基于鉆孔遇洞率和溶蝕率的水庫(kù)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(shè)監(jiān)理中心，山東 臨沂 276000）

0 引言

巖溶強(qiáng)烈地區(qū)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(dǎo)致水庫(kù)工程建設(shè)中滲漏問題十分突出[1～3]。不同于一般巖體具有穩(wěn)定的透水系數(shù)，巖溶地區(qū)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(rèn)識(shí)其滲透規(guī)律是一個(gè)難題[4]。目前，關(guān)于巖溶地區(qū)滲透問題的研究成果較為豐富，大多是基于地表地質(zhì)測(cè)繪、鉆探和物探手段的驗(yàn)證推斷[5～8]。本文通過對(duì)水庫(kù)巖溶地區(qū)鉆孔遇洞率和溶蝕率的統(tǒng)計(jì)分析，提出了巖溶地區(qū)水庫(kù)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(kù)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(kù)容1804 萬m3。巖溶滲漏問題是本工程重點(diǎn)研究的工程地質(zhì)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(kù)區(qū)南側(cè)，分水嶺山脊在完成可行性研究之前共布置了7 個(gè)勘探鉆孔，其中ZK211孔水位低于水庫(kù)正常蓄水位，約為160 m，致使沿左岸分水嶺是否存在水庫(kù)滲漏成為尚待查明的工程地質(zhì)問題。

為進(jìn)一步分析研究左岸分水嶺庫(kù)水外滲的可能性。圍繞ZK211 孔布置了4 個(gè)鉆孔，同時(shí)開展地表地質(zhì)調(diào)查工作和物探測(cè)試工作；對(duì)鉆孔水位進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)ZK290、ZK291兩孔水位也低于水庫(kù)正常蓄水位，初步判斷存在庫(kù)水外滲問題。在左岸分水嶺開展了5斜4直共計(jì)9孔（ZK307～ZK315）的鉆探工作，并進(jìn)行了相應(yīng)的物探測(cè)試。從鉆孔水位資料看，有ZK211、ZK308、ZK313等8個(gè)孔的水位低于上水庫(kù)正常蓄水位，ZK211 孔附近發(fā)現(xiàn)了寬約110 m的地下水凹槽。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

左岸分水嶺位于上水庫(kù)西南岸，分水嶺長(zhǎng)約1.2 km，水庫(kù)正常蓄水位寬度約350 m。左岸溝總體近南北向，溝尾轉(zhuǎn)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(cè)發(fā)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(cè)的龍王寺、黃洼溝與左岸溝形成對(duì)頂溝，溝谷方向與巖層走向基本一致。水庫(kù)正常蓄水位高程山體厚度約350 m。分水嶺兩側(cè)坡角基本一致，為15°～25°?；鶐r多裸露，植被較好。

2.2 地層巖性

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

（1）車水桶組（∈3C）?；疑优c中厚層條帶灰?guī)r互層，夾中厚層灰?guī)r，層厚約68 m。

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

（3）石英閃長(zhǎng)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(guī)則，斷續(xù)延伸。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

左岸分水嶺位于一處緊閉褶皺區(qū)，向斜從分水嶺鞍部通過（見圖1）。背、向斜軸線走向?yàn)镹E45°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(xiàn)倒轉(zhuǎn)。緊密褶皺和斷裂構(gòu)成了該區(qū)的主要構(gòu)造骨架。裂隙以順層裂隙發(fā)育為主，NW向裂隙次之。

2.4 巖溶發(fā)育特征

巖溶發(fā)育特征主要受控于灰?guī)r巖性、斷裂構(gòu)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(fā)育區(qū)均在車水桶地層內(nèi)，其內(nèi)側(cè)主要發(fā)育有巖溶小區(qū)。地表主要表現(xiàn)為零星分布的落水洞、沿?cái)鄬拥膹?qiáng)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(xiàn)象，從地表巖溶發(fā)育情況來看，分水嶺范圍內(nèi)車水桶組巖溶發(fā)育程度屬中等偏弱?，樼鹕浇M（∈3Ln）條帶狀灰?guī)r巖溶不甚發(fā)育。

圖1 研究區(qū)工程地質(zhì)平面圖

3 水文地質(zhì)條件及分析

該區(qū)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(bǔ)給，以泉水及地表徑流的形式排向分水嶺兩側(cè)。分水嶺段具有兩種不同類型的水文地質(zhì)單元，即以車水桶組∈3C厚層灰?guī)r組成的巖溶發(fā)育的水文地質(zhì)單元和以瑯琊山組∈3Ln 條帶灰?guī)r組成的弱巖溶發(fā)育的水文地質(zhì)單元?；鶐r巖溶水主要賦存于該區(qū)∈3C地層中。左岸分水嶺段巖溶相對(duì)發(fā)育，鉆孔、物探測(cè)試均有巖溶發(fā)育，且ZK211、ZK308、ZK312 等鉆孔水位低于水庫(kù)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(cè)資料統(tǒng)計(jì)表

孔號(hào) 最低水位/m水位 觀測(cè)日期最高水位/m水位 觀測(cè)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(nèi)外側(cè)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(duì)左岸分水嶺進(jìn)行了充分的地質(zhì)勘察工作，包括地表地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、槽探、物探，取得了較多的地質(zhì)資料，通過對(duì)已有地質(zhì)資料的綜合分析研究，對(duì)左岸分水嶺滲漏做出如下初步分析。

4.1 巖溶發(fā)育規(guī)律

左岸分水嶺位于城西水庫(kù)和紅花橋水庫(kù)之間的河間地塊上，紅花橋水庫(kù)正常蓄水位高程50～60 m，城西水庫(kù)正常蓄水位高程約30 m，地形地貌上具有巖溶發(fā)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?guī)r，巖性上為可溶巖，具備巖溶發(fā)育的巖性條件；構(gòu)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(fā)育的構(gòu)造條件。

4.2 鉆孔遇洞率及溶蝕率

根據(jù)左岸分水嶺車水桶組地層31 個(gè)鉆孔的巖溶遇洞率和溶蝕率統(tǒng)計(jì)資料（見圖2、圖3），遇洞率在75 m 高程附近發(fā)生突變，溶蝕率在90 m 高程左右發(fā)生突變。

為了對(duì)左岸分水嶺巖溶發(fā)育深度有進(jìn)一步的了解，對(duì)左岸和副壩區(qū)的鉆孔巖溶遇洞率和溶蝕率作了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)副壩區(qū)的鉆孔巖溶遇洞率和溶蝕率均在80 m高程發(fā)生突變，與左岸分水嶺的鉆孔統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致。

圖2 左岸分水嶺鉆孔遇洞率統(tǒng)計(jì)圖

圖3 左岸分水嶺鉆孔溶蝕率統(tǒng)計(jì)圖

4.3 物探資料對(duì)比

對(duì)左岸分水嶺進(jìn)行鉆孔勘探的同時(shí)，還進(jìn)行了鉆孔CT、高密度電法、地震映象、EH-4電導(dǎo)率成像等物探測(cè)試工作。在分水嶺庫(kù)內(nèi)外兩側(cè)，物探結(jié)果表明地表及地下均有巖溶、溶蝕現(xiàn)象，如物探電密度及地震影象均表明：在W9 測(cè)線樁號(hào)156～160 m，地表高程160 m 處、地下高程135 m 處均有低阻異常 區(qū)；ZK211—ZK27—ZK238 及ZK27—ZK212—ZK213—ZK214 孔間CT 測(cè)試也有順層向分布的異常帶，推測(cè)可能為巖溶發(fā)育；ZK290—ZK292、ZK291—ZK292、ZK293—ZK294、ZK313—ZK314 孔 間CT測(cè)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(cè)可能為巖溶發(fā)育。物探EH-4巖溶探測(cè)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(qū)，推測(cè)為斷層或溶蝕異常，鉆孔驗(yàn)證表明異常區(qū)為閃長(zhǎng)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(zhǎng)期觀測(cè)最低水位為186.6 m，加深穿過異常區(qū)后水位變?yōu)?76.4 m，是否存在雙層水位，有待長(zhǎng)期觀測(cè)資料證實(shí)。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)某水庫(kù)左岸分水嶺的工程地質(zhì)測(cè)繪、鉆孔水文地質(zhì)勘探和物探測(cè)試，從巖溶發(fā)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(jié)論如下：

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

（2）左岸分水嶺車水桶組地層31 個(gè)鉆孔的巖溶遇洞率和溶蝕率統(tǒng)計(jì)資料看，遇洞率在75 m高程附近發(fā)生突變，溶蝕率在90 m 高程左右發(fā)生突變，從物探資料相互驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)結(jié)論基本一致。

（3）從目前的長(zhǎng)觀孔水位資料看，F(xiàn)39～F11斷層段的地下水位高于水庫(kù)正常蓄水位，目前暫不考慮進(jìn)行防滲處理?？紤]到巖溶發(fā)育的復(fù)雜性，待同位素示蹤實(shí)驗(yàn)、灌漿洞施工后，綜合分析示蹤實(shí)驗(yàn)、鉆孔、灌漿洞等資料后，再確定是否防滲及防滲方案。