地下水位高程459.96 m～467.66 m(2016年12月～2020年12月)，高于库水位8.46 m～16.16 m。以上说明该地层存在地下分水岭，其高程高于库水位。据物探成果，未发现低电阻率异常区，无连通的岩溶管道。因此不存在库水沿该地层向下游的渗漏问题。

5)奥陶系下统红花园组(O1h)地层向下游邻谷的渗漏问题。

分布于支库中段，出露宽度约160 m，地面高程410 m～651 m，到下游溶溪河水平距离约1.1 km，地下水比降约7‰。岩性为厚层块状灰岩，厚40 m～60 m。底部为厚1.2 m～1.5 m的石英砂岩、顶部与大湾组(O1d)黄绿色页岩分界。据平面地质测绘，地表发育小溶槽、溶隙，未见落水洞、溶洞，未发现暗河或地下岩溶管道。由于该层灰岩夹于石英砂岩和页岩相对隔水层之间，且厚度较小，支库河水到排泄基准面比降小(约8‰)，说明本层地下水活动弱，岩溶不发育，属Ⅱ-1区(中等岩溶发育区)。长观孔库ZK8、库ZK9，新鲜岩体完整，未见溶蚀现象，遇洞率为0。库ZK8投放示踪剂进行连通试验，连续观测半月以上，未发现示踪剂从河流或岸坡流出，说明地下水渗透途径长，与外界连通性差，渗透比降小。库ZK8、库ZK9地下水位高程分别为451.68 m～458.38 m，528.61 m～535.71 m(2017年3月～2020年12月)，因此存在高于库水位的地下水分水岭。据物探，库ZK8位置存在1处相对低阻异常区，推测为溶蚀裂隙及影响区，未发现连通的岩溶管道。因此水库蓄水后不存在库水沿该地层向下游溶溪河的渗漏问题。

6)奥陶系下统大湾组(O1d)地层向下游邻谷的渗漏问题。

分布于坝址左、右坝肩一带，河流总体流向同岩层走向基本一致，岩性为泥灰岩、页岩夹粉砂岩、砂岩，底部夹薄层灰岩。据平面地质测绘、钻孔及声波测试资料，地表未见溶洞等溶蚀现象，岩体溶蚀微弱，属Ⅲ区(非岩溶发育区)，为相对隔水层。因此该地层不存在库水沿坝肩向下游溶溪河的渗漏问题。

4.2 右岸溶溪河库水向下游邻谷的渗漏问题

库尾至邓石溪间的库岸段山体雄伟宽厚，无低邻谷存在，可溶岩受非可溶岩阻隔，且非可溶岩厚度大，特别是龙马溪组(S1ln)泥岩、页岩，厚度大于200 m，封闭条件好，因此该库岸段不存在向右岸山体外的渗漏问题。

邓石溪～右坝肩库岸段为横向河谷，在右坝肩下游垂直溶溪河发育土地堡沟、袁家沟等支沟，沟内常年有水，分别距坝肩约0.9 km，1.7 km。右坝肩地层由大湾组(O1d)和五峰、涧草沟组(O3w+j)、龙马溪组(S1ln)组成，岩性为泥灰岩、泥岩、页岩等，为相对隔水层，属非可溶岩发育区(Ⅲ区)，不存在渗漏问题。宝塔、十字铺组(O2b+sh)岩性为灰岩，厚40 m～70 m，地表发育溶孔、溶隙、溶槽，未发现溶洞、落水洞及贯通性岩溶管道。因此地下水活动弱，岩溶不发育，属Ⅱ-1区(中等岩溶发育区)。常年性泉水点S53出露高程459.18 m，地堡沟灰岩出露最低高程456.01 m，长观孔库ZK6地下水位高程517.78 m～527.73 m，均高于库水位。说明存在远高于库水位的地下水分水岭。物探亦未发现连通的岩溶管道。因此水库蓄水后不存在库水向下游邻谷的渗漏问题。

4.3 大坝坝基及绕坝渗漏

据大坝钻孔水文试验成果，坝基、坝肩风化岩体以中等透水层为主，新鲜岩体以弱透水层为主，存在透水岩层，故存在坝基渗漏和绕坝渗漏问题，需采取防渗帷幕灌浆工程措施。

4.4 水库成库条件评价

水库区由溶溪河主库和茅坡溪支库组成，属岩溶—侵蚀低山地貌，库岸山体高大宽厚，无单薄分水岭及低矮垭口分布，在地形上封闭条件较好。库盆由志留系非可溶岩地层和奥陶系、寒武系可溶岩～非可溶岩地层组成，可溶岩属弱～中等岩溶发育区，地表发育少量洼地、落水洞、溶洞，通过大量平面地质测绘、勘探、物探、示踪试验等证实，可溶岩主要以浅表层风化溶隙、溶孔发育为主，溶蚀作用不强，深部岩溶不发育，不存在大型管道式溶洞或暗河；加之河流为补给型河流，岸坡均存在高于库水位451.50 m的地下水分水岭；通过对大坝坝基、坝肩的防渗帷幕灌浆工程措施，水库库盆封闭性良好，因此蓄水后不存在库水向周边岸坡及左、右坝肩向下游邻谷的渗漏问题。因此水库具备成库条件。

5 结语

评价喀斯特地区水库渗漏问题一直是难题，但只要通过平面地质测绘、勘探、物探、示踪试验等，查明库区基本地质条件、可溶岩和非可溶岩分布范围，可溶岩的地形地貌、地层岩性、溶洞、落水洞、岩溶管道、泉水点等分布位置、高程、规模、流量等，分析岩溶发育特征、岩溶水文地质特征、地下水补径排关系的动态特征及其规律等。在满足条件和对大坝采取防渗工程措施，水库成库是完全可行的。目前水库正在施工，蓄水后应加强库周的监测和巡视。