寨子河水库工程岩溶发育特点与成库条件论证

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，611731)

图1 塞子河水库库区平面示意

1 工程概况

寨子河水库位于四川省万源市太平镇和茶垭乡境内的渠江流域上游后河左岸的一级小支流寨子河上，其开发任务以万源市城区供水和灌溉为主，兼顾乡村人畜饮水。该水库最大坝高102m，坝型为沥青混凝土心墙堆石坝，设计正常蓄水位877.5m，总库容为1190×104m3。工程主要水工建筑物有：拦河大坝、泄洪隧洞、放空隧洞、取水隧洞、输水干渠等。

2 地质概况

水库大坝位于寨子河中游滴水岩处，库区平面上呈“Y”字形，由寨子河水库主库(含羊子河)及右岸深沟河支库组成(见图1)。两支库均回水至羊子河和深沟河两河口上游，回水长度分别为3.2km和2.8km。

库盆及河间地块分布基岩主要为三迭系下统嘉陵江组 (T1j)薄～中层状深灰色微晶灰岩、角砾状灰岩、泥质灰岩、泥灰岩、泥质白云质灰岩、黑色泥(页)岩及透镜状石膏。其中微晶灰岩、角砾状灰岩类约占60%～70%，岩溶中等发育，透水性较强，两岸均有分布；泥质灰岩、泥质白云质灰岩类约占30%～40%，岩溶弱发育，透水性较弱，两岸均有分布；泥灰岩、黑色泥(页)岩等约占3%～5%，岩溶不发育，透水性微弱，可视为相对隔水层。

库区内断裂构造不发育，仅九盘石—巫溪断裂(4)从库区左岸杜家坝南西部平行寨子河通过。受大巴山弧形构造的影响，库区还发育三条次级短轴背斜(BX1～BX3)、两条次级短轴向斜(XX1～XX2)和七条次级小断层(F1～F7)。其中，BX2、BX1次级背斜分别位于寨子河左右岸，与寨子河近于平行展布，构成了左、右岸两大背斜岩溶系统。库区岩层产状变化较大，岩层产状为N12°～42°W/NE或SW∠20°～86°。寨子河、羊子河及蓼叶沟上段岩层走向与河流流向近于平行，均为顺向谷。深沟河、三家沟及蓼叶沟下段岩层走向与河流流向近直交，均为横向谷。

3 岩溶形态特征

3.1 岩溶洼地

主要发育于坝址下游右岸土地坡一带的嘉陵江组薄～中层状深灰色微晶灰岩中，分布高程1025m～1040m，其形态呈沟槽状，洼地四面环山，长轴方向北西向，长约1300m，宽约130m～280m。洼地中大致呈串珠状分布有4个溶蚀漏斗及落水洞，沿BX1背斜轴部发育。

3.2 溶蚀漏斗、落水洞

零星分布在库区左岸大垭口—王家垭口和右岸土地坡等地的洼地中和垭口部位，见有11个，分布高程995m～1200m，地层岩性为嘉陵江组薄～中层状深灰色微晶灰岩、角砾状灰岩及泥质白云质灰岩。漏斗、落水洞上部多呈椭圆锥形，直径一般5m～20m不等，可测深度8m～20m，下部为不规则的裂隙状管道，直径1m～2m，多被粘土夹岩块充填。漏斗、落水洞主要沿BX1、BX2背斜轴部发育，呈串珠状分布。

3.3溶洞

零星分布于库区两岸及杜家坝蓼叶沟右岸，见有10个，一般规模不大，具有成层性，可见有两层，分布高程分别为782m～810m和880m～1020m，高出河水位0～5m和80m～220m。所在地层岩性主要为嘉陵江组薄～中层状深灰色泥质灰岩及泥质白云质灰岩。洞口多呈不规则的圆形、半圆形，一般洞高1m～8m，宽1m～10m，可进深度3m～22m，洞内石钟乳、石幔、石笋等溶洞堆积物一般不发育。溶洞多沿层面和裂隙面发育，发育一定深度后洞径逐渐变小，与较大溶蚀裂隙连通，洞底板大多倾向寨子河或蓼叶沟。库区主要溶洞特征见表1。

表1库区主要溶洞特征

3.4 岩溶泉

库区岩溶泉主要分布在寨子河及杜家坝蓼叶沟右岸，在深沟河、三家沟也有少量泉点出露，见有17个。岩溶含水层主要为嘉陵江组薄～中层状深灰色微晶灰岩、角砾状灰岩及泥质白云质灰岩，尤以微晶灰岩、角砾状灰岩中含水丰富，泉水流量一般0.2L/s～25L/s不等。大多数岩溶泉沿构造线及层面向就近的最低侵蚀基准面排泄，河流切穿碳酸盐岩层时，往往形成“双龙洞”岩溶泉。库区主要岩溶泉统计见表2。

表2库区主要岩溶泉统计

4 岩溶发育特点

4.1 垂向上岩溶发育具有强度分带

如前所述，库区岩溶发育明显形成了左、右岸两大背斜岩溶系统。各岩溶系统所发育的溶洞和岩溶泉在垂向上具有成层性，可见有两层，分布高程分别为782m～860m和880m～1020m，高出河水位0～5m和80m～220m，且分别对应于地壳间歇性上升的地质时期。按分布高程、溶洞发育规模、岩溶泉水流量及补排方式等特征，将库区岩溶发育强度初步分为三个岩溶发育强度带。

(1)中等岩溶发育带：分布高程880m～1020m，高出河水位80m～220m，高于正常蓄水位1.45m～141.45m。落水洞、溶洞及岩溶泉较发育，以竖直岩溶管道与水平溶洞、岩溶泉相接为主，并与大、小不等的溶隙相通，形成多层次结构的岩溶管道系统，且具一定的规模。发育的漏斗、落水洞(如K14、K15、K16、K17、K55、K56、K59、K60等)大多呈竖井状，直径一般5m～25m不等，可探深度6m～20m，补给方式为灌入式。溶洞(如K1、K43、K45、K46、K47、K58等)一般洞高1.5m～7.5m，宽1.5m～4.5m，可进深度3m～5m，见有较大溶洞如K43(洞深约60m)和K58(洞深约100m)。岩溶水径流方式为管道、裂隙型，岩溶泉(如S9、S10、S30、S35、S42、K47等)流量一般0.2L/s～4L/s。

(2)弱岩溶发育带：分布高程782m～860m，高出河水位0～60m，低于正常蓄水位18.55m～96.55m。以发育小型溶洞和岩溶泉为主，溶洞(如K3、K48、K49、K52等)一般洞高1m～2m，宽1m～8m，可进深度2m～3m，大多为干溶洞，最大溶洞如K52(洞深约22m)。岩溶水径流方式主要为裂隙型，岩溶泉(如S23、S25、S26等)流量一般1L/s～7L/s，最大岩溶泉为S26，流量达25L/s。

(3)微岩溶发育带：分布于河床高程780m～850m以下，地表调查库区两岸河水边未见溶洞及泉水点出露，寨子河也未出现断流现象，河水流量稳定。根据区域水文资料，晚近期地壳仍处于上升阶段，河流不断下切，岩溶发育也追随其向深部发展，但岩溶向深部发展的速度小于地壳上升或河流下切的速度。由于溶蚀作用滞后于河流的侵蚀作用，谷底岩溶较地面岩溶发育弱，岩溶多分布于侵蚀基准面以上，发育程度随深度增加而减弱。

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4.2 顺向谷与横向谷岩溶发育存在差异

本区碳酸盐岩系组合特点主要为中—陡倾角的多层结构，各层岩体透水性差异较大，顺层面或构造线方向地下水力联系较好，岩溶发育较强烈，具备发育垂直和水平顺层管道的条件。切层方向地下水力联系差，岩溶发育较弱。寨子河石灰厂以上河段为顺向谷，据右岸公路边8个废弃的防空洞调查，洞内岩溶现象不发育，仅局部洞顶有少量滴水，以下河段为横向谷，调查的5个废弃防空洞，大多数发育有小型溶洞或溶隙，洞顶地下水丰富，呈线状沿溶洞或溶隙排泄，且该河段两岸溶洞分布明显增多，说明横向谷岩溶较顺向谷发育。

5 水库渗漏及成库条件评价

水库区为岩溶高中山峡谷地形，属峡谷型水库。右库岸山体宽厚(宽度大于3km)，左库岸山体相对单薄(宽度1km～1.5km)，两岸坡顶海拔高程均在1000m以上，库盆在地形上封闭条件良好。库盆主要由三迭系下统嘉陵江组 (T1j)碳酸盐岩地层组成，高程880m以上岩溶中等发育，880m以下岩溶弱～微发育。库区内断裂构造不发育，库区为顺向谷。设计根据以上特点，选择坝址及主库区在顺向谷段，控制水库正常蓄水位在877.5m，水库总体上存在封闭条件。

5.1 水库可能渗漏地段分析

通过分析评价，水库蓄水后，因局部地段地形地貌、地层岩性及岩溶发育等的组合，水库可能存在4处渗漏地段。

(1) 水库左岸库尾段向殷家沟的渗漏

殷家沟位于工区南东侧，与寨子河上游羊子河库尾段相距约4.5km～5km。殷家沟总体流向北东至南西向，与羊子河库尾段近于垂直。殷家沟沟底高程720m～850m，低于寨子河水库的正常蓄水位，客观上存在低邻谷问题，邻谷之间沿邱家坪、后槽背斜轴线一带，岩溶洼地、落水洞发育等现象可能形成库水向低邻谷渗漏的条件。经实地调查表明，寨子河水库的库尾羊子河段的雍水高度不大，水位接近天然河水位，库岸有泉水补给河流，没有发现河水被地下水袭夺现象，加之水库左岸的岩层陡立，为顺向谷，并有相对隔水的泥质白云质灰岩、泥灰岩及黑色泥(页)岩分布，根本不可能向殷家沟产生反向渗漏。因此，水库蓄水后，库水向低邻谷殷家沟产生永久渗漏的可能性较小。

(2)水库左岸通过大垭口—王家垭口单薄分水岭向蓼叶沟的渗漏

杜家坝蓼叶沟发源于齐家梁，蓼叶沟上段与寨子河近于平行，其间形成了大垭口—王家垭口单薄分水岭，该段蓼叶沟沟底高程801m～850m，低于寨子河正常蓄水位27.5m～76.5m，为低邻谷。受地形条件、地层岩性、地质构造及水文地质条件控制，单薄分水岭两侧岩溶发育存在明显的差异性，分水岭靠寨子河一侧岸坡地形及岩层均陡立，加之分布有较连续的泥质白云质灰岩、泥灰岩及黑色泥(页)岩等相对隔水层，岩溶不发育，水平溶洞分布较少，且均较短小，出露的泉水点分布高程一般较高(900m～987m)，流量小，寨子河水未发现被异侧地下水袭夺现象，不存在贯穿山脊的贯通性岩溶通道。而靠杜家坝一侧地形及岩层均较缓，岩溶相对较发育，沿层面存在多层次结构的管道、裂隙通道，泉水点也分布较多，不同高程均有分布，高程858m以上泉水暴雨时流量动态变化较大，以下泉水受季节变化小，流量较稳定，说明地下水存在多层次含水层现象。根据王ZK2、王ZK3钻孔资料，分水岭冉垭口一带上部隔水层以下地下水位较低，可能存在地下水低水位区。王家垭口一带地下水位较高，且高于正常蓄水位。因此，水库蓄水后，左岸不存在通过大垭口—王家垭口单薄分水岭向杜家坝蓼叶沟产生管道性渗漏问题，但在冉垭口下游侧可能存在沿背斜轴线产生先切层后顺层向坝址下游厚家垭口渗漏的问题。

(3)水库右岸向玛瑙溪的渗漏

玛瑙溪位于工区北东侧，与寨子河相距约3.5km～4.5km。玛瑙溪由东向西径流，而寨子河由南东向北西径流。玛瑙溪在中游观音庙至何家沟段沟底高程710m～850m，低于水库正常蓄水位877.5m，为低邻谷。通过分析，水库右岸与玛瑙溪低邻谷间不存在低于正常蓄水位的贯通性岩溶通道问题。河间地块由Ⅱ、Ⅲ两期岩溶区组成，不同时期的岩溶区形成了不同的岩溶系统。邓家沟、雪儿坪岩溶区靠分水岭附近的泉水出露高程940m～950m，表明河间地块存在地下水分水岭，且高于正常蓄水位877.5m。磙子坪、苦草堂、土地坡岩溶区多数泉水出露高程947m～1036m，表明寨子河右岸存在高水位区，且高于正常蓄水位877.5m。而诸葛坝洼地地下水主要沿向斜轴部向库内深沟河排泄，深沟河泉水出露高程882m，且向斜轴部向诸葛坝扬起，按保守的水力梯度推算，诸葛坝洼地地下水位应高于877.5m。因此，水库蓄水后，右岸不存在向低邻谷玛瑙溪产生永久渗漏问题。

(4)水库右岸通过土地坡河间地块向三家沟的渗漏

坝址下游约1km处右岸的三家沟，其沟口至诸葛坝沟段为横向沟，与寨子河的流向近于直交，库首段相应三家沟沟底高程780m～852m，低于水库正常蓄水位25.5m～97.5m，为低邻谷。土地坡河间地块在寨子河和三家沟侧发育的水平溶洞，除K43(高程925m)溶洞规模稍大外，其余规模均不大，且短小，寨子河为顺向谷，其河水未发现被异侧地下水袭夺现象，而三家沟为横向谷，在诸葛坝洼地消失的沟水主要沿向斜轴部向深沟河排泄，与库水无关，因此，土地坡河间地块不存在贯通性岩溶通道问题。但寨子河右岸发育的次级背斜轴部横张裂隙发育，张开宽度较大，在岸坡沿该组裂隙见有小型溶洞和岩溶泉水出露，说明右岸河间地块岩溶除顺层发育外，切层也有一定程度的发育，地下水运动形式主要为裂隙流。河间地块周边泉水分布较多，高程大多在1000m以上，靠分水岭地段泉水分布高程1020m～1042m，表明河间地块存在地下水分水岭，且高于正常蓄水位877.5m。因此，水库蓄水后，右岸不存在通过土地坡河间地块向三家沟产生管道性渗漏问题，但可能存在沿背斜横张裂隙产生先切层后顺层渗漏问题。

5.2 水库成库条件评价

综合上述，水库属峡谷型水库，库盆在地形上封闭条件良好，分布的碳酸盐岩地层在高程880m以上岩溶中等发育，880m以下岩溶弱～微发育。库区内断裂构造不发育，库区为顺向谷。水库蓄水后，库水向左岸南部低邻谷殷家沟产生永久渗漏的可能性小，近库左岸不存在通过大垭口—王家垭口单薄分水岭向杜家坝蓼叶沟产生管道性渗漏问题，但可能存在沿背斜横张裂隙产生切层渗漏问题，渗漏量较小，通过防渗帷幕接泥(页)岩、泥灰岩相对隔水层解决渗漏问题基本可行；右岸北部不存在通过多个岩溶系统向低邻谷玛瑙溪产生永久渗漏问题，近库右岸不存在通过土地坡河间地块向三家沟产生管道性渗漏问题，但可能存在沿背斜横张裂隙产生先切层后顺层渗漏问题，渗漏量也较小，右岸帷幕接与正常蓄水位相当的地下水位或接泥质白云质灰岩是可行的。因此，水库基本具备成库条件。

6 结语

岩溶地区建水库至今仍是一个比较困难的事情，但只要通过大量的调查、研究工作，查明其岩溶发育程度、形态特征、以及发育特点，在适当位置，选择合适水位，才具备筑坝成库条件。寨子河水库工程岩溶发育在垂向上具有强度分带、顺向谷与横向谷存在明显差异两大特点。即高程880m以上岩溶中等发育，880m以下岩溶弱～微发育，且横向谷岩溶较顺向谷发育。可研设计阶段，设计选择坝址及主库区在顺向谷段，控制水库正常蓄水位在877.5m是合适的，基本具备水库成库条件。该工程于2012年10月动工兴建，2017年9月开始闸门调试试蓄水。从目前水库蓄水运行情况来看，2018年1月-5月坝体最大沉降量21.9cm，坝下游及周边未见异常出水点，2017年9月坝后量水堰最大渗流量维持在25L/s～29L/s之间。说明前期成库条件论证结论是正确的，设计、施工对防渗帷幕的处理效果是明显的、成功的。