砂廠水庫巖溶特征研究

代龍省，段星宇

（云南能陽水利水電勘察設計有限公司，云南 曲靖 655000）

1 砂廠水庫概況

砂廠水庫所處行政區為富源縣富村鎮砂廠村委會砂廠村，擬建攔河壩位于沙廠村北東約800.0m 處兩山體之間的啞口部位。啞口之下的河床部位為天然落水洞，為水庫區下游及右岸暗河之進口。水庫所處河流砂廠河為南、北盤江一級支流黃泥河上游新橋河右岸支流。工程距富源縣城約120km，距曲靖市200km，距昆明市355km。庫區右岸交通尚屬方便，但左岸及壩址交通條件差。

根據砂廠水庫區地形條件，水庫擬建擋水壩正常蓄水位約1780.0m 左右，最大壩高60.0m 左右（利用落水洞上部天然封閉的啞口地形作為大壩，即無須筑壩），壩頂高程為1782.0m，正常蓄水位相應容庫1000.00×104m3，總庫容為1340×104m3，為中型規模。圖1為水庫盆庫區。

圖1 水庫盆庫區

2 可溶巖分布特征

砂廠水庫庫區出露的碳酸鹽巖地層主要為二疊系（P）下統棲霞組、茅口組。次為石炭系（C）上統馬平組小范圍出露于水庫區左岸近分水嶺地帶，出露位置較高，與庫水蓄水關系不大。與水庫區蓄水或滲漏關系緊密的主要為二疊系下統茅口組（P1m）灰巖，次為棲霞組（P1q）灰巖，大面積出露于水庫區左岸及近壩右岸。因此，水庫區灰巖巖溶含水層巖性相對單一，巖溶含水層為二疊系下統茅口組（P1m）與棲霞組（P1q）灰巖。相對隔水層為二疊系上統峨眉山組（P2β）玄武巖，二疊系下統梁山組（P1l）砂頁巖及三迭系下統飛仙關組（T1f）砂頁巖。

3 巖溶發育控制因素

可溶巖的巖性為巖溶作用產生和發育的基礎條件，地形地貌、氣象、水文、地下水動力、地質構造則為外部條件，一般來說，區域侵蝕排泄基準面控制著巖溶垂向發育的下限[1]。

3.1 地層巖性

水庫庫盆區連續純碳酸鹽巖主要為二疊系下統茅口組（P1m）灰巖，次為棲霞組（P1q）灰巖，地表可發育巖溶槽谷（庫盆區）洼地、水平溶洞、落水洞、豎井，地下發育暗河，地下水類型以溶隙～管道型地下水為主，巖溶發育。

石炭系中統黃龍群（C2hn）及上統馬平組（C3mp）灰巖呈環形、弧形小范圍出露分布于庫區左岸山頂分水嶺一帶。三迭系下統永寧鎮組下段（T1yn1）灰巖呈條帶狀出露分布于庫右岸及庫尾。中統關嶺組（T2g）灰巖呈條帶狀出露分布于水庫右岸及庫尾的外圍分水嶺一帶，與水庫工程區關系不大。下統飛仙關組（T1f）、二迭系下統梁山組（P1l）砂頁巖及上統峨眉山組（P2β）玄武巖，零星出露或呈條帶狀與P1q+m 相間分布于庫區左岸及庫尾和右岸外圍。

與水庫區蓄水緊密相關的巖溶含水層主要為二疊系下統茅口組（P1m）灰巖及棲霞組（P1q）灰巖可溶巖。

3.2 地質構造

地質構造不僅控制了地形的起伏狀況和地層的空間分布特征，而且NW 走向的高角度沖斷層整體控制著地下水的運移、富集規律。庫區NW 走向高角度沖斷層發育且密集分布，斷層角度較陡，傾向延伸較深，受斷層影響巖溶發育較深，垂向落水洞較深，溶蝕空腔較大而形成管道型巖溶系統。庫區巖溶落水洞、地下暗河的發育均受NW 向F2、F3高角度沖斷層控制，總體呈NW 向延伸展布，地下水總體也是由北西向南東運動，最終向水庫區右岸北東外圍的兩個巖溶大泉Q1、Q2 逕流排泄。F2、F3斷層在可溶巖P1m 灰巖中具有導水的作用，同時在斷層南東末端與P2β 相對隔水層分布部位也具有阻水作用而出露巖溶大泉Q1 與Q2。

3.3 侵蝕基準面

除了地層巖性、地質構造條件等因素控制著庫區巖溶發育的部位、形態、規模及發育深度等外，區域侵蝕基準面或低槽帶等也影響和控制著巖溶發育的深度（下限）。工程區域一級侵基準面為南、北盤江，二級侵蝕基準面為黃泥河上游新橋河，三級侵蝕基準面為大凹子河（河面高程約1363.5m）。其一、二級侵蝕基準面距水庫工程區較遠，對水庫工程區范圍內的巖溶發育影響不大或無影響，對水庫工程區巖溶發育影響深度有較大或直接影響的主要為大凹子河三級侵蝕基準面，為水庫區巖溶水運移與排泄的最低侵蝕基準。水庫區完成的5 個鉆孔中，其中位于庫區左岸下新寨一帶鉆孔ZK03（水位高程1787.46m）及大壩落水洞下游河床ZK04（水位高程1736.78m）兩個鉆孔地下水位分別高于大壩上游河水位（河水位高程1720.1m）16.68～67.36m，但ZK04 地下水位低于此部位河床29.1m，形成懸托河谷（盲谷）。左岸地下水補給河水，ZK04 部位地下水倒流至大壩落水洞。位于大壩上游河床孔ZK01（水位高程1714.9m）、大壩壩軸線部位落水洞上部啞口ZK02（水位高程1717.13m）、庫區近壩右岸分水嶺ZK05（水位高程1669.1m）3 個鉆孔地下水均低于河水位，河水補給地下水，形成懸托河[2]。

4 巖溶發育類型

4.1 巖溶槽谷洼地

砂廠水庫庫盆區為北西—南東走向的F2斷裂構造控制發育天然形成的巖溶槽谷洼地，洼地長約1.6km，寬為50～200m。巖溶槽谷洼地所處河流砂廠河于近壩址一帶，鉆孔揭露第四系沖洪積層厚34m，左岸均為P1m 灰巖組成，右岸為P2β 玄武巖、T1f 砂頁巖及局部P1m 灰巖組成，最大切割深度200m 左右。

4.2 水平溶洞

近庫尾砂廠小學以東南主向庫區左岸發育一北西走向延伸長度約10m 的P1m 灰巖水平溶洞（花魚洞），溶洞高出河床5～10m，枯水期無水流出為干洞，洪水期被淹沒，退水后，據當地老百姓講有魚從洞里出來，故名花魚洞。實際上是洪水期河床里的魚隨河水回灌到洞里，退水后又洞里積水又將魚帶出洞外來所致。此外，沿壩址以下主河床（盲谷）左岸發育走向北東的大型水平溶洞，溶洞延伸至石坎子一帶，長度近300m，洞高2～20m、洞寬2～15m。這兩個水平溶洞分別受F2、F3斷層控制和影響。

4.3 落水洞

壩址河床部位山體鞍部下部（洞高20～40m、洞寬5～10m）及左岸外圍相鄰北西走向沖溝左壁（洞高5～10m、洞寬2～3m）各發育一個落水洞。沿壩址落水洞以下沿主河床（盲谷）發育串珠狀落水洞8 個（局部有水）。這些落水洞均受F2、F3斷層控制和影響，或發育于斷層帶上及斷層帶兩盤影響范圍內，或沿梁山組砂頁巖與茅口口組灰巖的接觸帶發育。

4.4 地下溶蝕空腔、暗河管道

砂廠水庫庫盆為天然形成的垂直型巖溶槽谷，主河床為砂廠河，利用主河床上的落水洞上部天然封閉的啞口地形作為大壩，即無須筑壩。正常蓄水位以不淹沒砂廠小學及城隍廟為原則，初擬蓄水規模為中型。大壩（落水洞）上游河床長年有水，庫區來水量主要為距庫尾砂廠小學約1.4km 的鍋背溝長流水（流量400L/s，2022 年5 月測）及鍋背溝左岸巖溶大泉（流量800L/s，2022 年5 月測），次為右岸上洛黑-舊屋基、老虎箐及石箐子3 條沖溝水。這3 條沖溝中，以石箐子沖溝水量相對較大，為長流水；而上洛黑—舊屋基、老虎箐兩條沖溝在雨水或洪水期，溝水較大補給主河床于庫水，枯水期或溝水水量較小時，老虎箐沖溝斷流無水或于灰巖段轉入地下伏流，上洛黑-舊屋基沖溝由上游至下游水量減小或轉入地下伏流。

5 巖溶垂向發育特征

本工程為蓄水論證階段，于水庫區主河床、左右岸共布置了5 個水文地質勘察鉆孔，其中ZK01 位于壩址砂廠河河心、ZK02 位于壩址（壩軸線）啞口（之下的河床部位為天然落水洞）、ZK03 位于水庫左岸下新寨一帶、ZK04 位于壩址落水洞下游河床、ZK05 位于近壩右岸。上述5 個鉆孔以右岸ZK05 最深，孔深達417m，各孔在此深度范圍P1m 單一可溶巖含水層溶內，均未揭露和發現較溶洞（無掉鉆現象，也無黏土充填溶洞），包括小溶洞也不發育，小溶孔也少見，未見明顯巖溶洞隙，主要為溶隙和層間擠壓破碎帶，故未作鉆孔溶洞、溶孔垂向巖溶發育特征圖，僅通過列表反映溶隙和層間擠壓破碎帶的發育深度情況。根據壩址區與水庫區勘察鉆孔的相關統計資料，說明水庫區巖溶發育較深，但主要以溶隙及層間擠壓破碎帶溶蝕為主，5 個鉆孔中均未見明顯的溶洞，僅偶見細小溶孔，包括ZK05 深度達417m 也是如此，灰巖巖體的透水率大多小于5Lu。也說明地表落水洞及地下暗河等較大巖溶則主要受構造（結構面）及梁山組砂頁巖與茅口組灰巖接觸帶控制[3]。

5 個鉆孔中近壩河床ZK01 地下水位埋藏高程1714.2m，壩址落水洞上部啞口ZK02 地下水位埋藏高程1708.3m，庫區左岸下新寨一帶ZK03 地下水位埋藏高程1786.9m，大壩下游河床ZK04 地下水位埋藏高程1730.5m，近壩右岸ZK05 地下水位埋藏高程1669.1m。在這5 個鉆孔地下水位中，除庫區近壩右岸ZK05 外（此孔全孔壓水試驗透水率總體較小，總體小于3Lu，反映出地下水位與巖體透水性關系不緊密或巖體透水性對地下水位的高低影響不大），其余四孔均反映出庫區左右岸、河床地下水位均高于庫區巖溶溶隙發育的最低下限深度（埋深314.1m，高程1630.1m）和高于和接近鉆孔所在部位相對隔水層之巖體透水率3Lu 線（3Lu線的埋深高程為1709.8～1785.2m）而低于5Lu 線（5Lu線埋深高程為1754.8～1820.6m），因此庫區防滲宜按相對隔水層之巖體透水率3Lu 線以下10m 控制及同時滿足低于最低地下水位20m 控制。

由鉆孔揭示巖溶發育情況與地表巖溶對比，可說明本區垂向上的巖溶發育深度、程度、巖溶形態與水平方向上不一致性。即本區河流下切速度較快，地表河水及地下水對巖體側向和垂向上的侵蝕與溶蝕，在時間上與速度上小于地殼構造的升降速度，使之來不及進行充分的溶蝕作用，這也是庫區落水洞、水平溶洞及地下暗河較發育而垂向上洞隙卻不甚發育的原因之一。

6 巖溶含水介質空間滲透特性

砂廠水庫左岸、近壩庫區右岸及右岸近庫尾基巖地層巖性為二疊系下統茅口組（P1m）灰巖，右岸主要以二疊系上統峨眉山組（P2β）玄武巖為主夾少量三迭系下統飛仙關組（T1f）砂頁巖。次外，大壩下游河床ZK04部位P1m 下部揭露二疊系下統梁山組（P1l）砂頁巖，庫區左岸鄰溝地表出露P1l 砂頁巖[4]。

總結砂廠水庫工程區完成的5 個鉆孔壓水試驗資料，庫區巖溶介質的滲透性在垂向上的變化有如下特征。

（1）總體來說，水庫區P1m 灰巖巖溶介質的透水率呈現隨著深度增大而減小的遞變規律，但總的來說透水率都不大，普遍在10Lu（0.1～9Lu）以下，呈弱微透水。

（2）巖體在斷層及其影響帶內（ZK01、ZK03）、P1m灰巖與P1l、P2β 接觸帶（ZK01、ZK04）及局部層間擠壓破碎帶和溶隙相對較寬的溶縫帶上透水率較大達12～17Lu，呈中等透水。顯示了梁山組（P1l）、峨眉山組（P2β）與可溶巖之間存在地下水的良好通道，P1l 砂頁巖與P2β 玄武巖隔水作用下，巖層頂底板可溶巖中巖溶作用相對強烈。

（3）5 個鉆孔中，除斷層破碎帶、局部層間擠壓破碎帶、P1l、P2β 地層巖體較破碎外，P1m 灰巖巖體總體較完整-完整，所有鉆孔均沒有揭露溶洞、局部偶見小溶孔，也少見寬大溶隙，未出現掉鉆現象。說明水庫區P1m 灰巖總體以溶隙為主，除表層及淺部溶隙相對較寬呈張開狀，深部巖體溶隙較小較細且延伸不遠。

7 巖溶對水庫蓄水影響

在巖溶區對水庫進行修建，水庫內的水容易沿溶蝕裂縫、巖溶管道以及溶洞等出現滲漏，進而對水庫蓄水造成直接影響。水庫滲漏通道的大小通常取決于巖溶的發育程度，并且這也是影響滲漏連通性的一個關鍵因素。倘若巖溶發育程度相對較差，主要為溶隙、溶孔等，就不會對水庫蓄水造成太大影響，出現水庫滲漏的可能性不大；倘若巖溶的發育比較強烈，分布較為廣泛且深度較大，并且還存在大型巖洞或地下水暗河等，就容易造成水庫的滲漏，且滲漏量相對比較大，對水庫工程的正常使用有著嚴重影響[5]。

8 結語

綜上所述，在巖溶區修建水庫的過程中，必須高度重視巖溶滲漏的問題，通過對巖溶水庫巖溶滲漏問題的勘察和處理，確保水庫工程能夠順利完成建設，并在完工以后正常運行，避免巖溶對水庫蓄水造成負面影響。本文結合砂廠水庫的實際情況，探究了砂廠水庫各方面的巖溶特征，并論述了巖溶對水庫蓄水所造成的影響。希望通過本文所進行的研究，能夠為其他巖溶區水庫工程的建設提供參考。