基于鉆孔遇洞率和溶蝕率的水庫分水嶺滲透問題分析研究

張志勇

（臨沂市水利水電工程建設監理中心，山東 臨沂 276000）

0 引言

巖溶強烈地區巖石往往存在較多落水洞、溶蝕、溶孔以及地下暗河等，從而導致水庫工程建設中滲漏問題十分突出[1～3]。不同于一般巖體具有穩定的透水系數，巖溶地區巖體由于存在較多不確定性的孔、洞等滲透通道，如何正確認識其滲透規律是一個難題[4]。目前，關于巖溶地區滲透問題的研究成果較為豐富，大多是基于地表地質測繪、鉆探和物探手段的驗證推斷[5～8]。本文通過對水庫巖溶地區鉆孔遇洞率和溶蝕率的統計分析，提出了巖溶地區水庫滲透問題的新的研究方式。

1 工程概況

某抽水蓄能電站上水庫壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高64 m，正常蓄水位171.8 m，總庫容1804 萬m3。巖溶滲漏問題是本工程重點研究的工程地質問題，除副壩地段外，地形封閉條件較好。其中左岸分水嶺位于上庫區南側，分水嶺山脊在完成可行性研究之前共布置了7 個勘探鉆孔，其中ZK211孔水位低于水庫正常蓄水位，約為160 m，致使沿左岸分水嶺是否存在水庫滲漏成為尚待查明的工程地質問題。

為進一步分析研究左岸分水嶺庫水外滲的可能性。圍繞ZK211 孔布置了4 個鉆孔，同時開展地表地質調查工作和物探測試工作；對鉆孔水位進行觀測，發現ZK290、ZK291兩孔水位也低于水庫正常蓄水位，初步判斷存在庫水外滲問題。在左岸分水嶺開展了5斜4直共計9孔（ZK307～ZK315）的鉆探工作，并進行了相應的物探測試。從鉆孔水位資料看，有ZK211、ZK308、ZK313等8個孔的水位低于上水庫正常蓄水位，ZK211 孔附近發現了寬約110 m的地下水凹槽。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

左岸分水嶺位于上水庫西南岸，分水嶺長約1.2 km，水庫正常蓄水位寬度約350 m。左岸溝總體近南北向，溝尾轉向東延伸，主溝底高程128～175 m，為“V”型短淺溝谷。分水嶺北段走向近南北，山頂高程210～235 m，西側發育韭菜洼深切沖溝；分水嶺南段走向近東西，峰頂高程255 m左右，西側的龍王寺、黃洼溝與左岸溝形成對頂溝，溝谷方向與巖層走向基本一致。水庫正常蓄水位高程山體厚度約350 m。分水嶺兩側坡角基本一致，為15°～25°。基巖多裸露，植被較好。

2.2 地層巖性

研究區主要出露的地層為車水桶組（∈3C）及上寒武統瑯琊山組（∈3Ln），其次為燕山期侵入的閃長玢巖巖脈（見圖1）。

（1）車水桶組（∈3C）。灰色薄層與中厚層條帶灰巖互層，夾中厚層灰巖，層厚約68 m。

（2）崖山組（∈3Ln）。下段∈3Ln1：灰黑色薄層條帶灰巖為主，一般單層厚度1～3 cm，其中夾有中厚層泥質條帶或硅質條帶灰巖和極薄層灰巖（單層厚度小于1 cm），部分層段巖石碳質化。地層厚60～90 m。

（3）石英閃長玢巖巖脈（δμ）。燕山早中期侵入巖，分水嶺段多沿近EW、NW 向斷層或局部沿張性裂隙面呈巖脈侵入，厚度不定亦不規則，斷續延伸。

2.3 地質構造

左岸分水嶺位于一處緊閉褶皺區，向斜從分水嶺鞍部通過（見圖1）。背、向斜軸線走向為NE45°左右，與分水嶺大角度相交，巖層傾角均在70°以上，擠壓緊密，局部出現倒轉。緊密褶皺和斷裂構成了該區的主要構造骨架。裂隙以順層裂隙發育為主，NW向裂隙次之。

2.4 巖溶發育特征

巖溶發育特征主要受控于灰巖巖性、斷裂構造的切割以及地下水的排泄條件等因素。左岸分水嶺地帶巖溶發育區均在車水桶地層內，其內側主要發育有巖溶小區。地表主要表現為零星分布的落水洞、沿斷層的強溶蝕帶、沿裂隙的溶隙、沿陡傾層面走向的密集溶蝕溝、縫、小的天生橋等，落水洞直徑一般小于2 m，伴有坍塌現象，從地表巖溶發育情況來看，分水嶺范圍內車水桶組巖溶發育程度屬中等偏弱。瑯琊山組（∈3Ln）條帶狀灰巖巖溶不甚發育。

圖1 研究區工程地質平面圖

3 水文地質條件及分析

該區地下水主要為基巖裂隙水、基巖巖溶水及第四系孔隙水。地下水主要接受大氣降水補給，以泉水及地表徑流的形式排向分水嶺兩側。分水嶺段具有兩種不同類型的水文地質單元，即以車水桶組∈3C厚層灰巖組成的巖溶發育的水文地質單元和以瑯琊山組∈3Ln 條帶灰巖組成的弱巖溶發育的水文地質單元。基巖巖溶水主要賦存于該區∈3C地層中。左岸分水嶺段巖溶相對發育，鉆孔、物探測試均有巖溶發育，且ZK211、ZK308、ZK312 等鉆孔水位低于水庫正常蓄水位約8～24 m（見表1）。

表1 左岸分水嶺鉆孔地下水位觀測資料統計表

孔號 最低水位/m水位 觀測日期最高水位/m水位 觀測日期水位最大變幅/m ZK292 ZK293 ZK294 ZK307 ZK308 ZK310 ZK311 ZK312 ZK313 ZK314 ZK315 ZK316 ZK317 ZK318 ZK319 ZK320 ZK321 ZK322 215.81 170.99 187.18 160.51 158.79 176.40 198.83 157.66 146.53 155.22 173.10 167.90 172.50 182.40 176.53 167.74 160.20 173.30 2003-06-10 2002-09-20 2002-08-10 2003-01-15 2003-01-15 2003-01-15 2003-01-15 2002-12-06 2003-01-20 2003-12-30 2003-01-20 2003-06-22 2003-07-24 2003-07-23 2003-07-24 2003-07-19 2003-09-07 2003-09-03 226.81 180.14 201.38 197.66 161.34 220.67 208.99 158.84 148.34 159.12 175.80 169.40 181.80 186.59 190.05 168.20 168.20 174.80 2003-6-20 2002-10-20 2003-6-30 2002-11-30 2002-11-16 2003-01-02 2003-01-12 2003-01-10 2002-12-19 2003-12-20 2003-01-01 2003-06-18 2003-06-27 2003-07-28 2003-07-05 2003-07-18 2003-09-04 2003-08-28 11.00 9.15 14.20 37.15 2.55 44.27 10.16 1.18 1.81 3.90 2.70 1.50 9.30 4.19 13.52 0.46 8.00 1.50

從分水嶺內外側多處永久泉、間歇泉分布出露高程分析（見表2），表明存在地下水分水嶺，部分地段地下水分水嶺高程低于正常蓄水位。但從剖面分析，在168 m高程以上，不存在地下水分水嶺。

表2 左岸分水嶺主要泉水特征表

4 基于遇洞率和溶蝕率的滲透分析

對左岸分水嶺進行了充分的地質勘察工作，包括地表地質測繪、鉆探、槽探、物探，取得了較多的地質資料，通過對已有地質資料的綜合分析研究，對左岸分水嶺滲漏做出如下初步分析。

4.1 巖溶發育規律

左岸分水嶺位于城西水庫和紅花橋水庫之間的河間地塊上，紅花橋水庫正常蓄水位高程50～60 m，城西水庫正常蓄水位高程約30 m，地形地貌上具有巖溶發育的條件；巖性上，該分水嶺與副壩處于同一套地層上，為車水桶組厚層灰巖，巖性上為可溶巖，具備巖溶發育的巖性條件；構造上，向斜貫穿副壩、左岸分水嶺，從分水嶺鞍部通過，具備巖溶發育的構造條件。

4.2 鉆孔遇洞率及溶蝕率

根據左岸分水嶺車水桶組地層31 個鉆孔的巖溶遇洞率和溶蝕率統計資料（見圖2、圖3），遇洞率在75 m 高程附近發生突變，溶蝕率在90 m 高程左右發生突變。

為了對左岸分水嶺巖溶發育深度有進一步的了解，對左岸和副壩區的鉆孔巖溶遇洞率和溶蝕率作了對比，發現副壩區的鉆孔巖溶遇洞率和溶蝕率均在80 m高程發生突變，與左岸分水嶺的鉆孔統計結果基本一致。

圖2 左岸分水嶺鉆孔遇洞率統計圖

圖3 左岸分水嶺鉆孔溶蝕率統計圖

4.3 物探資料對比

對左岸分水嶺進行鉆孔勘探的同時，還進行了鉆孔CT、高密度電法、地震映象、EH-4電導率成像等物探測試工作。在分水嶺庫內外兩側，物探結果表明地表及地下均有巖溶、溶蝕現象，如物探電密度及地震影象均表明：在W9 測線樁號156～160 m，地表高程160 m 處、地下高程135 m 處均有低阻異常 區；ZK211—ZK27—ZK238 及ZK27—ZK212—ZK213—ZK214 孔間CT 測試也有順層向分布的異常帶，推測可能為巖溶發育；ZK290—ZK292、ZK291—ZK292、ZK293—ZK294、ZK313—ZK314 孔 間CT測試表明高程100 m 以下有異常帶，如ZK290—ZK292 間在50 m 高程左右、ZK313—ZK314 間在60 m 高程左右均有異常，推測可能為巖溶發育。物探EH-4巖溶探測表明在高程-10～-40 m、0～50 m、80 m、130～150 m 附近存在低阻異常區，推測為斷層或溶蝕異常，鉆孔驗證表明異常區為閃長玢巖蝕變帶或斷層破碎帶，雖不是溶洞，但透水率偏大，如鉆孔ZK214加深前長期觀測最低水位為186.6 m，加深穿過異常區后水位變為176.4 m，是否存在雙層水位，有待長期觀測資料證實。

5 結論

本文通過對某水庫左岸分水嶺的工程地質測繪、鉆孔水文地質勘探和物探測試，從巖溶發育特征、鉆孔遇洞率和溶蝕率等方面初步查明了左岸分水嶺的滲漏問題，主要結論如下：

（1）左岸分水嶺地段車水桶組地層內存在類似副壩區巖溶，并存在庫水巖溶性滲漏問題。

（2）左岸分水嶺車水桶組地層31 個鉆孔的巖溶遇洞率和溶蝕率統計資料看，遇洞率在75 m高程附近發生突變，溶蝕率在90 m 高程左右發生突變，從物探資料相互驗證發現結論基本一致。

（3）從目前的長觀孔水位資料看，F39～F11斷層段的地下水位高于水庫正常蓄水位，目前暫不考慮進行防滲處理。考慮到巖溶發育的復雜性，待同位素示蹤實驗、灌漿洞施工后，綜合分析示蹤實驗、鉆孔、灌漿洞等資料后，再確定是否防滲及防滲方案。