浅谈细晶白云岩“砂化”机制及工程实例

邹子南 王湘锋

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072；四川路桥勘察设计公司，四川 成都 610041）

1 概述

白云岩是一种沉积碳酸盐岩，主要由白云石组成，常混入石英、长石、方解石和粘土矿物，呈灰白色，性脆，大多为中等硬度，用铁器可划出擦痕，遇稀盐酸缓慢起泡或不起泡，外貌与石灰岩很相似，地质学上将具细晶结构的白云岩称为细晶白云岩。很多人认为，细晶白云岩常为浅海相碳酸盐沉积物在成岩过程中强白云石化，并可能叠加有重结晶作用的产物。

2 细晶白云岩“砂化”机制

在谈细晶白云岩“砂化”机制之前，先简单地了解一下地下水化学成分的形成作用。各种起源的地下水，各有其不同的初始化学成分，当它们形成地下水后，参与地球物质的循环，不断与环境介质发生各种作用，并使水的化学成分进一步发生演变。地下水化学成分的形成作用主要有六种：①溶滤作用、②浓缩作用、③脱碳酸作用、④脱硫酸作用、⑤阳离子交替吸附作用、⑥混合作用。其中溶滤作用是指在水与岩石的相互作用下，岩石中一部分物质转入地下水中的过程，它既包括在不破坏矿物结晶格架的情况下，一部分化学成分进入水中的作用；也包括岩石中可溶盐的溶解，难溶盐及不溶盐的溶解。溶滤作用的强度首先取决于岩土的矿物盐类的溶解度，岩土的空隙结构是影响溶滤作用的另一因素，水的溶解能力决定着溶滤作用的强度，地下水的径流和交替强度是决定溶滤作用强度的最活跃最重要因素。

自然界中，可溶性岩石岩溶发育需具备两个基本条件：①在可溶性岩石中具备一定的孔隙或裂隙系统，为水的循环提供通道；②有适宜的地貌条件和地质结构条件，为水向可溶性岩中渗入提供补给途径，并为水排出可溶性岩石之外提供通道。

细晶白云岩为过渡类岩石，在纯的碳酸盐岩中，随着其中白云石成分的增多

其溶解性将降低，然而，自然界中的细晶白云岩常含有方解石等其它易溶性矿物，由于方解石等其它易溶性矿物在细晶白云岩中呈分散分布，地下水首先将这些易溶性物质溶解，地质学上称这一过程为白云岩化，随着白云岩化的进行，岩石中生成许多孔隙，水不断渗入孔隙并不断循环，结果使岩石孔隙不断增大，体积不断减小，岩石强度不断降低，最终可生成散粒状的白云石粉，形似粉细砂，我们将细晶白云岩的这一特殊溶蚀现象称为"砂化"。

一般情况下，细晶白云岩的“砂化”首先沿着易于地下水渗入和流通的岩体中的各种结构面（尤其是地质运动过程中受到扰动的结构面）进行，形成规模不等的"砂化"条带网络，随着地下水的溶蚀、淋滤作用的不断进行，岩溶的不断向前发展，“砂化”条带逐渐向结构面两侧扩张，最终使细晶白云岩出现整体溶蚀，围绕滞后溶蚀的白云岩块体构成“砂土包块石核”状，可简称“砂包石”状。

3 工程实例

某水电站位于四川省凉山州美姑、昭觉、雷波三县交界处，电站为低闸引水式开发，工程建筑主要由首部枢纽（泄洪闸、冲沙闸、进水闸等）、引水系统（引水隧洞、调压井、压力管道等）和地下厂房系统（主厂房、主变室、尾水洞等）组成，电站装机容量为18万KW。

引水隧洞后段（桩号K11+260～K12+716段）至厂区地下洞室均置于震旦系灯影组中段（Zbd2）的细晶白云岩岩层中。

3.1 基本地质条件

引水隧洞后段至厂区位于美姑河左岸尔古沟～龙头沟之间的斜坡内，所在斜坡整体呈三沟夹两脊的形态，上游侧尔古沟和下游侧龙头沟分别作为工程区的上、下游边界，由580m高程的河水面开始，至650m高程以下，岸坡相对较陡，总体自然坡度30～45°；650～790m高程多为基岩形成的陡壁，总体自然坡度70～80°；790m高程以上宽缓开阔的坡面，坡度 15～25°。（见图 3-1）

引水隧洞后段至厂区地下洞室均置于震旦系灯影组中段（Zbd2）的细晶白云岩岩层中，该套地层上部灰色、灰白色含石英灰质白云岩，中部为灰～灰黑色斑状、条带状含砂状钙质岩屑细晶白云岩，下部为灰～灰黑色粉晶白云岩、细晶白云岩及泥晶白云岩互层。

引水隧洞后段至厂区无大的断层或破碎带通过，该区处于莫红背斜的两翼及核部，其中引水隧洞后段大多处于背斜北西翼，调压井至厂区处于南东翼，背斜核部位于引水隧洞未端（桩号K12+200处附近）。莫红背斜为一开阔背斜，冀间角大于120°，轴向N5～15°E，南东冀岩层产状 N60°～70°E／SE∠30°～40°，倾山外偏下游；北西翼岩层产状N20°～40°W／SW∠20°～35°，倾山外偏上游，背斜向南倾伏，倾伏角35～40°，背斜的倾伏方向和倾伏角分别与厂区所在斜坡的坡向和坡角基本一致。岩体中顺层的挤压（错动）带和节理裂隙（尤其是平行背斜轴向的近SN向张性裂隙）较发育。

引水隧洞后段至厂区物理地质现象较发育，主要表现为卸荷、崩塌、滑坡和泥石流。该区岸坡高600余米，为斜向顺层边坡，岩层倾角30°左右，岩体中裂隙较发育，垂直层面的"X"节理、平行岸坡的陡倾卸荷裂隙和层面组合，岸坡卸荷作用较为强烈。受构造裂隙、卸荷裂隙等结构面的组合切割，该区岸坡局部陡壁坡段时有小规模松动岩块崩落、下坠。该段岸坡坡面及沟槽内第四系松散堆积物分布较广，局部坡段残留有早期冰川泥石流堆积物，雨季时有小型坡面及沟谷型泥石暴发，该段岸坡引水隧洞5号支洞在桩号K0+082～K0+235段和引水隧洞主洞在桩号K11+667～K11+733段遭遇覆盖层，据调查，尔古沟至万波沟间岸坡分布有一古滑坡体，该古滑坡体后缘发育两条规模较大的深部滑移拉裂带，该古滑坡体现今整体处于稳定状态。

引水隧洞后段至厂区水文地质条件较复杂，地下水在横向上接受岸坡的补给，在纵向上接受河水补给，地表水流在下渗到碳酸盐岩岩层后，通过细晶白云岩和岩体中的层面及纵张裂隙自北向南径流，并向南汇集形成径流带，最终于厂房尾水洞出口的美姑河河边以泉的方式集中排泄。

图3-1 引水隧洞后段至厂区三维地形图和建筑物布置图

3.2 洞室围岩

引水隧洞后段（桩号K11+260～K12+716段）长1456m，隧洞水平埋深180～460m，垂直埋深50～185m，Ⅲ类围岩长38m，Ⅳ类围岩长389m，Ⅴ类围岩长1029m。调压井井筒深66m，井筒垂直埋深143m～209m，水平埋深218m～300m，Ⅲ类围岩井筒长17m，Ⅴ类围岩井筒长49m。压力管道主管段由两个竖井段和三个水平段组成，全长628m，管道垂直埋深 132～307m，水平埋深 186～460m，Ⅲ类围岩长78m，Ⅳ类围岩长286m，Ⅴ类围岩长264m。地下厂房跨度10.3m×75m，最大净高40m，垂直埋深127～171m，水平埋深190～221m，围岩以Ⅲ类为主，少量Ⅳ类。主变室跨度14.6m×43.3m，最大净高28.9m，垂直埋深96～130m，水平埋深 142～172m，围岩以Ⅲ类为主，部分Ⅳ类。尾水洞由3条组成，每条长214m，总长642m，最大垂直埋深161m，最大水平埋深208m，Ⅲ类围岩长320m，Ⅳ类围岩长178m，Ⅴ类围岩长144m。

厂区其它洞室，如上室交通洞、上室、阀室交通洞、阀室、压力管道施工支洞、出线洞兼通风洞、进厂交通洞、排水廊道、自流排水洞等洞室，开挖揭示围岩均为细晶白云岩，围岩地质条件总体较差，围岩总体以Ⅳ～Ⅴ类为主，部分为Ⅲ类。

开挖揭示，引水隧洞后段（桩号K11+260～K12+716段）至厂区地下洞室围岩均为细晶白云岩，岩体中无大的断层或破碎带通过，裂隙较发育，围岩基本干燥，局部有少量渗滴水。当岩体中的各种结构面以闭合状态为主时，岩溶作用较弱，"砂化"现象不明显，岩体中仅见沿少量结构面溶蚀形成小规模溶蚀裂隙，此时，该段围岩地质条件较好，围岩以Ⅲ类为主；当岩体中的各种结构面以张开状态为主时，岩溶相对较强，"砂化"现象较明显，岩体中沿大部结构面都有溶蚀现象，并且溶蚀裂隙规模相对较大，部分已向裂隙两侧岩体中扩张，此时，该段围岩地质条件差，围岩以Ⅳ类为主；当溶蚀向结构面完全扩张，最终使岩体出现整体溶蚀，岩石强度大部丧失或完全丧失，岩体为碎裂结构或"砂包石"状散体结构时，此时，该段围岩地质条件极差，围岩为Ⅴ类。（图3-2、图3-3、图3-4、图3-5为不同"砂化"情况的围岩照片）

图3-2 沿个别结构面“砂化”的Ⅲ类围岩

图3-3 沿部分结构面“砂化”的Ⅲ类偏差围岩

图3-4 部分结构面已“砂化”扩张的Ⅳ类围岩

图3-5 整体溶蚀、“砂化”完全的Ⅴ类围岩

3.3 “砂化”差异原因分析

开挖揭示，引水隧洞后段（桩号K11+260～K12+716段）至厂区地下洞室围岩均为细晶白云岩，各洞室围岩均有不同程度的"砂化"现象，不同洞段围岩"砂化"差异较为明显，综合各种因素，分析认为造成细晶白云岩"砂化"差异的原因主要有以下几个方面：

①岩性

岩石成分、成层条件和岩层的组织结构等与“砂化”的发育程度和速度有关。工程区的细晶白云岩地层大致可分为三层，上部为灰色、灰白色含石英灰质白云岩，中部为灰～灰黑色斑纹状、条带状含砂状钙质岩屑细晶白云岩，下部为灰～灰黑色粉晶白云岩、细晶白云岩及泥晶白云岩互层。开挖揭示，上部和下部的细晶白云岩岩层质地较纯、结晶颗粒相对粗大，“砂化”作用总体较强烈；而中部的细晶白云岩岩层含杂质和难溶物较多，结晶颗粒也相对较细小，“砂化”作用相对较弱。主厂房和主变室等大跨度地下洞室即处于中部地层中，围岩条件相对较好，以Ⅲ围岩类为主。

②构造

结构面的发育和延伸方向，可决定"砂化"的发育程度和发展方向。莫红背斜轴向近SN，核部位于引水隧洞未端（桩号K12+200处附近），受莫红背斜影响，岩体中顺层的挤压（错动）带和节理裂隙（尤其是平行背斜轴向的近SN向张性裂隙）较为发育。岩体中的各种结构面是水流的良好通道，开挖揭示，沿顺层的挤压（错动）带和节理裂隙（尤其是平行背斜轴向的近SN向张性裂隙）"砂化"现象较为明显。引水隧洞段后段相对于调压井和地下厂房系统更靠近莫红背斜的核部，其"砂化"作用相对更强，围岩地质条件相对更差。

③埋深

总体上看，同一地段"砂化"作用随着埋深的增大呈现出逐渐减弱的趋势。主厂房水平埋深和垂直埋深较主变室大，主变室水平埋深和垂直埋深又较尾水洞大，开挖揭示，同在一套地层中，主厂房的“砂化”作用较主变室弱，而主变室的“砂化”作用又较尾水洞弱。此外，为查明深部岩体“砂化”特征，在引水隧洞未端桩号12+004m处往山内开挖了一个长198m的勘探平硐，开挖揭示，平硐围岩"砂化"作用明显较同一地段的引水隧洞围岩的"砂化"作用要弱得多。

④地下水活动性

引水隧洞后段地表为平缓开阔斜坡，坡面第四系松散堆积物覆盖严重，洞线经过处发育两条长大深部滑移拉裂带，该洞段地表水下渗较多，地下水得到充分补给，地下水循环流通较快，“砂化”强烈。地表调查和开挖揭示，地下厂房下部已形成深部岩溶水集中排泄通道，分析认为，受莫红背斜的隆起和河床的快速下切及地壳的迅速抬升，上部岩体未来得及完全溶蚀“砂化”，地下水就集中渗入到下部岩体中，从而形成深部岩溶发育带（深部钻孔揭示，厂房下部最深低于厂房底板高程约90m的深度范围内岩溶发育，"砂化"强烈，压水试验不起压），主厂房和主变室等大跨度洞室即处于上部溶蚀"砂化"程度相对较弱的岩体中。

结语

岩溶是可溶性岩石在水的作用下，产生的各种地质作用、形态和现象的总称，是一种常见的自然现象，而细晶白云岩“砂化”却是一种极为特殊的岩溶现象。岩溶会降低岩石强度、破坏岩体完整性、形成各种洞隙，岩溶发育区往往存在许多工程地质问题，因此，应高度重视岩溶地区的工程地质生产实践工作，在一些地区，应把岩溶的调查和研究工作放在工程地质工作中的最重要位置。

[1]张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理[M].北京：地质出版社，1994.

[2]肖长来.水文地质学[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3]GB50287-2006.水力发电工程地质勘察规范[S].