非典型隐伏岩溶发育特征及渗漏研究——以大雪山水库为例

代志宏, 朱银红, 卢 鹏, 李正顺, 赵锡荣

(1.广西财经学院 管理科学与工程学院, 南宁 530003; 2.桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004;3.南宁市勘察测绘地理信息院有限公司, 南宁 530022; 4.中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司, 南宁 530004;5.大理白族自治州水利水电勘测设计研究院，云南 大理 671014)

0 引 言

我国岩溶分布广泛, 类型众多, 全国碳酸盐类岩石面积达130万km2, 如包括埋藏型岩溶, 则约有200万km2[1]。工程上关注的多是大规模碳酸盐岩分布区, 如: 位于玉树县查日扣水电站坝址区岩溶渗漏问题[2]; 广西龙洲金龙水库长期渗漏导致坝体坍塌[3]; 贵州省三宝水库[4]、罗城县白坝水库[5]、西南地区某岩溶水库[6]从运行至今一直存在绕坝渗漏; 毛家河水库[7]、吴家庄水库[8]库区渗漏。文献[2-10]对这些大规模可溶岩分布区域水库的岩溶渗漏问题作了深入研究, 取得了较多研究成果。

但是, 目前发现滇西几个发生强烈岩溶渗漏的高原山区水库, 其岩溶发育特征与已有的研究成果均不相同, 笔者提出“非典型隐伏岩溶”这一概念, 其特点为: 位于高原山区, 库区碳酸盐岩地层所占比例小, 岩体规模小, 夹在两个隔水地层之间, 地表很难发现可溶岩迹象, 在基础地质资料上查不到可溶岩地层, 目前高原低温少雨的气候条件并不利于岩溶发育。而专项勘察却发现, 这些水库的岩溶属于埋藏型古岩溶, 可溶岩岩体破碎、透水性强, 地下水侵蚀基准面低、水力坡度大、厚薄不一的上覆地层被库水击穿只是时间问题。因此, 水库工程建设过程中“非典型隐伏岩溶”很容易被忽视和遗漏而发生渗漏事故, 导致工程投资增加，影响使用, 甚至水库废弃。

在我国, “热带岩溶”的分布范围远远超出了自然地理学上的热带, 云贵高原和青藏高原均发现存在埋藏型古岩溶[1]。因此, 工程中遇到“非典型隐伏岩溶”并非个例, 这种隐蔽性强岩溶的早期发现、避让、预先采取措施非常重要, 但目前尚未见到此类问题的研究。

本文以云南大雪山水库为例, 针对其渗漏事故, 采用系统工程的研究思路, 点、面兼顾, 通过地质资料分析、综合水文地质调查、钻探、物探、区域水化学试验、同位素试验和示踪试验等手段, 查明非典型隐伏岩溶渗漏事故发生的原因, 揭示本场地岩溶的特殊性, 分析岩溶渗漏的水动力特征及补径排条件, 提出解决方案, 为高原地区工程建设积累经验。

1 工程概况

大雪山水库位于云南省永德县大雪山乡，汇水面积11.6 km2, 坝高78.5 m,坝顶高程2 008.5 m, 校核水位高程2 004.29 m, 总库容1 510.1×104m3, 为中型工程。2011年6月下闸试蓄水, 当水库水位蓄至1 970.21 m(库容135.878万m3)时, 库盆右岸上游距坝轴线约360 m区域出现渗漏, 流量约2.5 m3/s。直至该年9月, 约有1 000万m3库水渗漏, 且去向不明。

为掌握岩溶发育规律与影响控制因素, 查清库盆渗漏的原因，开展了历时6个月的水库渗漏勘察及研究, 包括: 已有地质资料搜集分析; 水文地质调查(面积约85 km2, 比例1∶10 000); 超高密度电法勘探点32 893个; 井地透析成像点4 546个; 井井透析成像点386个; 钻孔44个, 注水试验、压水试验177次; 主要水点的水化学分析样19个; 同位素分析样16个; 示踪试验4次。

2 地形地貌及地表水系

大雪山水库所在区域属中高山侵蚀地貌区, 地形起伏相对较大, 海拔高程在700～2 500 m。由于印度洋板块向亚欧板块的俯冲, 青藏高原急剧隆升, 造就了此区域河谷深切, 谷坡陡峻, 侵蚀基准面低, 水库悬托, 地表径流转化成地下径流时落差大, 一旦渗漏, 处理异常困难。库盆主要由两条较大的沟谷组成(图1), 水库岸坡坡度18°～50°, 局部为陡崖。

图1 水库区域地形、地表水、地质略图

水库径流区属怒江流域永康河水系一级支流南桥河上游的忙令河, 汇入水库的主要地表水径流有4条, 地表分水岭清晰, 从地形上看, 水文地质单元完整(图2)。经过渗漏勘察才发现, 由于“非典型隐伏岩溶”的存在, “岩溶渗漏通道”被安山玄武岩和第四系土层覆盖, 由库盆一直向南延伸, 从库区南侧的分水岭地下穿过, 使得水库的地表水和地下水的分水岭截然不同, 库区水文地质单元并非从地形上推测的整个库区的地下水向西北侧大坝下游的忙令河河谷排泄, 实际上是向南排泄。

3 地质构造及渗漏分析

库盆附近区域发育的构造形迹特征如图1、图2所示。

图2 水库区域地表水系、示踪试验布置图

3.1 南北向构造

1)向斜构造主要为旧寨-户婆向斜, 向斜轴走向近南北向与F3断裂延伸方向相近。向斜轴部被F3断裂切断。

2)断裂主要有F3、F4、F17等。

F3断裂: 走向近南北, 从库区中间穿过, 沿大岩房-库盆-大炉场-户婆河沟谷分布(图3), 断裂带宽15～50 m, 主断裂倾向西, 倾角70°～85°, 属压性, 断裂带主要由碎裂岩、糜棱岩、断裂泥、构造透镜体组成(图4), 胶结紧密, 钻孔压水试验表明断裂带为弱透水。水库蓄水之前会沿断层的解理裂隙产生少量渗流, 不会形成大的导水带。但库水渗漏时, 在较大水头差作用下, 临近碳酸盐岩渗漏体的断层带中的细颗粒会不断被渗流带走, 经过长期潜蚀, 局部断裂带可能出现被击穿的情况, 成为渗漏通道的一部分。

图4 库区凉亭下方F3断层角砾岩

F4断裂: 分布于库区东部八饼岩-户婆河沟谷一带, 断裂走向近南北向, 断裂带宽5～40 m, 断裂带主要由碎裂岩、断裂泥、构造透镜体组成, 胶结较好, 性质属压性断裂, 透水性弱, 断裂整体倾向东, 倾角65°～85°。F4断裂距离库岸约1 km, 期间均为隔水的砂岩、泥岩、长石黑云母片岩, 库水由此渗漏的可能性不大。

3.2 北西西向构造

F17断裂为北西西向断裂, 分布在库盆东部, 规模较小, 长约9 km, 宽1～8 m, 切割错断南北向断裂F4，在距离库岸0.8 km处终止, 未延伸到水库, 期间均为隔水的砂岩、泥岩、长石黑云母片岩, 库水由此渗漏的可能性不大。

4 地层岩性及渗漏分析

4.1 坝址区域岩性

坝址地层岩性为寒武系昌宁组上段(∈ch3)花岗片麻岩、绢云母石英片岩夹石英片岩, 产状60°～120°∠15°～40°, 薄层—中厚层状, 岩层总厚度大于306.2 m。河床部位直接出露弱风化基岩。坝肩处河岸较陡, 残积及全风化地层厚0～12 m, 根据现场注水试验, 其渗透系数在1.0×10-5cm/s左右, 属弱透水, 且分布位置均高于水库回水高程; 基岩强风化层厚10～25 m、弱风化层厚27～50 m, 其构造痕迹和不良地质现象不发育, 物理力学指标较高, 根据钻孔压水试验, 强风化基岩透水率4.6 Lu、弱风化基岩透水率2.5 Lu, 均为弱透水。故推测坝址不存在渗漏问题。

4.2 库盆区域岩性

4.2.1 F3断裂带以西区段 断裂西侧地层和坝址为同一套地层: 寒武系昌宁组上段花岗片麻岩、绢云石英片岩夹石英片岩, 属弱透水地层, 岩石完整性好的地层顶面高程高于水库蓄水高程。因此F3断裂西侧和坝址区一样, 不会产生永久性渗漏问题。

4.2.2 F3断裂带以东区段 F3断裂以东区段为单斜地层, 产状80°～120°∠25°, 上部为石炭系下统平掌组(C1pz1), 下部为泥盆系下统温泉组(D1w)。

根据地质调查、钻探揭露和压水试验:

石炭系下统平掌组: 紧邻F3断裂, 与断裂一起由北至南呈条带状在库区出露。其上部主要为(C1pz1-2)安山玄武岩, 下部为(C1pz1-1)灰岩、白云质灰岩和泥灰岩。勘察中发现岩体较破碎, 溶蚀强烈, 存在大量溶蚀孔隙、溶洞(图5、图6), 钻探到此地层时没有回水, 注水试验得到的渗透系数k>4×10-2cm/s, 属强透水地层；并且安山玄武岩底面、碳酸盐岩顶面, 两者接触处大量岩溶孔洞中充填有安山玄武岩, 说明此地层为埋藏型古岩溶, 即先形成岩溶, 后期喷发出来的岩浆又覆盖了碳酸盐岩, 并充填了表面的部分溶蚀孔洞。库盆的可溶岩地层厚度不大(10～145 m), 同时由于F3断裂的切割和地表剥蚀作用, 恰好缩小了库区碳酸盐岩的平面范围, 其顶面水平宽度15～50 m。碳酸盐岩上面覆盖了厚薄不一(3～40 m)的安山玄武岩和风化土层(注水试验得到的渗透系数在8.3×10-6～1.5×10-5cm/s, 透水性均较弱)。库区原是忙岗河的上游支流沟谷, 原水面宽度5～15 m, 水深0.2～1.5 m, 上部的土层和安山玄武岩起到很好的隔水作用, 沟谷并未发现渗漏现象。当水库蓄水, 在50多米的水头作用下, 岩溶上部隔水地层很快被击穿, 引发大规模渗漏事故。

图5 K3附近岩溶渗漏点及示踪剂投放

图6 K5孔岩心(示20.0～24.3 m深度发育有溶洞)

泥盆系下统温泉组(D1w): 位于碳酸盐岩的下部, 为灰、黄、灰黑色中-薄层状石英砂岩、长石砂岩、泥岩、页(板)岩夹硅质岩, 岩心完整，采取率高; 现场注水压水试验显示渗透系数在2.6×10-6～7.0×10-4cm/s, 此地层为弱—微透水, 不会产生永久性渗漏问题。

5 库盆岩溶地质体结构特征

库盆区岩溶地质体岩性为石炭系下统平掌组(C1pz1-1)灰岩、白云质灰岩和泥质灰岩等碳酸盐岩, 夹在两个隔水层之间。上覆地层为石炭系下统平掌组(C1pz1-2)安山玄武岩, 下伏地层为泥盆系下统温泉组(D1w)砂岩、泥岩夹页岩。

岩心显示: 安山玄武岩底面、碳酸盐岩顶面即两者接触处, 大量岩溶孔洞中充填有安山玄武岩, 由此判断可溶岩的溶蚀孔洞先发育形成, 被后期喷发出来的岩浆覆盖、部分孔洞被充填, 因此为埋藏型古岩溶。

根据钻探、物探、野外调查成果, 碳酸盐岩地层与F3断裂伴生, 呈北南向条带状展布自库盆、经户婆延至忙岗, 在F3断裂和地表剥蚀的作用下, 库区碳酸盐岩顶面宽度仅有15～50 m, 垂向厚30～145 m, 规模小、隐蔽性强, 虽然有断层切割、厚薄不一, 但其仍然连续向南延展, 并没有间断。岩溶地质体整体向北东或向东倾斜, 倾角23°～30°, 岩溶地质体垂向厚度从西侧F3断裂开始向东经历了先变大后减小的过程。如K12+2孔, 岩溶地质体垂向厚度达150 m, 底面埋深约200 m(高程约1 790 m), 向东延伸到下泥盆统温泉组砂岩、泥岩出露区域尖灭。因此, 碳酸盐岩底界高程明显低于库盆高程, 且大炉场以南碳酸盐岩开始连片分布, 其岩溶沟谷地面高程低于水库底面高程1 000 m, 说明沿碳酸盐岩分布区域存在岩溶渗漏通道形成条件。

钻孔K1孔深高程1 919.75～1 906.85、1 945.25～1 940.55 m, K2孔深高程1 954.83～1 938.73、1 935.53～1 930.23、1 911.93～1 895.23 m, K3孔深高程1 961.89～1 954.39、1 939.99～1 917.39 m等为岩溶洞穴或岩溶管道。钻探中所有遇到碳酸盐岩渗漏体的钻孔, 均未见到地下水水位且无回水。据观测, 水库水位较高时, 库水有沿断裂发育的沟谷渗漏现象: ③ 号地表径流沟谷多处地表径流向下渗漏, 总渗漏量2～3 L/s, K6孔南侧沟谷(采石场附近沟谷)渗漏量1～2 L/s, 大炉场南侧沟谷下游渗漏量50～60 L/s; K2与K3孔间存在岩溶塌陷; K3渗漏量10～100 L/s。

可见沿断裂分布的碳酸盐岩地质体, 岩溶缝洞系统比较发育, 渗透性较强, 推测库水进入地下后汇至岩溶地下河。为了查明岩溶系统, 开展了区域水化学试验、同位素试验和示踪试验。

(1)库区、库水水化学试验主要结果显示：1)库水、① 号沟地表径流与② 号沟地表径流水化学特征类似, 反映其补给条件、流经的地层特征相似; 2)户婆地表径流和户婆地下河属于同一区域的地表径流与地下水, 但两者主要水化学特征具有明显的差异, 说明户婆地下河出口与户婆地表径流无直接联系; 3)忙岗地下河、户婆地下河出口各组分较为接近, 说明忙岗地下河出口与户婆地下河出口具有较为密切的联系。

(2)水库区域主要地表径流与地下水同位素调查结果表明: 1)库水与①、②、④ 号沟地表径流的同位素特征类似, 反映其具有类似的补给条件。虽然地形上似乎③ 号沟地表径流为水库的上游沟谷, 但两者的同位素特征却有一定的差异, 说明③ 号沟地表径流未进入库水, 地形上的分水岭与地下分水岭不一致; 2)忙岗地下河出口的同位素特征较户婆地下河出口偏负, 反映忙岗地下河出口地下水径流深度、长度较户婆大。

(3)水库区域水化学特征和同位素特征可揭示水库、地表径流、地下河之间的一些关联[12], 但很难给出明确、具体的补给关系。在分析地质调查和勘探结果基础上, 先后布置了4次示踪试验, 选择荧光素钠和罗丹明B作为示踪剂。试验证明，当水库蓄水水位到一定高度, 水压力击穿上部覆盖的土层和安山玄武岩, 库水会沿碳酸盐岩的岩溶管道系统由北向南渗漏, 在户婆地下河出口及忙岗地下河出口重新露出地面。图5中绿色为投入的荧光素钠示踪剂; 图7为水库渗漏点(K3)投放, 户婆地下河出口接收到荧光素钠的历时曲线; 图8为推测渗漏通道示意图。

图7 户婆地下河出口接收到的荧光素钠历时曲线(2011年)

图8 推测渗漏通道剖切示意图

可见, 水库渗漏点(K3)与户婆地下河出口具有明显的水力联系, 说明此区域地下水向户婆地下河出口方向径流。从示踪历时曲线特点来看, 示踪剂出现时段呈跳跃式集中出现, 历时时段相对较短, 说明地下水径流存在集中径流特点, 地下水径流主要沿溶蚀裂隙带或小岩溶管道径流; 示踪剂初出现时间较长(29～33.5 d), 而投放点至地下河出口仅7 km, 说明投放点至地下河出口地下水径流存在相对缓慢地段, 地下水径流通道主要以溶蚀裂缝带或溶潭段缓冲径流;示踪剂呈跳跃式出现, 反映地下水补给、径流过程中存在水力坡度平缓向水力坡度较陡转换过程, 岩溶管道发育存在多级高程特点; 示踪监测到的最大浓度小, 回收量也非常小, 推测所投放的其他大部分荧光素钠从未知通道径流流走或者地下含水介质可能不完全是岩溶管道, 中间存在非可溶岩裂隙为主的含水层, 荧光素钠淤积在含水层中。

试验时，库区水位高程1 960 m、户婆地下河出口高程1 100 m、忙岗河地下河出口高程800 m, 库区至户婆地下河出口径流区段水平距离约7 km、至忙岗河地下河出口径流区段水平距离约12 km, 总水力坡度为130‰～150‰。示踪试验显示, 库盆至地下河出口虽属连续碳酸盐岩分布区, 但受断裂F18、F19影响, 地层呈阶梯式降低, 因而不同区段岩溶地下水径流坡度具有明显的差异: 库盆-大炉场区段, 岩溶地下水径流坡度30‰～50‰; 大炉场-户婆地下河出口区段, 岩溶地下水径流坡度150‰～350‰; 户婆-忙岗河地下河出口区段, 岩溶地下水径流坡度100‰～150‰。由此可见, 水库为“悬托型水库”, 库水由北向南直接穿过地表分水岭分别在距离水库约7 km的户婆地下河出口和约12 km的忙岗地下河出口出露地表。

水库北侧的低临谷为忙令河谷, 高程约1 910 m, 低于库底高程1 940～1 950 m, 但是库水位约1 960 m时进行的示踪试验表明当时库水与忙令河没有水力联系。根据K15、K16钻孔数据, 碳酸盐岩地层的完整性较库盆及其以南要好, 并且其底高程也较南面高一些。因此, 推测当库内水位较低时, 库水主要向南侧渗漏, 若库水水位升高至一定水位, 不能排除库水发生向北侧渗漏的可能。

6 结论与建议

(1)在我国, “热带岩溶”的分布远远超出了自然地理学上的热带, 云贵高原和青藏高原均发现存在覆盖型古岩溶。因此, 工程中遇到“非典型隐伏岩溶”并非个例。

(2)本文中的“非典型隐伏岩溶” 定义为: 位于高原山区的埋藏型古岩溶, 碳酸盐岩地层所占面积小、规模小, 夹在两个隔水层之间, 地表很难发现迹象, 在基础地质资料上查不到可溶岩地层, 由于岩体破碎、透水性强、地下水侵蚀基准面低、水力坡度大、上覆地层厚薄不一等因素, 上部隔水层被库水击穿只是时间问题。水库工程建设过程中此类岩溶很容易被忽视和遗漏而发生渗漏事故, 影响正常使用, 甚至水库废弃, 能够早发现、避让和预先采取措施非常重要。

(3)大雪山水库渗漏的原因是存在“非典型隐伏岩溶”, 岩溶地质体岩性为石炭系下统平掌组(C1pz1-1)灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩等碳酸盐岩。

(4)垂向上, 岩溶地质(C1pz1-1)体夹在两个隔水层之间: 上覆地层为石炭系下统平掌组(C1pz1-2)安山玄武岩, 下伏地层为泥盆系下统温泉组(D1w)砂岩、泥岩夹页岩。

(5)水平向上: 由西向东岩溶地质体夹在F3断层和泥盆系下统温泉组(D1w)砂岩、泥岩夹页岩之间, 向北东或向东倾斜, 倾角23°～30°, 垂向厚度呈现先变大后又减小尖灭的过程; 由北至南, 岩溶地质体与F3断裂伴生, 从库盆至忙岗地下河出口呈条带状连续分布, 但受断裂影响, 地层呈阶梯式降低, 水库为“悬托型水库”, 库水沿着地下岩溶管道由北向南直接穿过地表分水岭向南部泄露, 分别在距离水库约7 km的户婆地下河出口和约12 km的忙岗地下河出口出露。由于地表分水岭的存在和地下河出口距离库盆较远, 使得“库水向南渗漏”的可能一度被忽略。

(6)由于F3等多个断裂的切割和地表剥蚀, 恰好极大地缩小了库区碳酸盐岩的规模, 由北向南其宽度不一、厚薄不一, 却一直没有间断, 但岩体破碎, 透水性强, 是库水渗漏的主要通道。库区原是忙岗河的上游支流沟谷, 原水面宽度5～15 m, 水深0.2～1.5 m, 岩溶上部的土层和安山玄武岩起到很好的隔水作用, 沟谷并未发现渗漏现象。水库蓄水后, 在50多米的水头作用下, 隔水地层很快被击穿, 引发大规模渗漏事故。

(7)由于库区碳酸盐岩破碎、透水性强、岩溶地下河管道复杂、深度已经超过100 m, 因此建议采用水平铺盖方案或南北两侧的悬挂式防渗帷幕。