彭州市白鹿河源头冒水洞成因研究.pdf

水电站设计 第 卷第 期年 月修回日期：第一作者简介：吴清志（），男，重庆市綦江人，本科，工程师，从事水电工程项目管理工作。彭州市白鹿河源头冒水洞成因研究吴清志，刘小刚（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 ）摘要：通过对白鹿河源头的分析，了解岩溶地区地下水发育的基本形态和规律，为岩溶地下水的发育特征研究提供素材；对复杂的地质构造进行调查研究，有利于了解龙门山断裂带的成因；同时对长江上游沱江流域的源头问题进行探讨，有利于探索川西地区水系发达、河流众多的原因。关键词：白鹿河；岩溶；飞来峰；冒水洞；二叠系；三叠系中图分类号：文献标志码：文章编号：（）前言由于我国流域和河流较多，在岩溶发育与地下水分布规律及影响因素上的研究时间也较短，为进一步了解岩溶地区地下水发育的基本形态和规律，结合区域地质调查对彭州市白鹿河源头 冒水洞的成因进行研究，为岩溶地下水的发育特征研究提供素材；同时，通过对复杂的地质构造进行调查研究，有利于了解龙门山断裂带的成因；此外，通过研究，对长江上游沱江流域的源头问题进行探讨，有利于探索川西地区水系发达、河流众多的原因。工程概况白鹿河是湔江左岸主要支流之一，位于沱江流域上游源头，发源于彭州市西北部，龙门山东侧区域，雨量充沛，位于四川鹿头山暴雨区内，因河流流经著名的中法风情小镇白鹿镇而得名 。河源主峰大元包海拔 。河流自西北向东南流经冒水洞、二道桥、头道桥、大岩窝、三河店、锦江口、回水沱、两河口、河坝场，于通济镇境内汇入湔江。白鹿河流域面积 ，主河道长 ，平均比降 。冒水洞为其主要的出水点，亦为河流源头 。冒水洞以上为地下暗河段，具有典型的喀斯特地貌特征。研究区地质及岩溶概况 研究区地质条件研究区地层主要有二叠系下统（）灰岩、白云岩地层；二叠系上统（）灰色中层燧石灰岩、泥质灰岩夹黑色炭质页岩和似层状燧石层；三叠系下统（）浅灰色厚层白云岩、白云质灰岩夹紫灰色泥质灰岩、粉砂岩、角砾状白云岩；三叠系上统须家河组（）地层。二叠系和三叠系下统为外来飞来峰构造体。须家河组为研究区下部稳定地层，呈倒转形态，主要分为三段。其中，上段上部为灰色炭质页岩、细砂岩夹薄煤层和透镜状黄铁矿；中部为青灰色中层块状岩屑石英砂岩夹黄灰色砾岩；下部为灰色中厚层岩屑砂岩、细砂岩，深灰色炭质页岩及薄煤层的韵律层。中段上部为灰色厚层块状长石石英砂岩、粉砂岩夹炭质页岩、薄煤层；下部为灰色中厚层石英砂岩、岩屑石英砂岩夹炭质页岩及薄煤层。下段主要为黑色炭质页岩夹深灰色厚层岩屑砂岩、泥质灰岩、薄煤层。底部为深灰色中厚层泥质灰岩夹黑灰色炭质页岩 。研究区岩溶发育特征区域岩溶受一系列因素的影响和制约，可溶岩岩溶发育程度、发育规律及岩溶填充物等在不同的区域都不尽相同。岩溶的发育主要受地层岩性、地质构造、水文地质条件等影响 。研究区二叠系地层分布在山顶部位，以中厚层状、块状灰岩、白云质灰岩为主，夹少量页岩和粉砂岩。碳酸岩与非碳酸岩的比例约 ，碳酸盐厚度较大，且为成分、纯度高的灰岩、白云质灰岩，为极易发生岩溶的地层 ，岩层产状 ，倾向下游、左岸，岩体受强烈构造影响，发育有大量小型揉曲褶皱，岩体较破碎，节理裂隙较发育。表层岩体节理张开度较大，为良好的储水和输水区域。在岩体上部区域地下水主要为竖直向流动，地表降水在重力的作用下通过表层岩体裂隙下渗。在岩体中下部节理裂隙发育较弱，且受下部隔水岩层的阻隔，地下水主要为水平向流动。下渗的地下水沿着水平向裂隙运移，在河床附近的基岩以散状的裂隙性水出露。流动性的地下水在碳酸岩裂隙中长期存在，水中的侵蚀性 与碳酸岩长期作用，发生溶蚀作用，使裂隙增大，溶蚀范围加大，岩体中小型构造裂隙发育成中型、大型溶蚀孔洞。随着时间的推移，溶蚀孔洞的规模越来越大，逐渐形成大的水流通道，甚至地下暗河。现根据研究区的地质条件对岩溶发育特性进行分段分析 。冒水洞上游岩溶较发育地段冒水洞以上的区域为尖顶峰飞来峰构造体的核心部位，以二叠系下统厚层块状灰岩、白云质灰岩为主，夹少量页岩和粉砂岩。地表溶蚀现象多见，顺岩体结构面方向侵蚀，溶孔、溶洞发育。岩溶地貌形态以岩溶中山低山为主，岩溶地貌组合类型为溶蚀侵蚀类型。在尖顶峰飞来峰核心区的灰岩构造体内，发现溶孔、溶洞等岩溶地貌，岩溶较发育，最大的为冒水洞。冒水洞位于白鹿河河床偏左岸，出露于二叠系下统（）灰岩地层中（见图 ），洞口范围宽约 ，高约 ，高程约 ，洞口被大漂石遮盖，为白鹿河的源头。冒水洞以上的河道为干枯河道（见图 ）。河流在该处形成地下暗河。河道内多灰岩的漂砾卵石块体，灰岩上溶孔较发育，可见该区域内地层岩溶较发育 。图 冒水洞上游 岩溶地层 冒水洞下游岩溶微弱发育地段冒水洞下游主要为二叠系上统（）的燧石灰岩、页岩、煤层夹基性火山砾岩和三叠系下统（）白云质灰岩、泥岩、粉砂岩地层，岩溶微弱发育。河道沿线地表覆盖层厚度变大，河道变宽。二叠系上统（）的岩层多为燧石灰岩、白云质灰岩、页岩、煤层和粉砂岩。该段灰岩含量相对较少，多为灰岩与页岩、粉砂岩的互层地层，灰岩的厚度相对较小，灰岩、白云质灰岩中未见明显的溶蚀现象，岩溶发育相对较弱，沿线河道内也未见泉眼分布（见图 ）。地貌类型为侵蚀类型。图 冒水洞上游干涸河道图 冒水洞下游 地层及河道三叠系下统（）地层为白云质灰岩、泥岩、粉砂岩。碳酸岩与非碳酸岩的比例约 ，碳酸盐厚度较小，且为成分、纯度不高的灰岩，为较不易发生岩溶的地层。岩层产状 ，倾向下游、左岸。岩体受强烈构造作用，岩体较破碎，节理裂隙发育。表层节理张开度较大，为储水和赋水区域。地表降水在重力的作用下通过表层岩体裂隙下渗，在中、下部沿着层面运移，在河床即最低侵蚀面附近以散状裂隙水在河谷两岸浸出（见图 ）。通过调查该河段中的水流流量大于冒水洞出口处的流量，但河道周围无泉眼分布，河水主要接受面状补给。图 冒水洞下游 地层及河道由于该段地层中碳酸岩的含量较低，地下水在地层中运移时，水的运移受到非碳酸岩的阻隔，地下水的空间分布和活动受到限制，水岩作用微弱，岩溶发育程度低。岩溶发育程度进一步制约了地下水的空间分布和活动。形成该段地下水主要沿表层构造和风化裂隙运移的特点，仅零星分布有小型溶孔，溶孔之间彼此孤立，未形成连通的溶蚀通道。白鹿河源头 冒水洞成因分析 独特的气候、地形特征提供河流形成的降雨条件彭州属亚热带季风气候，具有春早、夏热、秋凉、冬暖的气候特点，年平均气温 ，年降雨量约 。冬季主要受蒙古冷高压控制；春季受东亚大气环流调整，南北冷暖空气交替频繁，蒙古冷高压北撤；夏季由于高空西风环流南支急流北跃，蒙古冷高压消失，印度低压伴随西南季风盛行，带来较多降水，至 月印度低压消失，印度高压建立，西南季风退出，雨季方告结束；秋季大气环流向冬季流型过渡，由印度低压和西太平洋高压控制，逐渐转为印度高压和蒙古冷高压控制，形成春季回暖、夏无酷暑、秋多绵雨、冬无严寒的气候特征。成都平原位于四川盆地西部，地势由西北向东南倾斜。西部属于四川盆地边缘龙门山山区，以深丘和山地为主，海拔大多在 之间；东部属于四川盆地盆底平原，为岷江、湔江等江河冲积而成，是成都平原的腹心地带，主要由平原、台地和部分低山丘陵组成，海拔约 ，在地形上存在巨大的垂直高差。彭州市即位于成都平原西部山地和平原的交接地带。在这里东、南暖湿气流受到西部山区的阻隔，造成该地区终年云雾缭绕，降雨量丰富。以大宝银厂沟一线为界，分为盆地西部和盆地西部边缘两个气候亚区，随着地势升高，呈现气温逐渐降低，降水逐渐增大，霜雪日逐渐增多，日照逐渐减少的气候特征。盆地西部边缘气候亚区即出现著名的鹿头山暴雨区，白鹿河的源头就位于露头山暴雨区的边缘。独特的地理位置和地形条件为丰富的降雨量提供外在条件，而丰富的降雨量又提供了河流形成最基本的水源条件。复杂的地质条件为水源的赋存提供空间条件白鹿河源头发源于龙门山脉，顺着龙门山发育有著名的龙门山断裂带。受印度洋板块和欧亚板块强烈的挤压、碰撞作用，这里构造运动强烈，地质作用复杂。受强构造作用的影响，这里岩体破碎，发育有众多断层、褶皱、飞来峰等地质构造。断层多为破碎岩、土体，具有显著的多孔特性，为地下水的储存提供良好的空间；褶皱构造核部裂隙发育，在向斜的底部和背斜的顶部多存在大空间，历来为地下油、气、水的重要储存场所；龙门山区多存在推覆飞来峰构造体，灰岩、白云岩可溶岩地层，在水、和碳酸岩的长期作用下，可溶岩地层岩溶发育，形成大量的溶洞、坑及地下暗河，这些都为雨水的储存提供了重要的地下空间。岩溶的发育提供地下水的流出通道赋存于岩体中的地下水需要有一定的外在条件才能流出地表，形成地表河流。当地下水体深埋地下，地下水将不能依靠重力流的作用流出地表，形成地表河流，人们往往通过深孔水井采取进行利用；地下水体虽处于高位，但处于封闭状态，没有外流的通道，也不能外流形成地表河流，正如一缸水需要有一个开关才能外放。在隧洞施工过程中，人们往往会打穿封闭的高位水体，形成隧洞涌水，为工程建设带来重大损失。因此，地下水体外流形成河流的动力条件是高位，且具有连通的外流通道。白鹿河源头所在的尖顶峰位于龙门山脉，地下水具有高位的特征。白鹿河源头尖顶峰为飞来峰构造体，二叠系下统（）为灰岩、白云岩地层，为岩溶较发育地段，地表溶蚀现象常见，在重力的作用下，随着岩溶的持续发育，岩溶由地面向地下发展，顺岩体结构面方向侵蚀，溶孔、溶洞发育。随着岩溶的进一步发育，地层内的岩溶孔洞发育范围变大，规模变大，深度加大，形成竖向的岩溶通道。当岩溶孔洞发育到二叠系下统（）地层的底部，二叠系上统（）地层顶部位置，受到二叠系上统（）页岩和煤层夹基性火山砾岩、泥岩、粉砂岩等非碳酸岩的阻隔，岩溶竖向发育受到限制，转为水平发育，形成水平向的岩溶通道至地表，形成泉水出露点，即冒水洞（见图 ）。冒水洞处水量大，且集中，流量较稳定，为 地层的最低出水点。冒水洞上游河床干涸，显示其区域来水主要通过地下岩溶通道运移，在冒水洞处流出地表。在冒水洞口上游段形成地表干涸河道，地下暗河的罕见奇观。干涸河床分布有大型漂砾卵石，显示仅在汛期有地表面流汇聚。冒水洞下游河床未见断流现象，显示该段无大型地下岩溶通道。越往下河水流量越来越大，但未见明显泉眼，也未见常年流水型冲沟，显示该段区域来水主要通过浅表层裂隙呈散点状补给河流。因此尖顶峰飞来峰强烈的岩溶发育特征为地下水提供了外流通道，为白鹿河的形成提供了重要外部条件。图 冒水洞形成示意 结论（）丰富的降雨是白鹿河形成的基础。龙门山地区位于成都平原与川西高原的过渡地带，在这里地形从 左右迅速升高至 以上，从东而来的暖湿气流受到高山的阻隔，汇集于此，使此地常年云雾缭绕，降雨丰富，形成著名的鹿头山暴雨区，为河流的形成提供必要的水量条件，沱江、涪江等重要的川西河流多发源于此。（）巨大的地下储水空间是白鹿河稳定流量的保障。龙门山沿着龙门山断裂带展布，该区域受复杂地质作用的影响，构造复杂，岩体破碎，为地下水的储存提供良好的空间条件，是一座天然的水塔。丰富的降雨通过地表入渗，进入岩体裂隙、溶洞等空间，并长期储存，在地势低洼地段以地下水的形式出露，汇聚形成河流源头。因此，除雨季汇聚大量地表流水会导致河流流量猛增外，全年其他时段河流水量丰富、流量稳定。（）岩溶地貌是白鹿河形成最直接原因。白鹿河的形成即为此条件，尖顶峰飞来峰构造体即为白鹿河的主要水源地。尖顶峰飞来峰主要为灰岩、白云岩，岩溶发育形成大量溶洞，为地下水的储存提供了大量的空间。受地质构造和隔水岩体的影响，溶洞的分布范围受到限制，地下水以泉水的形式出露，即冒水洞，形成河流源头。参考文献：麻超，龚小峰，吕荣生，等 彭州市白鹿湖水库初步设计察报告 河南省水利勘测设计研究有限公司，刘小刚 彭州市白鹿湖水库工程初步设计阶段工程地质勘察报告 河南省水利勘测设计研究有限公司，尹东郊，郝子文，黄友智，等 区域地质调查报告地质部分（茂汶幅 灌县幅）四川省地质局，中华人民共和国水利部 水利水电工程水文地质勘察规范：北京：中国计划出版社，中华人民共和国水利部 水利水电工程地质测绘规程：北京：中国水利水电出版社，曹贯中，陈健健，霍吉祥 不同溶蚀速率对灰岩单裂隙渗流 溶解模型的影响 人民长江，（）：代兴兰，孔维斌 滇东北岩溶地区产汇流分析 人民长江，（增 ）：（编辑：惠方方）