桂林市岩溶区建坝成库勘察实践与研究

赵 俐

(桂林市水利电力勘测设计研究院，广西 桂林 541001)

1 概述

桂林市地处南岭山脉西段向贵州高原的过渡地带，境内石灰岩地层分布广泛，岩层厚大、质地纯，岩溶地貌发育较为全面，涵盖了岩溶地貌的平原和山地地貌1—4级的基本类型。由于灰岩储存下渗雨水的能力差，径流变化较大，往往洪灾与旱灾并存，春夏雨季洪涝灾害，秋冬旱情严重，通过建坝修库，合理调蓄地表、地下岩溶水就显得尤为重要。

辖区岩溶地貌主要为中山、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脉的四周，中山、低山总面积占全市面积的一半左右；丘陵多分布于中低山与河流谷地之间；岩溶平原为覆盖型洼地平原，主要分布于平坦的城镇周边。

辖区在晚古生代～中三叠世准地台阶段形成了以浅海相及滨海相可溶碳酸为主的沉积建造单元，岩性主要为灰岩、白云岩、白云质灰岩、泥灰岩、硅质灰岩等。辖区范围分布广泛，约占全市总面积的47%左右。

辖区以裸露型岩溶裂隙性潜水及地下暗河水为主，未发现因溶蚀和冲刷形成较大空间聚集地下水而形成的岩溶湖泊水。

岩溶裂隙潜水在弱岩溶化的可溶岩与非可溶岩互层或夹层的地层中，赋存于各种裂隙中，埋藏浅，有的形成悬挂水，动态特征受补给范围影响，一般动态变化大，空间分布不均匀。

地下暗河主要发育于水力坡降陡的岩溶强烈发育的山区，由强烈差异溶蚀作用形成地下管道，地下水在其中构成暗河或暗河带，动态变化很大，空间分布极不均匀[1]。

2 岩溶地区水资源特点及开发应用探索

岩溶水是岩溶区主要甚至是唯一的供水水源[2]，目前桂林地区岩溶区主要以打井抽取为主[3]，灰岩区入渗系数大，但由于岩溶通道的发育，储存入渗雨水的能力差，地表径流变化较大，造成洪灾与旱灾并存，成为制约当地经济发展的主要因素，甚至人畜饮水都成问题。随着社会的发展，对水资源的需求日益增多，如何有序、可持续开发利用岩溶地区的水资源尤为重要。通过修建挡水建筑物拦蓄地表及地下水，对水资源进行合理调度，是解决洪灾与旱灾，兴利除弊的主要措施。

3 岩溶区主要工程地质问题

岩溶渗漏问题是碳酸盐地区兴建水利水电工程的主要问题，是坝址、坝型选择的关键。在碳酸盐地区兴建水利水电工程，通过工程地质勘察，查清区内的岩溶发育规律、发育程度和水文地质条件，对库区、坝区的岩溶渗漏问题作出评价[4- 5]。

4 岩溶区建坝成库勘察实践与研究

由于桂林市岩溶区分布广泛，不同地质年代的可溶岩成分含量不同，可溶性差异性明显。

泥盆系主要成分为白云岩、石灰岩等质地较纯的碳酸盐岩，其含量在90%以上，GaO/MgO≥10，比溶蚀度>1，属强岩溶化组，富水性强。地表、地下岩溶很发育；岩溶地貌形态典型，正负地形高差大，岩溶洼地密度大于15个/km2，地下岩溶有规模较大的岩溶管道及地下河系。

石炭系地层为碳酸盐岩与非碳酸盐岩的夹层组合形式，其中非碳酸盐占20%～30%左右，GaO/MgO在1～10间，比溶蚀度<1，由于非碳酸盐夹层的存在，不同程度地限制了地下水活动或地表水与地下水的转化，从而使得岩溶发育受到一定影响，属中等岩溶化组，富水性中等，地表岩溶较发育，岩溶地貌形态典型，正负地形高差小，岩溶洼地密度在5～15个/km2，地下岩溶有规模较小的溶洞、岩溶管道及地下河[6- 7]。

通过针对性勘察，根据地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质及工程地质条件，进行合理选址、适宜的挡水建筑物及防渗处理措施，将有效解决岩溶区水库及枢纽渗漏问题。

本文结合工程实例，利用周边非岩溶岩层、深厚第四系覆盖层作为隔水层及封堵地下岩溶通道蓄水进行论述。

4.1 利用周边非岩溶岩层作为隔水层

以上桂峡水库为例。上桂河长约30km，为长江流域湘江支流的主要发源地，在桂林市兴安县高尚乡与海洋河汇入后称湘江，流经兴安县即进入史上著名的水利枢纽工程—兴安灵渠，灵渠是连接湘江与桂江即长江流域与珠江流域的一条古运河。上桂峡水库修建于桂林市兴安县高尚镇上桂河的上桂村段，距兴安县城29km，水库拦河坝为浆砌石重力坝，最大坝高41.4m，总库容为2080万m3。水库地质图如图1所示。

4.1.1工程区地质概况

地形地貌为中低山侵剥蚀及岩溶峰林谷地地貌。前者由泥盆系下统及中统郁江组地层(D1-D2y)细砂岩、粉砂岩及泥岩等非可溶岩弱透水岩层组成；后者为泥盆系东岗岭及上统地层(D2d-D3灰岩及白云质灰岩，质地纯净，可溶岩，属岩溶强化组。

图1 上桂峡水库地质图

地质构造有区性断层白石大断裂横穿通过，该断层走向河流流向垂直，倾向下游，倾角约40°，为接触性正断层，挤压紧密，以断层为界下盘为砂页岩，上盘为可溶岩灰岩。

地下水主要有孔隙性、裂隙性潜水及岩溶水，岩溶地下水主要为地下暗河及岩溶裂隙水。

4.1.2工程选址研究

(1)河流概况

上桂河发源于兴安县白石乡境内海拔高约975m的近峰岭，流经白石乡，在高尚镇与海洋河汇合入湘江，全长约69km。其流经区域基本为可溶岩灰岩区，仅在上桂村河段上游以白石断裂带为界，下游以上桂村为界的中下游段约2.5km为砂岩非岩溶区。

(2)灰岩区河段岩溶发育程度及地貌特征

该河段属泥盆系地层，主要成分为白云岩、石灰岩等质地较纯的碳酸盐岩，属强岩溶化组，正负地形高差大，岩溶洼地密度大。主要表现为受岩石溶蚀性差异性及白石断层错动影响，在建库河段形成突起峰林谷地。来自上游的河流因地势突起受阻，后历经多种地质环境演变，形成地下岩溶通道转入地下岩溶伏流状，不见明流，穿过突起峰林谷地后再出露地面，汇集于上桂河村附近河段的特殊岩溶景观。根据勘察，主要地下河共4条，进口高程在353～427m，出口高程在314～325m，地表、地下岩溶很发育。

(3)砂岩(非岩溶区)河段地貌特征

该段河流为侵剥蚀下切型，为两岸陡峻的对称“V”型谷，河床高程在280m左右，两岸山顶高程500m以上，河床与山顶高差大于100m，砂岩为弱透水层。

(4)坝址、坝型对比选择

灰岩区地表、地下岩溶很发育，存在较大渗漏问题，正负地形交替变化大，对水工建筑物布置不利。砂岩河岸为陡峻的对称“V”型谷，便于水工建筑物布置，砂岩为弱透水层，对大坝防渗有利。覆盖层薄，岩石风化浅，为硬质岩，岩石相对不透水层埋深不大，经论证，采用砌石重力坝。

4.1.3渗漏分析评价

(1)库盘岩性

构成库盘下垫面主要有可溶岩灰岩及砂页岩两类。灰岩质地纯净，极易形成地下渗漏通道，对水库形成永久性渗漏，该类岩层约占89%左右；砂页岩为弱透水，具有隔水性能，该类岩层约占11%左右。

(2)岩性分布特点

上桂峡水库所处河段河道走向为东西向，区域性断裂白石大断裂近于南北走向，与水库段河流走向基本垂直，地壳运动使该断层上下盘的错动形成不同岩性。以该断层为界，断层以西至坝址约1km的近坝库区弱透水隔水岩层砂页岩组成，尽管该区域仅占库区的11%左右，但由于其位于坝址及近坝库区，其形成的隔水岩层，彻底阻断了可溶岩灰岩顺河向的岩溶渗漏通道，为修坝建库蓄水提供良好的天然隔水屏障。

断层以东至库尾为可溶岩灰岩组成，约占库盘的89%左右，水库处于由碳酸盐岩组成的北东向狭长形峰林谷地中，峰顶高程500～700m，东西宽4～6km，南北长20km，谷地内各种岩溶形态比比皆是，正负地形交替变化大。

(3)地形地貌、地层条件

水库正常蓄水高程为350m，而库周分水岭高程在700～1000m左右，最低处位于F2处，高程为470m，分水岭高程远高于库水位，水库水面边界也远离分水岭，均在5km以上；同时，水库集水区分水岭及坝址区为泥盆系下统(D1)及泥盆系中统郁江组(D2y)的砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩及页岩为主的弱透水岩层组成，将可溶岩灰岩形成包围之势，岩溶及地下暗河发育在集水区域内，周边弱透水砂页岩阻断了灰岩对外渗漏通道。

(4)地质构造条件

地区性断层白石大断裂从坝址上游1km库区处横穿通过，该断层走向垂直河流流向，倾向上游游，库区处倾角约40°，为接触性正断层，挤压紧密，根据其倾角延伸至坝轴线，断层的埋深已达850m左右，即坝址处隔水岩层厚达850m左右，不存在绕过大坝沿该断层形成渗漏的可能性。

(5)渗漏分析评价及结论

通过区域及水文地质调查分析，合理选址，避开可溶岩灰岩区，利用非可溶岩的弱透水性能建坝，有效地解决了库区及大坝渗漏问题。

4.2 利用深厚覆盖层作为隔水层建库修坝

以金鸡河水库为例。水库位于桂林市永福县罗锦镇的金鸡河上，属珠江流域上的小支流，枢纽距桂林市69km，水库拦河坝为均质土坝，最大坝高20.4m，总库容为3095万m3。水库地质图如图2所示。

4.2.1工程区工程地质条件

(1)地形地貌

枢纽区上游河段属侵蚀剥蚀中低山地貌，沟谷纵横，河流多为下切型的“V”型谷，下游段进入第四系冲积区，地形变为低矮丘陵为主，河床坡度变缓，河流逐渐演变为淤积性，为低矮“U”型谷。

(2)地层岩性

第四系全新统(Qh)：砂卵石及含卵砾粉质粘土，弱透水层。

石炭系下统岩关阶(C1y)：为泥炭质页岩、泥质灰岩及砂质泥岩，可溶岩与非可溶岩互层，属岩溶弱化组。

泥盆系上统融县组(D3r)：厚层状灰岩夹白云岩，质地纯净，可溶岩，属岩溶强化组。

泥盆系中统东岗岭组(D2d)：白云岩夹灰岩，质地纯净，可溶岩，属岩溶强化组。

泥盆系中统郁江组(D2y)：以石砂岩、粉砂岩及泥页岩为主，非可溶岩，弱透水岩层。

(3)地质构造

受区域性大断裂桂林～来宾断褶带影响，次一级的构造主要表现为紧密复式线状褶皱较为发育并伴有次生断层发育。

4.2.2工程选址研究

(1)河流概况

主河道河长24km，河流发源地地形较陡，属侵蚀剥蚀中低山地貌，河流坡降在15.0‰以上。下游段河流为堆积型，河床坡降在1‰～2‰左右，其流经区域为可溶岩灰岩区。

(2)灰岩区河段岩溶发育程度及地貌特征

泥盆系中统东岗岭(D2d)及上统容县组(D3r)地层，主要成分为白云岩、石灰岩等质地较纯的碳酸盐岩，属强岩溶化组，正负地形高差大，岩溶洼地密度大。加之受区域性大断裂影响，次一级的构造主要表现为紧密复式线状褶皱较为发育，在褶皱形成过程中产生大量张裂缝，加剧了地表水与地下水的循环交替，岩溶发育程度高，泉眼出露较多。

(3)坝址、坝型对比选择

主河道成库蓄水条件差，不适宜建坝修库。下游段两岸为平缓的溶蚀盆地，成库蓄水条件较好。由于下游区为堆积型河流，广泛分布厚度达20m的冲洪积层，为弱透水层，可充分利用其隔水性，而其工程力学特性适宜修建土石坝。

图2 金鸡河水库地质图

4.2.3渗漏分析评价

(1)库盘岩性

构成库盘下垫面主要为泥盆系中统融县组(D3r)地层，占90%，其次为泥盆系东岗岭组(D2d)地层，占10%，二者均为可溶岩灰岩，质地纯净，属岩溶强化组，极易形成地下渗漏通道，对水库形成永久性渗漏。

(2)地形地貌条件

水库正常蓄水高程为188.5m，而库周分水岭高程在200～500m左右，分水岭高程高于库水位，地形上不存在低矮临谷渗漏问题。

(3)地质构造条件

库区位于复式线状褶皱的向斜区，有利于地表及地下水的汇集，但受区域性断层影响，沿库区有一条顺河断层发育，存在断层渗漏可能。

(4)渗漏分析评价及结论

库区下垫面基岩及库周主要为泥盆系上统融县组(D3r)岩层，属厚层状灰岩夹白云岩等质地较纯的碳酸盐岩，质地纯净，属岩溶强化组，具备强岩溶发育地层条件。根据坝址钻探共有8个钻孔进入基岩，其中有4个遇有溶洞，洞遇率为50%，共钻进基岩进尺80.4m，溶洞为24.6m，线遇率为30.6%，说明岩溶较发育，与其岩溶强化组岩层特性吻合。

但钻探揭露溶洞基本为粘土充填，溶洞内注水试验渗透系数k为10-5cm/s量级，说明溶洞与外界水力联系较小。分析认为与建库河段坡降平缓，为堆积型河段，水力梯度较小，河床基岩面基本为岩溶地下水的最低基准排泄面相，表明岩溶发育明显早于河流改造稳定形成期，且在河流改造过程中多数溶洞被充填，上部覆盖层起到良好铺盖防渗作用[8]。

工程区地区地震活跃期为华力西旋回，其控制性断层均在该阶段形成，华力西旋回的广西柳江运动(发生于晚泥盆、早石炭系)构成沉积建造以后，该地区地壳逐渐趋于稳定，自此之后区内断层未复活过，因此，工程区无活动性及发震断裂存在，区域稳定性良好。库区顺河断层被上部深厚覆盖层覆盖，其弱透水性切断了库区沿断层的渗漏可能性。

综合分析，库区无低矮临谷、岩溶及断层渗漏问题，蓄水条件良好。

4.3 封堵地下岩溶通道，地下岩溶与溶蚀盆地联合成库[8]

以弄岩水库为例。水库位于广西桂林市全州县白宝乡，枢纽位于广西与湖南交界处，距全州县城约30km。是一座通过封堵地下岩溶通道，与地表溶蚀盆地联合成库的中型水库，库容约为3785万m3。水库地质图如图3所示。

4.3.1工程区工程地质条件

工程区属半裸露型岩溶山地，地貌形态属低山峰林洼地丘陵，正负地形交替出现，岩溶微地貌及地下岩溶通道发育。地层主要为上泥盆系上统(D3)及石炭系下统(C1)的浅海碳酸盐岩相，次之海陆交互相碎屑沉积。构造上属向斜褶皱区，以压扭性断层为主[4]。

4.3.2工程选址研究

(1)河流概况

弄岩水库属发源于广西境内湘江源头的一条山涧支流，在白宝乡与湖南交界处因地势突起转为长约5km的地下岩溶暗河，在湖南汇入湘江。

(2)岩性及岩溶发育程度与特征

泥盆系上统锡矿山组下段(D3x1)主要成分为白云岩、石灰岩等质地较纯的碳酸岩属强岩溶化组，富水性强，溶洼地密度较大，有规模较大的岩溶管道及地下河系。

泥盆系上统锡矿山组上段(D3x2)、佘田桥组(D3s)及石炭系下统岩关组(C1y)为碳酸岩与砂岩的夹层组合形式，其中砂岩夹层占25%左右，夹层不同程度地限制了地下水的活动或地表水与地下水的转化，使得岩溶的发育受到一定影响，属中等岩溶化组，富水性中等，一般发育规模较小的溶洞、岩溶管道及地下河。

区域为向斜构造，在向斜形成过程中岩层挤压产生张性裂缝，为地表水与地下水的循环交替提供了流动间隙；同时F4、F5断层的发育也控制了岩溶发育的强度、方向及格局[3]。

在各种地质条件作用下，该区岩溶发育表现上游为溶蚀盆地，下游受阻沿F5断层转入地下暗河，在岩溶地下河的流经段，在断裂带之上或断裂带附近，分布有许多溶落水洞或岩溶漏斗。

(3)建库地质条件分析

该区总体地势为西南高东北低，在上游为喀斯特溶蚀盆地，底高程为430m左右，下游一带最低高程为510m左右，因此，上游为最小深度达90m左右的溶蚀盆地，形成天然地表库盆。

图3 弄岩水库地质图

地下岩溶暗河自上游入口至弄岩落水洞段沿断层发育有串珠、群落状落水洞或漏斗，在地下形成相互连通的管网状岩溶通道，而弄岩落水洞以下汇集成集中岩溶通道，且为该区域的最低岩溶基准排泄面，两侧有较高的地下水分水岭，岩溶通道发育未延至两侧地下分水岭，岩溶水动力学属补给型，不存在岩溶水向临谷渗漏问题。

该水库正常蓄水位500m高程对应的地下岩溶库容约为805.0万m3左右，对应地表库容为3056.0万m3，总库容为3862.0万m3，地下岩溶库容占总库容的20.9%左右，可有效减少淹没面积。

5 结语

库区及枢纽渗漏问题是岩溶区水库主要水文地质问题，关乎能否建坝修库安全蓄水，论文结合上桂峡、金鸡河及弄岩三水库实例，通过针对性的勘察，根据不同水文及工程地质条件，进行合理选址、适宜的挡水建筑物及防渗处理措施，利用天然条件，有效解决岩溶区水库及枢纽渗漏问题，对类似工程具有借鉴意义。在勘察过程中，受条件所限，没有对物探工作进行相应的指导，在勘察过程中走了不少弯路，建议在岩溶区勘察工作中结合物探进行全面勘察工作，高效、高质、低成本完成工程项目勘察。