某電站壩址區(qū)巖溶發(fā)育特征及巖體的透水性研究

唐杰，韓愛果,陳強(qiáng)

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

某電站壩址區(qū)巖溶發(fā)育特征及巖體的透水性研究

唐杰，韓愛果,陳強(qiáng)

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

某電站位于玉樹縣西南部的子曲河下游，屬瀾滄江二級(jí)水系，壩址區(qū)碳酸鹽巖較發(fā)育，有良好巖溶發(fā)育的物質(zhì)條件。本文根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查及地質(zhì)勘探資料，論述壩址區(qū)巖溶發(fā)育形態(tài)、規(guī)模及空間展布特征，探討巖溶發(fā)育規(guī)律。并結(jié)合鉆孔壓水實(shí)驗(yàn)，分析壩址巖體的透水性及巖溶發(fā)育特征與巖體透水性的相關(guān)性。研究結(jié)果表明：在巖溶發(fā)育特征方面，巖溶發(fā)育明顯受巖性和地質(zhì)構(gòu)造的控制，巖溶發(fā)育具有垂向分帶性及分布不均勻性的特征；在巖體線溶蝕率與透水率相關(guān)性方面，鉆孔溶隙發(fā)育的孔段，巖體透水率與線溶蝕率相關(guān)性較差，巖溶裂隙不發(fā)育的孔段，巖體透水率則與線溶蝕率有較好的相關(guān)性。

巖溶；發(fā)育特征；巖體透水性；相關(guān)性

1 引言

巖溶是內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用對(duì)可溶巖長期作用的結(jié)果。巖溶發(fā)育的類型、密度、規(guī)模等主要受巖性、地下水及構(gòu)造的控制，其中可溶性巖石是巖溶發(fā)育的必要條件[1]；地下水的活動(dòng)是巖溶發(fā)育最重要的影響因素[2-4]；構(gòu)造斷裂控制巖溶發(fā)育的方向及形態(tài)[5]。巖溶發(fā)育控制因素的不同，將導(dǎo)致巖溶發(fā)育特征的差異，在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍的地區(qū)巖溶發(fā)育主要受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制，巖溶的垂向分帶性、方向性及不均勻性特征較突出[5-7]，在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不活躍的地區(qū)，巖溶發(fā)育主要受地層巖性及地下水的控制，巖溶表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性、系統(tǒng)性以及良好的連通性[8-10]。因此對(duì)巖溶發(fā)育特征的研究既是對(duì)巖溶發(fā)育的形成條件的逆向分析，又是了解巖溶發(fā)育規(guī)律的重要依據(jù)。

擬建電站位于北方高寒地區(qū)，北方巖溶發(fā)育的總體背景條件較差[10-11]，巖溶發(fā)育程度遠(yuǎn)不及南方地區(qū)充分。但在壩址區(qū)的不同部位、高程都發(fā)現(xiàn)了一定規(guī)模和數(shù)量的巖溶洞穴，勘探工程也揭示了地下巖體的各類巖溶現(xiàn)象，這些巖溶勢(shì)必會(huì)對(duì)壩址巖體的透水性產(chǎn)生影響，甚至可能造成巖溶滲漏問題。本文從該壩址區(qū)巖溶發(fā)育特征入手，探討巖溶發(fā)育規(guī)律以及巖溶發(fā)育對(duì)巖體透水性的影響，為巖溶滲漏評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

2 地質(zhì)背景

區(qū)內(nèi)主要出露地層為三疊系上統(tǒng)結(jié)扎群，由下至上分為四個(gè)巖性段：第一段(T3jz1)巖性為深紫紅色、灰色、淺綠色砂巖、粉砂巖板巖夾淺灰色薄層狀泥灰?guī)r；第二段(T3jz2)為灰色中厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，局部夾砂質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)板巖和砂巖薄層，在區(qū)內(nèi)出露廣泛，厚度大于1 303 m；第三段(T3jz3)為長石石英砂巖、石英砂巖夾板巖、泥巖及灰?guī)r并夾煤，在壩址區(qū)的左岸有所出露；第四段(T3jz4)為中厚層狀微晶灰?guī)r，夾薄層砂巖及泥灰?guī)r，區(qū)內(nèi)出露范圍廣泛。

區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，走向?yàn)镹W和NE，其中以NW向?yàn)橹?，NE向斷裂較少且為小規(guī)模平移斷層。區(qū)域褶皺相對(duì)發(fā)育，構(gòu)造線方向基本呈NWW-SEE展布，其中以日青涌向斜對(duì)壩址巖溶滲漏影響最大，日青涌向斜核部通過河谷地帶，平行于河流發(fā)育，為地下水流動(dòng)提供了良好的地下通道。

3 壩址巖溶發(fā)育特征及規(guī)律

3.1 地表巖溶發(fā)育特征

壩址區(qū)地表共發(fā)現(xiàn)巖溶洞穴49處，其形態(tài)主要為溶洞、溶穴等。巖溶發(fā)育體積主要集中在小于10 m3，在地表出露的49處巖溶中39處巖溶體積在10 m3范圍內(nèi)(圖1)，大于1 000 m3的巖溶僅有一處，故本地區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)模較小。巖溶發(fā)育分布于壩肩

圖1 地表巖溶體積分布情況

Fig.1 Volume distribution of the surface karst

谷坡的各個(gè)高程，從巖溶發(fā)育高程分析可以看出(圖2)，壩址區(qū)巖溶分布的優(yōu)勢(shì)高程范圍為4 000～4 100 m、3 950～3 980 m、3 900～3 910 m。從巖溶發(fā)育部位及洞穴延伸方向等方面進(jìn)行分析可知(表1)，巖溶發(fā)育明顯受結(jié)構(gòu)面的控制：右岸巖溶全部沿?cái)鄬蛹傲严栋l(fā)育，沿?cái)鄬影l(fā)育12個(gè)，占總數(shù)66.7%，沿裂隙發(fā)育6個(gè)，占總數(shù)33.3%；左岸巖溶多數(shù)亦是沿?cái)鄬蛹傲严栋l(fā)育，總計(jì)24個(gè)，占總數(shù)77.4%。

圖2 地表巖溶高程分布情況

3.2 地下巖溶發(fā)育特征

3.2.1 平硐巖溶發(fā)育特征

平硐揭露的巖溶類型以溶孔(包括晶洞)為主(表2)，其次為溶穴和溶隙，在所有平硐中總共揭露巖溶124個(gè)，其中溶孔(晶洞)發(fā)育66個(gè)，占總數(shù)53.2%，溶穴26個(gè)，占總數(shù)21%，溶隙32個(gè)，占總數(shù)25.8%。平硐巖溶平均分布密度主要分布在0.1～0.3處/m之間，其中導(dǎo)流洞平均分布密度為0.05處/m，主要是由于導(dǎo)流洞埋深較大，地下水循環(huán)較弱，故巖溶不發(fā)育；在PD04中巖溶平均分布密度達(dá)0.42處/m，主要是由于PD04位于日青向斜核部，構(gòu)造較為發(fā)育，巖體完整性較差，為巖溶發(fā)育提供了良好條件。從巖溶發(fā)育部位分析，巖溶主要發(fā)育于地層T3jz3、T3jz4中，在其它砂巖、板巖及次火山雜巖等地層中不發(fā)育。巖溶發(fā)育受結(jié)構(gòu)面分布特征控制(表3)，平硐揭露的受斷層及裂隙控制在左右岸分別占73.3%和59.3%；受層面控制在左右岸分別占10%和5.8%；控制不明顯分別占16.7%和34.9%。

表2 平硐巖溶調(diào)查成果

表3 平硐揭露巖溶發(fā)育特征

3.2.2 鉆孔巖溶發(fā)育特征

鉆孔揭露的巖溶形態(tài)主要為溶孔，其次為溶坑和溶隙(表4)，各類形態(tài)的巖溶共計(jì)483個(gè)，

表4 鉆孔巖溶調(diào)查成果

其中溶孔356個(gè)，占總數(shù)的73.7%；溶坑42個(gè)，占總數(shù)的8.7%；溶隙85個(gè) ，占總數(shù)的17.6%。鉆孔中巖溶發(fā)育線密度為0.31～0.69處/m，其中左岸線密度為0.31～0.41；河床部位線密度為0.48～0.56；右岸線密度為0.46～0.69，可以看出巖溶發(fā)育程度為右岸>河床>左岸。

3.3 巖溶發(fā)育規(guī)律

通過對(duì)壩址區(qū)地表、平硐及鉆孔不同統(tǒng)計(jì)尺度范圍內(nèi)巖溶的發(fā)育狀況及分布特征分析比較，壩址區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律可歸納為以下幾點(diǎn)：

(1) 河床部位及右岸巖溶的發(fā)育程度總體高于左岸，其發(fā)育密度及數(shù)量均明顯高于左岸。從平硐及鉆孔中可以看出，右岸及河床部位巖溶平均發(fā)育密度明顯高于左岸巖溶平均發(fā)育密度。

(2) 巖溶發(fā)育在垂向上呈現(xiàn)強(qiáng)、弱間隔的階段性特征。左岸鉆孔巖溶的總體優(yōu)勢(shì)分布高程為3 900～3 950 m和4 050～4 100 m；右岸鉆孔巖溶的總體優(yōu)勢(shì)分布高程則為3 840～3 860 m和3 890～3 930 m；河床部位鉆孔巖溶的總體優(yōu)勢(shì)分布高程為3 795～3 820 m和3 850～3 880 m。

(3) 巖溶發(fā)育受巖性的控制。巖溶在地層主要為T3jz4和T3jz3，在其他砂巖、板巖及次火山雜巖等地層中不發(fā)育。且在地層T3jz4發(fā)育數(shù)量明顯高于地層T3jz3，在鉆孔共揭露的483個(gè)巖溶中，發(fā)育于地層T3jz4共有375個(gè)，發(fā)育于地層T3jz3僅僅有108個(gè)。在平硐共揭露124個(gè)巖溶中，發(fā)育于地層T3jz4共有93個(gè)，發(fā)育于地層T3jz3僅僅有31個(gè)。

(4) 巖溶發(fā)育受構(gòu)造的控制。從地表及平硐巖溶分布與結(jié)構(gòu)面之間的關(guān)系分析，巖溶發(fā)育主要受斷層及裂隙等構(gòu)造的控制，在平硐中左、右岸受構(gòu)造控制的巖溶達(dá)73.3%和59.3%。

4 壩址巖體透水性特征

壩址區(qū)現(xiàn)階段共完成了24個(gè)鉆孔的壓水試驗(yàn)，根據(jù)壩址24個(gè)鉆孔的壓水試驗(yàn)成果資料來看，壩基巖體的透水性具有顯著的不均勻性，各部位巖體的透水性及其透水等級(jí)具體如下(表5)。

表5 壩址各部位巖體滲透性分級(jí)

由試驗(yàn)成果可以看出：壩址勘探深度范圍內(nèi)主體為中等-弱透水性巖體，但左岸與右岸和河床部位巖體的透水性存在明顯差異，其中左岸巖體的透水性相對(duì)較弱，以弱透水性巖體最為發(fā)育，河床和右岸巖體透水性相對(duì)較強(qiáng)，除弱透水性巖體以外，還存在較高比例的中等透水性巖體。

5 線溶蝕率與巖體透水性的相關(guān)性

溶蝕作用的強(qiáng)弱會(huì)直接影響碳酸鹽巖的滲透特征，特別是巖溶系統(tǒng)彼此聯(lián)系且貫通時(shí)，其滲透特性往往成倍增加。因此依據(jù)鉆孔線溶蝕率與透水率的關(guān)系可以從一定程度上探知地下巖體內(nèi)的巖溶發(fā)育情況以及巖溶發(fā)育對(duì)透水率的影響程度。按分段壓水實(shí)驗(yàn)長度整理鉆孔線溶蝕率及相應(yīng)的巖體透水率，得到如圖3所示的成果。

圖示表明，部分鉆孔的線溶蝕率與透水率具有較好的相關(guān)性，而部分鉆孔中二者的相關(guān)性較差。對(duì)比各個(gè)鉆孔的巖溶分布密度及各類巖溶的比例分布特征可以發(fā)現(xiàn)，鉆孔線溶蝕率與透水率的相關(guān)特征明顯與溶蝕裂隙分布比例的高低有關(guān)：

圖3 各個(gè)鉆孔線溶蝕率及巖體透水性Fig.3 Line-corrosion-rate and rock permeability of each drilling

(1) 壩址左岸的ZK04、ZK10(圖3g、f)與河床部位的ZK06(圖3b)三個(gè)溶蝕裂隙比例較低的鉆孔，其線溶蝕率曲線與透水率曲線的起伏趨勢(shì)大致相同，隨孔深增加二者表現(xiàn)出相同的變化步調(diào)。

(2) 河床部位的ZK01、ZK02(圖3a、c)和ZK13(圖3h)與壩址右岸的ZK03、ZK07(圖3e、d)均具較高的溶蝕裂隙比例，其線溶蝕率曲線與透水率曲線呈現(xiàn)步調(diào)不一甚至完全相反的起伏變化趨勢(shì)，即透水率高的地段其線溶蝕率偏低，而透水率低的地段，其線溶蝕率又呈走高趨勢(shì)。

6 結(jié)論

(1) 壩址區(qū)巖溶發(fā)育具有明顯的多層性及分區(qū)性：具體表現(xiàn)為巖溶發(fā)育在空間上主要集中于幾個(gè)高程段，而在其他高程段則表現(xiàn)為不發(fā)育；巖溶在河床及左、右兩岸的發(fā)育密度有明顯的差異性，右岸及河床部位巖溶平均發(fā)育密度明顯高于左岸巖溶平均發(fā)育密度；巖溶發(fā)育明顯受地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造的控制。

(2) 壩址區(qū)巖體透水性總體表現(xiàn)為中等-弱透水性巖體，且透水性具有顯著的不均勻性。左岸巖體的透水性相對(duì)較弱，以弱透水性巖體最為發(fā)育，河床和右岸巖體透水性相對(duì)較強(qiáng)，除弱透水性巖體以外，還存在較高比例的中等透水性巖體。

(3) 巖體透水性與巖溶發(fā)育特征具有相關(guān)性，在巖溶裂隙發(fā)育的孔段其透水率與線溶蝕率的相關(guān)性較差，而巖溶裂隙不發(fā)育的孔段，其透水率則與線溶蝕率呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，主要是因?yàn)閹r溶裂隙的發(fā)育改變了巖體的完整性及滲透性能，此時(shí)巖體透水率的高低往往取決于裂隙的貫通性及其方向性。

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RESEARCH OF THE FEATURES OF THE KARST AND THE ROCK WATER PERMEABILITY IN THE DAM OF ONE HYDROPOWER

TANG Jie，HAN Ai-guo，CHEN Qiang

(State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection, Chendu University of Technology, Chendu 610059,China)

A hydropower located on ziqu river downstream, in the southwest of sub-song County, is the second stage of the Lancang river systems. The mainly lithology is carbonate, have a good material basis for karst. In this paper, based on geological survey and geological exploration data, discusses the form、scale and distribution characteristics of the karst on the area of the dam, investigate the rule of the karst. Combined with pressurized water experiments of the drilling, analysis rock′s water permeability and the correlation of the features of the karst and the rock′s water permeability. The results showed that: in terms of the features of the karst, karst obvious control by lithology and geological structure, and have the feature of vertical zonation and uneven distribution; in line-corrosion-rate and rock permeability, the rock′s water permeability and the Line-corrosion-rate has poor correlation in the part of dissolved-fissure is development, and the water permeability and the Line-corrosion-rate has good correlation in the part of dissolved-fissure is not development.

Karst；Development features；Water permeability；Correlation

1006-4362(2014)01-0071-05

2013-12-26 改回日期： 2014-02-04

P642

A

唐杰(1987- )，男，漢族，四川成都人，成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院地質(zhì)工程，在讀碩士研究生，研究方向：巖土體穩(wěn)定性及工程環(huán)境效應(yīng)。