黔张常铁路岩溶发育规律研究

张志亮

(中铁第一勘察设计院集团公司地路处,西安 710043)

拟建黔张常铁路位于渝东南、鄂西南和湘西北三省交界地带，线路全长约330 km，大部分行走于低中山、中低山区，地形条件差，地质条件复杂。沿线地层以碳酸盐岩为主，岩溶极其发育，是控制线路方案的主要影响因素。在遥感判释的基础上，通过大面积地质调绘，并结合物探、钻探及试验测试等方法[1-4]，查明了沿线岩溶发育特征及分布规律，为线路方案的合理选择提供了可靠的依据。

1 概述

线路地处扬子地台中部，区内褶皱与断裂经过多期次构造变动，形成北北东向和北东向褶皱及其伴生断裂。地貌受构造控制明显，形成北北东向和北东向山脉及小型山间盆地相间的地貌景观。

黔张常铁路总体走向为近东西向，与构造方向近乎垂直。沿线地层发育较全，寒武纪至第四纪地层均有出露，基岩主要为海相碳酸岩、浅海相碎屑岩、内陆湖相碎屑岩，其中碳酸岩段落约占50%，主要为震旦系、寒武系、奥陶系、二叠系以及三叠系灰岩、白云岩和泥灰岩等。喀斯特地貌发育，主要表现为峰丛、溶洞、暗河、落水洞、岩溶漏斗等。

沿线属中亚热带山地季风湿润型，气候温和，四季分明。年平均降水量1 300～1 600 mm，年最大降雨量2 167.2 mm，降水多集中在4～9月，约占全年降水量的70%。年平均蒸发量1 100 mm左右，年平均日照1 283.6 h。

针对沿线岩溶发育的特点，勘察期间首先通过遥感判释对沿线岩溶发育分布进行分析，在此基础之上进行大面积地面调查，进一步验证、发现岩溶发育特性。进而针对工程设置，有针对性地布置大规模物探手段，对深层岩溶发育规律加以分析，并以此为基础，布置钻探进行验证，最终取得对沿线岩溶发育规律的初步认识。

2 岩溶发育与岩性的关系

2.1 碳酸岩岩性对岩溶的控制作用

通过大面积的地质调查、遥感分析及钻探、物探等手段，对沿线可溶岩地区各岩层的面岩溶率进行统计发现，岩溶的发育程度与岩性密切相关[5]。质纯的灰岩比泥灰岩岩溶发育；厚层、巨厚层灰岩比薄层灰岩岩溶发育。例如，龙家寨向斜三叠系嘉陵江组(T2j)厚层灰岩、白云岩，溶蚀洼地密集，地下暗河发育，面岩溶率可达28.7%；而三叠系下大冶群薄层灰岩区，面岩溶率仅为4.8%，相差6倍以上。

岩溶发育的形态往往与岩性有关，例如暗河、溶蚀洼地等巨、大型岩溶现象多发育于厚层、巨厚层灰岩地层，而薄层、中厚层灰岩地层岩溶形态则以小型溶洞、落水洞等为主。碳酸岩层理也对岩溶发育形态有一定控制。由于地下水沿层理间裂隙渗流，沿线多见溶洞沿碳酸盐层理延伸的现象。

2.2 碳酸岩和非可溶岩接触带与岩溶发育的关系

由于非可溶岩对岩溶水的相对隔水作用，相对隔水层对岩溶水起着限制、汇集、导向的作用，因此在可溶岩与非可溶岩接触带附近岩溶往往强烈发育，特别是由于构造的线状特性，地下暗河沿接触带发育的现象非常普遍。如来凤县县城西南老虎洞，为一处暗河出口，被当地居民作为饮用水来源，其洞口处在侏罗系砂岩与三叠系灰岩接触带处，且该暗河延伸方向基本沿岩层接触带方向。

3 岩溶发育与构造的关系

3.1 岩溶发育与褶皱的关系

岩溶水沿地层层理及节理裂隙渗流，因此岩溶发育形成明显的沿褶皱走向发育的特点。褶皱核部由于地应力集中，节理裂隙密集，透水性强，有利于碳酸岩的溶蚀发育。因此褶皱核部较翼部岩溶发育更为强烈。根据钻孔资料统计，在褶皱轴部及其附近，岩溶发育，见洞率高，溶洞的规模也较大。图1为龙家寨向斜核部岩溶发育分布情况，可见岩溶基本沿向斜走向发育，且核部发育更为集中、强烈。

图1 龙家寨向斜溶蚀洼地、地下暗河

3.2 岩溶发育与断层的关系

区内断裂多为北北东向、北东向压性或压扭性断裂，一般延伸长且深，断裂带附近裂隙比较发育且密集，有利于岩溶的发育。对区内共统计2 256个溶蚀洼地，其中发育在断裂带的有432个，占19.1%。溶蚀洼地一般沿断裂带呈串珠状，长轴方向与断裂方向一致，规模较大。图2为张家界车站附近棋盘状断层带附近岩溶发育情况，可见岩溶漏斗极其发育，并呈串珠状，形成暗河入口。

图2 张家界车站附近棋盘状断层带

3.3 岩溶发育与节理裂隙的关系

区内节理大体可分为3组，分别为北北东向、北东向及东西向。其中北北东向和北东向节理多分布于背斜核部，特别是背斜倾伏端，一般具张性。东西向节理一般为剪性节理。张性节理一般宽度0.2～2 cm，节理面粗糙，有利于岩溶发育。垂直构造线发育的横向地下河及沿背斜倾伏端发育的纵向地下河，多与张性节理有关。

4 岩溶发育与地形地貌的关系

4.1 岩溶发育与地形的关系

地形坡度大小与岩溶发育有一定的关系。地形平缓地区溶蚀洼地、落水洞、岩溶漏斗、溶洞、地下河等大型岩溶比较发育，区内发现的溶蚀洼地基本发育于缓坡或山间盆地等平缓地形地区，地形陡峻地区大型岩溶基本不发育，地表仅可见溶蚀裂隙、溶槽、溶沟、石芽等小型岩溶。

分水岭地区是岩溶水的补给区，垂向岩溶发育强烈，溶蚀洼地、岩溶漏斗和落水洞等垂直岩溶形态广泛发育；河谷地区是岩溶水的排泄区，水平岩溶作用强烈，暗河、溶洞等水平岩溶形态广泛发育。

4.2 岩溶发育与高程的关系

岩溶发育在高程上具有明显的垂直分带性的特点。根据酉水河谷及其两岸的附近地带发现的溶洞统计(图3)，大体可分为3层，基本与各级夷平面相当。第一层：一般高程960～1 320 m，共发现12个溶洞；第二层：一般高程400～620 m，共发现31个溶洞；第三层：一般高程200～480 m，共发现27个溶洞。以上资料说明第二、三层岩溶比较发育，一般高出酉水河床30～150 m，为水平岩溶发育带。

图3 酉水河沿岸溶洞洞口高程投影

根据对区内暗河出口高程的统计，其高程表现出明显的垂直分带性分布规律，一般略高于当地的侵蚀基准面，在河流和溪沟两侧形成瀑布。

4.3 岩溶发育与侵蚀基准面的关系

侵蚀基准面控制着区域内岩溶发育的下限。沿线地形变化大，各地侵蚀基准面高程相差很大。根据钻孔揭示，岩溶发育最大深度多在侵蚀基准面以下100～200 m。以龙家界向斜二叠系灰岩为例，该处侵蚀基准面高程458 m，钻孔揭示的岩溶发育最大深度高程为332 m，即侵蚀基准面以下162 m。

5 地质选线

通过广泛收集资料，结合细致的现场调查工作，仔细分析区域内岩溶发育规律，对于铁路选线具有重要的意义[6-7]。

5.1 平面选线

根据调查分析划分出岩溶发育程度、岩溶水富水程度[8]，对岩溶强烈发育区和强富水区，采取尽量绕避的原则。无法绕避时，则尽量以最短距离通过，以减少岩溶和岩溶水对工程的影响。对不同的线路方案进行比选，统计不同方案分别通过的各级别岩溶发育区的长度，结合工程设置，特别是隧道通过岩溶区的长度，选择最优方案[7]。

如图4所示，线路在桑植车站附近通过青安坪向斜储水构造，该向斜暗河、大型溶洞等岩溶及岩溶水现象极其发育。对该段落岩溶和岩溶水发育规律进行分区，在此基础上进行选线工作。最终线路方案沿非岩溶区向北绕行约5 km后，选择在该向斜构造宽度相对较窄、岩溶发育相对较弱处通过。

图4 线路平面绕避向斜储水构造

5.2 高程选线

岩溶发育在高程上具有明显的垂直分带性[9]，如图5所示为峰丛洼地处岩溶水垂直分带特征。其中，垂直循环带和季节变化带附近地下水运动方式以垂直运动为主，水量较小。水平循环带又称为饱水带，地下水运动方向以水平运动为主，岩溶管道常表现为形状不规则的暗河。根据岩溶水垂直发育规律，隧道工程在高程上应尽量避开水平循环带，隧道洞身处于垂直循环带或深部的虹吸管式循环带及深部循环带为宜，以减少突涌水的危害。

图5 峰丛洼地处岩溶水垂直分带特征

6 结论

岩溶地区地质勘探一直是工程地质界的难题。岩溶的分布规律影响因素极多[10，11]，且一般埋藏较深、不均匀性强，因此表现出偶然性大、“表里不一”等特点[12]，其分布规律难以掌握。黔张常铁路通过大规模岩溶区，通过多种勘察手段的应用，对各种岩溶现象进行汇总，总结岩溶发育规律主要受岩性、构造、地形地貌等因素控制。对岩溶发育规律的认识和总结，可以为铁路选线提供可靠的依据，并对其他岩溶地区工程地质工作具有较好的参考价值。

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