東莊水庫工程區巖溶發育特征研究

苗 旺，萬偉鋒，鄒劍峰，卜新峰

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州 450003)

1 工程概況

涇河東莊水利樞紐是陜西省“十二五”重點建設工程，根據《渭河流域重點治理規劃》，水庫建設任務以防洪、減淤為主，兼顧供水、發電及改善生態環境。水庫位于陜西省禮泉縣與淳化縣交界處涇河下游峽谷段，推薦壩型為混凝土雙曲拱壩，最大壩高230 m，壩頂高程804 m，水庫總庫容30.62×108m3。壩址上游約2.7 km范圍內為碳酸鹽巖地層，地表存在溶洞、溶隙、溶孔等溶蝕現象，地下一定深度范圍內也同樣存在巖溶現象，且地下水位低于河水位30～45 m，存在巖溶滲漏問題。

本區碳酸鹽巖地層沉積環境、構造條件、古巖溶和深部巖溶的分布及發育規模等一直是巖溶滲漏問題的制約性因素。為了加快東莊項目的建設速度，近幾年，勘測設計人員圍繞著東莊水庫建壩條件開展了大量工作，本文根據項目成果資料，對區內碳酸鹽巖地層的沉積建造環境、巖溶發育背景進行了深入的研究，研究成果對分析碳酸鹽巖庫壩段的巖溶發育特征和水庫滲控工程設計具有重要的指導作用。

2 區域巖溶發育背景

2.1 區域碳酸鹽巖沉積建造環境

東莊水庫所在的渭北中部地區處于華北臺地西端，位于華北穩定克拉通被動大陸邊緣—秦祁海槽的過渡地帶(見圖1)。震旦紀之后，鄂爾多斯地區于早寒武世辛集期開始海侵，海水從西緣和南緣進入鄂爾多斯地區，開啟了研究區漫長的碳酸鹽巖沉積歷史［1］。中、晚寒武世和早、中奧陶世沉積環境比較穩定，研究區沉積了巨厚的淺海相碳酸巖地層，直至奧陶紀中晚期(平涼期―唐王陵期)，鄂爾多斯大部分地區抬升形成古陸，海水從西南緣完全退去，才結束了地層的沉積。在此期間，鄂爾多斯地區在早奧陶世冶里―亮甲山期發生過一次大規模海退，并在中奧陶世馬家溝期的海進階段經歷過三次小規模的海退［2－4］。雖然奧陶紀海水有多期韻律性進退變化，甚至間歇性短暫露出水面，但因抬升時間短，連續沉積時間長，位于臺地南緣斜坡帶上的東莊水庫地區，地層發育完整，厚度大，相帶演化層序清楚［5］。

圖1 早古生代研究區沉積環境Fig.1 Sedimentary environment of study area in Early Paleozoic

碳酸鹽巖地層形成后，經歷加里東運動和燕山運動兩次大的造山運動，區域上存在兩次沉積間斷，在這兩次沉積間斷期間，碳酸鹽巖普遍裸露地表，遭受風化、淋濾和剝蝕，形成巖溶風化夷平面［6－8］。同時受斷層所分割塊體間差異升降的影響，下降地塊的巖溶風化夷平面被后期沉積物埋藏于地下，巖溶形跡得以保存，并在后期構造和地下水活動的影響下，進一步發展，而上升地塊則由于長期裸露地表而被剝蝕殆盡。

2.2 區域巖溶發育分期

本區碳酸鹽巖有兩個大的沉積間斷期，第一次發生在晚奧陶紀—中石炭紀;第二次發生在三疊紀末—新近紀，歷時都在1億年以上，期間碳酸鹽巖裸露地表，接受風化剝蝕作用，形成巖溶。這兩個階段發育的巖溶可分別稱為古老巖溶和古巖溶，而第四紀以來形成的巖溶稱為近代巖溶。

根據上述分析，對研究區的巖溶可劃分為如下幾期:①沉積期同生巖溶，寒武紀—奧陶紀地層沉積期形成的巖溶;②古老巖溶，中奧陶紀末—石炭紀碳酸鹽巖裸露期(區域第一次沉積間斷期)形成的巖溶，后進入埋藏發育階段;③古巖溶，三疊紀末—新近紀碳酸鹽巖裸露期(區域第二次沉積間斷期)形成的巖溶，后進入埋藏發育階段;④近代巖溶，第四紀以來形成的巖溶。

2.2.1 沉積期同生巖溶

在碳酸鹽巖沉積期，受海退海進期間海水體深淺、碳酸鹽巖易溶蒸發類膏鹽含量影響，發育有溶孔、溶洞和溶縫等，但這些巖溶洞穴、溶孔等多被同時期的碳酸鹽巖充填。這一巖溶現象在東莊壩址區的平硐中多見，多呈圓形和不規則多邊形，邊緣層理明顯，規模一般數厘米—數十厘米，被碳酸鹽巖和方解石充填，且已成巖，和周邊巖石成為一體，不會對工程的滲漏產生影響。

2.2.2 古老巖溶

形成于晚奧陶世—中石炭世，即碳酸鹽巖形成后的第一次沉積間斷期。該時期受加里東運動影響，灰巖隆起，沉積間斷長達1.4億年，長期遭受剝蝕、溶蝕，造成灰巖起伏不平巖溶化地形，形成溶洞、漏斗、陷阱、溶槽等各種形態。古老巖溶發育方向，以正北向張性裂隙發育為主，其次北東及北西向，這與秦嶺緯向構造相吻合。

該時期巖溶古地貌分為巖溶高地、巖溶臺地、巖溶坡地和巖溶洼地。巖溶高地通常為巖溶水補給區，地下水以垂向運動為主，循環深度較淺，深部巖溶不發育;巖溶臺地和坡地形成徑流區，地下水除了垂向滲透外，還有水平運動，在層狀和垂向上均有巖溶發育的特征;而巖溶洼地則形成排泄區，地下水以自下而上的垂向運動為主，不利于巖溶發育。另外，巖溶高地遭受剝蝕強烈，風化殼殘留少，而巖溶臺地和斜坡受剝蝕相對較差，風化殼保留較完整，古老巖溶較發育。水庫工程區在古地貌類型上位于巖溶高地，地下水運動以垂向運動為主，水平徑流活動弱，古老巖溶發育相對較弱。

晚石炭世以后，海水再次入侵，二疊、三疊系砂頁巖沉積，超覆不整合在古老巖溶發育的碳酸鹽巖地層上，并對古老巖溶進行了充填。一些古老巖溶空穴被河湖相沉積物充填，部分被保存下來。如橫水河岸坡出露的溶蝕痕跡已被砂頁巖充填，另外五峰山南側灰巖(O2m)露頭中有殘存的楔形狀淺肉紅色含礫砂巖充填物，砂巖堅硬成巖并與灰巖相依無縫構成一個整體，巖性與鄰近二疊系下統山西組粗砂礫巖相同。另據永壽縣水泥廠鉆孔資料，孔深99.5～165 m灰巖段夾厚約0.2～1.3 m的灰綠色砂巖互層，均為成巖狀，堅實。工程區左岸鉆孔資料顯示，在孔深148～157 m白云巖段夾厚約9 m的灰綠色—棕紅色砂巖，砂巖堅硬并與白云巖膠結緊密。這些充填現象同淺部溶洞中充填物砂礫、粘土、石灰巖碎塊等顯著不同。

但在構造活動和地下水活動強烈的地段，在古老巖溶的風化侵蝕面上往往形成規模較大的巖溶，如桃曲坡水庫在0.15 km2范圍內的O2灰巖中發現了149個溶洞、溶隙，溶洞充填有上石炭系(C3)鋁土頁巖，證明此類溶洞在石炭紀C3以前形成。巖溶形跡以垂直溶洞、溶隙、落水洞、溶斗為主，規模較大，洞徑數米—數十米，長幾十米—數百米。

2.2.3 古巖溶

是指三疊紀之后到新近紀之間，碳酸鹽巖受燕山運動影響，再次隆起遭受剝蝕，開始第二個巖溶化階段。期間區內老龍山斷層逆沖上千米，斷層以南的五峰山―鉆天嶺―嵯峨山一帶形成渭北的區域性高地。

(1)渭河地塹形成前:后燕山運動使二疊系、三疊系地層發生形變，研究區老龍山斷層大規模的逆沖活動使下奧陶系灰巖逆沖在二疊系砂巖、泥巖地層之上，垂直斷距逾千米，下伏碳酸鹽巖地層再次抬升，成為陜北鄂爾多斯盆地侏羅系及白堊系沉積物的物源供給區，長期遭受風化、剝蝕和溶蝕作用，歷時0.8億年。

此階段渭北中西部地區在石炭紀、二疊紀和三疊紀形成的碎屑巖相對較薄，遭受風化、剝蝕較為強烈，碎屑巖和沿碳酸鹽巖古風化殼形成的古老巖溶形跡多被剝蝕掉，碳酸鹽巖再次裸露，遭受淋濾、溶蝕，形成古巖溶。而渭北東部遭受風化、剝蝕相對較弱，石炭紀、二疊紀和三疊紀形成的碎屑巖又較深厚，碎屑巖未被完全剝蝕掉，古老巖溶形跡仍得以保存，處于埋藏發育階段。

(2)渭河地塹形成后:喜山運動使本區發生重大變化，北部鄂爾多斯臺地上升隆起，而南部斷陷下降，形成渭河地塹，包括工程區在內近東西一帶的渭北山區和秦嶺共同成為渭河沉降區古近紀沉積物的物源供給區，在盆地內接受沉積。

受斷陷和地形控制，渭北東部重新接受沉積，形成三趾馬紅土層上覆于碳酸鹽巖風化殼面，古巖溶得以保存并進入埋藏發育階段;而東莊水庫一帶仍處于高地遭受風化、剝蝕，古巖溶形跡多被剝蝕掉;唐王陵以南雖遭受剝蝕，但古老巖溶仍被埋藏而被保存下來。

根據區域已有的巖溶調查資料，古巖溶形跡多沿層面、斷裂帶發育形成溶洞、溶斗、溶槽、溶孔等多種形態，部分巖溶形跡被紅土層充填，如乾縣水泥廠鉆孔在深度93～200 m范圍內，遇高度0.5～2 m不等的棕紅色粘土充填的溶洞，并有灰巖碎塊，呈半成巖狀;南北村鉆孔于孔深380～420 m范圍內，揭露淺褐色黃泥灰質充填的溶洞(直徑多＜1 m)、溶隙(寬數厘米)，泥灰質堅硬成巖，細晶質結構。

2.2.4 近代巖溶

第四紀以來，喜馬拉雅山運動以強烈升降運動為主，渭河地塹形成，渭北山區繼續隆起，現代地表水系相繼形成，涇河快速下切，下古生界碳酸鹽巖遭受剝蝕，沿河谷兩岸產生新的巖溶現象，形成了河谷型近代巖溶。

圖2 壩址區地表溶洞Fig.2 The surface karst caves in research area

近代巖溶特點是發育規模較小，一般深度數米，最深者10余米，形態上口大里小，多呈三角形，由口向內收縮很快，傾向河心，連續性差，多孤立存在，充填物為第四紀松散堆積物、粘土、砂、少量礫石以及鈣質巖屑方解石等，圖2所示為東莊水庫壩址區地表溶洞。

3 庫壩區巖溶發育特征

3.1 巖溶發育強弱分區

老龍山斷層至東莊壩址為2.7 km碳酸鹽巖庫段，地層巖性變化不大，結構簡單，呈單斜產出，傾向南西。根據庫區鉆孔所揭露的線性巖溶率和遇洞率來看，庫壩區巖溶發育程度整體為弱發育，但A區地表溶洞數量明顯多于B區和C區，故將其定為巖溶中等發育區。

庫壩區由上游至壩址分為A區(中等發育區)、B區(弱發育區)和C區(弱發育區)。A區受老龍山斷層影響，巖性以白云巖為主，巖體破碎，地表巖溶較為發育，共發育溶洞45個，平硐揭露的巖溶形跡多沿小斷層、裂隙發育;B區為白云巖、灰巖、泥質白云巖韻律段，地表發育溶洞4個，巖溶形跡主要為沿斷層、層面和軟弱結構面發育的溶隙和溶孔，且大部分都沿河谷岸坡發育;C區為厚層、巨厚層灰巖段，地表發育溶洞7個，鉆孔、平硐揭露的巖溶形跡主要為溶孔、溶隙。庫壩區地表溶洞平面分布圖見圖3，高程分布圖見圖4。

3.2 巖溶發育特征

庫壩區內巖溶以溶隙、溶孔為主，巖溶形跡主要沿斷層面、構造裂隙、結構面、軟弱夾層發育。地表發現的溶洞主要發育在涇河河谷岸坡老龍山斷層破碎帶及其影響帶內。總體來看，庫壩區巖溶與典型的南方巖溶有著明顯的差異，具有以下特征:

(1)巖溶主要為沿河谷岸坡發育的近代巖溶，古老巖溶和古巖溶不發育。東莊水庫工程區在古地理地貌類型上一直處于巖溶高地，即使在歷史時期發育有古老巖溶、古巖溶，大部分也在后期被剝蝕掉，在地表以下亦不存在發育連通性管道和大規模深部巖溶的條件。

(2)地表調查、鉆孔、平硐等手段揭露的巖溶形跡幾乎都與構造有關。區內巖溶主要沿斷層、小型斷裂和微裂隙構造形成的裂隙、層面、軟弱夾層等結構面發育，以溶隙、溶孔為主，溶洞次之，局部沿構造裂隙發育淺表型溶洞。

(3)巖溶發育總體上隨深度增加而減弱，在水平方向發育深度有限，河谷兩岸50 m范圍內沿結構面溶蝕現象相對明顯，較大溶蝕裂隙發育深度可達100 m以上，多被粘土、巖屑、鈣質充填，但在遠離岸坡150～200 m以后發育微弱。巖體透水率總體上隨埋深的增大而降低，局部透水性增大，但仍以弱透水為主。

(4)第四紀以來，工程區構造運動以急劇抬升為主，間歇性不甚明顯，近代巖溶發育始終處于初級階段(即裂隙擴溶期)。隨著地殼的急劇抬升，河流迅速下切，侵蝕、排泄基準面隨之下降，在地下水強烈溶蝕帶附近，尚未形成水平方向的巖溶平衡系統時，地下水位已經下降，強烈溶蝕帶也隨之下移，導致區內巖溶作用形成了以溶隙發育為主，分布較分散、程度較微弱的特征，垂直分帶規律不顯著。

(5)工程區內泥質白云巖可溶性差，對巖溶發育起阻礙作用，但其完整性較差，相對破碎，多發育為沖溝，影響著地表溶洞的分布與發育，地表調查顯示，區內溶洞主要呈條帶狀分布，如圖3所示。

圖3 庫壩區地表溶洞平面分布圖Fig.3 The plane distribution of surface karst caves in dam region

4 結論

(1)研究區碳酸鹽巖沉積主要發生在寒武紀和奧陶紀，在加里東運動和燕山運動兩次大的造山運動的影響下，碳酸鹽巖普遍裸露地表，并在兩個沉積間斷期接受風化、淋濾和剝蝕作用，發育為古老巖溶和古巖溶。

(2)工程區不具備發育大規模古巖溶和近代巖溶的背景條件，也不具備發育連通性管道、洞穴系統的背景條件，碳酸鹽巖庫壩段巖溶為近代巖溶，主要沿河谷岸坡發育且處于發育初級階段，古巖溶和近代巖溶發育程度弱。

(3)工程區巖溶形跡以溶隙、溶孔為主，局部沿構造裂隙發育有淺表型溶洞，勘探深度范圍內未發現大規模深部巖溶及連通的巖溶管道系統，巖溶發育總體上隨深度增加而減弱，水平方向上發育深度有限。

圖4 庫壩區地表溶洞高程分布圖Fig.4 The elevation distribution of surface karst caves in dam region

綜上所述，東莊水庫壩前2.7 km碳酸鹽巖庫段巖溶發育不強烈，未見暗河、較大的泉水和延伸較遠的溶洞，主要巖溶形態為溶隙和溶孔，偶見溶蝕寬縫。壩址區平硐揭露的溶蝕現象多分布在岸坡50 m范圍內。勘探過程中，未發現較大規模的巖溶洞穴，掉鉆現象少見，巖溶現象發育程度較弱。故在采取合理帷幕防滲處理措施后，具備建壩成庫條件。

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