巖溶形成機(jī)理分析及工程實(shí)踐

米 健,唐運(yùn)剛

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,云南昆明 650021)

巖溶形成機(jī)理分析及工程實(shí)踐

米 健,唐運(yùn)剛

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,云南昆明 650021)

分析巖溶的形成機(jī)理,認(rèn)為巖溶的發(fā)生、發(fā)展是地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造以及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素綜合作用的結(jié)果。以阿崗水庫工程為例,探討阿崗水庫庫區(qū)的巖溶發(fā)育規(guī)律,在此基礎(chǔ)上,對(duì)水庫滲漏做出工程地質(zhì)評(píng)價(jià),認(rèn)為水庫基本不存在庫區(qū)滲漏的可能性。

巖溶;形成機(jī)理;發(fā)育規(guī)律;滲漏評(píng)價(jià)

0 引言

中國是世界上碳酸鹽巖分布面積最廣的國家(344萬km2),中國西南地區(qū)又是裸露型碳酸鹽巖分布面積最廣的地區(qū)(90萬km2)。該區(qū)碳酸鹽巖裸露、降雨豐沛、溫度高,因此,巖溶也是世界上最發(fā)育的地方,常表現(xiàn)為“地上無水流,地下嘩嘩流”,對(duì)地下工程及水利水電工程危害極大。

中國西南地區(qū)地處歐亞板塊與印度洋板塊、太平洋板塊的接觸帶上,地質(zhì)構(gòu)造背景遠(yuǎn)比歐美大陸復(fù)雜,由此控制下的巖溶發(fā)育規(guī)律也是全球最復(fù)雜的地區(qū)。

隨著西部大開發(fā)步伐的不斷加快和深入,中國西南地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、礦山和水能資源開發(fā)的力度逐年加大,遇到的巖溶地質(zhì)問題也越來越突出。

因此,在中國西南地區(qū)的工程實(shí)踐中,巖溶問題是一個(gè)常見的工程地質(zhì)問題,也是一個(gè)急需解決而又難以解決的工程地質(zhì)問題。

1 巖溶形成機(jī)理分析

碳酸鹽巖的存在和具有侵蝕性水的運(yùn)動(dòng)是巖溶發(fā)育的兩個(gè)最重要因素,前者是巖溶形成的物質(zhì)基礎(chǔ),后者則是巖溶作用和發(fā)育的最積極最活躍的因素。地質(zhì)構(gòu)造條件也是控制巖溶發(fā)育的基本條件,另外,氣候、地形地貌以及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等對(duì)巖溶的形成也具有一定的影響[1]。

1.1 巖溶與巖性

一般情況下,巖溶化程度最強(qiáng)的為灰?guī)r,其次為白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖,再次為泥質(zhì)灰?guī)r。從碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)來說,晶粒愈粗,溶解度就愈大,巖溶發(fā)育也就愈強(qiáng)烈,因?yàn)榫ЯＳ执?巖石的空隙也大,吸水率高,抗侵蝕能力弱,有利于溶蝕;巖層愈厚,巖溶就愈發(fā)育,且形態(tài)齊全,規(guī)模較大,薄層碳酸鹽巖地層,巖溶化程度一般較弱。

1.2 巖溶與水

巖溶的形成離不開水的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。首先,水必須具有溶蝕能力,其次,水必須流動(dòng),水的溶蝕能力及其運(yùn)動(dòng)是巖溶發(fā)育的必要條件。在有利于巖溶發(fā)育的巖石基礎(chǔ)上,水的溶蝕—侵蝕作用是巖溶形成和發(fā)展的主要?jiǎng)恿Α?/p>

袁道先[2]等人對(duì)位于不同自然條件下的巖溶區(qū)進(jìn)行了石灰?guī)r溶蝕速度觀測(cè),并對(duì)多個(gè)點(diǎn)的巖溶動(dòng)力系統(tǒng)的碳、水、鈣循環(huán)與巖溶作用關(guān)系進(jìn)行了定位觀測(cè),觀測(cè)成果見圖1、圖2(孫家凹鈣華瀑布由泉口到下游測(cè)點(diǎn)的編號(hào)依次為S1、S2、S3)。

由圖1可知,石灰?guī)r的溶蝕速度與當(dāng)?shù)啬杲邓坑忻黠@的正比關(guān)系,而且在土下,由于生物CO2的介入,水的溶蝕能力更強(qiáng),其溶蝕速度比空氣中強(qiáng)得多。但廣州地區(qū)由于土層粘性很重,不利于降水的入滲補(bǔ)給,土下溶蝕反而比空氣中弱。

1.3 巖溶與環(huán)境溫度

在巖溶化過程中,一系列的化學(xué)和物理作用都與溫度有關(guān)系。水中CO2的含量與溫度成反比,一般溫度越高,CO2的含量越少;溫度越低,CO2的含量越多。溫度高的水,CO2的含量雖然減少了,但水分子的離解速度加快,水中H+和OH-離子增多,溶蝕力反而得到加強(qiáng)。據(jù)測(cè)驗(yàn),氣溫每增加10℃,水的化學(xué)反應(yīng)速度增加一倍,故高溫地區(qū)的巖溶速度較快,圖1中觀測(cè)點(diǎn)的年溶蝕量與年平均氣溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系即為佐證。

圖1 廣州—伊春間各觀測(cè)站石灰?guī)r溶蝕速度觀測(cè)成果圖Fig.1 Result of dissolution velocity of limestone in several observation stations between Guangzhou and Yichun

圖2 陜西鎮(zhèn)安兩個(gè)巖溶動(dòng)力系統(tǒng)的季節(jié)變化與巖溶作用關(guān)系的定位觀測(cè)結(jié)果(1993)Fig.2 Orientation result of the relationship between season change and karstification of two karst dynamic systems

1.4 巖溶與地質(zhì)構(gòu)造

在其它條件相似的環(huán)境下,構(gòu)造條件對(duì)巖溶的初始發(fā)育、發(fā)展方向和空間展布等具有重要的控制作用。

對(duì)于單斜地層來說,巖溶一般順層發(fā)育,且傾角陡的比傾角緩的相對(duì)發(fā)育。巖層產(chǎn)狀為水平或緩傾時(shí),地下水以水平運(yùn)動(dòng)為主,巖溶主要是水平方向發(fā)育。巖層傾角較陡時(shí),地表水多沿層理下滲,地下水運(yùn)動(dòng)也較強(qiáng)烈,巖溶主要是垂直方向發(fā)育。

斷裂構(gòu)造為地下水活動(dòng)和巖溶作用提供了極為有利的條件,巖溶常沿著斷裂破碎帶發(fā)育。一般情況下,張性斷層附近的巖溶發(fā)育程度較強(qiáng),而壓性斷層附近巖溶發(fā)育程度相對(duì)較弱。

在褶皺發(fā)育地區(qū),因背斜軸部張性節(jié)理發(fā)育,地下水順節(jié)理下滲,并向兩翼運(yùn)動(dòng),巖溶形態(tài)以垂直方向?yàn)橹鳌６谙蛐陛S部,雖然裂隙多呈閉合狀態(tài),但地下水多匯集于此,所以巖溶也較發(fā)育。

1.5 巖溶與地形地貌

巖溶的發(fā)生、發(fā)展也受到當(dāng)?shù)氐匦蔚孛驳挠绊?因?yàn)榈匦蔚孛矖l件控制著地下水的補(bǔ)、徑、排條件。

韓行瑞等在貴州省仁懷市長崗等地埋放試驗(yàn)巖片,試驗(yàn)結(jié)果表明,表面溶蝕速度為溶丘谷地>溶丘山坡>溶丘峰頂,證明地形地貌對(duì)巖溶速度是有影響的。由于溶丘谷地的儲(chǔ)水能力明顯強(qiáng)于溶丘山坡和溶丘峰頂,巖片與水的作用時(shí)間相對(duì)較長,因此,溶丘谷地溶蝕速度較快。

另外,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,也造成了巖溶在垂向上的結(jié)構(gòu)特征差異。

2 工程實(shí)踐

2.1 工程地質(zhì)概況

擬建的阿崗水庫位于云南省曲靖市羅平縣境內(nèi)九龍河上游篆長河之上,九龍河屬珠江水系,南盤江流域。水庫設(shè)計(jì)總庫容1.58×108m3,正常庫容1.22×108m3,水庫正常蓄水位1 866.9 m,最大壩高71.8 m,阿崗水庫庫區(qū)工程地質(zhì)概要圖見圖3。

圖3 阿崗水庫庫區(qū)工程地質(zhì)概要圖Fig.3 Sketch map of engineering geology aboutA-gang reservoir

庫區(qū)碳酸鹽巖分布廣泛,占庫區(qū)總面積的70%以上,且?guī)r層產(chǎn)狀平緩,垂直節(jié)理發(fā)育,有利于地表水滲透溶蝕。東、南兩面分別由峨眉山玄武巖組、梁山組、宣威組等非可溶巖地層構(gòu)成地形分水嶺[3]。

水庫工程區(qū)地處云南“山”字型構(gòu)造前弧東翼,大地構(gòu)造屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)滇東臺(tái)褶帶,區(qū)域性斷裂方向?yàn)镾N向和NE向。水庫工程區(qū)夾持于彌勒—富源斷裂和師宗—晴隆斷裂之間,區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜。

2.2 庫區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律

庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,巖溶極發(fā)育,現(xiàn)將庫區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律總結(jié)如下。

(1)地層巖性的制約 阿崗水庫區(qū)地層巖性以中厚層狀灰?guī)r為主,夾白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖,有利于巖溶發(fā)育,巖溶化程度較強(qiáng)。右岸南部受玄武巖及砂頁巖等非可溶巖的限制,巖溶暗河基本沿巖層分界線方向延伸,即大瓦魯—槽盆箐—戈維,且在可溶巖與非可溶巖的接觸帶上多處有巖溶泉水出露。據(jù)鉆孔揭露,在可溶巖與非可溶巖的接觸帶位置,巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,巖溶形態(tài)以溶洞為主。

而在水庫南側(cè)及東側(cè)的碎屑巖地層(P1l)與玄武巖地層(P2β)夾持的狹長地帶內(nèi),巖性為P1q+m的厚層狀灰?guī)r,但由于兩側(cè)受到非可溶巖的限制,巖溶發(fā)育相對(duì)較弱,未見規(guī)模較大的巖溶管道系統(tǒng)發(fā)育。

(2)地形地貌的影響 在擬建的上壩址與下壩址之間河段,篆長河兩岸的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等條件基本一致,由于挖玉沖小河在該河段右岸匯入篆長河,形成了切割較深的河谷,為右岸地下水的活動(dòng)創(chuàng)造了極為有利的條件。因此,該河段右岸巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,有龍馬洞、仙人洞等大規(guī)模的巖溶洞穴發(fā)育;而除地形地貌條件以外,其它條件基本一致的左岸,巖溶發(fā)育較弱,從鉆孔、平硐揭露情況來看,沒有大規(guī)模的巖溶形態(tài)發(fā)育。

(3)地質(zhì)構(gòu)造的控制 由于庫區(qū)垂直裂隙發(fā)育,利于地表水下滲溶蝕。因此,地表30～50 m深度范圍內(nèi),以垂直巖溶為主,以豎井、暗河天窗為代表(占88%),偶為水平溶洞(占22%)。

庫區(qū)中部構(gòu)造發(fā)育,規(guī)模較大的有高橋斷裂、撒馬依斷裂、筆架山斷裂、小平寨背斜、小崗德背斜以及高橋背斜等。這些構(gòu)造明顯控制著庫區(qū)的巖溶發(fā)育格局,沿構(gòu)造線附近發(fā)育的天然井、落水洞隨處可見,且橫山村—高松樹、海馬村—阿布科—高橋寨、雙山—象鼻子洞等多處地下暗河沿構(gòu)造線走向發(fā)育。

(4)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響 阿崗盆地基本形成于上新世,以后地殼間歇性的上升[4]。在這種新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景下,區(qū)內(nèi)層狀發(fā)育的水平溶洞比較普遍。根據(jù)溶洞分布的高程及位置,大致可分為三層。高層溶洞(海拔高程1 835～1 855 m),位于夷平面以下,近代深切峽谷裂點(diǎn)之上,高出盆地30～50 m;中層溶洞(海拔高程1 815～1 820 m),位于近代深切峽谷兩側(cè),高出盆地10～15 m;低溶洞層(海拔高程1 805～1 808 m),即現(xiàn)代溶洞層,位于河谷底部,一般為溶洞泉或暗河的進(jìn)、出口。

上新世以后,地殼間歇性上升,使略具雛形的篆長河迅速下切,嵌入基巖幅度80～100 m。與此同時(shí),溶蝕下限亦迅速下移。襲奪現(xiàn)象尤其激烈:①魚膜龍—大舍段小河被戈維附近的地下河襲奪,取捷徑匯入主干暗河;②大雨本—撒瑪依段地表河及捏恰小支流,被橫山村—阿市里暗河襲奪,成為季節(jié)性排洪溝;③飛吉洼地受東部拙挪河源頭暗河的襲奪,變?yōu)橐粋€(gè)3.5 km2的封閉洼地;④在小灣坡子—白石巖—沙鍋村一帶大片出露泉水(W13、W14、W15),地表以河流形式流向北東至羊洞,由于北東部篆長河襲奪進(jìn)入地下暗河,沿北東方向以暗河出口(洞191)形式排泄于篆長河內(nèi);⑤篆長河沿岸泉水流量出現(xiàn)了上游逐年減小,下游逐年增大的現(xiàn)象。

全新世時(shí)期,庫區(qū)W側(cè)的龍海山迅速強(qiáng)烈隆起[5]。因此,龍海山周邊各時(shí)代所形成的巖溶形態(tài)被迅速抬升至不同高度上,庫區(qū)W側(cè)的地下水力坡降急劇變陡。根據(jù)鉆孔ZKa1、ZKa3、ZKa4地下水位觀測(cè)資料,庫區(qū)NW側(cè)ZKa1、W側(cè)ZKa3地下水位高程分別為1 887.75 m、2 006.9 m,處于地下水低槽部位的ZKa4地下水位高程為1 839.7 m。地下水位向W側(cè)分水嶺方向呈抬升趨勢(shì),且靠分水嶺越近,地下水位抬升越快。

2.3 庫區(qū)滲漏評(píng)價(jià)

阿崗水庫位于阿崗溶蝕盆地內(nèi),四周存在地形分水嶺。庫區(qū)內(nèi)地層巖性以碳酸鹽巖為主,庫區(qū)以篆長河為當(dāng)?shù)刈畹团判够鶞?zhǔn)面,河邊有較多巖溶泉水出露,左、右岸最大的暗河出口流量分別為3.5 m3/s和4.87 m3/s,且大量連通試驗(yàn)資料表明,兩岸地下水均向篆長河排泄。

E、S兩面分別由峨眉山玄武巖組、梁山組、宣威組等非可溶巖地層構(gòu)成地形分水嶺,非可溶巖地層分布連續(xù)、寬厚,且無大規(guī)模的構(gòu)造穿插破壞地層的完整性。因此,水庫在E、S兩面存在地下水分水嶺,鉆孔ZKa2、CK1、CK2、ZKK69、ZKK58、ZKK51、ZKK66的地下水位高程分別為1 901.7 m、1 866.02 m、1 904.41 m、1 866.53 m、1 870.95 m、1 925.84 m、1 874.9 m。除CK1和ZKK69以外,其余鉆孔地下水位均高于水庫正常蓄水位,雖然CK1和ZKK69的地下水位略低于水庫正常蓄水位,但水庫蓄水后,地下水位壅高,CK1和ZKK69的地下水位將高于水庫正常蓄水位。因此,水庫蓄水后,E、S兩面地下分水嶺將高于水庫正常蓄水位。

庫區(qū)W側(cè)龍海山附近有龍海山斷裂帶沿NE方向展布,斷層規(guī)模一般較大,且以壓性逆斷層為主,斷層物質(zhì)以糜棱巖、角礫巖為主,在垂直斷層走向方向有一定的隔水作用,在平等斷層走向方向由于裂隙發(fā)育,巖體破碎,有一定規(guī)模的巖溶現(xiàn)象,且導(dǎo)水性相對(duì)較好,因此,龍海山斷裂帶對(duì)庫區(qū)地下水與W側(cè)低鄰谷(南盤江)之間的水力聯(lián)系有一定阻隔作用。根據(jù)前文分析,庫區(qū)W側(cè)受龍海山全新世迅速強(qiáng)烈隆起的影響,地下水位向W側(cè)分水嶺方向呈抬升趨勢(shì),且靠分水嶺越近,地下水位抬升越快。大量人工井、天然井以及鉆孔水文資料表明,庫區(qū)W側(cè)存在地下水分水嶺,且地下水分水嶺高于水庫正常蓄水位。

綜上所述,水庫E、S、W三面均存在地下水分水嶺,且地下水分水嶺均高于水庫正常蓄水位(1 866.9 m)。庫區(qū)N側(cè)為篆長河源頭,而篆長河為當(dāng)?shù)刈畹团判够鶞?zhǔn)面,篆長河源頭的河面高程遠(yuǎn)高于水庫正常蓄水位,水庫不存在向N側(cè)滲漏的可能。因此,水庫基本不存在庫區(qū)滲漏的可能性。

3 結(jié)語

中國西南地區(qū)碳酸鹽巖廣泛分布,在西南地區(qū)的工程建設(shè)中,巖溶問題難以避免,這些巖溶問題的發(fā)生,將對(duì)工程的施工和運(yùn)營安全產(chǎn)生重大的不良影響,給國家和人民帶來重大損失。因此,必須在勘察過程中充分認(rèn)識(shí)工程區(qū)的巖溶發(fā)育規(guī)律。

巖溶發(fā)育規(guī)律的認(rèn)識(shí)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程,首先,應(yīng)充分認(rèn)識(shí)工程區(qū)的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造以及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等工程地質(zhì)條件。然后,綜合考慮各因素對(duì)工程區(qū)的巖溶發(fā)育可能產(chǎn)生的影響,并初步判斷工程區(qū)巖溶的發(fā)育形式和發(fā)育規(guī)律。最后,通過鉆探、物探以及連通試驗(yàn)等手段對(duì)前期的初步判斷予以驗(yàn)證,并準(zhǔn)確作出工程地質(zhì)評(píng)價(jià),提出巖溶問題的解決辦法。

[1] 韓行瑞,陳定容,等.巖溶單元流域綜合開發(fā)與治理[M].南寧:廣西師范大學(xué)出版社,1997.

[2] 袁道先,李彬,劉再華.中國巖溶[C]∥巖溶與人類生存、環(huán)境、資源和災(zāi)害.南寧:廣西師范大學(xué)出版社,1996:1-11.

[3] 云南省曲靖市阿崗水庫工程項(xiàng)目建議書工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].昆明:云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2010.

[4] 中華人民共和國區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告(羅平幅)[R].昆明:云南省地質(zhì)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì),1979.

[5] 中華人民共和國區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告(宜良幅)[R].昆明:云南省地質(zhì)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì),1977.

(責(zé)任編輯:潘 瀟)

Analysis on Karst Formation Mechan ism and Engineering Practice

MIJian,TANG Yungang
(Yunnan Investigation,Design&Research Institute of Water Resources&Hydropower,Kunm ing,Yunnan650021)

The formation mechanis m of karst is analyzed deeply in this paper,it is considered that the occurrence and development of karst is the result of corporate function ofmany factors,such as the lithology of stratum,the topography,the geological structure,the neotectonics,and so on.Then the A-gang reservoir is recounted as a case.First of all,the karst law ofA-gang reservoir is analyzed deeply;and then the seepage of A-gang reservoir is evaluated on the view of engineering geology.At last,it is considered that the water ofA-gang reservoir can not leak to the outside region.

karst;formation mechanis m;development law;evaluation of the leakage

P642.25

A

1671-1211(2010)05-0589-04

2010-07-09;改回日期:2010-09-07

米健(1982-),男,工程師,碩士,巖土工程專業(yè),從事工程地質(zhì)與水文地質(zhì)研究工作。E-mail:mijian2000@126.com