茨竹灣水庫利用巖溶天坑成庫的地質勘察探析

楊 野，景隨心，史殿順

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 400020)

1 工程概況

茨竹灣水庫大致呈橢圓形，長150～180m，寬55～90m，利用天然巖溶天坑，通過封堵巖溶天坑中心的巖溶漏斗成庫，水庫正常蓄水位為1454.20m，水庫總庫容為72.4萬m3，是一座以灌溉為主，兼人畜飲水等綜合利用功能的水利工程，建成后將保障周邊多個村寨灌溉用水、飲用水安全。

2 水庫區巖溶水文地質條件

(1)地形地貌。工程區位于四川盆地東部邊緣，大婁山脈北東側、武陵山脈北西緣。區域地貌型態屬喀斯特侵蝕、剝蝕中—低山地貌，山脈走向多與構造線一致，呈北東—南西向，區內山體寬厚、溝谷深切，地形地貌受巖性、構造控制。區域地貌成層性明顯，各級夷平面標高分別為Ⅰ級1800～2000m；Ⅱ級1400～1600m；Ⅲ級1000～1200m，Ⅳ級700～900m；Ⅴ級300～500m。

工程區位于Ⅱ級夷平面，地文期屬大婁山第二亞期。地貌受褶皺構造形跡的控制，總體呈現背斜山。山頂最大高程為1645.20m，最低為茨竹灣水庫庫底高程1435.00m，相對高差約為210m，區內巖溶洼地、漏斗、落水洞多順構造線，呈串珠狀分布，壟崗上多獨立的峰叢呈不連續的分布，地表沖溝不發育。

庫盆天坑內主要為湖積堆積層和四壁的崩坡積堆積層：湖積堆積層為庫內多年淤積的褐黃色粉土、灰黑色淤泥質土及粉細砂，呈互層狀無韻律分布于盆底，多夾塊石、腐木，局部分布有大孤石等，分布均一性很差，其厚度一般為5～25.0m。崩坡積堆積層由孤石、塊碎石夾土組成，厚20～45m，該層多被湖積淤泥質土包裹，塊石一般粒徑為5～50cm，個別孤石大于3m，呈棱角狀，分布均一性很差。

(3)地質構造。庫盆位于郁山背斜北西翼，巖層產狀N55°E/NW∠12°；庫盆區無區域性大斷裂發育，在庫盆西南側岸坡發育一小逆斷層F，產狀N80～90°E/SE∠20°～30°，破碎帶寬0.2～1.0m，下盤有寬約3～4m的扭曲帶，長約400m，出露高程為1425～1475m，沿該斷層溶蝕發育。

(4)巖溶發育情況。根據地表測繪及鉆孔揭示，庫盆巖體溶蝕類型主要為順陡傾角裂隙、斷層形成落水洞、溶洞及漏斗，但洞壁四周巖體溶蝕較微弱，鉆孔巖心溶蝕率極低，巖體完整性較好，局部段見有零星小孔。根據庫盆調查統計，庫盆面巖溶率>30%，整體屬于極強烈溶蝕區。

(5)巖溶地下水。庫區巖溶水主要分布在三疊系下統大冶組灰巖中，地下水運動一般屬管道溶隙流或溶隙流類型，地下水以泉的形式在地表出露，水庫地下水屬補排型。

根據連通試驗的結果，庫區周圍巖溶系統從北向南發育排泄，主要分別為：

① 三岔河溝至趙家暗河系統。該系統位于水庫西北部，距庫區約360m，發育于三疊系上統大冶組灰巖中，由一串連續發育的巖溶洼地、落水洞、暗河組成。連通試驗證實該巖溶系統與庫區無連系，經過地下暗河沿大冶組底部頁巖向水庫外下游長巖村排泄，出口高程約為1130m。

② 筲箕塘暗河系統。該系統位于水庫東南部，距庫區約為1000m，發育于二疊系灰巖中，由一串連續發育的巖溶洼地、落水洞、暗河組成。連通試驗證實該巖溶系統與庫區無連系，經過地下暗河沿二疊系灰巖向下游吳家村排泄，出口高程約為1200m。

③茨竹灣暗河系統。該系統發育于三疊系上統大冶組灰巖中，由巖溶洼地、落水洞、暗河、巖溶泉組成。庫水主要為水庫西側地表降雨，通過巖溶管道及溶溝溶槽等向水庫內排泄，經過地下暗河沿大冶組底部頁巖向水庫外下游長巖村排泄，出口高程約為1175m。

3 成庫條件分析

根據地質調查、連通試驗、地質物探等方法，查明庫盆巖溶天坑主要巖溶形態為巖溶天坑、水平溶洞、巖溶泉。

(1)巖溶天坑分布于水庫庫底，以垂直向下作用為主，為地表水、地下水的主要排泄通道、匯集區域，溶蝕發育很強烈，已查明的有K4、K5、K6、K7，根據鉆探及物探揭示，天坑垂直向下順陡傾角裂隙發育，現被淤泥質土、粉土及塊石等充填。

(2)溶蝕裂縫分布于水庫西側陡壁，主要有K1、K2、K3，直徑為1～3m，高于庫地面3～8m，發育深度大于10m，順庫壁的裂隙發育，延伸長度長，溶蝕較強，當水庫蓄水后有順層面及陡傾角裂隙向南側與西側隧洞槽及庫底滲漏的可能性。

(3)巖溶泉主要見于庫盆北側泉S4與S5，高于庫底約20m，均為下降泉。K7為庫盆內一水塘，常年有水，枯水期該水塘主要由茨竹灣泉點S4、S5及K7底部上升泉補給，水量約為1L/s；汛期K7內水量隨降雨增大，該泉為上升泉，由水庫北側及北東側匯水區補給。

3.1 巖溶水補給條件

本區大氣降水較豐富，區內碳酸鹽巖分布較廣泛，巖石受侵蝕和溶蝕作用，因而，巖溶發育在不同的高程上，巖溶水主要受大氣降水呈滲入—灌入式補給。

巖溶水主要補給源為北東面與北側洼地地表降雨補給，經巖溶管道運移以泉及地表徑流的形式補給庫水，補給區分布有眾多溶蝕洼地、漏斗、落水洞，大氣降水至地表后幾乎都補給地下徑流，具有集中、迅速灌入為主的特點。

3.2 地下水徑流

工程區內為NE—SW向構造地區，區內地下水流向受地形、地貌、地質構造、巖性和巖溶發育程度等因素的制約，地下水徑流方向主要順巖層傾向與走向運動，徑流以管道運動為主，裂隙散流為輔，汛期可在茨竹灣水庫庫內的S4、S5及K7泉水點觀測到地下水呈管道式集中排泄，雨后實測流量大于300L/s，具有徑流集中、速度快的特征。

3.3 地下水排泄和動態

茨竹灣水庫庫水受北東面地表降雨補給，經巖溶管道運移以泉及地表徑流的形式補給庫水，泉具有漲水快、疏干快的特點。經調查，降雨后庫水迅速上升，雨后約3d，庫水就可以排泄成干庫。

茨竹灣水庫庫水由地表沖溝、泉點S4、S5及K7補給。根據開挖后對地質條件進行的編錄調查，S4與S5連通，流量不穩定，洞口寬約3m，高約2m，平常無水，暴雨后流出，該洞可進入長約50m，洞整體呈管道型，寬為2～3m，高為1.5～2m，在據洞口約50m處有一向下發育的落水洞，寬約1m，枯水期所有水沿該落水洞流走，去向未知，豐水期沿S4或者S5流出，洞內有堆積的砂土、塊石等。

據水文觀測，水庫在地表降雨后迅速蓄水，雨后2～3d成干庫，庫盆曾多次發生大規模管道性滲漏，枯水期水庫為干庫；水庫屬于典型的補排型水庫，因此該水庫存在管道性巖溶滲漏問題，主要有三種方式：①沿庫盆底部塊碎石土層滲漏后向深部或水平方向溶蝕通道產生管道型或裂隙性滲漏；②沿巖土分界面向深部產生滲漏；③滲漏直接沿四壁落水洞或溶蝕裂隙產生滲漏。

4 工程處理措施地質建議

(1)對庫周防滲

庫周地表巖體主要為陡傾角溶蝕裂隙及溶蝕裂縫，局部段分布有水平溶洞，為庫水外滲的通道，庫周深部巖體有溶洞發育，根據巖體滲水特點，庫周防滲通過灌漿處理溶洞封堵的難度大，且完全封堵的可靠性不高，建議將庫周地表坡面清理平順后采用鋼筋混凝土板方式對庫周進行全防滲處理，并注意庫周與庫盆封堵防滲搭接。

(2)對庫底的封堵

根據地表地質測繪、物探測試及地質鉆探揭示綜合分析，水庫庫底為上大下小的巖溶天坑，天坑被粉土、淤泥質土及塊石充填，地表地形平坦。天坑上部長約150m、寬約60m，下部逐漸變狹窄，底部長約30m、寬約20m，局部呈陡坎地形，天坑中心位置局部呈倒懸空腔。由于庫盆(天坑)深度較大，已被粉土、淤泥質土及塊碎石等全部充填，土體屬高壓縮土、弱透水土體，不滿足庫底變形與防滲要求，粉土、淤泥質土及粉細砂為細粒土，上述土體極易被地下水流陶蝕，導致地基被掏空后發生變形破壞。根據該區地下水流特點及水庫漏斗土體性質，建議封堵天坑底部。

(3)對水平溶洞的封堵

根據野外地質測繪，水庫庫周表面分布的三個水平溶洞，內有少量黏土及碎石充填。建議封堵時應先清除洞內淤積物，挖除強卸荷巖體后用水洗凈，再用混凝土充填，其填塞寬度不應小于洞徑的1.5倍，深度不小于洞徑的1倍。

(4)對上升泉的疏導

經地質測繪調查，水庫庫底有一處上升巖溶泉， 曾多次采取工程措施進行封堵，但均未成功。由于該巖溶泉水補給區高程高于庫底板高程，若按設計混凝土拱封堵，會造成高水頭破壞混凝土結構；另一方面，若K7通過管道引至水庫水位1463.00m以后，空庫會形成約0.4MPa的水頭壓力，對庫底板會形成一個“頂托”作用，會對混凝土拱造成破壞；再者，K7為庫水的主要補給源之一，該水源封堵后會造成庫水來源不足。因此，建議設計將K7開挖至庫底后再通過管道將地下水引至水位1462.00m處，一方面保證庫水不反流，另一方面可補給庫水。

5 設計方案布置及處理原則

庫盆設計正常蓄水位高程為1454.20m，采用的設計方案是在高程1397.50～1403.4m處設置碾壓黏土層+土工膜防滲處理，北側布置鋼筋混凝土防滲墻。庫盆底部可置于覆蓋層上，采用黏土層、碾壓灰巖石渣料回填、碾壓灰巖塊石換填處理，四周與基巖連接。

庫內覆蓋層開挖至設計高程后對覆蓋層土基經碾壓平整處理后，由于庫底黏土承載能力非常差，因此，從下至上依次鋪設碾壓灰巖石渣料層、3m厚碾壓黏土層、土工膜防滲層、膜上覆蓋黏土保護層、灰巖碎石料+干砌塊石防沖刷層。土工膜上部的黏土保護層、碎石層、干砌塊石層的主要作用是在水庫蓄水后保護土工膜。

6 結語

綜上所述，由于茨竹灣水庫修建于巖溶天坑內，有其特殊的地質條件，利用充分的地質調查資料和合理的地下水徑流分析，對其成庫條件做了分析說明，提出了庫盆處理措施。但由于本工程具有自身特點的局限性，僅能作為同類工程成庫條件分析的借鑒。