基于電力工程實(shí)踐過程中西南地區(qū)二疊系茅口組灰?guī)r特性分析

張 義 楊 煜

（四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

0 引言

巖溶在我國(guó)分布廣泛，與人民群眾的日常生活及工農(nóng)業(yè)建設(shè)密切相關(guān)[2-3]。西南地區(qū)的電力建設(shè)工程實(shí)踐活動(dòng)中，經(jīng)常會(huì)遇到巖溶問題。受到地質(zhì)背景、氣候、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、江河水系等多因素綜合影響，西南地區(qū)的巖溶問題深刻而復(fù)雜。而巖溶穩(wěn)定性一直是影響電力建設(shè)場(chǎng)區(qū)安全的重要巖土工程問題之一。在電力建設(shè)工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)廣泛分布的二疊系茅口組灰?guī)r相對(duì)鄰近巖組，其巖溶發(fā)育程度、規(guī)模等具有更加顯著的特點(diǎn)。如果對(duì)西南地區(qū)二疊系茅口組灰?guī)r巖溶特性認(rèn)識(shí)不夠深入，就會(huì)給工程建設(shè)帶來巨大的安全隱患。該文從工程實(shí)踐角度對(duì)其進(jìn)行歸納，為類似工程提供參考。

1 西南地區(qū)碳酸鹽巖分布

碳酸鹽巖是對(duì)主要由碳酸鹽類礦物組成的巖石的統(tǒng)稱，主要有石灰?guī)r和白云巖等兩類[4]。我國(guó)碳酸鹽巖分布廣泛，出露面積約91 萬(wàn)km2，加上隱伏于不同深度的碳酸鹽巖、總面積達(dá)340 萬(wàn)km2[5]。其中，西南地區(qū)的云南、貴州、四川（含重慶）等省區(qū)都有大面積出露，見表1。

表1 西南各省區(qū)碳酸鹽巖分布和出露面積

該文側(cè)重于對(duì)云貴川等地區(qū)的地質(zhì)背景及環(huán)境氣候下的二疊系茅口組灰?guī)r的巖溶特性進(jìn)行分析。

2 西南地區(qū)二疊系巖溶發(fā)育地質(zhì)背景及其地層分布

以四川盆地為例，早二疊世海侵初期，普遍沉積了河湖沼澤、濱海沼澤相的砂泥巖、泥灰?guī)r，超覆在石炭、泥盆系或下古生界之上。中期（棲霞期）為淺海臺(tái)地相灰?guī)r（100m～300m），幾乎覆蓋了整個(gè)上揚(yáng)子地區(qū)，并含有大量有機(jī)質(zhì)、和較多泥質(zhì)、硅質(zhì)，形成了含硅質(zhì)條帶或結(jié)核的灰?guī)r。早二疊世晚期（茅口中晚期），臺(tái)地內(nèi)部又一次出現(xiàn)拉張斷陷和斷塊差異升降活動(dòng)，導(dǎo)致沉積環(huán)境出現(xiàn)差異，主要巖性為灰?guī)r、硅質(zhì)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖等，橫向上可與塊狀灰?guī)r、燧石結(jié)核狀灰?guī)r相變。

同期，云南、貴州也有類似構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，其二疊系地層對(duì)例如圖1 所示。

圖1 西南地區(qū)二疊系灰?guī)r對(duì)比圖

西南地區(qū)廣泛分布的二疊系下統(tǒng)茅口組地層，為一套淺海相沉積的巨厚層灰?guī)r，巖性主要表現(xiàn)為灰、淺灰色中～巨厚層致密灰?guī)r，頂部為含燧石結(jié)核灰?guī)r夾薄層硅質(zhì)巖，巖性穩(wěn)定，區(qū)域不同而略有差異。

3 工程實(shí)例和巖溶景觀

3.1 貴州某燃煤電廠工程

某4×350MW 燃煤電廠位于貴州省貞豐縣東南部，低中山地形，山體渾厚，東側(cè)高于北盤江近300m。早期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中，地塊受南北向強(qiáng)烈擠壓，形成了以貞豐背斜為主的褶皺構(gòu)造，后期地塊進(jìn)一步活動(dòng)化，產(chǎn)生系列壓扭性斷裂構(gòu)造，場(chǎng)地內(nèi)存在一斜穿而過的蝕變帶。第四紀(jì)以后，地殼抬升，溶蝕、侵蝕和剝蝕作用加劇，巖溶地貌突出?；鶐r地層以三疊系中統(tǒng)青巖組、二疊系下統(tǒng)茅口組為主。

茅口組灰?guī)r呈灰色、淺灰色，具微晶結(jié)構(gòu)，中至巨厚層狀～塊狀構(gòu)造；青巖組地層灰?guī)r、泥灰?guī)r、頁(yè)巖互層，中厚層狀構(gòu)造為主，泥質(zhì)含量較重。二者在場(chǎng)地內(nèi)以蝕變帶為界。

勘察期間在茅口組灰?guī)r及青巖組灰?guī)r中布置同等密度、同等數(shù)量的鉆孔，鉆探結(jié)果反映了不同巖組的巖溶發(fā)育特性，見表2。

表2 某燃煤電廠鉆孔溶洞分布統(tǒng)計(jì)表

在整個(gè)二疊系茅口組灰?guī)r地層內(nèi)（包括漏斗及蝕變帶），布置鉆孔32 個(gè)，其中10 個(gè)鉆孔遇溶洞，遇洞率為31.25%，鉆孔線溶率為3.1%～42.5%，平均線溶率遠(yuǎn)大于5%。其中，洞高10m 以上的溶洞3 個(gè)，3m～8m 的溶洞5 個(gè)，0.4m～3m的溶洞7 個(gè)。根據(jù)鉆孔遇洞率及線溶率，在該地層巖溶發(fā)育強(qiáng)烈～極強(qiáng)烈。

在三疊系中統(tǒng)青巖組灰?guī)r、泥灰地層中，由于巖石的礦物成份中含有黏土等雜質(zhì)，巖石純度較差，可溶性差，致其巖溶發(fā)育程度微弱。青巖組地層布置鉆孔40 個(gè)，僅1 個(gè)鉆孔遇溶洞，遇洞率低，巖芯完整，溶蝕作用微弱。

該工程案例說明在相同地質(zhì)背景和氣候條件下，巖溶對(duì)不同的巖組和巖性具有明顯的選擇性，且追蹤構(gòu)造破碎帶發(fā)育。

3.2 重慶黔江某風(fēng)電場(chǎng)工程

黔江某風(fēng)電場(chǎng)工程位于重慶東南部，地處大婁山脈與武陵山脈間的低中山區(qū)，山嶺連綿，溝壑峽谷眾多，具較強(qiáng)烈的溶蝕、侵蝕構(gòu)造地形特征。出露地層主要為二疊系，包括棲霞組、茅口組灰?guī)r。棲霞組灰?guī)r呈深灰色、灰褐色，薄層～巨厚層構(gòu)造，夾薄層瀝青質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等。茅口組灰?guī)r呈灰白-深灰色（偶帶淡紫色），厚層狀，夾少量硅質(zhì)團(tuán)塊及條帶。

工程地質(zhì)調(diào)查及物探測(cè)試均表明，場(chǎng)地內(nèi)巖溶形態(tài)多樣、規(guī)模較大，主要發(fā)育于茅口組地層中。見表3 和圖2。

表3 重慶黔江某風(fēng)電場(chǎng)巖溶形態(tài)統(tǒng)計(jì)表

圖2 風(fēng)電機(jī)位地質(zhì)雷達(dá)反演結(jié)果（茅口組灰?guī)r地層）

該工程巖溶發(fā)育有2 個(gè)明顯特點(diǎn)：1）與棲霞組灰?guī)r相比，茅口組灰?guī)r的巖溶形態(tài)更為發(fā)育，優(yōu)勢(shì)明顯（茅口組灰?guī)r地層中占比達(dá)77%，棲霞組灰?guī)r中占比為23%）。2）與區(qū)域構(gòu)造背景密切相關(guān)。工程場(chǎng)地位于山頂夷平面，巖溶發(fā)育高程集中在1300m～1550m，據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告（1 ∶20 萬(wàn)，酉陽(yáng)幅），該夷平面相當(dāng)于大婁山期的第二亞期，為當(dāng)?shù)刂饕孛残纬杉皫r溶發(fā)育期。

3.3 四川興文巖溶景觀

四川興文世界地質(zhì)公園區(qū)域上位于四川盆地南部山地與云貴高原的過渡地帶，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨量充沛，多年平均降水量約1180mm。地層以二疊系碳酸鹽巖為主，巖溶形態(tài)類型豐富。其中，小巖灣、大巖灣天坑兩天坑成景地層主要為茅口組和棲霞組灰?guī)r，地表巖溶形態(tài)石海、石芽、石林、石柱、漏斗等主要發(fā)育于茅口組灰?guī)r中，為二疊系地層十分典型和具有代表性的巖溶景觀。

4 二疊系茅口組灰?guī)r巖溶特性

結(jié)合以上工程實(shí)例和巖溶景觀，茅口組灰?guī)r具有如下巖溶特性。

4.1 物質(zhì)組成及成份

調(diào)查和研究表明，巖溶化程度最強(qiáng)的為灰?guī)r、次為白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，再次為泥質(zhì)灰?guī)r。碳酸鹽巖相對(duì)溶解度的大小，取決于CaO、MgO 及SiO2+R2O3含量比值的高低。一般地，厚層、粗晶、純灰?guī)r的CaO/MgO 比值高，不溶物SiO2+R2O3組份低，相對(duì)溶解度高，可溶性好，巖溶發(fā)育；若為薄層、隱晶、不純灰?guī)r，則CaO/MgO 比值低，不溶物SiO2+R2O3組份高，相對(duì)溶解度低，可溶性差，巖溶不甚發(fā)育。

由表4 可以看出[6]，二疊系灰?guī)r可溶成份一般高于三疊系，且茅口組灰?guī)r不溶物含量相對(duì)最低，巖性純度大，可溶性好，巖溶發(fā)育程度與上下鄰近巖組對(duì)比更為發(fā)育，該文工程案例中也發(fā)現(xiàn)了這個(gè)規(guī)律。

表4 川黔鐵路沿線部份碳酸鹽巖的成分分析表

4.2 結(jié)構(gòu)與構(gòu)造

就碳酸鹽巖結(jié)構(gòu)而言，一般晶粒越粗，溶解度就越大，巖溶發(fā)育也就越強(qiáng)烈。粗粒結(jié)構(gòu)的巖石孔隙大，巖石的吸水率高，抗侵蝕能力弱，有利于溶蝕；從巖層構(gòu)造上看，一般巖層越厚，巖溶就越發(fā)育，這是由于厚層碳酸鹽巖含不溶物較少，溶解度較大，薄層碳酸鹽巖常含較多泥質(zhì)，溶解度較小，巖溶化程度較弱，見表5。

表5 湘黔線婁底恩口礦區(qū)碳酸鹽成分與巖溶發(fā)育程度比較表

該文工程案例中，茅口組灰?guī)r均呈厚層-巨厚層狀構(gòu)造，尤其是黔江風(fēng)電工程場(chǎng)地，茅口組灰?guī)r相比棲霞組灰?guī)r單層厚度更大，且?guī)r性更純（棲霞組灰?guī)r含較多條帶狀瀝青質(zhì)）；同時(shí)， SiO2及有機(jī)質(zhì)等的含量大小，對(duì)巖溶作用影響很大，茅口組灰?guī)r相比棲霞組灰?guī)r明顯較低。因此總體上場(chǎng)地內(nèi)茅口組灰?guī)r溶發(fā)育程度明顯強(qiáng)于棲霞組灰?guī)r，與表6 所反映情況相似。

表6 園梁山地區(qū)碳酸鹽成分與巖溶發(fā)育程度比較表

4.3 地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與巖溶發(fā)育史

巖溶發(fā)育與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切，總體上地質(zhì)構(gòu)造控制著巖溶發(fā)育的方向，同時(shí)還影響著巖溶發(fā)育的規(guī)模和大小。地殼的垂直運(yùn)動(dòng)會(huì)影響區(qū)域水系侵蝕基準(zhǔn)面的變化，從而影響巖溶發(fā)育的方向。在西南地區(qū)，在長(zhǎng)江流域及珠江流域漫長(zhǎng)演變過程中，逐漸形成了各區(qū)域較為典型的地貌發(fā)展階段（地文期），各區(qū)域的巖溶發(fā)育歷史和巖溶地貌與地文期有深刻的內(nèi)在聯(lián)系。

茅口組灰?guī)r出露于西南地區(qū)河川兩岸的山頂夷平面時(shí)，應(yīng)注意當(dāng)?shù)氐匚钠谂c巖溶發(fā)育史的對(duì)應(yīng)。如該文案例2 中，工程場(chǎng)地處于山頂，但其巖溶卻異常發(fā)育，與其大婁山二期巖溶發(fā)育史的背景有關(guān)（表7）。

表7 長(zhǎng)江流域新生代地文期與巖溶發(fā)育歷史概況

5 結(jié)論

該文在西南區(qū)域地質(zhì)背景及氣候、水文條件下，通過工程實(shí)踐，分析了二疊系茅口組灰?guī)r的巖溶特性。1）對(duì)比鄰近的上下地層巖組，其具有巖性更純、雜質(zhì)含量低、溶蝕率高、單層厚度大、巖溶更為發(fā)育的特點(diǎn)。2）當(dāng)其出露于各級(jí)夷平面時(shí)，要注意與當(dāng)?shù)氐匚钠诘膶?duì)應(yīng)，了解其巖溶發(fā)育歷史，認(rèn)識(shí)地質(zhì)構(gòu)造、地貌、夷平面、河川水系、巖溶水的循環(huán)動(dòng)力條件等對(duì)巖溶的控制作用。為該西南區(qū)域的工程建設(shè)提供參考。