四川某水库成库条件分析

汪 东，牛志强

(1.中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院岩土工程有限公司，贵州 贵阳 550081； 2.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引言

该水库碳酸盐岩呈条状分布，主要分布于近坝库段以及坝址区，碳酸盐岩出露面积约占33%，以白云岩、白云质灰岩为主，岩溶发育形态主要有岩溶泉、溶洞、溶蚀裂隙、溶孔。因此，岩溶水文地质问题是本工程的主要工程地质问题之一，特别是可溶岩层内岩溶发育情况，地下水补排关系，是否存在岩溶管道型渗漏、可利用隔水层空间分布等，是本次工程能否成库的关键因素。

1 工程概况

水库坝址位于田家河关门石附近，水库正常蓄水位686.00 m，相应库容1 426万m3，水库主库段回水长2.4 km，支库段水洞子河回水长0.5 km，左岸大干沟冲沟回水0.6 km，左岸小干沟冲沟回水0.5 km。关沱水库坝址以上集雨面积20.8 km2，多年平均流量0.712 m3/s，年径流量2 245万m3。工程开发任务是城镇供水、农业灌溉及农村人畜用水等综合利用的中型水库工程。其枢纽由挡水建筑物(混凝土拱坝)、泄水建筑物(溢流堰、防空洞，下游消能防冲设施)等建筑物组成，属Ⅲ等中型水库。

2 工程区基本地质情况

2.1 地形地貌

研究区位于四川盆地西南边缘，长江上游岷江、金沙江交汇口之间的三角形分水岭地带，地势总体南西高北东低。

水库区地貌类型为构造剥蚀的中山地貌及岩溶地貌两大类型，岩溶地貌在工程区斜切河谷呈条带状展布，发育于剥蚀地貌之间。水库属于沟谷形水库，河谷呈“V”型，左岸地表分水岭高程1 102 m～1 305.2 m，相对高差500 m～600 m；右岸地表分水岭高程1 042.4～1 194.0，相对高差350 m～600 m，坡度一般30°～50°，局部偶见地形陡壁，高度小于10 m。河床高程596 m～686 m，宽度10 m～50 m，纵坡比降5‰，正常蓄水位时库宽50 m～280 m。

拟建坝址位于关门石沟峡谷段，河床高程586 m～596 m，左岸岸坡坡度80°～85°，山顶高程1 113.6 m；右岸岸坡75°～85°，山顶高程1 307 m。坝址区河流总体流向N43°E，河谷呈“U”型河谷，河床宽度8 m～20 m，枯期河水位0.5 m～1.0 m。

2.2 地层岩性

库区及坝址区出露的地层主要为三叠系上统-侏罗系下统香溪群(T3-J1x)，三叠系上统垮洪洞组(T3k)，三叠系中统雷口坡组(T2l)，三叠系下统嘉陵江组(T1j)，铜街子组(T1t)，飞仙关组(T1f)。

1)三叠系上统-侏罗系下统香溪群(T3-J1x)：深灰色砂岩、粉砂岩、炭质页岩夹煤层，分布于坝址下游，该层厚610 m～700 m。

2)三叠系上统垮洪洞组(T3k)：灰色、浅灰色白云质灰岩夹白云岩、泥岩、页岩，分布坝址区，该层厚约260 m。

3)三叠系中统雷口坡组(T2l):灰色、浅灰色灰岩白云质灰岩、泥灰岩，局部夹泥岩、角砾岩，分布于坝址上游80 m～300 m河段，该层厚约150 m。

4)三叠系下统嘉陵江组(T1j)：灰色、浅灰色泥质灰岩、白云质灰岩，分布于库区小干沟上游140 m～大干沟河段，该层厚度约160 m。

5)三叠系下统铜街子组(T1t)：紫红、灰绿色岩屑砂岩、粉砂岩夹灰岩，分布于库区大干沟河段，该层厚160 m～180 m，灰岩总厚度约占整个地层的36%。

6)三叠系下统飞仙关组(T1f)：紫红色岩屑砂岩、粉砂岩夹砂质泥岩，下部夹砂砾岩，主要分布在大干沟上游河段，该层厚238 m～392 m。

2.3 地质构造

库区及坝址区位于五指山背斜的北东翼以及荥经-马边-盐津断裂带东侧，根据现场地质测绘，库区及坝区岩层体整体单斜，岩层产状N20°～40°W，NE∠67°～88°。

3 岩溶水文地质条件

3.1 水文地质条件

3.1.1 地表水系分布

龙溪河为岷江右岸一级支流，干流河长82 km，流域面积644 km2，龙溪河流域水系发育，支流众多，呈叶脉状分布，流域面积大于100 km2的支流有商州河、田家河。拟建水库位于龙溪河左岸支流田家河，干流河长18 km，流域面积128 km2，区内支沟水系较多，切割深度较深，地表水系相对发育，主要受降雨补给，水系呈树枝状分布。

3.1.2 地下水类型及分布

本区水文地质条件明显受地层岩性、地质构造及地形地貌条件的制约。根据地下水成因类型及埋藏条件，可分为第四系松散地层孔隙水，基岩裂隙水和岩溶水三大类型。第四系松散地层孔隙水主要分布于河谷河漫滩及阶段地覆盖层内；基岩裂隙水主要埋藏于三叠系砂岩、砾岩之构造裂隙及风化裂隙中；岩溶水根据其渗流的差异性，又可分为岩溶裂隙水和管道水两种形式，岩溶裂隙水主要埋藏于碳酸盐岩的风化裂隙中，岩溶管道水埋藏于可溶岩洞穴或岩溶管道。

3.1.3 地下水补给、径流与排泄

第四系松散地层孔隙水主要接受大气降雨补给，局部为上层滞水，排泄于沟谷或补给下层基岩裂隙水，季节性明显；基岩裂隙水，受大气降水或上层孔隙水补给，排泄于沟谷或补给下层岩溶水，主要呈脉状分布，下降泉出露；岩溶裂隙水受大气降雨及上层孔隙水补给，岩溶管道水主要赋存于可溶岩洞穴或岩溶管道内，接受大气降雨及上层孔隙水的入渗补给以及地表径流通过岩溶管道的集中注入补给，排泄于河流或沟谷。

田家河河水位高程586 m～630 m，为水库区地下水最低排泄基准面。从区域上分析，岷江在区内下切最深，为区内地表水、地下水的最低排泄基准面。

3.2 岩溶地质

3.2.1 区域岩溶地质概况

本区碳酸盐岩类岩石主要分布于三叠系地层，分布于流域西南侧五指山附近以及坝址区附近，呈条带状分布，分布厚度约750 m，碳酸盐岩分布面积约占整个研究区的10%。

3.2.2 岩溶形态及分布

由于碳酸盐岩呈条带状分布，受隔水岩层阻隔，区内洼地、落水洞、漏斗等大型岩溶现象不发育，地表岩溶主要以溶蚀裂隙以及沟谷两岸分布的溶洞、岩溶泉等为主。根据表1，表2，水库区发育的溶洞主要有K1～K5共计5个；岩溶泉S2～S9共计8个。

表1 研究区溶洞发育情况统计表

表2 岩溶泉发育情况统计表

岩溶形态分布密度及类型随高程具有明显的垂向分异特点。650 m～700 m高程，岩溶泉占总数的37.5%；600 m～650 m高程岩溶泉、溶洞分别占总数的37.5%及80%；580 m～600 m高程岩溶泉、溶洞分别占总数的25%及20%；700 m以上未见较大规模的岩溶形态分布。从岩溶形态的分布高程来看，岩溶主要分布于现代河床及冲沟附近。

布置形式：根据布置原则，本工程管线采用“丰”字形布置；依据地势，管道采用地埋形式，原则上每300～400 m设一镇墩；管道的工作制度，采用滩地与贤庄村片区轮灌，每次轮灌组管道只开一个给水口。

3.3 岩溶与水文地质岩组划分

工程区岩溶与水文地质岩组划分见表3。

表3 岩溶含水岩组划分表

4 成库条件分析

4.1 邻谷渗漏分析

水库左岸地表分水岭高程1 102 m～1 640.2 m，右岸地表分水岭高程1 042.4 m～1 645.5 m；南西侧地表分水岭为五指山，地面高程1 640.2 m～1 711.2 m，总体上库区两岸山体雄厚高陡，山脊高程以及冲沟沟源高程均在1 000 m以上，远高于水库正常蓄水位，因此，水库地形封闭良好，具备成库条件[1-3]。

4.1.1 左岸邻谷渗漏分析

水库左岸邻河谷为篓笆沟，篓笆沟距离关沱水库3.0 km～3.5 km，T1t，T1j，T2l，T3k可溶岩分布区对应河水位高程600 m～700 m，关沱水库蓄水至686 m高程后，篓笆沟成为水库左岸低邻河谷，因此水库蓄水后存在库水向邻谷篓笆沟渗漏的可能。经现场地质测绘、钻探综合分析：地表分水岭未发现大的岩溶洼地、落水洞，罗锅沱沟左岸发育K1，K5溶洞以及S5，S6泉，邻谷篓笆沟右岸发育S9泉，但S9泉发育高程高于K1，K5溶洞以及S5，S6泉高程，不存在连通罗锅沱沟与篓笆沟的岩溶管道； 从地表水及地下水的流向分析，罗锅沱沟和篓笆沟之间地表分水岭及地下分水岭均位于椒子坪附近，根据地表分水岭靠罗锅沱沟ZK1钻孔地下水位观测资料，地下水位埋深168.6 m～174 m(高程781.4 m～776 m)，观测的最深地下水位高程776 m远高于水库正常蓄水位，推测罗锅沱沟和篓笆沟之间存在远高于水库正常蓄水位的地下分水岭，水库不存在向左岸邻谷渗漏的可能。

左岸邻谷分析剖面示意图详见图1。

4.1.2 右岸邻谷渗漏分析

关沱水库右岸与罗锅沱沟相同级别的水系为铜厂沟，中间还发育王家村沟、星庙子沟、牟家坪沟、汪家坝沟等一系列支沟，铜厂沟距离罗锅沱沟约4.8 km，两邻谷之间虽然分布有T1t，T1j，T2l,T3k等可溶岩地层，但经过现场地质测绘、钻探综合分析，水库不存在向右岸邻谷铜厂沟以及支沟渗漏的可能，理由如下：

1)从可溶岩分布高程分析。

2)从地表水及地下水的水位高程分析。

铜厂沟T1t，T1j，T2l，T3k等可溶岩地层分布区地表水高748 m～815 m，推测罗锅沱沟与铜厂沟之间地下水分水岭水位高程远高于水库正常蓄水位。根据地表及地下水的流向，本阶段在罗锅沱沟与铜厂沟地表分水岭靠近罗锅沱沟附近布置钻孔ZK3进行地下水位的验证，于2019年8月底至9月上旬观测水位4次，地下水位埋深最深116.6 m(高程965.4 m)，地下分水岭水位高程高于水库正常蓄水位，故水库不存在向铜厂沟及各支沟渗漏的可能。

右岸邻谷渗漏分析剖面图见图2。

4.2 近坝绕渗分析评价

1)从地形条件方面分析。从地形上来看，坝址区河谷呈“U”型河谷，谷坡较陡，且坝址下游左右岸均存在小冲沟，存在绕坝渗漏的可能。

2)从岩性构造方面分析。根据现场地质测绘，坝区出露的地层为三叠系上统垮洪洞组(T3k)灰色、浅灰色白云质灰岩夹白云岩、泥岩、页岩，坝址下游出露三叠系上统-侏罗系下统香溪群(T3-J1x)深灰色砂岩、粉砂岩地层。从岩性上分析，由于坝址区为可溶岩，存在近坝绕渗的可能。坝区岩层产状陡倾下游，倾角77°～86°，坝区未发现连通上下游的断层、大型裂隙发育，主要发育2组优势裂隙，L1： N50°～80°E /SE∠20°～50°，力学性质为剪性，属Ⅴ级结构面，充填物为岩屑夹泥；L2：产状N30°～50°E /NW∠80°～88°，力学性质为剪性，属Ⅴ级结构面，充填物为岩屑夹泥。从构造方面分析，2组裂隙与河流走向近平行，存在顺裂隙产生绕坝渗漏的可能。

3)从岩溶发育方面分析。根据现场地质测绘资料，近坝库岸、坝址下游686 m高程下发育K3，K4,K5溶洞及S4，S5，S6三个岩溶泉，水库蓄水后存在顺层面、裂隙等结构面与下游溶洞、岩溶管道连通而产生岩溶渗漏的可能。

综上所述，坝址河谷岸坡较陡，坝址区为可溶岩，岩溶中等～强发育，岸坡风化、卸荷中等发育，地下水位较低，存在沿风化裂隙、卸荷带及岩溶管道绕坝渗漏的可能，需进行坝肩、坝基的防渗处理。

5 防渗处理建议

由于拟建坝址处于中等～强可溶岩区，存在绕坝渗漏的可能，防渗处理关系到水库能否正常蓄水。由前述分析可知，关沱水库渗漏途径为绕坝渗漏。岩溶水库在选择防渗线路、确定防渗底线、选用防渗措施时，应充分利用有利的地质条件，如相对隔水层、弱岩溶化地层、侵蚀基准面、两坝肩稳定可靠的地下水位等，选择经济合理的防渗线路，并利用帷幕尽可能阻截全部渗漏通道，以期能达到较好的防渗效果。

根据水库枢纽区的水文地质情况及渗漏边界条件，防渗帷幕线路及边界的确定有以下方案：

1)防渗帷幕端头接隔水层。根据库区、坝址区岩体的防渗特性分析，坝址上游的三叠系下统飞仙关组(T1f)以及下游三叠系上统-侏罗系下统香溪群(T3-J1x)地层为隔水层且厚度大，可作为防渗帷幕的防渗依托，由于三叠系上统-侏罗系下统香溪群(T3-J1x)地层距离坝轴线距离近，相应的防渗线路短，建议选择坝址下游三叠系上统-侏罗系下统香溪群(T3-J1x)地层作为防渗依托，同时考虑坝址下游冲沟绕渗影响，帷幕应伸入隔水层一定深度，防渗线路总长824 m，防渗面积108 635 m2(见图3)。

2)防渗帷幕端头接地下水位。两坝肩防渗帷幕顺山脊向岸坡延伸，帷幕端点可接两岸地下水位与水库正常蓄水位的交点，同时考虑水位变化影响，帷幕伸入山体一定深度，防渗线路总长914 m，防渗面积110 962 m2(见图4)。

3)防渗线路比较。水库坝区防渗端头接地下水位以及接T3-J1x隔水层均能达到较好的防渗效果，但从防渗工程量方面来看，接T3-J1x隔水层方案防渗面积108 635 m2，接地下水位方案防渗面积110 962 m2。防渗端头接T3-J1x隔水层防渗工程量相对较小且防渗依托可靠，防渗线路推荐接T3-J1x隔水层方案。

6 结论及建议

1)水库左岸地表分水岭高程1 102 m～1 640.2 m，右岸地表分水岭高程1 042.4 m～1 645.5 m，总体上库区两岸山体雄厚高陡，山脊高程以及冲沟源高程均在1 000 m以上，远高于水库正常蓄水位，因此，水库地形封闭良好。

2)水库左岸邻河谷为篓笆沟，篓笆沟距离关沱水库3.0 km～3.5 km，T1t，T1j，T2l，T3k可溶岩分布区对应河水位高程600 m～700 m，由于罗锅沱沟不存在连通篓笆沟的岩溶管道，且罗锅沱沟和篓笆沟地下分水岭高程高于水库正常蓄水位，水库不存在向左岸篓笆沟渗漏的可能。

3)水库右岸与罗锅沱沟相同级别的水系为铜厂沟，中间还发育王家村沟、星庙子沟、牟家坪沟、汪家坝沟等一系列支沟，从可溶岩分布高程分析，铜厂沟以及支沟可溶岩(T1t，T1j，T2l，T3k)分布高程均高于水库正常蓄水位，且铜厂沟地表水系的水位高程高于水库正常蓄水位，根据钻孔观测的地下水位，铜厂沟与罗锅沱沟地表分水岭对应的地下水位分水岭的水位高程也高于水库正常蓄水位，故水库不存在向铜厂沟及各支沟渗漏的可能。

4)坝址区河谷呈“U”型河谷，谷坡较陡，存在绕坝渗漏的可能，由于坝址下游河床附近溶洞、岩溶泉均有发育，水库蓄水后存在顺层面、裂隙等结构面与下游溶洞、岩溶管道连通而产生裂隙性渗漏以及岩溶渗漏的可能，需进行坝基、坝肩的防渗处理。

5)根据水库枢纽区的水文地质情况及渗漏边界条件，大坝左右岸防渗帷幕端头接地下水位以及接下游三叠系上统-侏罗系下统香溪群(T3-J1x)隔水层均能达到较好的防渗效果，其中接T3-J1x隔水层方案防渗面积108 635 m2，接地下水位方案防渗面积110 962 m2。因防渗端头接T3-J1x隔水层防渗工程量相对较小且防渗依托可靠，防渗线路推荐接T3-J1x隔水层方案。