基于钻孔遇洞率和溶蚀率的水库分水岭渗透问题分析研究

时间：2024-07-28

张志勇

（临沂市水利水电工程建设监理中心，山东临沂 276000）

0 引言

岩溶强烈地区岩石往往存在较多落水洞、溶蚀、溶孔以及地下暗河等，从而导致水库工程建设中渗漏问题十分突出[1～3]。不同于一般岩体具有稳定的透水系数，岩溶地区岩体由于存在较多不确定性的孔、洞等渗透通道，如何正确认识其渗透规律是一个难题[4]。目前，关于岩溶地区渗透问题的研究成果较为丰富，大多是基于地表地质测绘、钻探和物探手段的验证推断[5～8]。本文通过对水库岩溶地区钻孔遇洞率和溶蚀率的统计分析，提出了岩溶地区水库渗透问题的新的研究方式。

1 工程概况

某抽水蓄能电站上水库坝型为混凝土面板堆石坝，最大坝高64 m，正常蓄水位171.8 m，总库容1804 万m3。岩溶渗漏问题是本工程重点研究的工程地质问题，除副坝地段外，地形封闭条件较好。其中左岸分水岭位于上库区南侧，分水岭山脊在完成可行性研究之前共布置了7 个勘探钻孔，其中ZK211孔水位低于水库正常蓄水位，约为160 m，致使沿左岸分水岭是否存在水库渗漏成为尚待查明的工程地质问题。

为进一步分析研究左岸分水岭库水外渗的可能性。围绕ZK211 孔布置了4 个钻孔，同时开展地表地质调查工作和物探测试工作；对钻孔水位进行观测，发现ZK290、ZK291两孔水位也低于水库正常蓄水位，初步判断存在库水外渗问题。在左岸分水岭开展了5斜4直共计9孔（ZK307～ZK315）的钻探工作，并进行了相应的物探测试。从钻孔水位资料看，有ZK211、ZK308、ZK313等8个孔的水位低于上水库正常蓄水位，ZK211 孔附近发现了宽约110 m的地下水凹槽。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

左岸分水岭位于上水库西南岸，分水岭长约1.2 km，水库正常蓄水位宽度约350 m。左岸沟总体近南北向，沟尾转向东延伸，主沟底高程128～175 m，为“V”型短浅沟谷。分水岭北段走向近南北，山顶高程210～235 m，西侧发育韭菜洼深切冲沟；分水岭南段走向近东西，峰顶高程255 m左右，西侧的龙王寺、黄洼沟与左岸沟形成对顶沟，沟谷方向与岩层走向基本一致。水库正常蓄水位高程山体厚度约350 m。分水岭两侧坡角基本一致，为15°～25°。基岩多裸露，植被较好。

2.2 地层岩性

研究区主要出露的地层为车水桶组（∈3C）及上寒武统琅琊山组（∈3Ln），其次为燕山期侵入的闪长玢岩岩脉（见图1）。

（1）车水桶组（∈3C）。灰色薄层与中厚层条带灰岩互层，夹中厚层灰岩，层厚约68 m。

（2）崖山组（∈3Ln）。下段∈3Ln1：灰黑色薄层条带灰岩为主，一般单层厚度1～3 cm，其中夹有中厚层泥质条带或硅质条带灰岩和极薄层灰岩（单层厚度小于1 cm），部分层段岩石碳质化。地层厚60～90 m。

（3）石英闪长玢岩岩脉（δμ）。燕山早中期侵入岩，分水岭段多沿近EW、NW 向断层或局部沿张性裂隙面呈岩脉侵入，厚度不定亦不规则，断续延伸。

2.3 地质构造

左岸分水岭位于一处紧闭褶皱区，向斜从分水岭鞍部通过（见图1）。背、向斜轴线走向为NE45°左右，与分水岭大角度相交，岩层倾角均在70°以上，挤压紧密，局部出现倒转。紧密褶皱和断裂构成了该区的主要构造骨架。裂隙以顺层裂隙发育为主，NW向裂隙次之。

2.4 岩溶发育特征

岩溶发育特征主要受控于灰岩岩性、断裂构造的切割以及地下水的排泄条件等因素。左岸分水岭地带岩溶发育区均在车水桶地层内，其内侧主要发育有岩溶小区。地表主要表现为零星分布的落水洞、沿断层的强溶蚀带、沿裂隙的溶隙、沿陡倾层面走向的密集溶蚀沟、缝、小的天生桥等，落水洞直径一般小于2 m，伴有坍塌现象，从地表岩溶发育情况来看，分水岭范围内车水桶组岩溶发育程度属中等偏弱。琅琊山组（∈3Ln）条带状灰岩岩溶不甚发育。

图1 研究区工程地质平面图

3 水文地质条件及分析

该区地下水主要为基岩裂隙水、基岩岩溶水及第四系孔隙水。地下水主要接受大气降水补给，以泉水及地表径流的形式排向分水岭两侧。分水岭段具有两种不同类型的水文地质单元，即以车水桶组∈3C厚层灰岩组成的岩溶发育的水文地质单元和以琅琊山组∈3Ln 条带灰岩组成的弱岩溶发育的水文地质单元。基岩岩溶水主要赋存于该区∈3C地层中。左岸分水岭段岩溶相对发育，钻孔、物探测试均有岩溶发育，且ZK211、ZK308、ZK312 等钻孔水位低于水库正常蓄水位约8～24 m（见表1）。

表1 左岸分水岭钻孔地下水位观测资料统计表

孔号最低水位/m水位观测日期最高水位/m水位观测日期水位最大变幅/m ZK292 ZK293 ZK294 ZK307 ZK308 ZK310 ZK311 ZK312 ZK313 ZK314 ZK315 ZK316 ZK317 ZK318 ZK319 ZK320 ZK321 ZK322 215.81 170.99 187.18 160.51 158.79 176.40 198.83 157.66 146.53 155.22 173.10 167.90 172.50 182.40 176.53 167.74 160.20 173.30 2003-06-10 2002-09-20 2002-08-10 2003-01-15 2003-01-15 2003-01-15 2003-01-15 2002-12-06 2003-01-20 2003-12-30 2003-01-20 2003-06-22 2003-07-24 2003-07-23 2003-07-24 2003-07-19 2003-09-07 2003-09-03 226.81 180.14 201.38 197.66 161.34 220.67 208.99 158.84 148.34 159.12 175.80 169.40 181.80 186.59 190.05 168.20 168.20 174.80 2003-6-20 2002-10-20 2003-6-30 2002-11-30 2002-11-16 2003-01-02 2003-01-12 2003-01-10 2002-12-19 2003-12-20 2003-01-01 2003-06-18 2003-06-27 2003-07-28 2003-07-05 2003-07-18 2003-09-04 2003-08-28 11.00 9.15 14.20 37.15 2.55 44.27 10.16 1.18 1.81 3.90 2.70 1.50 9.30 4.19 13.52 0.46 8.00 1.50

从分水岭内外侧多处永久泉、间歇泉分布出露高程分析（见表2），表明存在地下水分水岭，部分地段地下水分水岭高程低于正常蓄水位。但从剖面分析，在168 m高程以上，不存在地下水分水岭。

表2 左岸分水岭主要泉水特征表

4 基于遇洞率和溶蚀率的渗透分析

对左岸分水岭进行了充分的地质勘察工作，包括地表地质测绘、钻探、槽探、物探，取得了较多的地质资料，通过对已有地质资料的综合分析研究，对左岸分水岭渗漏做出如下初步分析。

4.1 岩溶发育规律

左岸分水岭位于城西水库和红花桥水库之间的河间地块上，红花桥水库正常蓄水位高程50～60 m，城西水库正常蓄水位高程约30 m，地形地貌上具有岩溶发育的条件；岩性上，该分水岭与副坝处于同一套地层上，为车水桶组厚层灰岩，岩性上为可溶岩，具备岩溶发育的岩性条件；构造上，向斜贯穿副坝、左岸分水岭，从分水岭鞍部通过，具备岩溶发育的构造条件。

4.2 钻孔遇洞率及溶蚀率

根据左岸分水岭车水桶组地层31 个钻孔的岩溶遇洞率和溶蚀率统计资料（见图2、图3），遇洞率在75 m 高程附近发生突变，溶蚀率在90 m 高程左右发生突变。

为了对左岸分水岭岩溶发育深度有进一步的了解，对左岸和副坝区的钻孔岩溶遇洞率和溶蚀率作了对比，发现副坝区的钻孔岩溶遇洞率和溶蚀率均在80 m高程发生突变，与左岸分水岭的钻孔统计结果基本一致。

图2 左岸分水岭钻孔遇洞率统计图

图3 左岸分水岭钻孔溶蚀率统计图

4.3 物探资料对比

对左岸分水岭进行钻孔勘探的同时，还进行了钻孔CT、高密度电法、地震映象、EH-4电导率成像等物探测试工作。在分水岭库内外两侧，物探结果表明地表及地下均有岩溶、溶蚀现象，如物探电密度及地震影象均表明：在W9 测线桩号156～160 m，地表高程160 m 处、地下高程135 m 处均有低阻异常区；ZK211—ZK27—ZK238 及ZK27—ZK212—ZK213—ZK214 孔间CT 测试也有顺层向分布的异常带，推测可能为岩溶发育；ZK290—ZK292、ZK291—ZK292、ZK293—ZK294、ZK313—ZK314 孔间CT测试表明高程100 m 以下有异常带，如ZK290—ZK292 间在50 m 高程左右、ZK313—ZK314 间在60 m 高程左右均有异常，推测可能为岩溶发育。物探EH-4岩溶探测表明在高程-10～-40 m、0～50 m、80 m、130～150 m 附近存在低阻异常区，推测为断层或溶蚀异常，钻孔验证表明异常区为闪长玢岩蚀变带或断层破碎带，虽不是溶洞，但透水率偏大，如钻孔ZK214加深前长期观测最低水位为186.6 m，加深穿过异常区后水位变为176.4 m，是否存在双层水位，有待长期观测资料证实。