河谷演化控制下的覆蓋型巖溶區(qū)地下巖溶分層
——以白石窯水電站為例

陳啟軍，李振嵩，李寧新，湛 杰

(中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610)

覆蓋型巖溶[1]是指被松散堆積物覆蓋的巖溶。覆蓋型巖溶區(qū)基巖一般不出露于地表，在地面上常有漏斗或洼地，有時出露灰?guī)r石芽。大范圍覆蓋型巖溶一般處于巖溶盆地(準平原)。

覆蓋型巖溶區(qū)的河谷地下巖溶總體上具有上強下弱的垂直分帶特征，但這種垂直分帶的成因眾說紛紜，而且各分帶內(nèi)部尤其是各分帶之間的水力聯(lián)系方式尚不明確，給工程實際運用帶來不少困惑。譚周地等[2-3]對受地表水流、水體控制的深巖溶的成層性進行了初步分析和河谷深巖溶的發(fā)育分布規(guī)律研究，認為深巖溶發(fā)育強度垂向變化的總趨勢是隨著深度增大而減弱，但由于巖溶的不均勻性又是其普遍的特征，因而深巖溶在垂直方向上也經(jīng)常由強而弱的復雜變化過程；崔政權(quán)[4]認為不同水頭作用下多期疊加產(chǎn)生了河谷成層巖溶化地質(zhì)體，并在清江高壩洲壩址運用巖溶動態(tài)平衡理論將河谷由下至上劃分為溶孔晶洞分布帶、孤立洞穴、深巖溶帶和近代巖溶帶和并實際調(diào)查資料進行比較；宋漢周等[5]對2種不同峽谷的巖溶發(fā)育及水動力特征分析，闡述山地型峽谷彭水壩址區(qū)深巖溶洞穴大多在河水位以下60 m，埋深最大的溶蝕裂隙在枯水位以下175 m；楊明德[6]對巖溶峽谷區(qū)溶洞發(fā)育特征及水動力條件進行研究，提出溶洞垂直分布上的多層性。上述研究提出河谷巖溶發(fā)育的成層性或多層性，且大多數(shù)研究基于裸露型巖溶山區(qū)河谷，同時也面臨地下巖溶發(fā)育河谷如何分層及對應的下限估算如何確定的問題。

本文在整合覆蓋型巖溶區(qū)河谷地貌的三期演化模式和河谷巖溶的多期疊加成層模型的基礎上，進一步找出峽谷期向盆地期演化過程的巖溶地下水明顯變化的關鍵節(jié)點，針對覆蓋型巖溶區(qū)的重點研究對象——河谷地下巖溶，以最大作用水頭、最大強化作用水頭和最新強化作用水頭作為特征作用水頭，把河谷巖溶的多期疊加成層模型簡化為河谷地下巖溶的三期疊加強化模型；并進一步把河谷地下巖溶總體上的垂直分帶轉(zhuǎn)化為與不同特征作用水頭對應的河谷地下巖溶剖面分層及下限估算。通過剖面分層及下限估算，可以更好地分析巖溶滲漏與滲透穩(wěn)定問題，據(jù)此明確防滲目標層和防滲依托層。

1 覆蓋型巖溶區(qū)的河谷地貌及巖溶演化

1.1 經(jīng)典河谷巖溶分帶

根據(jù)巖溶形態(tài)及地下水動力條件，河谷巖溶分帶一般可分為垂直循環(huán)帶、季節(jié)變化帶、水平循環(huán)帶、倒虹吸管循環(huán)帶和深部循環(huán)帶5個分帶[7-8]，見圖1。

1—垂直循環(huán)帶；2—季節(jié)變化帶；3—水平循環(huán)帶；4—虹吸管式循環(huán)帶；5—深部循環(huán)帶。

1.1.1垂直循環(huán)帶

指垂直滲流帶，該帶位于地表以下，最高巖溶水位之上，以垂直運動為主。垂直循環(huán)帶的厚度決定于當?shù)刂饕潘娴奈恢?。在地殼上升劇烈區(qū)，河谷下切深度大，此帶厚度也大。

1.1.2季節(jié)變化帶

指汛期地下水與枯水期地下水之間的地帶?？菁镜叵滤鞔怪边\動；汛期地下水作水平運動，出流形成季節(jié)性泉。汛期巖溶發(fā)育部位，由于排泄不暢，形成的地下水位比巖溶不發(fā)育的高，平水期及枯季，由于補給量小，形成的地下水位比巖溶不發(fā)育的部位低。

1.1.3水平循環(huán)帶

指枯期地下水位以下地下水作水平運動的地帶。該帶地下水的水平運動在巖溶發(fā)育過程中起著最主要的作用，水平循環(huán)帶形成的溶洞最多、最大。即成層巖溶多對應于水平循環(huán)帶。

1.1.4虹吸管循環(huán)帶

又稱谷底循環(huán)帶[1]，該帶埋藏于水平循環(huán)帶以下，是河床以下具倒虹吸管循環(huán)作用的地帶。當寬大斷層被利用時，能形成較強巖溶。

1.1.5深部循環(huán)帶

深部循環(huán)帶又稱深部緩流帶[1]，深埋于虹吸管循環(huán)帶以下。 由于滲流出口受(河谷深部)微弱巖溶帶阻滯，地下水流緩慢—極緩慢，一般只能形成微弱巖溶帶。

上述分帶適用于山區(qū)裸露型巖溶區(qū)的河流峽谷。對巖溶盆地覆蓋型巖溶區(qū)而言，前期垂直循環(huán)帶、季節(jié)變化帶、水平循環(huán)帶甚至虹吸管循環(huán)帶均被剝蝕，覆蓋層以下的普遍存在的強巖溶帶顯然不僅僅是深部循環(huán)帶(微弱巖溶帶)的殘留，而是經(jīng)后期疊加強化形成的。

1.2 河谷巖溶地貌的三期演化

巖溶裸露型山區(qū)地貌發(fā)育或演化一般歸為3個階段即初期階段、中期階段和晚期階段。文獻[5-8]在論述這3個階段時，以河流為中心，將“從河谷到分水嶺”巖溶地貌的演化模式見圖2。

Ⅰ—分水嶺；Ⅱ—谷坡；Ⅲ—岸坡；Ⅳ—河谷。

1.3 河谷巖溶水動力演變

1.3.1河谷地貌演化伴隨巖溶水動力演變

文獻[9-10]結(jié)合地貌演化階段，闡明了河谷巖溶水動力演變規(guī)律。

初期階段在古溶原面(剝夷面)上，河流切割深度僅數(shù)米至幾十米，屬淺切割河流，兩岸地下水坡度平緩，巖溶水動力作用不強，以淺層巖溶化為主。

中期階段(峽谷期)在新構(gòu)造上升運動支配下，河流排水基準面迅速下降，河流深切，地表支流及地下水運動為了適應最低的排水基準面，由分水嶺至岸坡地下水位快速曝低，比降增大。地下水運動在飽氣帶，以垂直循環(huán)為主，而在河谷兩岸以水平循環(huán)為主。反映在地貌上，即形成了由分水嶺至河谷的巖溶地貌分帶性。

晚期階段(盆地期)在地殼相對穩(wěn)定情況下，巖溶地貌進一步發(fā)展，由分水嶺至河岸，由于侵蝕及溶蝕作用，巖溶地面逐漸被夷平，地下水比降變緩，河流又演變成淺切割型。此時水動力作用以側(cè)向水平運動為主，峰叢逐漸解體，向峰林和孤峰演化，溶洼側(cè)向擴展，向溶盆或溶原方向演化。

根據(jù)上述河谷地貌演化及巖溶水動力演變規(guī)律，可以獲得覆蓋型巖溶區(qū)河谷水動力演變過程的重要啟示，現(xiàn)狀巖溶盆地是從上一期夷平面(盆地)重啟，經(jīng)過峽谷期、寬谷期巖溶演化而來的?，F(xiàn)狀河谷地下巖溶化與三期巖溶演化及其相應的巖溶作用水頭關系密切。

1.3.2覆蓋型巖溶的三期演化

如上所述，峽谷期向盆地期演化過程，是巖溶作用水頭變小即巖溶化作用變淺的過程。

a)峽谷期河流兩岸地下水位遠遠高于河水位，加上河谷快速下切，為河谷產(chǎn)生深層巖溶提供了動力源——足夠高的巖溶作用水頭，形成的深層巖溶是后期演化改造的基礎。

b)峽谷期河谷演化為寬谷(形成基座階地)后，兩岸地下水位大幅降低，巖溶作用水頭只能對峽谷期殘存的深層巖溶上部進行疊加強化。

c)寬谷期河谷進一步演化為盆地(準平原)后形成現(xiàn)代河流，兩岸地下水位進一步降低并變化緩慢，更低的巖溶作用水頭只能對寬谷期強化后的淺部巖溶化地質(zhì)體進一步疊加強化。

1.4 河谷巖溶的多期疊加成層模型

巖溶作用動態(tài)平衡理論[4]根據(jù)巖溶作用水頭控制巖溶(化)作用深度的基本原理，采用不同水頭作用下(圖中不同高程夷平面補給)的倒虹吸管模型，認為不同水頭作用下多期疊加產(chǎn)生了河谷成層巖溶化地質(zhì)體，包括地上巖溶和地下巖溶，見圖3。

圖3 河谷巖溶的多期疊加成層模型[4]

在動態(tài)平衡理論中，引入應力水頭Hp的概念，認為巖溶作用水頭Hk由靜水壓力水頭Hst和應力水頭Hp兩部分組成，其中應力水頭Hp與地殼上升幅度hup有關。根據(jù)巖溶勘測工作同步理論，在一個侵蝕旋回里巖溶作用幅度hk與該地區(qū)地殼上升幅度hup同步，即hk=hup。把巖溶水循環(huán)深度作為巖溶發(fā)育的下限深度Hk，并通過對中國30多個地區(qū)巖溶發(fā)育情況的統(tǒng)計分析，認為巖溶發(fā)育的下限深度為Hk=2.0Hst，見圖4。

圖4 巖溶化作用深度下限[4]

結(jié)合不同演化時期考慮，峽谷前期靜水壓力水頭Hst大，巖溶作用深度大；寬谷期靜水壓力水頭Hst漸小，巖溶作用深度漸淺；巖溶盆地(準平原)期靜水壓力水頭Hst更小，巖溶作用深度更淺。

2 覆蓋型巖溶河谷地下巖溶的三期疊加強化模型

如上所述，峽谷期形成的深層巖溶是后期演化改造的基礎。進一步找出峽谷期向盆地期演化過程的巖溶地下水明顯變化的關鍵節(jié)點，對應有最大巖溶作用水頭、最大強化作用水頭和最新強化作用水頭等特征作用水頭，把河谷巖溶的多期疊加成層模型簡化為河谷地下巖溶的三期疊加強化模型。

2.1 三期特征作用水頭

2.1.1峽谷早期的最大巖溶作用水頭

只有峽谷期兩岸地下水遠遠高于河水位，才具備產(chǎn)生深層巖溶化作用的動力源。尤其是峽谷早期(U型)河谷，兩岸地下水位仍接近夷平面，河流快速大幅度深切，形成夷平面-深切河流之間的最大水位差，即為最大巖溶作用水頭。

2.1.2寬谷期的最大強化作用水頭

形成基座階地代表峽谷期河谷演化進入寬谷期，是河谷演化的重要拐點，也是河谷地下水動力轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)折點：進入寬谷期意味著河谷演化進入了河流下切逐步變慢的時期，而且由峽谷晚期河床到形成最高基座階地，河流下切幅度大，此后的河流下切幅度小。即峽谷晚期河床-最高基座階地之間的水位差最大，是寬谷期最大強化作用水頭。

2.1.3盆地期的最新強化作用水頭

寬谷期河谷進一步演化為盆地(準平原)后形成現(xiàn)代河流，兩岸地下水位進一步降低至一級階地附近，一級階地地下水與河水位之間的水位差，是盆地期現(xiàn)代河流形成后最新的強化作用水頭。

2.2 河谷地下巖溶剖面分層概化模型

對應于河谷地下巖溶的三期特征作用水頭，覆蓋型巖溶區(qū)地下巖溶一般可概化為三層巖溶化層，即深層孤立洞隙層、中層強化巖溶層和現(xiàn)代巖溶影響層。

2.2.1深層孤立洞隙層

峽谷期最大巖溶作用水頭形成深層孤立洞隙層。由于峽谷期河流快速下切，深循環(huán)帶內(nèi)巖體受巖溶水動力作用時間較短，巖溶發(fā)育較弱，寬谷期以后又不再受明顯強化，洞隙無充填或充填早期硬結(jié)物。該層相當于常規(guī)劃分的河床深部的弱巖溶帶。但需要強調(diào)的是，本層內(nèi)部的孤立洞隙之間以基巖裂隙水聯(lián)系，與上層的水力聯(lián)系弱。

2.2.2中層強化巖溶層

寬谷期最大強化作用水頭形成中層強化巖溶層。經(jīng)過寬谷期強化，巖溶發(fā)育比深層孤立洞隙層強，呈中等—弱發(fā)育；洞隙充填中期階地堆積物和溶蝕殘積影響充填物。該層相當于常規(guī)劃分的河床中上部的中等—弱巖溶帶，但其中的中下部不再受盆地期的強化，巖溶發(fā)育較弱，洞隙之間以弱溶蝕的裂隙水聯(lián)系，與上部中等巖溶帶的水力聯(lián)系也弱。

2.2.3現(xiàn)代巖溶影響層

盆地期最新強化作用水頭形成現(xiàn)代巖溶影響層。經(jīng)寬谷期強化的淺部中等發(fā)育的巖溶層繼續(xù)受現(xiàn)代巖溶水動力強化作用，巖溶愈發(fā)強烈，洞隙充填性狀差，滲透性大，該層相當于常規(guī)劃分的河床淺部的強巖溶帶。該層洞隙多被網(wǎng)絡化，不僅內(nèi)部洞隙之間水力聯(lián)系密切，而且與現(xiàn)代地表及地下水流活動有密切的交替關系，對壩基滲漏起著控制作用，是工程防滲處理的主要目標層。

2.3 河谷地下巖溶剖面分層深度估算

如上所述，不同時期的靜水壓力高度Hst存在最大值(上限)，意味著有對應的巖溶化作用深度下限。三期特征作用水頭(即三期靜水壓力高度Hst)有各自巖溶作用深度的下限(Hk=2.0Hst)，也就是各分層下限。

深層孤立洞隙層下限采用峽谷早期的最大巖溶作用水頭估算；中層強化巖溶層下限采用寬谷期的最大強化作用水頭估算；現(xiàn)代巖溶影響層下限采用盆地期的最新強化作用水頭估算。

3 工程實例

以已建并運行多年的典型工程——白石窯水電站為例，驗證上述分層及其下限的合理性。

3.1 地質(zhì)概況

白石窯水電站為建于北江干流上的低水頭徑流式水電站。工程區(qū)地處廣東英德巖溶盆地，基巖為石炭系石磴子組灰?guī)r，壩址河段呈縱向谷，覆蓋型巖溶發(fā)育。據(jù)壩址區(qū)152個鉆孔揭示，鉆孔遇洞率高達72%[13]。

3.2 地下巖溶剖面分層下限估算

3.2.1峽谷期孤立巖溶層下限估算

據(jù)粵北夷平面研究成果[10]，第四系英德期夷平面高程300 m，北江雛形從英德期剝夷面下切開始峽谷期。峽谷早期兩岸地下水接近夷平面高程300 m；寶晶宮剖面最高層溶洞[11](高程130 m)充填砂卵礫石層，代表峽谷早期北江基準面低至高程130 m，即峽谷早期的最大巖溶作用水頭Hst=170 m，最大巖溶化作用深度深達剝夷面以下340 m，即峽谷早期形成的峽谷期孤立巖溶層下限高程-40 m，見圖5。據(jù)白石窯水電站152個鉆孔、武廣高鐵英德段1 943個鉆孔揭露，最低溶洞分布高程在-40 m[13-15]。

圖5 白石窯水電站壩址區(qū)溶洞分布高程散點[12]

3.2.2寬谷期強化巖溶層下限估算

峽谷晚期河床下切到高程130 m以后，河谷進一步下切、拓寬并在兩岸形成基座階地，其高程約為55 m，表明由峽谷轉(zhuǎn)向?qū)捁龋吒卟?5 m，即寬谷期的最大強化作用水頭Hst=75 m，巖溶作用深度Hk=2.0Hst=150 m。即寬谷期最大強化作用水頭強化作用深度達峽谷晚期河床以下150 m，即中層強化巖溶層下限高程為-20 m。白石窯水電站勘察揭露，超97%溶洞在-20 m高程以上，以下8個洞全部無充填。這些無充填的洞隙可能是峽谷期形成的深層孤立巖溶層的殘留。即-20 m高程至-40 m高程的巖溶化地質(zhì)體屬于峽谷期形成的孤立巖溶層。

3.2.3現(xiàn)代巖溶影響層下限估算

盆地期兩岸地下水大部分降低至一級階地高程35 m，但壩址區(qū)一級階地呈不對稱分布，左岸發(fā)育而右岸缺失。右岸殘留基座階地高程為55 m，勘探揭露右岸地下水位明顯高于一級階地。現(xiàn)代河流河水位高程為25 m，右岸殘留基座階地高程為55 m、高差30 m，取盆地期的最新強化作用水頭Hst=30 m，巖溶強化作用深度至右岸殘留基座階地以下60 m，相應高程-5 m，即現(xiàn)代巖溶影響層下限為-5 m。據(jù)壩址區(qū)鉆孔溶洞高程分布統(tǒng)計，-5 m高程以上溶洞雖然只占總?cè)芏纯倲?shù)81.1%，見圖6。但壓水試驗成果表明，-5 m高程以下基巖透水性明顯變?nèi)鮗13]。即-5 m高程至-20 m高程的巖溶化地質(zhì)體屬于寬谷期形成的中層強化巖溶層；-5 m高程以上的巖溶化地質(zhì)體屬于盆地期形成的現(xiàn)代巖溶影響層。

圖6 白石窯水電站壩址區(qū)溶洞分布高程占比

對低水頭水電站大壩來說，通常允許一定量的壩基滲漏，一般不需要將防滲帷幕底界深入相對不透水的深層孤立洞隙層中，采用懸掛式帷幕進入中層強化巖溶層，可以大大減少壩基巖溶滲漏防滲處理工程量，節(jié)約工程投資。本工程最大防滲深度進入中層強化巖溶層(-20 m高程)，防滲效果良好[16]。

對于低水頭電站來說，將懸掛防滲帷幕底界置于現(xiàn)代巖溶影響層下限也是可行的。根據(jù)這一認識，連江西牛航電樞紐將懸掛防滲帷幕底界置于現(xiàn)代巖溶影響層下限(0 m)，多年運行良好[17]。

考慮到巖溶發(fā)育的復雜性，地下巖溶剖面分層今后需要結(jié)合工程實例進一步進行論證與分析。

4 結(jié)論

a)基于河谷多期疊加成層模型將覆蓋型河谷地下巖溶的簡化為三期疊加強化模型，并將地下巖溶發(fā)育在垂直剖面上劃分為深層孤立洞隙層、中層強化巖溶層和現(xiàn)代巖溶影響層?，F(xiàn)代巖溶影響層受到峽谷期、寬谷期、盆地期巖溶水動力疊加作用，巖溶愈發(fā)強烈，洞隙充填性狀差，滲透性大，地表水和地下水交換強烈，對壩基滲漏起著控制作用，是防滲主要目標層。通過白石窯水電站河谷演化、地下巖溶剖面分層分析和各個巖溶層下限估算，并提出將現(xiàn)代巖溶影響層作為防滲關鍵層，防滲帷幕最大深度進入中層強化巖溶層，從而減少防滲處理工程量，節(jié)約工程投資。經(jīng)多年觀測，壩基防滲效果良好。

b)通過地下巖溶剖面分層厘清了覆蓋型巖溶區(qū)的河谷地下巖溶總體上具有上強下弱的垂直分帶特征。

c)覆蓋型地下巖溶剖面分層雖然成功應用于白石窯水電站和西牛航電樞紐工程，考慮到巖溶發(fā)育的復雜性，這種地下巖溶剖面分層需要大量的野外地質(zhì)證據(jù)作為支撐，因此其在應用推廣和結(jié)論可靠性上還有待進一步提高。