代志宏, 朱銀紅, 盧 鵬, 李正順, 趙錫榮

(1.廣西財經(jīng)學院 管理科學與工程學院, 南寧 530003; 2.桂林理工大學 土木與建筑工程學院，廣西 桂林 541004;3.南寧市勘察測繪地理信息院有限公司, 南寧 530022; 4.中國能源建設集團廣西電力設計研究院有限公司, 南寧 530004;5.大理白族自治州水利水電勘測設計研究院，云南 大理 671014)

0 引 言

我國巖溶分布廣泛, 類型眾多, 全國碳酸鹽類巖石面積達130萬km2, 如包括埋藏型巖溶, 則約有200萬km2[1]。工程上關注的多是大規(guī)模碳酸鹽巖分布區(qū), 如: 位于玉樹縣查日扣水電站壩址區(qū)巖溶滲漏問題[2]; 廣西龍洲金龍水庫長期滲漏導致壩體坍塌[3]; 貴州省三寶水庫[4]、羅城縣白壩水庫[5]、西南地區(qū)某巖溶水庫[6]從運行至今一直存在繞壩滲漏; 毛家河水庫[7]、吳家莊水庫[8]庫區(qū)滲漏。文獻[2-10]對這些大規(guī)?？扇軒r分布區(qū)域水庫的巖溶滲漏問題作了深入研究, 取得了較多研究成果。

但是, 目前發(fā)現(xiàn)滇西幾個發(fā)生強烈?guī)r溶滲漏的高原山區(qū)水庫, 其巖溶發(fā)育特征與已有的研究成果均不相同, 筆者提出“非典型隱伏巖溶”這一概念, 其特點為: 位于高原山區(qū), 庫區(qū)碳酸鹽巖地層所占比例小, 巖體規(guī)模小, 夾在兩個隔水地層之間, 地表很難發(fā)現(xiàn)可溶巖跡象, 在基礎地質資料上查不到可溶巖地層, 目前高原低溫少雨的氣候條件并不利于巖溶發(fā)育。而專項勘察卻發(fā)現(xiàn), 這些水庫的巖溶屬于埋藏型古巖溶, 可溶巖巖體破碎、透水性強, 地下水侵蝕基準面低、水力坡度大、厚薄不一的上覆地層被庫水擊穿只是時間問題。因此, 水庫工程建設過程中“非典型隱伏巖溶”很容易被忽視和遺漏而發(fā)生滲漏事故, 導致工程投資增加，影響使用, 甚至水庫廢棄。

在我國, “熱帶巖溶”的分布范圍遠遠超出了自然地理學上的熱帶, 云貴高原和青藏高原均發(fā)現(xiàn)存在埋藏型古巖溶[1]。因此, 工程中遇到“非典型隱伏巖溶”并非個例, 這種隱蔽性強巖溶的早期發(fā)現(xiàn)、避讓、預先采取措施非常重要, 但目前尚未見到此類問題的研究。

本文以云南大雪山水庫為例, 針對其滲漏事故, 采用系統(tǒng)工程的研究思路, 點、面兼顧, 通過地質資料分析、綜合水文地質調查、鉆探、物探、區(qū)域水化學試驗、同位素試驗和示蹤試驗等手段, 查明非典型隱伏巖溶滲漏事故發(fā)生的原因, 揭示本場地巖溶的特殊性, 分析巖溶滲漏的水動力特征及補徑排條件, 提出解決方案, 為高原地區(qū)工程建設積累經(jīng)驗。

1 工程概況

大雪山水庫位于云南省永德縣大雪山鄉(xiāng)，匯水面積11.6 km2, 壩高78.5 m,壩頂高程2 008.5 m, 校核水位高程2 004.29 m, 總庫容1 510.1×104m3, 為中型工程。2011年6月下閘試蓄水, 當水庫水位蓄至1 970.21 m(庫容135.878萬m3)時, 庫盆右岸上游距壩軸線約360 m區(qū)域出現(xiàn)滲漏, 流量約2.5 m3/s。直至該年9月, 約有1 000萬m3庫水滲漏, 且去向不明。

為掌握巖溶發(fā)育規(guī)律與影響控制因素, 查清庫盆滲漏的原因，開展了歷時6個月的水庫滲漏勘察及研究, 包括: 已有地質資料搜集分析; 水文地質調查(面積約85 km2, 比例1∶10 000); 超高密度電法勘探點32 893個; 井地透析成像點4 546個; 井井透析成像點386個; 鉆孔44個, 注水試驗、壓水試驗177次; 主要水點的水化學分析樣19個; 同位素分析樣16個; 示蹤試驗4次。

2 地形地貌及地表水系

大雪山水庫所在區(qū)域屬中高山侵蝕地貌區(qū), 地形起伏相對較大, 海拔高程在700～2 500 m。由于印度洋板塊向亞歐板塊的俯沖, 青藏高原急劇隆升, 造就了此區(qū)域河谷深切, 谷坡陡峻, 侵蝕基準面低, 水庫懸托, 地表徑流轉化成地下徑流時落差大, 一旦滲漏, 處理異常困難。庫盆主要由兩條較大的溝谷組成(圖1), 水庫岸坡坡度18°～50°, 局部為陡崖。

圖1 水庫區(qū)域地形、地表水、地質略圖

水庫徑流區(qū)屬怒江流域永康河水系一級支流南橋河上游的忙令河, 匯入水庫的主要地表水徑流有4條, 地表分水嶺清晰, 從地形上看, 水文地質單元完整(圖2)。經(jīng)過滲漏勘察才發(fā)現(xiàn), 由于“非典型隱伏巖溶”的存在, “巖溶滲漏通道”被安山玄武巖和第四系土層覆蓋, 由庫盆一直向南延伸, 從庫區(qū)南側的分水嶺地下穿過, 使得水庫的地表水和地下水的分水嶺截然不同, 庫區(qū)水文地質單元并非從地形上推測的整個庫區(qū)的地下水向西北側大壩下游的忙令河河谷排泄, 實際上是向南排泄。

3 地質構造及滲漏分析

庫盆附近區(qū)域發(fā)育的構造形跡特征如圖1、圖2所示。

圖2 水庫區(qū)域地表水系、示蹤試驗布置圖

3.1 南北向構造

1)向斜構造主要為舊寨-戶婆向斜, 向斜軸走向近南北向與F3斷裂延伸方向相近。向斜軸部被F3斷裂切斷。

2)斷裂主要有F3、F4、F17等。

F3斷裂: 走向近南北, 從庫區(qū)中間穿過, 沿大巖房-庫盆-大爐場-戶婆河溝谷分布(圖3), 斷裂帶寬15～50 m, 主斷裂傾向西, 傾角70°～85°, 屬壓性, 斷裂帶主要由碎裂巖、糜棱巖、斷裂泥、構造透鏡體組成(圖4), 膠結緊密, 鉆孔壓水試驗表明斷裂帶為弱透水。水庫蓄水之前會沿斷層的解理裂隙產(chǎn)生少量滲流, 不會形成大的導水帶。但庫水滲漏時, 在較大水頭差作用下, 臨近碳酸鹽巖滲漏體的斷層帶中的細顆粒會不斷被滲流帶走, 經(jīng)過長期潛蝕, 局部斷裂帶可能出現(xiàn)被擊穿的情況, 成為滲漏通道的一部分。

圖4 庫區(qū)涼亭下方F3斷層角礫巖

F4斷裂: 分布于庫區(qū)東部八餅巖-戶婆河溝谷一帶, 斷裂走向近南北向, 斷裂帶寬5～40 m, 斷裂帶主要由碎裂巖、斷裂泥、構造透鏡體組成, 膠結較好, 性質屬壓性斷裂, 透水性弱, 斷裂整體傾向東, 傾角65°～85°。F4斷裂距離庫岸約1 km, 期間均為隔水的砂巖、泥巖、長石黑云母片巖, 庫水由此滲漏的可能性不大。

3.2 北西西向構造

F17斷裂為北西西向斷裂, 分布在庫盆東部, 規(guī)模較小, 長約9 km, 寬1～8 m, 切割錯斷南北向斷裂F4，在距離庫岸0.8 km處終止, 未延伸到水庫, 期間均為隔水的砂巖、泥巖、長石黑云母片巖, 庫水由此滲漏的可能性不大。

4 地層巖性及滲漏分析

4.1 壩址區(qū)域巖性

壩址地層巖性為寒武系昌寧組上段(∈ch3)花崗片麻巖、絹云母石英片巖夾石英片巖, 產(chǎn)狀60°～120°∠15°～40°, 薄層—中厚層狀, 巖層總厚度大于306.2 m。河床部位直接出露弱風化基巖。壩肩處河岸較陡, 殘積及全風化地層厚0～12 m, 根據(jù)現(xiàn)場注水試驗, 其滲透系數(shù)在1.0×10-5cm/s左右, 屬弱透水, 且分布位置均高于水庫回水高程; 基巖強風化層厚10～25 m、弱風化層厚27～50 m, 其構造痕跡和不良地質現(xiàn)象不發(fā)育, 物理力學指標較高, 根據(jù)鉆孔壓水試驗, 強風化基巖透水率4.6 Lu、弱風化基巖透水率2.5 Lu, 均為弱透水。故推測壩址不存在滲漏問題。

4.2 庫盆區(qū)域巖性

4.2.1 F3斷裂帶以西區(qū)段 斷裂西側地層和壩址為同一套地層: 寒武系昌寧組上段花崗片麻巖、絹云石英片巖夾石英片巖, 屬弱透水地層, 巖石完整性好的地層頂面高程高于水庫蓄水高程。因此F3斷裂西側和壩址區(qū)一樣, 不會產(chǎn)生永久性滲漏問題。

4.2.2 F3斷裂帶以東區(qū)段 F3斷裂以東區(qū)段為單斜地層, 產(chǎn)狀80°～120°∠25°, 上部為石炭系下統(tǒng)平掌組(C1pz1), 下部為泥盆系下統(tǒng)溫泉組(D1w)。

根據(jù)地質調查、鉆探揭露和壓水試驗:

石炭系下統(tǒng)平掌組: 緊鄰F3斷裂, 與斷裂一起由北至南呈條帶狀在庫區(qū)出露。其上部主要為(C1pz1-2)安山玄武巖, 下部為(C1pz1-1)灰?guī)r、白云質灰?guī)r和泥灰?guī)r?？辈熘邪l(fā)現(xiàn)巖體較破碎, 溶蝕強烈, 存在大量溶蝕孔隙、溶洞(圖5、圖6), 鉆探到此地層時沒有回水, 注水試驗得到的滲透系數(shù)k>4×10-2cm/s, 屬強透水地層；并且安山玄武巖底面、碳酸鹽巖頂面, 兩者接觸處大量巖溶孔洞中充填有安山玄武巖, 說明此地層為埋藏型古巖溶, 即先形成巖溶, 后期噴發(fā)出來的巖漿又覆蓋了碳酸鹽巖, 并充填了表面的部分溶蝕孔洞。庫盆的可溶巖地層厚度不大(10～145 m), 同時由于F3斷裂的切割和地表剝蝕作用, 恰好縮小了庫區(qū)碳酸鹽巖的平面范圍, 其頂面水平寬度15～50 m。碳酸鹽巖上面覆蓋了厚薄不一(3～40 m)的安山玄武巖和風化土層(注水試驗得到的滲透系數(shù)在8.3×10-6～1.5×10-5cm/s, 透水性均較弱)。庫區(qū)原是忙崗河的上游支流溝谷, 原水面寬度5～15 m, 水深0.2～1.5 m, 上部的土層和安山玄武巖起到很好的隔水作用, 溝谷并未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。當水庫蓄水, 在50多米的水頭作用下, 巖溶上部隔水地層很快被擊穿, 引發(fā)大規(guī)模滲漏事故。

圖5 K3附近巖溶滲漏點及示蹤劑投放

圖6 K5孔巖心(示20.0～24.3 m深度發(fā)育有溶洞)

泥盆系下統(tǒng)溫泉組(D1w): 位于碳酸鹽巖的下部, 為灰、黃、灰黑色中-薄層狀石英砂巖、長石砂巖、泥巖、頁(板)巖夾硅質巖, 巖心完整，采取率高; 現(xiàn)場注水壓水試驗顯示滲透系數(shù)在2.6×10-6～7.0×10-4cm/s, 此地層為弱—微透水, 不會產(chǎn)生永久性滲漏問題。

5 庫盆巖溶地質體結構特征

庫盆區(qū)巖溶地質體巖性為石炭系下統(tǒng)平掌組(C1pz1-1)灰?guī)r、白云質灰?guī)r和泥質灰?guī)r等碳酸鹽巖, 夾在兩個隔水層之間。上覆地層為石炭系下統(tǒng)平掌組(C1pz1-2)安山玄武巖, 下伏地層為泥盆系下統(tǒng)溫泉組(D1w)砂巖、泥巖夾頁巖。

巖心顯示: 安山玄武巖底面、碳酸鹽巖頂面即兩者接觸處, 大量巖溶孔洞中充填有安山玄武巖, 由此判斷可溶巖的溶蝕孔洞先發(fā)育形成, 被后期噴發(fā)出來的巖漿覆蓋、部分孔洞被充填, 因此為埋藏型古巖溶。

根據(jù)鉆探、物探、野外調查成果, 碳酸鹽巖地層與F3斷裂伴生, 呈北南向條帶狀展布自庫盆、經(jīng)戶婆延至忙崗, 在F3斷裂和地表剝蝕的作用下, 庫區(qū)碳酸鹽巖頂面寬度僅有15～50 m, 垂向厚30～145 m, 規(guī)模小、隱蔽性強, 雖然有斷層切割、厚薄不一, 但其仍然連續(xù)向南延展, 并沒有間斷。巖溶地質體整體向北東或向東傾斜, 傾角23°～30°, 巖溶地質體垂向厚度從西側F3斷裂開始向東經(jīng)歷了先變大后減小的過程。如K12+2孔, 巖溶地質體垂向厚度達150 m, 底面埋深約200 m(高程約1 790 m), 向東延伸到下泥盆統(tǒng)溫泉組砂巖、泥巖出露區(qū)域尖滅。因此, 碳酸鹽巖底界高程明顯低于庫盆高程, 且大爐場以南碳酸鹽巖開始連片分布, 其巖溶溝谷地面高程低于水庫底面高程1 000 m, 說明沿碳酸鹽巖分布區(qū)域存在巖溶滲漏通道形成條件。

鉆孔K1孔深高程1 919.75～1 906.85、1 945.25～1 940.55 m, K2孔深高程1 954.83～1 938.73、1 935.53～1 930.23、1 911.93～1 895.23 m, K3孔深高程1 961.89～1 954.39、1 939.99～1 917.39 m等為巖溶洞穴或巖溶管道。鉆探中所有遇到碳酸鹽巖滲漏體的鉆孔, 均未見到地下水水位且無回水。據(jù)觀測, 水庫水位較高時, 庫水有沿斷裂發(fā)育的溝谷滲漏現(xiàn)象: ③ 號地表徑流溝谷多處地表徑流向下滲漏, 總滲漏量2～3 L/s, K6孔南側溝谷(采石場附近溝谷)滲漏量1～2 L/s, 大爐場南側溝谷下游滲漏量50～60 L/s; K2與K3孔間存在巖溶塌陷; K3滲漏量10～100 L/s。

可見沿斷裂分布的碳酸鹽巖地質體, 巖溶縫洞系統(tǒng)比較發(fā)育, 滲透性較強, 推測庫水進入地下后匯至巖溶地下河。為了查明巖溶系統(tǒng), 開展了區(qū)域水化學試驗、同位素試驗和示蹤試驗。

(1)庫區(qū)、庫水水化學試驗主要結果顯示：1)庫水、① 號溝地表徑流與② 號溝地表徑流水化學特征類似, 反映其補給條件、流經(jīng)的地層特征相似; 2)戶婆地表徑流和戶婆地下河屬于同一區(qū)域的地表徑流與地下水, 但兩者主要水化學特征具有明顯的差異, 說明戶婆地下河出口與戶婆地表徑流無直接聯(lián)系; 3)忙崗地下河、戶婆地下河出口各組分較為接近, 說明忙崗地下河出口與戶婆地下河出口具有較為密切的聯(lián)系。

(2)水庫區(qū)域主要地表徑流與地下水同位素調查結果表明: 1)庫水與①、②、④ 號溝地表徑流的同位素特征類似, 反映其具有類似的補給條件。雖然地形上似乎③ 號溝地表徑流為水庫的上游溝谷, 但兩者的同位素特征卻有一定的差異, 說明③ 號溝地表徑流未進入庫水, 地形上的分水嶺與地下分水嶺不一致; 2)忙崗地下河出口的同位素特征較戶婆地下河出口偏負, 反映忙崗地下河出口地下水徑流深度、長度較戶婆大。

(3)水庫區(qū)域水化學特征和同位素特征可揭示水庫、地表徑流、地下河之間的一些關聯(lián)[12], 但很難給出明確、具體的補給關系。在分析地質調查和勘探結果基礎上, 先后布置了4次示蹤試驗, 選擇熒光素鈉和羅丹明B作為示蹤劑。試驗證明，當水庫蓄水水位到一定高度, 水壓力擊穿上部覆蓋的土層和安山玄武巖, 庫水會沿碳酸鹽巖的巖溶管道系統(tǒng)由北向南滲漏, 在戶婆地下河出口及忙崗地下河出口重新露出地面。圖5中綠色為投入的熒光素鈉示蹤劑; 圖7為水庫滲漏點(K3)投放, 戶婆地下河出口接收到熒光素鈉的歷時曲線; 圖8為推測滲漏通道示意圖。

圖7 戶婆地下河出口接收到的熒光素鈉歷時曲線(2011年)

圖8 推測滲漏通道剖切示意圖

可見, 水庫滲漏點(K3)與戶婆地下河出口具有明顯的水力聯(lián)系, 說明此區(qū)域地下水向戶婆地下河出口方向徑流。從示蹤歷時曲線特點來看, 示蹤劑出現(xiàn)時段呈跳躍式集中出現(xiàn), 歷時時段相對較短, 說明地下水徑流存在集中徑流特點, 地下水徑流主要沿溶蝕裂隙帶或小巖溶管道徑流; 示蹤劑初出現(xiàn)時間較長(29～33.5 d), 而投放點至地下河出口僅7 km, 說明投放點至地下河出口地下水徑流存在相對緩慢地段, 地下水徑流通道主要以溶蝕裂縫帶或溶潭段緩沖徑流;示蹤劑呈跳躍式出現(xiàn), 反映地下水補給、徑流過程中存在水力坡度平緩向水力坡度較陡轉換過程, 巖溶管道發(fā)育存在多級高程特點; 示蹤監(jiān)測到的最大濃度小, 回收量也非常小, 推測所投放的其他大部分熒光素鈉從未知通道徑流流走或者地下含水介質可能不完全是巖溶管道, 中間存在非可溶巖裂隙為主的含水層, 熒光素鈉淤積在含水層中。

試驗時，庫區(qū)水位高程1 960 m、戶婆地下河出口高程1 100 m、忙崗河地下河出口高程800 m, 庫區(qū)至戶婆地下河出口徑流區(qū)段水平距離約7 km、至忙崗河地下河出口徑流區(qū)段水平距離約12 km, 總水力坡度為130‰～150‰。示蹤試驗顯示, 庫盆至地下河出口雖屬連續(xù)碳酸鹽巖分布區(qū), 但受斷裂F18、F19影響, 地層呈階梯式降低, 因而不同區(qū)段巖溶地下水徑流坡度具有明顯的差異: 庫盆-大爐場區(qū)段, 巖溶地下水徑流坡度30‰～50‰; 大爐場-戶婆地下河出口區(qū)段, 巖溶地下水徑流坡度150‰～350‰; 戶婆-忙崗河地下河出口區(qū)段, 巖溶地下水徑流坡度100‰～150‰。由此可見, 水庫為“懸托型水庫”, 庫水由北向南直接穿過地表分水嶺分別在距離水庫約7 km的戶婆地下河出口和約12 km的忙崗地下河出口出露地表。

水庫北側的低臨谷為忙令河谷, 高程約1 910 m, 低于庫底高程1 940～1 950 m, 但是庫水位約1 960 m時進行的示蹤試驗表明當時庫水與忙令河沒有水力聯(lián)系。根據(jù)K15、K16鉆孔數(shù)據(jù), 碳酸鹽巖地層的完整性較庫盆及其以南要好, 并且其底高程也較南面高一些。因此, 推測當庫內水位較低時, 庫水主要向南側滲漏, 若庫水水位升高至一定水位, 不能排除庫水發(fā)生向北側滲漏的可能。

6 結論與建議

(1)在我國, “熱帶巖溶”的分布遠遠超出了自然地理學上的熱帶, 云貴高原和青藏高原均發(fā)現(xiàn)存在覆蓋型古巖溶。因此, 工程中遇到“非典型隱伏巖溶”并非個例。

(2)本文中的“非典型隱伏巖溶” 定義為: 位于高原山區(qū)的埋藏型古巖溶, 碳酸鹽巖地層所占面積小、規(guī)模小, 夾在兩個隔水層之間, 地表很難發(fā)現(xiàn)跡象, 在基礎地質資料上查不到可溶巖地層, 由于巖體破碎、透水性強、地下水侵蝕基準面低、水力坡度大、上覆地層厚薄不一等因素, 上部隔水層被庫水擊穿只是時間問題。水庫工程建設過程中此類巖溶很容易被忽視和遺漏而發(fā)生滲漏事故, 影響正常使用, 甚至水庫廢棄, 能夠早發(fā)現(xiàn)、避讓和預先采取措施非常重要。

(3)大雪山水庫滲漏的原因是存在“非典型隱伏巖溶”, 巖溶地質體巖性為石炭系下統(tǒng)平掌組(C1pz1-1)灰?guī)r、白云質灰?guī)r、泥質灰?guī)r等碳酸鹽巖。

(4)垂向上, 巖溶地質(C1pz1-1)體夾在兩個隔水層之間: 上覆地層為石炭系下統(tǒng)平掌組(C1pz1-2)安山玄武巖, 下伏地層為泥盆系下統(tǒng)溫泉組(D1w)砂巖、泥巖夾頁巖。

(5)水平向上: 由西向東巖溶地質體夾在F3斷層和泥盆系下統(tǒng)溫泉組(D1w)砂巖、泥巖夾頁巖之間, 向北東或向東傾斜, 傾角23°～30°, 垂向厚度呈現(xiàn)先變大后又減小尖滅的過程; 由北至南, 巖溶地質體與F3斷裂伴生, 從庫盆至忙崗地下河出口呈條帶狀連續(xù)分布, 但受斷裂影響, 地層呈階梯式降低, 水庫為“懸托型水庫”, 庫水沿著地下巖溶管道由北向南直接穿過地表分水嶺向南部泄露, 分別在距離水庫約7 km的戶婆地下河出口和約12 km的忙崗地下河出口出露。由于地表分水嶺的存在和地下河出口距離庫盆較遠, 使得“庫水向南滲漏”的可能一度被忽略。

(6)由于F3等多個斷裂的切割和地表剝蝕, 恰好極大地縮小了庫區(qū)碳酸鹽巖的規(guī)模, 由北向南其寬度不一、厚薄不一, 卻一直沒有間斷, 但巖體破碎, 透水性強, 是庫水滲漏的主要通道。庫區(qū)原是忙崗河的上游支流溝谷, 原水面寬度5～15 m, 水深0.2～1.5 m, 巖溶上部的土層和安山玄武巖起到很好的隔水作用, 溝谷并未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。水庫蓄水后, 在50多米的水頭作用下, 隔水地層很快被擊穿, 引發(fā)大規(guī)模滲漏事故。

(7)由于庫區(qū)碳酸鹽巖破碎、透水性強、巖溶地下河管道復雜、深度已經(jīng)超過100 m, 因此建議采用水平鋪蓋方案或南北兩側的懸掛式防滲帷幕。