岩溶形成机理分析及工程实践

米 健,唐运刚

(云南省水利水电勘测设计研究院,云南昆明 650021)

岩溶形成机理分析及工程实践

米 健,唐运刚

(云南省水利水电勘测设计研究院,云南昆明 650021)

分析岩溶的形成机理,认为岩溶的发生、发展是地层岩性、地形地貌、地质构造以及新构造运动等因素综合作用的结果。以阿岗水库工程为例,探讨阿岗水库库区的岩溶发育规律,在此基础上,对水库渗漏做出工程地质评价,认为水库基本不存在库区渗漏的可能性。

岩溶;形成机理;发育规律;渗漏评价

0 引言

中国是世界上碳酸盐岩分布面积最广的国家(344万km2),中国西南地区又是裸露型碳酸盐岩分布面积最广的地区(90万km2)。该区碳酸盐岩裸露、降雨丰沛、温度高,因此,岩溶也是世界上最发育的地方,常表现为“地上无水流,地下哗哗流”,对地下工程及水利水电工程危害极大。

中国西南地区地处欧亚板块与印度洋板块、太平洋板块的接触带上,地质构造背景远比欧美大陆复杂,由此控制下的岩溶发育规律也是全球最复杂的地区。

随着西部大开发步伐的不断加快和深入,中国西南地区基础设施建设、矿山和水能资源开发的力度逐年加大,遇到的岩溶地质问题也越来越突出。

因此,在中国西南地区的工程实践中,岩溶问题是一个常见的工程地质问题,也是一个急需解决而又难以解决的工程地质问题。

1 岩溶形成机理分析

碳酸盐岩的存在和具有侵蚀性水的运动是岩溶发育的两个最重要因素,前者是岩溶形成的物质基础,后者则是岩溶作用和发育的最积极最活跃的因素。地质构造条件也是控制岩溶发育的基本条件,另外,气候、地形地貌以及新构造运动等对岩溶的形成也具有一定的影响[1]。

1.1 岩溶与岩性

一般情况下,岩溶化程度最强的为灰岩,其次为白云质灰岩和白云岩,再次为泥质灰岩。从碳酸盐岩的结构来说,晶粒愈粗,溶解度就愈大,岩溶发育也就愈强烈,因为晶粒愈粗大,岩石的空隙也大,吸水率高,抗侵蚀能力弱,有利于溶蚀;岩层愈厚,岩溶就愈发育,且形态齐全,规模较大,薄层碳酸盐岩地层,岩溶化程度一般较弱。

1.2 岩溶与水

岩溶的形成离不开水的循环运动。首先,水必须具有溶蚀能力,其次,水必须流动,水的溶蚀能力及其运动是岩溶发育的必要条件。在有利于岩溶发育的岩石基础上,水的溶蚀—侵蚀作用是岩溶形成和发展的主要动力。

袁道先[2]等人对位于不同自然条件下的岩溶区进行了石灰岩溶蚀速度观测,并对多个点的岩溶动力系统的碳、水、钙循环与岩溶作用关系进行了定位观测,观测成果见图1、图2(孙家凹钙华瀑布由泉口到下游测点的编号依次为S1、S2、S3)。

由图1可知,石灰岩的溶蚀速度与当地年降水量有明显的正比关系,而且在土下,由于生物CO2的介入,水的溶蚀能力更强,其溶蚀速度比空气中强得多。但广州地区由于土层粘性很重,不利于降水的入渗补给,土下溶蚀反而比空气中弱。

1.3 岩溶与环境温度

在岩溶化过程中,一系列的化学和物理作用都与温度有关系。水中CO2的含量与温度成反比,一般温度越高,CO2的含量越少;温度越低,CO2的含量越多。温度高的水,CO2的含量虽然减少了,但水分子的离解速度加快,水中H+和OH-离子增多,溶蚀力反而得到加强。据测验,气温每增加10℃,水的化学反应速度增加一倍,故高温地区的岩溶速度较快,图1中观测点的年溶蚀量与年平均气温的对应关系即为佐证。

图1 广州—伊春间各观测站石灰岩溶蚀速度观测成果图Fig.1 Result of dissolution velocity of limestone in several observation stations between Guangzhou and Yichun

图2 陕西镇安两个岩溶动力系统的季节变化与岩溶作用关系的定位观测结果(1993)Fig.2 Orientation result of the relationship between season change and karstification of two karst dynamic systems

1.4 岩溶与地质构造

在其它条件相似的环境下,构造条件对岩溶的初始发育、发展方向和空间展布等具有重要的控制作用。

对于单斜地层来说,岩溶一般顺层发育,且倾角陡的比倾角缓的相对发育。岩层产状为水平或缓倾时,地下水以水平运动为主,岩溶主要是水平方向发育。岩层倾角较陡时,地表水多沿层理下渗,地下水运动也较强烈,岩溶主要是垂直方向发育。

断裂构造为地下水活动和岩溶作用提供了极为有利的条件,岩溶常沿着断裂破碎带发育。一般情况下,张性断层附近的岩溶发育程度较强,而压性断层附近岩溶发育程度相对较弱。

在褶皱发育地区,因背斜轴部张性节理发育,地下水顺节理下渗,并向两翼运动,岩溶形态以垂直方向为主。而在向斜轴部,虽然裂隙多呈闭合状态,但地下水多汇集于此,所以岩溶也较发育。

1.5 岩溶与地形地貌

岩溶的发生、发展也受到当地地形地貌的影响,因为地形地貌条件控制着地下水的补、径、排条件。

韩行瑞等在贵州省仁怀市长岗等地埋放试验岩片,试验结果表明,表面溶蚀速度为溶丘谷地>溶丘山坡>溶丘峰顶,证明地形地貌对岩溶速度是有影响的。由于溶丘谷地的储水能力明显强于溶丘山坡和溶丘峰顶,岩片与水的作用时间相对较长,因此,溶丘谷地溶蚀速度较快。

另外,新构造运动的影响,也造成了岩溶在垂向上的结构特征差异。

2 工程实践

2.1 工程地质概况

拟建的阿岗水库位于云南省曲靖市罗平县境内九龙河上游篆长河之上,九龙河属珠江水系,南盘江流域。水库设计总库容1.58×108m3,正常库容1.22×108m3,水库正常蓄水位1 866.9 m,最大坝高71.8 m,阿岗水库库区工程地质概要图见图3。

图3 阿岗水库库区工程地质概要图Fig.3 Sketch map of engineering geology aboutA-gang reservoir

库区碳酸盐岩分布广泛,占库区总面积的70%以上,且岩层产状平缓,垂直节理发育,有利于地表水渗透溶蚀。东、南两面分别由峨眉山玄武岩组、梁山组、宣威组等非可溶岩地层构成地形分水岭[3]。

水库工程区地处云南“山”字型构造前弧东翼,大地构造属于扬子准地台滇东台褶带,区域性断裂方向为SN向和NE向。水库工程区夹持于弥勒—富源断裂和师宗—晴隆断裂之间,区内构造复杂。

2.2 库区岩溶发育规律

库区地质构造复杂,岩溶极发育,现将库区岩溶发育规律总结如下。

(1)地层岩性的制约 阿岗水库区地层岩性以中厚层状灰岩为主,夹白云质灰岩、白云岩,有利于岩溶发育,岩溶化程度较强。右岸南部受玄武岩及砂页岩等非可溶岩的限制,岩溶暗河基本沿岩层分界线方向延伸,即大瓦鲁—槽盆箐—戈维,且在可溶岩与非可溶岩的接触带上多处有岩溶泉水出露。据钻孔揭露,在可溶岩与非可溶岩的接触带位置,岩溶发育强烈,岩溶形态以溶洞为主。

而在水库南侧及东侧的碎屑岩地层(P1l)与玄武岩地层(P2β)夹持的狭长地带内,岩性为P1q+m的厚层状灰岩,但由于两侧受到非可溶岩的限制,岩溶发育相对较弱,未见规模较大的岩溶管道系统发育。

(2)地形地貌的影响 在拟建的上坝址与下坝址之间河段,篆长河两岸的地层岩性、地质构造等条件基本一致,由于挖玉冲小河在该河段右岸汇入篆长河,形成了切割较深的河谷,为右岸地下水的活动创造了极为有利的条件。因此,该河段右岸岩溶发育强烈,有龙马洞、仙人洞等大规模的岩溶洞穴发育;而除地形地貌条件以外,其它条件基本一致的左岸,岩溶发育较弱,从钻孔、平硐揭露情况来看,没有大规模的岩溶形态发育。

(3)地质构造的控制 由于库区垂直裂隙发育,利于地表水下渗溶蚀。因此,地表30～50 m深度范围内,以垂直岩溶为主,以竖井、暗河天窗为代表(占88%),偶为水平溶洞(占22%)。

库区中部构造发育,规模较大的有高桥断裂、撒马依断裂、笔架山断裂、小平寨背斜、小岗德背斜以及高桥背斜等。这些构造明显控制着库区的岩溶发育格局,沿构造线附近发育的天然井、落水洞随处可见,且横山村—高松树、海马村—阿布科—高桥寨、双山—象鼻子洞等多处地下暗河沿构造线走向发育。

(4)新构造运动的影响 阿岗盆地基本形成于上新世,以后地壳间歇性的上升[4]。在这种新构造运动背景下,区内层状发育的水平溶洞比较普遍。根据溶洞分布的高程及位置,大致可分为三层。高层溶洞(海拔高程1 835～1 855 m),位于夷平面以下,近代深切峡谷裂点之上,高出盆地30～50 m;中层溶洞(海拔高程1 815～1 820 m),位于近代深切峡谷两侧,高出盆地10～15 m;低溶洞层(海拔高程1 805～1 808 m),即现代溶洞层,位于河谷底部,一般为溶洞泉或暗河的进、出口。

上新世以后,地壳间歇性上升,使略具雏形的篆长河迅速下切,嵌入基岩幅度80～100 m。与此同时,溶蚀下限亦迅速下移。袭夺现象尤其激烈:①鱼膜龙—大舍段小河被戈维附近的地下河袭夺,取捷径汇入主干暗河;②大雨本—撒玛依段地表河及捏恰小支流,被横山村—阿市里暗河袭夺,成为季节性排洪沟;③飞吉洼地受东部拙挪河源头暗河的袭夺,变为一个3.5 km2的封闭洼地;④在小湾坡子—白石岩—沙锅村一带大片出露泉水(W13、W14、W15),地表以河流形式流向北东至羊洞,由于北东部篆长河袭夺进入地下暗河,沿北东方向以暗河出口(洞191)形式排泄于篆长河内;⑤篆长河沿岸泉水流量出现了上游逐年减小,下游逐年增大的现象。

全新世时期,库区W侧的龙海山迅速强烈隆起[5]。因此,龙海山周边各时代所形成的岩溶形态被迅速抬升至不同高度上,库区W侧的地下水力坡降急剧变陡。根据钻孔ZKa1、ZKa3、ZKa4地下水位观测资料,库区NW侧ZKa1、W侧ZKa3地下水位高程分别为1 887.75 m、2 006.9 m,处于地下水低槽部位的ZKa4地下水位高程为1 839.7 m。地下水位向W侧分水岭方向呈抬升趋势,且靠分水岭越近,地下水位抬升越快。

2.3 库区渗漏评价

阿岗水库位于阿岗溶蚀盆地内,四周存在地形分水岭。库区内地层岩性以碳酸盐岩为主,库区以篆长河为当地最低排泄基准面,河边有较多岩溶泉水出露,左、右岸最大的暗河出口流量分别为3.5 m3/s和4.87 m3/s,且大量连通试验资料表明,两岸地下水均向篆长河排泄。

E、S两面分别由峨眉山玄武岩组、梁山组、宣威组等非可溶岩地层构成地形分水岭,非可溶岩地层分布连续、宽厚,且无大规模的构造穿插破坏地层的完整性。因此,水库在E、S两面存在地下水分水岭,钻孔ZKa2、CK1、CK2、ZKK69、ZKK58、ZKK51、ZKK66的地下水位高程分别为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,其余钻孔地下水位均高于水库正常蓄水位,虽然CK1和ZKK69的地下水位略低于水库正常蓄水位,但水库蓄水后,地下水位壅高,CK1和ZKK69的地下水位将高于水库正常蓄水位。因此,水库蓄水后,E、S两面地下分水岭将高于水库正常蓄水位。

库区W侧龙海山附近有龙海山断裂带沿NE方向展布,断层规模一般较大,且以压性逆断层为主,断层物质以糜棱岩、角砾岩为主,在垂直断层走向方向有一定的隔水作用,在平等断层走向方向由于裂隙发育,岩体破碎,有一定规模的岩溶现象,且导水性相对较好,因此,龙海山断裂带对库区地下水与W侧低邻谷(南盘江)之间的水力联系有一定阻隔作用。根据前文分析,库区W侧受龙海山全新世迅速强烈隆起的影响,地下水位向W侧分水岭方向呈抬升趋势,且靠分水岭越近,地下水位抬升越快。大量人工井、天然井以及钻孔水文资料表明,库区W侧存在地下水分水岭,且地下水分水岭高于水库正常蓄水位。

综上所述,水库E、S、W三面均存在地下水分水岭,且地下水分水岭均高于水库正常蓄水位(1 866.9 m)。库区N侧为篆长河源头,而篆长河为当地最低排泄基准面,篆长河源头的河面高程远高于水库正常蓄水位,水库不存在向N侧渗漏的可能。因此,水库基本不存在库区渗漏的可能性。

3 结语

中国西南地区碳酸盐岩广泛分布,在西南地区的工程建设中,岩溶问题难以避免,这些岩溶问题的发生,将对工程的施工和运营安全产生重大的不良影响,给国家和人民带来重大损失。因此,必须在勘察过程中充分认识工程区的岩溶发育规律。

岩溶发育规律的认识是一个循序渐进的过程,首先,应充分认识工程区的地形地貌、地层岩性、地质构造以及新构造运动等工程地质条件。然后,综合考虑各因素对工程区的岩溶发育可能产生的影响,并初步判断工程区岩溶的发育形式和发育规律。最后,通过钻探、物探以及连通试验等手段对前期的初步判断予以验证,并准确作出工程地质评价,提出岩溶问题的解决办法。

[1] 韩行瑞,陈定容,等.岩溶单元流域综合开发与治理[M].南宁:广西师范大学出版社,1997.

[2] 袁道先,李彬,刘再华.中国岩溶[C]∥岩溶与人类生存、环境、资源和灾害.南宁:广西师范大学出版社,1996:1-11.

[3] 云南省曲靖市阿岗水库工程项目建议书工程地质勘察报告[R].昆明:云南省水利水电勘测设计研究院,2010.

[4] 中华人民共和国区域水文地质普查报告(罗平幅)[R].昆明:云南省地质局水文地质工程地质队,1979.

[5] 中华人民共和国区域水文地质普查报告(宜良幅)[R].昆明:云南省地质局水文地质工程地质队,1977.

(责任编辑:潘 潇)

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,工程师,硕士,岩土工程专业,从事工程地质与水文地质研究工作。E-mail:mijian2000@126.com