緬甸滾弄水電站樞紐區(qū)可溶巖溶蝕特征研究

曾 曉 波

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650000)

緬甸滾弄水電站樞紐區(qū)可溶巖溶蝕特征研究

曾 曉 波

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650000)

緬甸滾弄水電站樞紐區(qū)分布有碳酸鹽巖、巖屑角角礫巖、鈣質(zhì)砂巖等可溶巖。本文通過(guò)磨片鑒定分析了這三類巖體的巖石學(xué)特征，同時(shí)研究了可溶巖的化學(xué)特征，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘探成果、巖體的巖石學(xué)特征及化學(xué)特征綜合分析了三類巖體各自的溶蝕發(fā)育特征，為壩基巖體的防滲研究提供依據(jù)。

可溶巖； 巖石學(xué)特征；化學(xué)特征；溶蝕特征

1 樞紐區(qū)工程地質(zhì)條件概況

水電站位于緬甸撣邦境內(nèi)，項(xiàng)目裝機(jī)1 400 MW，最大壩高104 m，采用混凝土重力壩型，初擬正常蓄水位519 m。壩址河谷較開闊，總體呈“V”字型，兩岸山體雄厚，山峰和槽谷呈NE向展布，分布高程一般1 100～1 300 m，樞紐區(qū)江水面高程445 m左右。樞紐區(qū)兩岸發(fā)育多條沖溝，溝內(nèi)干涸，沖溝縱向坡降大，延伸長(zhǎng)度小。

樞紐區(qū)地層以P1s3-1及P1s3-2的鈣質(zhì)砂巖和巖屑角角礫巖等為主，上下游側(cè)尚有P1s4的碳酸鹽巖分布，碳酸鹽巖與壩址的碎屑巖地層呈斷層接觸。壩址河谷地段地層巖性分布見(jiàn)圖1。

圖1 工程區(qū)構(gòu)造綱要簡(jiǎn)圖

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜，第四系活動(dòng)斷裂發(fā)育，工程區(qū)相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度，屬較不穩(wěn)定地區(qū)。

樞紐區(qū)地層巖性雖以巖屑角角礫巖及砂巖為主，但壩址附近及外圍地區(qū)碳酸鹽巖分布面廣，加之巖屑角角礫巖亦屬可溶巖，巖體透水性極強(qiáng)，巖溶現(xiàn)象較為發(fā)育。

2 樞紐區(qū)可溶巖巖石學(xué)特征

樞紐區(qū)可溶巖主要有碳酸鹽巖、巖屑角礫巖以及鈣質(zhì)砂巖等。通過(guò)薄片鑒定對(duì)其巖石學(xué)特征進(jìn)行了研究。

2.1 碳酸鹽巖

樞紐區(qū)碳酸鹽巖主要為微晶灰?guī)r、白云質(zhì)微晶灰?guī)r及細(xì)晶白云巖。

(1)微晶灰?guī)r：薄片鑒定顯示樞紐區(qū)微晶灰?guī)r中方解石含量95%～98%，黏土質(zhì)物質(zhì)含量1%～3%，并含有1%～2%的鐵礦；主要生物為介形蟲、瓣鰓腹足以及腕足。構(gòu)造-巖溶縫成網(wǎng)狀分布，有三條微縫合線，鐵泥質(zhì)殘存。鏡下照片見(jiàn)圖2。

(2)白云質(zhì)微晶灰?guī)r：巖石由少量顆粒及微晶方解石組成。方解石重結(jié)晶極弱，基本保持原始的微晶狀，僅在少量生物屑中被亮晶方解石充填，后期次生裂隙中有亮晶方解石穿切。白云石分布于微晶方解石中，含量約占15%。硅質(zhì)含量小于0.5%。鏡下照片見(jiàn)圖3。

(3)細(xì)晶白云巖：薄片鑒定顯示樞紐區(qū)細(xì)晶白云巖中白云石含量90%以上，方解石含量約5%，黏土質(zhì)物質(zhì)含量2%，含有1%的鐵礦，晶粒大小約0.4 mm，白云石重結(jié)晶強(qiáng)，晶間有泥質(zhì)殘存，有受巖溶-去白云石化的方解石脈充填于縫中，不少微縫中有泥質(zhì)。鏡下照片見(jiàn)圖4。

2.2 巖屑角礫巖

樞紐區(qū)巖屑角礫巖分為以下兩類：

圖2 微晶灰?guī)r 圖3 白云質(zhì)微晶灰?guī)r

圖4 細(xì)晶白云巖

(1)鈣質(zhì)巖屑角礫巖：陸源碎屑成分為細(xì)砂石英、大量白云巖及灰?guī)r礫石，鈣質(zhì)膠結(jié)占60%，碎屑外有氧化圈，為氧化環(huán)境下產(chǎn)物。巖石膠結(jié)較緊，未見(jiàn)孔縫。粒度較細(xì)，薄片中看以砂級(jí)大小為主，有白云巖、微晶灰?guī)r，生物成分主要為介形蟲、瓣鰓腹足以及腕足，含少量石英砂，巖屑有氧化邊，為氧化環(huán)境。部分樣品有微縫合線，壓實(shí)作用較強(qiáng)，有微壓溶作用。鏡下照片見(jiàn)圖5。

(2)白云質(zhì)巖屑角礫巖：結(jié)構(gòu)較特殊，巖屑成分主要為白云石，少見(jiàn)方解石(沿溶縫分布)和石英(細(xì)分散狀)，可能為盆地沉積的砂屑白云巖。鏡下照片見(jiàn)圖6。

2.3 鈣質(zhì)砂巖

樞紐區(qū)鈣質(zhì)砂巖主要有以下兩類：

(1)紫紅色鈣質(zhì)巖屑石英砂巖：?jiǎn)尉⑺樾碱w粒含量76%～80%，多晶石英約4%，斜長(zhǎng)石含量2%，還含有2%～4%的變質(zhì)巖碎屑，6%～12%的灰?guī)r碎屑，以及少量的云母、鐵礦、電氣石。充填物主要為6%～8%方解石，以及少量鐵質(zhì)充填。膠結(jié)類型為接觸-孔隙膠結(jié)，粒度主要為小于1 mm。有重結(jié)晶和交代碎屑。鏡下照片見(jiàn)圖7。

(2)含礫粉砂-粗粒不等粒鐵鈣質(zhì)巖屑石英砂巖：石英碎屑含量為77%，還有2%石英巖碎屑以及16%灰?guī)r碎屑，以及少量云母和鐵礦，膠結(jié)類型為接觸-孔隙膠結(jié)，粒度主要為小于0.02～10 mm，分選較差。陸源石英、長(zhǎng)石等較小，而灰?guī)r巖屑有大有小(大者達(dá)10 mm)，分選差，填隙物為含鐵方解石，巖石顯紅色。有部分巖溶方解石斑塊約1 mm，由重結(jié)晶方解石組成。鏡下照片見(jiàn)圖8。

分析表明：工程樞紐區(qū)出露的微晶灰?guī)r、白云質(zhì)微晶灰?guī)r，方解石含量較高，含量生物粒屑，并且有明顯的網(wǎng)狀構(gòu)造-巖溶線分布，巖性上屬于最易溶蝕的巖性，并且構(gòu)造作用明顯，巖溶發(fā)育最明顯；細(xì)晶白云巖白云石含量較高達(dá)到90%以上，而且有去白云石化方解石脈充填，且構(gòu)造相對(duì)發(fā)育，為巖溶較易發(fā)育的巖層；角礫巖角礫中含有較大量的灰?guī)r、白云巖碎屑，充填物中方解石含量較高，分選較差，鈣質(zhì)角礫巖為明顯的氧化環(huán)境產(chǎn)物，因此角礫巖中溶蝕相對(duì)也較發(fā)育；砂巖中石英含量較高，膠結(jié)較緊密，且有方解石和鐵質(zhì)充填，未見(jiàn)裂隙，受巖溶作用影響較小。

圖5 鈣質(zhì)巖屑角礫巖 圖6 白云質(zhì)巖屑角礫巖

圖7 鈣質(zhì)巖屑石英砂巖 圖8 含礫粉砂-粗砂不等粒鐵鈣質(zhì)巖屑石英砂巖

3 樞紐區(qū)可溶巖巖石化學(xué)特征

樞紐區(qū)可溶巖的巖石化學(xué)特征主要著重研究巖石中CaO、MgO以及酸性不溶物的組成。由于野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)巖石中普遍出現(xiàn)鐵質(zhì)浸染，孔隙中也多充填紫紅色鐵質(zhì)次生泥，因此也針對(duì)巖石中的Fe2O3進(jìn)行補(bǔ)充分析研究(見(jiàn)表1)。

表1 樞紐區(qū)可溶巖的巖石化學(xué)成分分析

由表1可知研究區(qū)內(nèi)CaO、MgO含量普遍較高，即使是非碳酸鹽巖的鈣質(zhì)砂巖CaO含量也達(dá)到了16.8%。而巖樣1、3、4、12，CaO含量很高，CaO/MgO值也很高，超過(guò)了50，為明顯的灰?guī)r特征，白云質(zhì)含量較少，可溶性較高。研究區(qū)內(nèi)的角礫巖CaO含量較高，達(dá)到了30%以上，CaO/MgO值為2～4，也顯示了碳酸鹽巖的特征，進(jìn)一步論證了礫石成分主要為可溶巖。細(xì)晶白云巖，MgO含量較高，CaO/MgO值為1.59，顯示了明顯的白云質(zhì)特征。

實(shí)驗(yàn)表明：在含CO2的水溶液中，若令方解石的溶解度為1，隨著巖石中CaO和MgO比值的增加，相對(duì)溶解度也增加。當(dāng)CaO和MgO比值在1.2∶2.2之間(相當(dāng)于白云巖)時(shí)，相對(duì)溶解度變化最大，介于0.35～0.82；當(dāng)CaO和MgO比值在2.2～10.0之間(相當(dāng)于白云質(zhì)灰?guī)r)時(shí)，相對(duì)溶解度介于0.80～0.99之間；當(dāng)CaO和MgO比值大于10(相當(dāng)于石灰?guī)r)時(shí)，相對(duì)溶解度趨近1。由圖9可知研究區(qū)內(nèi)巖石的CaO和MgO比值普遍較大，而區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖CaO和MgO比值普遍大于10，只有細(xì)晶白云巖比值較小。而鈣質(zhì)砂巖、角礫巖CaO和MgO比值也多在1.2～2.2之間。

圖9 不同巖性CaO/MgO變化曲線

巖石中如礦物成分不均一，將影響巖溶作用，特別是一些不可溶解的雜質(zhì)，如SiO2、Fe2O3、A12O3、R2O3等，在巖溶發(fā)育過(guò)程中，充填于巖石裂隙中，使地下水通過(guò)團(tuán)難。它不但使巖溶發(fā)育程度減弱，并對(duì)巖溶地貌產(chǎn)生影響。

由圖10可知：研究區(qū)內(nèi)不同巖體的酸性不溶物含量隨巖性變化較大，區(qū)內(nèi)大多數(shù)巖石酸性不溶物含量較低，普遍小于10%，部分樣品小于1%，而巖樣8鈣質(zhì)砂巖含量較高，達(dá)到60%以上，由圖11可知，巖樣8鈣質(zhì)砂巖鐵質(zhì)含量較高達(dá)到1.6%以上，易風(fēng)化蝕變成為紫紅色次生泥。角礫巖，和部分碳酸鹽巖Fe2O3含量也相對(duì)較高，大于0.3%。

圖10 不同巖性酸性不溶物變化曲線 圖11 不同巖性Fe2O3變化曲線

結(jié)合酸性不溶物以及鐵質(zhì)含量分析認(rèn)為鈣質(zhì)砂巖溶解度較低，鈣質(zhì)角礫巖也不易溶解，而其對(duì)白云質(zhì)巖屑角礫巖、灰?guī)r的溶解性影響都不大。

對(duì)研究區(qū)內(nèi)不同類型巖石化學(xué)分析結(jié)果表明：區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖CaO含量普遍較高，CaO和MgO比值也較高，酸性不溶物以及鐵質(zhì)含量較低，溶解性較好；角礫巖中CaO含量較高，CaO和MgO比值偏高，酸性不溶物以及鐵質(zhì)含量較低，相對(duì)溶解性較好。這與角礫巖中含有大量的灰?guī)r、白云巖碎屑以及方解石充填物有關(guān)，角礫巖中巖溶相對(duì)較發(fā)育；樞紐區(qū)內(nèi)砂巖雖然CaO含量相對(duì)較高，然而其酸性不溶物以及鐵質(zhì)含量較高、且結(jié)構(gòu)較緊密，不易被溶蝕。

4 樞紐區(qū)溶蝕發(fā)育特征

4.1 碳酸鹽巖

碳酸巖地區(qū)，兩岸地形陡峻，喀斯特作用明顯。淺表部總體溶蝕強(qiáng)烈，地表碳酸鹽巖多呈石筍和溶槽、溶溝及溶洞(見(jiàn)圖12)。

圖12 碳酸鹽巖地層淺表部溶洞地貌

根據(jù)對(duì)壩址上游及下游碳酸鹽巖區(qū)域平洞統(tǒng)計(jì)資料(見(jiàn)圖13、14)顯示：碳酸鹽巖地層整體溶蝕強(qiáng)烈，溶蝕率多在5%～10%之間，局部高達(dá)40%～50%。溶蝕強(qiáng)烈地段多發(fā)育有構(gòu)造裂隙及溶裂隙，局部與地表相連，地表水形成下滲通道，巖體溶蝕強(qiáng)烈。根據(jù)平洞揭露，溶蝕受構(gòu)造影響較為強(qiáng)烈，局部發(fā)育的裂隙及溶洞被方解石及斷層泥充填，部分形成的空腔也是斷層作用的結(jié)果(見(jiàn)圖15)。

圖13 PD132平硐溶蝕統(tǒng)計(jì)柱狀圖

圖14 PD111平硐溶蝕統(tǒng)計(jì)柱狀圖

圖15 PD132平硐由斷層影響形成的溶腔

在鉆孔資料統(tǒng)計(jì)中，左岸鉆孔線巖溶率，強(qiáng)風(fēng)化約100%，弱風(fēng)化約38.5%，微新巖體13.3%，全孔平均約32.9%；右岸鉆孔中線巖溶率強(qiáng)風(fēng)化約70%，弱風(fēng)化32.2%，微新巖體約45.4%，平均45%。鉆孔統(tǒng)計(jì)中，未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的溶洞或溶腔，且溶蝕作用多沿節(jié)理裂隙分布，碳酸鹽巖地層鉆孔在微新巖體中，線巖溶率仍然在13%～45%，存在深部巖溶問(wèn)題。

綜合分析，樞紐區(qū)碳酸鹽巖淺表部巖體巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，中下部巖體巖溶發(fā)育程度中等，巖溶發(fā)育程度隨深度加深逐漸遞減，但存在一定的深部巖溶問(wèn)題。巖體溶蝕受巖性、構(gòu)造影響較為明顯。

4.2 巖屑角角礫巖

巖屑角角礫巖主要分布于樞紐區(qū)的右岸和河床部位。角礫巖中的充填物、基質(zhì)及角礫鈣質(zhì)含量高，存在巖溶問(wèn)題，但由于巖性的不均一性，規(guī)模性巖溶作用一般不太發(fā)育。

樞紐區(qū)右岸分布有F3斷層，沿沖溝發(fā)育，且沖溝切割較深，沖溝兩側(cè)地形完整性差。沖溝溝內(nèi)及右側(cè)附近的巖屑角角礫巖巖溶作用十分強(qiáng)烈。附近平硐PD130勘探資料顯示，該洞主洞內(nèi)在洞深0～40 m洞段規(guī)模較大的溶洞或溶蝕裂隙有6處，洞壁鈣質(zhì)淋漓作用明顯，部分有洞穴堆積或次生夾泥(見(jiàn)圖16)；洞深40～44 m段溶蝕中等發(fā)育，多處見(jiàn)小規(guī)模的溶蝕裂隙并具次生夾泥；44 m以后溶蝕作用逐漸減弱?？v向上，在該附近區(qū)域布置的鉆孔ZK162內(nèi)，孔深18～23.5 m處發(fā)育有垂直深度約5 m的溶蝕裂隙(或溶洞)。由此可以說(shuō)明，沖溝及其右側(cè)臨溝地段角礫巖內(nèi)中、上部巖體巖溶極為發(fā)育，巖溶作用與沖溝及其斷層的影響有直接關(guān)系。

圖16 壩址右岸PD130洞內(nèi)左壁發(fā)育的溶洞

沖溝下游山坡巖屑角角礫巖內(nèi)同樣也具巖溶作用，但溶蝕作用較輕微，從圖16可以看出巖屑角角礫巖的溶蝕率一般小于1%，溶蝕規(guī)模較??；局部溶蝕規(guī)模相對(duì)較大，大于5%。據(jù)平硐資料分析，PD122在30～40 m段之所以溶蝕強(qiáng)烈是由于其位于卸荷帶內(nèi)，構(gòu)造裂隙發(fā)育，巖溶順裂隙而發(fā)育，局部發(fā)育成有近2 m寬的順裂隙溶洞，順裂隙溶蝕寬度20～30 cm，可見(jiàn)深度5 m，屬構(gòu)造型溶蝕見(jiàn)圖17,平硐溶蝕統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖18。

圖17 壩址右岸PD122溶蝕裂隙(34～36 m段)

圖18 PD122平硐溶蝕統(tǒng)計(jì)柱狀圖

通過(guò)對(duì)樞紐區(qū)該地層鉆孔及平洞資料綜合分析表明：角礫巖中巖溶相對(duì)碳酸鹽巖輕微，規(guī)模多較小。局部地段受構(gòu)造、地形等因素的影響，發(fā)育規(guī)模較大，且多發(fā)生于卸荷帶內(nèi)，卸荷帶以里巖溶一般不發(fā)育，多屬構(gòu)造型巖溶，在微新巖體中，巖體溶蝕輕微發(fā)育，基本不存在深部巖溶問(wèn)題。

4.3 鈣質(zhì)砂巖

砂巖多分布于樞紐區(qū)左岸，巖溶總體不發(fā)育，平硐或鉆孔內(nèi)偶見(jiàn)少量的溶蝕裂隙，一般順層分布，溶蝕程度微弱。部分順構(gòu)造發(fā)育溶蝕規(guī)模較大，如PD121平硐內(nèi)F15斷裂及以里的構(gòu)造性裂隙，沿構(gòu)造裂隙張開現(xiàn)象強(qiáng)烈，鈣化及方解石充填現(xiàn)象十分突出(見(jiàn)圖19)。

5 結(jié) 論

(1)微晶灰?guī)r、白云質(zhì)微晶灰?guī)r，方解石含量較高，含量生物粒屑，并且有明顯的網(wǎng)狀構(gòu)造-巖溶線分布，巖性上屬于最易溶蝕的巖性，并且構(gòu)造作用明顯，巖溶發(fā)育最明顯；細(xì)晶白云巖白云石含量較高，達(dá)到90%以上，而且有去白云石化方解石脈充填，且構(gòu)造相對(duì)發(fā)育，為巖溶較易發(fā)育的巖層；角礫巖角礫中含有較大量的灰?guī)r、白云巖碎屑，充填物中方解石含量較高，角礫巖中溶蝕相對(duì)也較發(fā)育；砂巖中石英含量較高，膠結(jié)較緊密，且有方解石和鐵質(zhì)充填，未見(jiàn)裂隙，受巖溶作用影響較小。

圖19 壩址左岸平硐PD123構(gòu)造性溶蝕裂隙

(2)區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖CaO含量普遍較高，CaO和MgO比值也較高，酸性不溶物以及鐵質(zhì)含量較低，溶解性較好；角礫巖中CaO含量較高，CaO和MgO比值偏高，酸性不溶物以及鐵質(zhì)含量較低，相對(duì)溶解性較好，巖溶相對(duì)較發(fā)育；鈣質(zhì)砂巖雖然CaO含量相對(duì)較高，然而其酸性不溶物以及鐵質(zhì)含量較高、且結(jié)構(gòu)較緊密，不易被溶蝕。

(3)樞紐區(qū)碳酸鹽巖淺表部巖體巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，中下部巖體巖溶發(fā)育程度中等，巖溶發(fā)育程度隨深度加深逐漸遞減，但存在一定的深部巖溶問(wèn)題。巖體溶蝕受巖性、構(gòu)造影響較為明顯；角礫巖中巖溶相對(duì)碳酸鹽巖輕微，規(guī)模多較小。局部地段受構(gòu)造、地形等因素的影響，發(fā)育規(guī)模較大，多屬構(gòu)造型巖溶。角礫巖地層中基本不存在深部巖溶問(wèn)題；鈣質(zhì)砂巖巖溶總體不發(fā)育，平硐或鉆孔內(nèi)偶見(jiàn)少量的溶蝕裂隙，一般順層分布，溶蝕程度微弱。

[1] 何樹明,曾曉波.緬甸滾弄水電站可行性研究報(bào)告(工程地質(zhì))[R].中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2011.

[2] 許模,張強(qiáng),等.緬甸滾弄水電站壩段喀斯特作用及其對(duì)工程影響評(píng)價(jià)專題研究報(bào)告[R].成都理工大學(xué).2009.

[3] 王大純,張人權(quán).水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].地質(zhì)出版社，2006.

2016-04-22

曾曉波(1980- )，男，湖北安陸人，高級(jí)工程師,從事水電工程地質(zhì)勘察工作。

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