貴州三岔河中游左岸雞場一帶巖溶地下水運移特征分析

劉子金，袁代江，武興亮，張 磊，潘長貴

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州貴陽 550002)

巖溶水系統存在裂隙、孔隙、管道和洞穴等多重水流，是一個非常特殊的復雜系統［1－4］。受自然地理和地質構造的控制，不同的巖溶水系統具有不同的含水層結構，其補給、徑流和排泄途徑也不相同。近年來，國內外工程技術界對巖溶地下水運移特征做了大量的研究工作，主要方法有野外地質測繪、巖溶洞穴探測、地下水示蹤試驗、水文地質觀測、水文地質勘探、地球物理探測、水文地球化學及微生物取樣分析等。肖維［5］在對向斜區地下水運移特征研究的基礎上，將一般向斜構造帶地下水徑流模式概化為切層順軸徑流、單翼順層徑流和順層繞軸徑流、復合型四種類型。

巖溶地下水運移受到巖溶發育、地形地貌、地層產狀、巖性組合、構造破碎帶及溶洞、裂隙節理展布等因素的影響。本文根據研究區地質構造條件和水文地質條件綜合分析法這一研究巖溶地下水運移規律最基本的方法，以研究區地表地質調查資料和區域構造發育特征為基礎，結合水文地質勘探資料和巖溶調查、地下水連通試驗結果，分析研究區地下水運移特征。有關研究結果，對附近三岔河流域平寨水庫成庫條件論證及庫首防滲設計以及雞場鄉地下供水工程水井孔布置等均具有重要的現實意義。

1 研究區地質概況

1.1 地形地貌

研究區屬構造侵蝕低中山峽谷地貌。地形總體呈東高西低、南高北低，東部舊稅上、劉家巖腳一帶地表高程1 500～1 600 m，西部及北部的三岔河一帶高程1 185～1 190 m，相對高差365～410 m，地形起伏大。區內碳酸鹽廣布，巖溶發育，大型洼地、落水洞、豎井發育。

西側靠近三岔河邊發育木底河槽谷，槽谷延伸方向 N20°～30°E，長約 1.5 km，谷底上游縱坡約 7%，下游平坦，谷寬50～200 m，主要發育層位為T1yn3。谷底及兩岸見落水洞發育，兩坡淺層溶隙、孔隙水匯入KS6暗河系統并最終排向三岔河。

1.2 地層巖性

出露地層主要有三疊系關嶺組(T2g)、永寧鎮組第一、二、三、四段(T1yn1-T1yn4)、夜郎組(T1y)，主要巖性為灰巖、泥質灰巖、白云巖、泥質白云巖等碳酸鹽巖間夾條帶狀砂巖、泥頁巖及煤等碎屑巖。在地層結構上，不同性質、不同厚度的巖層交互出現，呈典型的多層狀結構。

1.3 地質構造

工程區附近主要發育NW向和NE向2組構造線(見圖1)。前者以納雍河(加戛)背斜及其北西側的水公河向斜、南西側的百興向斜為代表，主要為隔擋式褶皺;后者以三塘向斜、雞場(后寨)背斜為代表，主要為短軸式褶皺。NE向斷裂切斷了NW向構造線，故NW向構造形成時期早于NE向構造。平寨水庫附近主要斷裂是NE向織金區域性壓扭性斷層，它的SW端進入庫區，地表見伴生的F3斷層。帷幕線附近NE向三塘向斜橫跨NW向納雍河背斜，被跨越的納雍河背斜軸部平面形態有變化，上游附近的三岔河左岸三塘向斜核部地層產狀起伏變化明顯。

1.4 巖溶水文地質

區內可溶巖組的巖溶發育程度、規模以及分布等，與各自的地質環境和水動力條件密切相關。區內發育一系列的巖溶谷地、洼地、溶溝溶槽、漏斗、落水洞、溶洞及暗河，常成串、成片出露，且聯通性較好，具明顯的呈層性和繼承發育特征，并形成多個高高程部位相互關聯、低高程部位又相對獨立的巖溶系統［6］。

圖1 研究區綜合地質圖Fig.1 Generalized geologic map in the study are

本區地下水主要為巖溶水，呈構造體系間的強巖溶巖組層狀水文地質結構。巖溶地下水靠大氣降水補給，以巖溶洼地、漏斗、落水洞及巖溶斷裂等為其滲入補給通道，以巖溶泉的形式向三岔河排泄。

經研究區近60 km2范圍地質調查資料統計，永寧鎮組一段(T1yn1)共揭露泉水點18個，三段(T1yn3)共揭露泉水點20個，不同流量分級的暗河系統共3條(見圖1)。

2 巖溶水文地質特征

2.1 巖溶含水介質特征

本區主要含水介質有碳酸鹽巖巖溶洞穴或管道含水巖組、碳酸鹽巖和碎屑巖類基巖裂隙水含水巖組，各含水巖組特性如下:

(1)碳酸鹽巖巖溶洞穴或管道含水巖組。含水巖層主要為三疊系下統永寧鎮組第一段(T1yn1)、第三段(T1yn3)薄—中厚層、厚層灰巖，該含水巖組中巖溶發育，各種巖溶形態應有盡有，大型洼地、落水洞、豎井成串珠狀分布，在T1yn3、T1yn1灰巖內形成多條巖溶管道系統，均出露在三岔河左岸，說明該含水巖組地下巖溶強烈發育，地下水賦存和運移空間廣闊，含水量豐富，為區內的主要含水巖組。

(2)碳酸鹽巖基巖裂隙水含水巖組。主要為三疊系下統永寧鎮組薄—中厚層、厚層灰巖夾泥質灰巖、灰巖及關嶺組(T2g)白云巖、灰巖、泥質灰巖及頁巖。從現場調查情況看，該類含水巖組透水性弱—中等。

對研究區各巖組，依據巖溶發育程度［7］劃分為強巖溶層組、中等巖溶層組、弱巖溶層組及非巖溶層組。依其透水性分為強透水層、中等透水層和弱透水層及隔水層、相對隔水層(見表1)。

2.2 含水空間結構類型特征

根據地質調查及水文地質勘探結果，本區含水空間主要有孔隙、裂隙、洞穴及管道，其結構特征分析如下:

2.2.1 孔隙結構

本區石灰巖多具生物粒屑灰巖特征，粒屑間及其內部發育有溶蝕孔隙和裂隙。在地下水強徑流帶，晶間孔隙和裂隙連通性較好。如ZKC12+鉆孔，孔深75.05～81.4 m范圍巖芯側壁見散布蜂窩狀溶孔，溶孔直徑1～10 mm，溶孔間連通性好，鉆孔巖芯內連通可見延伸長度＞5 cm(照片1)。

表1 含水介質類型劃分表Table 1 Division table of aquifer medium type

照片1 鉆孔巖芯溶蝕孔隙Photo 1 Karst porosity in the core

2.2.2 裂隙結構

區內裂隙主要為層間裂隙和節理裂隙。層間裂隙多見于T1yn、T2g灰巖內，層面多起伏不平，具縫合線、蟲孔等構造，為地下水順層溶蝕作用提供原始通道。據鉆孔巖芯觀察，層間裂隙張開度0～1 mm，是地下水運移的主要裂隙通道之一，潛水面以下的地下建筑物開挖中，常見滴水及線狀流水現象。

根據研究區平寨水庫地下灌漿廊道地質編錄資料，主要節理裂隙有①N5°～25°E/SE∠40°～80°，②N50°～60°E/NW∠45°～60°和③N40°～55°W/NE∠60°～70°，其中裂隙①、②屬縱張性質，裂隙③具橫張性質。以開挖面所揭露的節理的延伸長度(跡長)為標準，將節理分為小型(0～10 m)、中型(10～20 m)、大型(＞20 m)。經對各組節理面進行分析，發現節理裂隙以小型張節理為主;僅有少數閉合，多數裂隙一般張開度0.5～2 cm，局部因后期溶蝕影響，裂隙寬度可達50 cm～1 m，多數見夾泥現象，泥質分布較連續。分析認為這是由于本區裂隙傾角多數較陡，部分裂隙與地表貫通，在大氣降雨滲入地下時，降雨侵蝕地表風化殘積土層，并攜帶殘坡積粘土沿裂隙向下入滲［8］，多數陡傾裂隙可見粘土部分或全部充填。

從裂隙發育特征看:①巖石單層厚度大，裂隙寬度小，單層厚度小則反之;②地貌部位對溶蝕裂隙寬度的影響極大，從東部至西部，節理裂隙張開度有逐漸加大的趨勢，靠近三岔河岸坡帶，地表30～50 m及接近三岔河河床高程附近，裂隙寬度明顯小于中間部位。

2.2.3 洞穴及管道結構

本區巖溶洞穴及管道發育，大的巖溶洞穴均為附近巖溶管道分支或分支的一部分。本區較大規模的巖溶管道系統有 KS1、KS6、KS4 及 KS4+、KS9。

(1)KS1巖溶管道系統。該系統主要發育于T1yn1和T1yn3強巖溶化巖組中，范圍分布在雞場背斜兩側，呈NE向延伸，切穿背斜核部。起點在五里洞位于背斜NW翼T1yn3的中厚層灰巖、泥灰巖中，終點在躲兵洞巖溶泉KS1位于背斜SE翼T1yn1厚層質純灰巖中。該巖溶暗河系統的補給區在五里大洞、雞場洼地及其北部大片的 T1yn2、T1yn3、T1yn4出露區，中部山王廟、油菜沖附近及其東部大片T1yn1出露區也構成沿途巖溶水系統補給源，系統徑流長度約6 km，高差208 m，水力比降3.47%。地表地質測繪發現，在雞場洼地以上的串珠狀洼地發育于T1yn3中，雞場洼地以下的油菜沖洼地底部落水洞和落家大洞均發育于T1yn1厚層灰巖中。因此，雞場洼地出現溶蝕塌陷，上伏T1yn3灰巖與下伏T1yn1厚層灰巖間已具直接水力聯系。該系統排泄口KS1泉高程1 187 m，出水量約150 L/s，最大流量可以達到5 000 L/s，是研究區內規模最大的巖溶系統。

(2)KS6巖溶管道系統。該巖溶系統位于三塘向斜的東南翼，與三塘向斜呈大致平行，呈NEE向順木底河沖溝發育。發育層位為T1yn3灰巖，下伏T1yn2的泥質灰巖、泥巖夾灰巖互層狀巖石。在馬家屯一帶地表為T1yn白云巖、白云質灰巖弱巖溶巖層，形成NE向山脊。馬家屯 ZKC43號鉆孔于孔深 180.4(高程1 274.04 m)～180.7 m(高程1 273.74 m)遇到該系統。該系統排泄口為三岔河岸坡的KS6泉水，出口高程約1 227 m，泉水出口距ZKC43號鉆孔約1.7 km，水力比降2.6%。

(3)KS4及KS4+巖溶管道系統。該系統構造上位于三塘向斜與雞場背斜間，巖層傾向北西，地表出露地層主要為T1yn2灰巖、泥灰巖及泥巖及T1yn3灰巖。上壩洼地開展的連通試驗已證實，該系統排泄口為KS4、KS4+。該巖溶系統，不僅在T1yn2中、上部灰巖中發育，而且發育到T1yn1的厚層質純灰巖和T1yn3中厚層灰巖中。其補給區主要為上壩洼地及周圍坡地，以巖溶泉形式向三岔河排泄。地下水沿巖溶管道、裂隙向西穿過T1yn2的巖層，從中厚層T1yn3灰巖中發育的巖溶泉KS4流出，同時從下游T1yn1巖層中發育的躲兵洞KS1巖溶泉流出。系統較復雜，上壩洼地與落家大洞、躲兵洞是相互連通的，該巖溶系統受雞場背斜的影響，地下水在上壩洼地一帶出現分流，是一比較復雜的巖溶系統。

(4)KS9巖溶管道系統。該巖溶系統分布在三塘向斜的西北翼，靠近核部，與向斜軸線近平行發育。發育在T1yn3強巖溶化巖層中。巖溶形態表現為:舊稅上槽谷、爛壩洼地、落水洞及泉成帶狀分布。巖溶系統補給區西北側邊界為汪家半坡—木營上—雷家壩分水嶺;東南側邊界為三塘向斜軸部由T1yn4白云巖、白云質灰巖構成的山脊。地下水排泄點位于三岔河邊巖溶裂隙泉KS9，流量＜1 L/s，該系統規模較小。

管道結構在本區起快速匯水和導水作用。據前述管道系統調查資料，T1yn1、T1yn3灰巖是管道系統發育的主要層位。多數洞穴、管道的形跡與區域構造方位基本一致，KS9、KS6大致與三塘向斜軸部延伸方向一致，KS4(+)與雞場背斜軸部延伸方向一致［9］。管道結構在上游表現為順直單管道為主，中游多呈樹枝狀，下游則為溶管—溶蝕寬裂隙，局部因地下水側向溶蝕呈洞穴，如KS6下游的K8溶洞。

K8溶洞(圖2)頂部入口位于研究區內平寨水庫左岸第二層灌漿廊道ZPD2左壁與左邊墻，入口呈不規則多邊形，長約5.4 m，寬約4 m。溶洞下穿ZPD2灌漿平硐后向南東方向延伸長約61 m，末端為豎井狀，洞底見黃色粘土充填。估算洞穴空腔體積約0.3萬m3。水庫施工中采用C15混凝土回填，在隨后調查下層廊道ZPD3樁號K1+395 m水平溶洞的過程中，在該溶洞洞壁(KS6系統溶洞)可見回填混凝土砂漿，說明該溶洞與下方的KS6暗河系統溶洞已聯通。

2.3 地下水賦存特征

從地表水文地質調查情況看，本區主要地層為碳酸鹽巖地層，主要含水層位有三疊系中統關嶺組(T2g)、下統永寧鎮組第一、三、四段(T1yn1、T1yn3、T1yn4)灰巖，相對隔水巖組為永寧鎮組第二段(T1yn2)泥頁巖夾少量灰巖，第四系殘坡積粘土層厚度較薄且水量貧乏。

圖2 K8溶洞形態圖Fig.2 The shapes about K8 cave

三疊系巖溶水的賦存主要受構造、巖性及地貌條件的控制與影響。從地質構造條件看，有利地段主要是三塘向斜，該向斜核部淺層溶蝕裂隙較發育，為地下水的儲存提供了良好的空間。

位于研究區中部三塘向斜核部地帶的ZKC12號鉆孔，孔深272 m，0～1.35 m段為殘坡積黃色粘土夾碎石;1.35～122.10 m 為 T1yn3灰色灰巖，巖芯完整，多成短柱、柱狀;少數巖芯表面有散布或蜂窩狀溶孔，巖芯見少量陡傾無充填張開裂隙，為地下水主要賦存空間。該鉆孔地下水位埋深約96 m。

ZKC12號鉆孔東側約470 m位置的ZKS1鉆孔，孔深320 m，ZKS1孔口高程1 455 m。0～1.45 m，為殘坡積黃色粘土夾碎石;1.45 ～196.50 m，為 T1yn3灰巖，巖層傾角12°～15°;1.45～26.2 m 巖芯呈砂狀或碎石狀，該孔段巖體節理裂隙極為發育。12.5～12.7 m段為溶蝕裂隙夾泥，孔深64.7 m和71.6 m附近裂隙面有溶蝕現象。施工至孔深約98 m(高程1 357 m)附近于T1yn3地層遇富水帶。于孔深244 m、T1yn2地層進行抽水試驗，連續抽水 48 h，抽水量約 0.5 ～0.8 L/s，水位未見下降。繼續鉆進至280.5 m，深入T1yn1地層49 m，終孔后繼續在孔深244 m、T1yn2地層進行抽水試驗，連續抽水 48 h，抽水量約 0.5 ～0.8 L/s，水位仍未見下降。隨后下入水管至256 m、于T1yn2地層泥巖內進行水泥漿止水處理后觀測內、外管水位。外管觀測的T1yn2+3地層水位為1 390 m;內管觀測的T1yn1地層水位1 235 m、承壓水頭約41 m。內管觀測的T1yn1灰巖水位較低，但地下水位仍高于T1yn1灰巖含水層頂板而穩定于T1yn2泥巖內，且具承壓性，承壓水頭約41 m。分析認為，T1yn1灰巖水位較低是由于本區T1yn1灰巖深埋地下、受水面積小、地下水補給量小，該含水層屬弱富水的裂隙含水層。

2.4 地下水動態特征

巖溶地下水動態是反映巖溶含水系統內在結構及介質特點的重要標志［9－10］，對其動態變化進行觀測是研究巖溶水含水介質特征的重要方法。

為了解三塘向斜核部主要巖溶含水層地下水位動態特征，選擇ZKS1進行了分層地下水位觀測(圖3)。圖中內管用于觀測T1yn1灰巖含水層地下水位，外管用于觀測T1yn3灰巖含水層地下水位。

圖3 ZKS1水位觀測曲線Fig.3 Graph about ground water level of ZKS1

上述地下水位觀測曲線說明，ZKS1附近T1yn1灰巖含水層和T1yn3灰巖含水層，其地下水動態類型屬補排極慢型，說明含水層巖溶發育及巖體透水性均較弱，僅在補給水量很大時才有反映。ZKS1在施鉆過程中，曾經進行人工提水對內管進行補水試驗，經人工提水補給約50 L后，內管水位可迅速恢復至孔口，隨后內管水位以約10 m/d的速度下降，內管水位最后穩定在1 235 m附近。

3 地下水運移特征分析

本區發育三塘向斜，該向斜為一寬緩的NE向向斜，區內可見延伸長度＞6 km，核部出露三疊系中統關嶺組地層，翼部主要是三疊系下統地層。緩傾開闊的向斜橫張、縱張節理裂隙發育程度較陡傾緊閉的向斜差，地下水的徑流條件相對較差。三塘向斜其西南部為揚起端，地下水順其核部展布方向自北東向南西徑流，向斜構造對地下水的運移具有明顯的控制作用。該區地勢東高西低、南高北低，地表可溶巖節理裂隙發育，有利于大氣降水入滲接受補給。因此，受地形與構造的共同控制作用，區域地下水整體自北東向南西流動。

根據區內巖溶水文地質調查資料，三塘向斜帶地下水徑流模式主要有單翼順層徑流和復合型徑流兩種類型。

3.1 向斜單翼順層徑流

該種徑流模式的典型代表為KS9巖溶管道系統。該系統源頭位于三塘向斜的北西翼舊稅上一帶在T1yn3強巖溶化巖層中，地表洼地、落水洞接受坡面［11］徑流入滲補給，沿途通過爛壩洼地、落水洞補給。巖溶系統補給區西北側邊界為汪家半坡—木營上—雷家壩分水嶺;東南側邊界為三塘向斜軸部T1yn4白云巖、白云質灰巖構成的山脊。地下水排泄點為三岔河邊巖溶裂隙泉KS9。該系統主要徑流區位于三塘向斜北西翼，巖溶系統延伸方向與三塘向斜軸部近于平行。

在三塘向斜南東翼，與向斜軸部近于平行發育KS6巖溶系統。該系統在研究區東北部T1yn3地層內洼地、落水洞接受坡面徑流入滲補給，沿途接受雞場、馬家屯一帶大氣降雨入滲補給，ZKC43號鉆孔孔深180.4(高程 1 274.04 m)～ 180.7 m(高程 1 273.74 m)揭露該系統，最終呈NEE向順木底河沖溝徑流排泄入三岔河岸坡KS6泉水。

從三塘向斜兩翼順層徑流特征看，向斜核部主要為山嶺，北西翼舊稅上、爛壩一帶地表高程1 461～1 478 m，南東翼補給區地表高程1 425～1 475 m，兩翼含水層出露的高差不大。地下水在這種水力條件下不能從翼部向向斜中部或核部徑流，也很難從向斜的一翼徑流到另一翼排泄，而是從翼部補給區接受降雨入滲后，順含水層走向向附近三岔河河谷排泄。

3.2 背斜復合型徑流

該種徑流模式的典型代表為KS1巖溶管道系統。該系統源頭位于研究區東部、雞場背斜NW翼五里洞一帶T1yn3灰巖洼地、落水洞，排泄點為背斜SE翼KS1巖溶泉。KS1系統從補給區到上壩洼地附近，主要在雞場背斜NW翼運移徑流;從上壩洼地附近斜穿雞場背斜后跌落至落家洞，之后沿雞場背斜SE翼運移徑流。該巖溶系統補給區木河、五里大洞、雞場洼地地表高程1 380～1 420 m，排泄口KS1泉高程為1 187 m，系統徑流長度約6 km，補給區至排泄口高差近200 m，形成典型的背斜復合型徑流。

從地形看，雞場背斜軸部主要為山嶺，兩翼地表形態相似，且可溶巖在背斜四周均有出露，含水層在核部埋深不大，地下水在背斜NW翼高高程部位接受補給，并順翼部向低高程部位徑流，而后因低高程部位巖溶襲奪及SE翼三岔河河谷深切影響等諸多因素的綜合作用下，轉而向背斜SE翼徑流。

3.3 地下水運移特征的水文地質意義

三塘向斜同時分布有透水巖層(T1yn1、T1yn3+4)和相對隔水巖層(T1yn2)，T1yn2相對隔水巖層構成隔水邊界，透水巖層成為含水介質，T1yn2相對隔水巖層以上的向斜構造可視為向斜型蓄水構造。但是，三塘向斜中部被三岔河橫向深切，使之成為開啟型向斜，即蓄水型向斜構造被河谷深切后呈開啟型向斜，蓄水條件差。

研究區附近，有建設中的黔中水利樞紐工程平寨水庫。水庫上游三岔河扈家河支流左岸T1yn3灰巖大面積出露，該強巖溶層連續性好(圖4)，在三塘向斜SE翼成片出露，前期勘察過程中，經大量勘探、分析后認為，水庫蓄水后不會沿T1yn3灰巖產生三塘向斜順層繞軸徑流而出現庫水向三塘向斜SE翼KS1地下巖溶暗河滲漏的問題。目前，平寨水庫已通過蓄水驗收，下閘蓄水至1 260 m高程，從目前初期蓄水后的觀測情況看，未發現沿T1yn3灰巖產生三塘向斜順層繞軸徑流向KS1地下巖溶暗河滲漏的現象，說明前期勘察研究結論是正確的。

4 結語

(1)巖溶地下水運移特征及徑流形態復雜。本文根據研究區巖溶地質調查資料和地質構造特征，結合水文地質勘探資料和巖溶調查、地下水連通試驗結果，分析了本區地下水運移特征。

(2)區內可溶巖廣布，巖溶現象主要表現為巖溶谷地、洼地、溶溝槽、漏斗、落水洞、溶洞及暗河，各種巖溶現象常成串、成片出露，且連通性較好，具明顯的呈層性和繼承發育特征。巖溶地下水靠大氣降水補給。

(3)本區地下水主要為巖溶水，含水空間主要有孔隙、裂隙、洞穴及管道，巖溶管道呈構造體系間的強巖溶巖組層狀水文地質結構，以巖溶洼地、漏斗、落水洞及巖溶斷裂等為其滲入補給通道，地勢東高西低、南高北低，地下水主要以巖溶泉的形式向三岔河排泄。

(4)經分析研究，三塘向斜北西翼與軸部近于平行發育KS9巖溶系統，南東翼平行發育KS6巖溶系統，因此，在三岔河岸坡一帶，三塘向斜地下水徑流形式主要表現為單翼順層徑流類型。

(5)雞場背斜NW翼五里洞一帶T1yn3灰巖洼地、落水洞形成KS1巖溶管道系統補給區，該系統排泄點為背斜SE翼KS1巖溶泉。KS1系統從補給區到上壩洼地，主要在雞場背斜NW翼運移徑流;從上壩洼地附近斜穿雞場背斜后跌落至落家洞，之后沿雞場背斜SE翼運移徑流，形成典型的背斜復合型徑流模式。

圖4 KS20至焦家丫口H—H'水文地質剖面圖Fig.4 The hydrogeological sectional view about KS20 karst spring to Jiaojia

(6)有關研究結果，對附近三岔河流域地表水庫工程建設和雞場鄉地下供水工程水井孔布置等均具有重要的現實意義。研究區附近建設中的黔中水利樞紐工程平寨水庫，前期大量勘探、分析后認為，水庫蓄水后不會沿T1yn3灰巖產生三塘向斜順層繞軸徑流而出現庫水向三塘向斜SE翼KS1地下巖溶暗河滲漏的問題，對論證該強巖溶水庫成庫條件起到了至關重要的作用。有關巖溶地下水運移與褶皺構造之間的關系問題，在工程實踐中可進一步研究。

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