桂林市巖溶區建壩成庫勘察實踐與研究

趙 俐

(桂林市水利電力勘測設計研究院，廣西 桂林 541001)

1 概述

桂林市地處南嶺山脈西段向貴州高原的過渡地帶，境內石灰巖地層分布廣泛，巖層厚大、質地純，巖溶地貌發育較為全面，涵蓋了巖溶地貌的平原和山地地貌1—4級的基本類型。由于灰巖儲存下滲雨水的能力差，徑流變化較大，往往洪災與旱災并存，春夏雨季洪澇災害，秋冬旱情嚴重，通過建壩修庫，合理調蓄地表、地下巖溶水就顯得尤為重要。

轄區巖溶地貌主要為中山、低山及丘陵地貌。中山主要分布在桂林市的北部、西部和中部海洋山等地；低山主要分布在各大山脈的四周，中山、低山總面積占全市面積的一半左右；丘陵多分布于中低山與河流谷地之間；巖溶平原為覆蓋型洼地平原，主要分布于平坦的城鎮周邊。

轄區在晚古生代～中三疊世準地臺階段形成了以淺海相及濱海相可溶碳酸為主的沉積建造單元，巖性主要為灰巖、白云巖、白云質灰巖、泥灰巖、硅質灰巖等。轄區范圍分布廣泛，約占全市總面積的47%左右。

轄區以裸露型巖溶裂隙性潛水及地下暗河水為主，未發現因溶蝕和沖刷形成較大空間聚集地下水而形成的巖溶湖泊水。

巖溶裂隙潛水在弱巖溶化的可溶巖與非可溶巖互層或夾層的地層中，賦存于各種裂隙中，埋藏淺，有的形成懸掛水，動態特征受補給范圍影響，一般動態變化大，空間分布不均勻。

地下暗河主要發育于水力坡降陡的巖溶強烈發育的山區，由強烈差異溶蝕作用形成地下管道，地下水在其中構成暗河或暗河帶，動態變化很大，空間分布極不均勻[1]。

2 巖溶地區水資源特點及開發應用探索

巖溶水是巖溶區主要甚至是唯一的供水水源[2]，目前桂林地區巖溶區主要以打井抽取為主[3]，灰巖區入滲系數大，但由于巖溶通道的發育，儲存入滲雨水的能力差，地表徑流變化較大，造成洪災與旱災并存，成為制約當地經濟發展的主要因素，甚至人畜飲水都成問題。隨著社會的發展，對水資源的需求日益增多，如何有序、可持續開發利用巖溶地區的水資源尤為重要。通過修建擋水建筑物攔蓄地表及地下水，對水資源進行合理調度，是解決洪災與旱災，興利除弊的主要措施。

3 巖溶區主要工程地質問題

巖溶滲漏問題是碳酸鹽地區興建水利水電工程的主要問題，是壩址、壩型選擇的關鍵。在碳酸鹽地區興建水利水電工程，通過工程地質勘察，查清區內的巖溶發育規律、發育程度和水文地質條件，對庫區、壩區的巖溶滲漏問題作出評價[4- 5]。

4 巖溶區建壩成庫勘察實踐與研究

由于桂林市巖溶區分布廣泛，不同地質年代的可溶巖成分含量不同，可溶性差異性明顯。

泥盆系主要成分為白云巖、石灰巖等質地較純的碳酸鹽巖，其含量在90%以上，GaO/MgO≥10，比溶蝕度>1，屬強巖溶化組，富水性強。地表、地下巖溶很發育；巖溶地貌形態典型，正負地形高差大，巖溶洼地密度大于15個/km2，地下巖溶有規模較大的巖溶管道及地下河系。

石炭系地層為碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖的夾層組合形式，其中非碳酸鹽占20%～30%左右，GaO/MgO在1～10間，比溶蝕度<1，由于非碳酸鹽夾層的存在，不同程度地限制了地下水活動或地表水與地下水的轉化，從而使得巖溶發育受到一定影響，屬中等巖溶化組，富水性中等，地表巖溶較發育，巖溶地貌形態典型，正負地形高差小，巖溶洼地密度在5～15個/km2，地下巖溶有規模較小的溶洞、巖溶管道及地下河[6- 7]。

通過針對性勘察，根據地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質及工程地質條件，進行合理選址、適宜的擋水建筑物及防滲處理措施，將有效解決巖溶區水庫及樞紐滲漏問題。

本文結合工程實例，利用周邊非巖溶巖層、深厚第四系覆蓋層作為隔水層及封堵地下巖溶通道蓄水進行論述。

4.1 利用周邊非巖溶巖層作為隔水層

以上桂峽水庫為例。上桂河長約30km，為長江流域湘江支流的主要發源地，在桂林市興安縣高尚鄉與海洋河匯入后稱湘江，流經興安縣即進入史上著名的水利樞紐工程—興安靈渠，靈渠是連接湘江與桂江即長江流域與珠江流域的一條古運河。上桂峽水庫修建于桂林市興安縣高尚鎮上桂河的上桂村段，距興安縣城29km，水庫攔河壩為漿砌石重力壩，最大壩高41.4m，總庫容為2080萬m3。水庫地質圖如圖1所示。

4.1.1工程區地質概況

地形地貌為中低山侵剝蝕及巖溶峰林谷地地貌。前者由泥盆系下統及中統郁江組地層(D1-D2y)細砂巖、粉砂巖及泥巖等非可溶巖弱透水巖層組成；后者為泥盆系東崗嶺及上統地層(D2d-D3灰巖及白云質灰巖，質地純凈，可溶巖，屬巖溶強化組。

圖1 上桂峽水庫地質圖

地質構造有區性斷層白石大斷裂橫穿通過，該斷層走向河流流向垂直，傾向下游，傾角約40°，為接觸性正斷層，擠壓緊密，以斷層為界下盤為砂頁巖，上盤為可溶巖灰巖。

地下水主要有孔隙性、裂隙性潛水及巖溶水，巖溶地下水主要為地下暗河及巖溶裂隙水。

4.1.2工程選址研究

(1)河流概況

上桂河發源于興安縣白石鄉境內海拔高約975m的近峰嶺，流經白石鄉，在高尚鎮與海洋河匯合入湘江，全長約69km。其流經區域基本為可溶巖灰巖區，僅在上桂村河段上游以白石斷裂帶為界，下游以上桂村為界的中下游段約2.5km為砂巖非巖溶區。

(2)灰巖區河段巖溶發育程度及地貌特征

該河段屬泥盆系地層，主要成分為白云巖、石灰巖等質地較純的碳酸鹽巖，屬強巖溶化組，正負地形高差大，巖溶洼地密度大。主要表現為受巖石溶蝕性差異性及白石斷層錯動影響，在建庫河段形成突起峰林谷地。來自上游的河流因地勢突起受阻，后歷經多種地質環境演變，形成地下巖溶通道轉入地下巖溶伏流狀，不見明流，穿過突起峰林谷地后再出露地面，匯集于上桂河村附近河段的特殊巖溶景觀。根據勘察，主要地下河共4條，進口高程在353～427m，出口高程在314～325m，地表、地下巖溶很發育。

(3)砂巖(非巖溶區)河段地貌特征

該段河流為侵剝蝕下切型，為兩岸陡峻的對稱“V”型谷，河床高程在280m左右，兩岸山頂高程500m以上，河床與山頂高差大于100m，砂巖為弱透水層。

(4)壩址、壩型對比選擇

灰巖區地表、地下巖溶很發育，存在較大滲漏問題，正負地形交替變化大，對水工建筑物布置不利。砂巖河岸為陡峻的對稱“V”型谷，便于水工建筑物布置，砂巖為弱透水層，對大壩防滲有利。覆蓋層薄，巖石風化淺，為硬質巖，巖石相對不透水層埋深不大，經論證，采用砌石重力壩。

4.1.3滲漏分析評價

(1)庫盤巖性

構成庫盤下墊面主要有可溶巖灰巖及砂頁巖兩類。灰巖質地純凈，極易形成地下滲漏通道，對水庫形成永久性滲漏，該類巖層約占89%左右；砂頁巖為弱透水，具有隔水性能，該類巖層約占11%左右。

(2)巖性分布特點

上桂峽水庫所處河段河道走向為東西向，區域性斷裂白石大斷裂近于南北走向，與水庫段河流走向基本垂直，地殼運動使該斷層上下盤的錯動形成不同巖性。以該斷層為界，斷層以西至壩址約1km的近壩庫區弱透水隔水巖層砂頁巖組成，盡管該區域僅占庫區的11%左右，但由于其位于壩址及近壩庫區，其形成的隔水巖層，徹底阻斷了可溶巖灰巖順河向的巖溶滲漏通道，為修壩建庫蓄水提供良好的天然隔水屏障。

斷層以東至庫尾為可溶巖灰巖組成，約占庫盤的89%左右，水庫處于由碳酸鹽巖組成的北東向狹長形峰林谷地中，峰頂高程500～700m，東西寬4～6km，南北長20km，谷地內各種巖溶形態比比皆是，正負地形交替變化大。

(3)地形地貌、地層條件

水庫正常蓄水高程為350m，而庫周分水嶺高程在700～1000m左右，最低處位于F2處，高程為470m，分水嶺高程遠高于庫水位，水庫水面邊界也遠離分水嶺，均在5km以上；同時，水庫集水區分水嶺及壩址區為泥盆系下統(D1)及泥盆系中統郁江組(D2y)的砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖及頁巖為主的弱透水巖層組成，將可溶巖灰巖形成包圍之勢，巖溶及地下暗河發育在集水區域內，周邊弱透水砂頁巖阻斷了灰巖對外滲漏通道。

(4)地質構造條件

地區性斷層白石大斷裂從壩址上游1km庫區處橫穿通過，該斷層走向垂直河流流向，傾向上游游，庫區處傾角約40°，為接觸性正斷層，擠壓緊密，根據其傾角延伸至壩軸線，斷層的埋深已達850m左右，即壩址處隔水巖層厚達850m左右，不存在繞過大壩沿該斷層形成滲漏的可能性。

(5)滲漏分析評價及結論

通過區域及水文地質調查分析，合理選址，避開可溶巖灰巖區，利用非可溶巖的弱透水性能建壩，有效地解決了庫區及大壩滲漏問題。

4.2 利用深厚覆蓋層作為隔水層建庫修壩

以金雞河水庫為例。水庫位于桂林市永福縣羅錦鎮的金雞河上，屬珠江流域上的小支流，樞紐距桂林市69km，水庫攔河壩為均質土壩，最大壩高20.4m，總庫容為3095萬m3。水庫地質圖如圖2所示。

4.2.1工程區工程地質條件

(1)地形地貌

樞紐區上游河段屬侵蝕剝蝕中低山地貌，溝谷縱橫，河流多為下切型的“V”型谷，下游段進入第四系沖積區，地形變為低矮丘陵為主，河床坡度變緩，河流逐漸演變為淤積性，為低矮“U”型谷。

(2)地層巖性

第四系全新統(Qh)：砂卵石及含卵礫粉質粘土，弱透水層。

石炭系下統巖關階(C1y)：為泥炭質頁巖、泥質灰巖及砂質泥巖，可溶巖與非可溶巖互層，屬巖溶弱化組。

泥盆系上統融縣組(D3r)：厚層狀灰巖夾白云巖，質地純凈，可溶巖，屬巖溶強化組。

泥盆系中統東崗嶺組(D2d)：白云巖夾灰巖，質地純凈，可溶巖，屬巖溶強化組。

泥盆系中統郁江組(D2y)：以石砂巖、粉砂巖及泥頁巖為主，非可溶巖，弱透水巖層。

(3)地質構造

受區域性大斷裂桂林～來賓斷褶帶影響，次一級的構造主要表現為緊密復式線狀褶皺較為發育并伴有次生斷層發育。

4.2.2工程選址研究

(1)河流概況

主河道河長24km，河流發源地地形較陡，屬侵蝕剝蝕中低山地貌，河流坡降在15.0‰以上。下游段河流為堆積型，河床坡降在1‰～2‰左右，其流經區域為可溶巖灰巖區。

(2)灰巖區河段巖溶發育程度及地貌特征

泥盆系中統東崗嶺(D2d)及上統容縣組(D3r)地層，主要成分為白云巖、石灰巖等質地較純的碳酸鹽巖，屬強巖溶化組，正負地形高差大，巖溶洼地密度大。加之受區域性大斷裂影響，次一級的構造主要表現為緊密復式線狀褶皺較為發育，在褶皺形成過程中產生大量張裂縫，加劇了地表水與地下水的循環交替，巖溶發育程度高，泉眼出露較多。

(3)壩址、壩型對比選擇

主河道成庫蓄水條件差，不適宜建壩修庫。下游段兩岸為平緩的溶蝕盆地，成庫蓄水條件較好。由于下游區為堆積型河流，廣泛分布厚度達20m的沖洪積層，為弱透水層，可充分利用其隔水性，而其工程力學特性適宜修建土石壩。

圖2 金雞河水庫地質圖

4.2.3滲漏分析評價

(1)庫盤巖性

構成庫盤下墊面主要為泥盆系中統融縣組(D3r)地層，占90%，其次為泥盆系東崗嶺組(D2d)地層，占10%，二者均為可溶巖灰巖，質地純凈，屬巖溶強化組，極易形成地下滲漏通道，對水庫形成永久性滲漏。

(2)地形地貌條件

水庫正常蓄水高程為188.5m，而庫周分水嶺高程在200～500m左右，分水嶺高程高于庫水位，地形上不存在低矮臨谷滲漏問題。

(3)地質構造條件

庫區位于復式線狀褶皺的向斜區，有利于地表及地下水的匯集，但受區域性斷層影響，沿庫區有一條順河斷層發育，存在斷層滲漏可能。

(4)滲漏分析評價及結論

庫區下墊面基巖及庫周主要為泥盆系上統融縣組(D3r)巖層，屬厚層狀灰巖夾白云巖等質地較純的碳酸鹽巖，質地純凈，屬巖溶強化組，具備強巖溶發育地層條件。根據壩址鉆探共有8個鉆孔進入基巖，其中有4個遇有溶洞，洞遇率為50%，共鉆進基巖進尺80.4m，溶洞為24.6m，線遇率為30.6%，說明巖溶較發育，與其巖溶強化組巖層特性吻合。

但鉆探揭露溶洞基本為粘土充填，溶洞內注水試驗滲透系數k為10-5cm/s量級，說明溶洞與外界水力聯系較小。分析認為與建庫河段坡降平緩，為堆積型河段，水力梯度較小，河床基巖面基本為巖溶地下水的最低基準排泄面相，表明巖溶發育明顯早于河流改造穩定形成期，且在河流改造過程中多數溶洞被充填，上部覆蓋層起到良好鋪蓋防滲作用[8]。

工程區地區地震活躍期為華力西旋回，其控制性斷層均在該階段形成，華力西旋回的廣西柳江運動(發生于晚泥盆、早石炭系)構成沉積建造以后，該地區地殼逐漸趨于穩定，自此之后區內斷層未復活過，因此，工程區無活動性及發震斷裂存在，區域穩定性良好。庫區順河斷層被上部深厚覆蓋層覆蓋，其弱透水性切斷了庫區沿斷層的滲漏可能性。

綜合分析，庫區無低矮臨谷、巖溶及斷層滲漏問題，蓄水條件良好。

4.3 封堵地下巖溶通道，地下巖溶與溶蝕盆地聯合成庫[8]

以弄巖水庫為例。水庫位于廣西桂林市全州縣白寶鄉，樞紐位于廣西與湖南交界處，距全州縣城約30km。是一座通過封堵地下巖溶通道，與地表溶蝕盆地聯合成庫的中型水庫，庫容約為3785萬m3。水庫地質圖如圖3所示。

4.3.1工程區工程地質條件

工程區屬半裸露型巖溶山地，地貌形態屬低山峰林洼地丘陵，正負地形交替出現，巖溶微地貌及地下巖溶通道發育。地層主要為上泥盆系上統(D3)及石炭系下統(C1)的淺海碳酸鹽巖相，次之海陸交互相碎屑沉積。構造上屬向斜褶皺區，以壓扭性斷層為主[4]。

4.3.2工程選址研究

(1)河流概況

弄巖水庫屬發源于廣西境內湘江源頭的一條山澗支流，在白寶鄉與湖南交界處因地勢突起轉為長約5km的地下巖溶暗河，在湖南匯入湘江。

(2)巖性及巖溶發育程度與特征

泥盆系上統錫礦山組下段(D3x1)主要成分為白云巖、石灰巖等質地較純的碳酸巖屬強巖溶化組，富水性強，溶洼地密度較大，有規模較大的巖溶管道及地下河系。

泥盆系上統錫礦山組上段(D3x2)、佘田橋組(D3s)及石炭系下統巖關組(C1y)為碳酸巖與砂巖的夾層組合形式，其中砂巖夾層占25%左右，夾層不同程度地限制了地下水的活動或地表水與地下水的轉化，使得巖溶的發育受到一定影響，屬中等巖溶化組，富水性中等，一般發育規模較小的溶洞、巖溶管道及地下河。

區域為向斜構造，在向斜形成過程中巖層擠壓產生張性裂縫，為地表水與地下水的循環交替提供了流動間隙；同時F4、F5斷層的發育也控制了巖溶發育的強度、方向及格局[3]。

在各種地質條件作用下，該區巖溶發育表現上游為溶蝕盆地，下游受阻沿F5斷層轉入地下暗河，在巖溶地下河的流經段，在斷裂帶之上或斷裂帶附近，分布有許多溶落水洞或巖溶漏斗。

(3)建庫地質條件分析

該區總體地勢為西南高東北低，在上游為喀斯特溶蝕盆地，底高程為430m左右，下游一帶最低高程為510m左右，因此，上游為最小深度達90m左右的溶蝕盆地，形成天然地表庫盆。

圖3 弄巖水庫地質圖

地下巖溶暗河自上游入口至弄巖落水洞段沿斷層發育有串珠、群落狀落水洞或漏斗，在地下形成相互連通的管網狀巖溶通道，而弄巖落水洞以下匯集成集中巖溶通道，且為該區域的最低巖溶基準排泄面，兩側有較高的地下水分水嶺，巖溶通道發育未延至兩側地下分水嶺，巖溶水動力學屬補給型，不存在巖溶水向臨谷滲漏問題。

該水庫正常蓄水位500m高程對應的地下巖溶庫容約為805.0萬m3左右，對應地表庫容為3056.0萬m3，總庫容為3862.0萬m3，地下巖溶庫容占總庫容的20.9%左右，可有效減少淹沒面積。

5 結語

庫區及樞紐滲漏問題是巖溶區水庫主要水文地質問題，關乎能否建壩修庫安全蓄水，論文結合上桂峽、金雞河及弄巖三水庫實例，通過針對性的勘察，根據不同水文及工程地質條件，進行合理選址、適宜的擋水建筑物及防滲處理措施，利用天然條件，有效解決巖溶區水庫及樞紐滲漏問題，對類似工程具有借鑒意義。在勘察過程中，受條件所限，沒有對物探工作進行相應的指導，在勘察過程中走了不少彎路，建議在巖溶區勘察工作中結合物探進行全面勘察工作，高效、高質、低成本完成工程項目勘察。