大藤峡水利枢纽来宾蓬莱滩“金钉子”保护方案

刘 波，袁明明

（广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，530200，南宁）

一、背 景

“金钉子” 是全球年代地层单位界线层型剖面和点位（GSSP）的俗称。“金钉子”又是国际地质科学联合会（IUGS）和国际地层委员会（ICS）指定的年代地层单位界线的典型或标准，是为定义和区别全球不同年代 （时代） 形成地层的全球唯一标准或样板，并在一个特定地点和特定岩层序列标出，作为确定和识别全球两个时代地层之间界线的唯一标志。 “金钉子”的确立内涵丰富，意义重大，全面保存“金钉子”剖面各类具代表性的实物地质材料和标本对保全 “金钉子”数据材料、诠释“金钉子”科学内涵、助推后续研究具有重要意义。

“蓬莱滩金钉子” 剖面包括位于广西来宾市兴宾区蒙村乡与城厢乡交界处红水河段蓬莱滩南岸 “金钉子”主剖面和城厢乡马村处红水河北岸马滩辅助剖面， 于2005 年9 月3日被国际地球科学联合会正式批准确立为全球界线层型剖面，属于世界性地质遗迹。 主剖面分布于红水河边蓬莱滩南岸岸坡岩质漫滩上，地面高程50 m 左右，核心区范围长约150 m，宽约30 m。天然状态下，“蓬莱滩金钉子” 在红水河流量小于3 450 m3/s 的情况下出露，国内外研究人员一般于每年9 月至次年5 月在此开展科考活动。

大藤峡水库建成后，每年主汛期（6—8 月） 坝前水位维持汛限水位47.6 m，其他月份遇小于5 000 m3/s 流量时坝前水位维持在59.6 m 至61.0 m，远高于“蓬莱滩金钉子”剖面50 m 地面高程，因此除主汛期外，“蓬莱滩金钉子”将一直处于淹没状态，应采取必要的措施加以保护。

二、水文及地质条件

1.水文条件

“蓬莱滩金钉子” 上游距来宾市约20 km， 地处中亚热带向南亚热带过渡的季风气候区，气候温和，雨量充沛， 日照比较充足， 年平均气温20.3 ℃， 年平均降雨量1 360 mm，年平均日照时数1 582 h，年平均无霜期331 天。 降雨主要集中在4—8 月，占全年的70%左右，5 月降水量最多，1月降水量最少。

“蓬莱滩金钉子” 位于建成后的大藤峡库区红水河库段h12～h13断面之间（累距157.9～160.8 km）。 两者水位流量关系见表1。

2.地质条件

经设计单位对工程区 “蓬莱滩金钉子” 进行地质详细勘察得知，“金钉子”地质条件差，工程区内岩溶发育、溶蚀强烈，溶洞、溶隙连通性好。 采集区出露的地层为二叠系下统茅口组（P1m） 生物碎屑灰岩和二叠系上统合山组（P2h）硅质岩夹泥质粉砂岩、碳质页岩、 沉凝灰岩及第四系冲洪积物（Q4）粉土、黏土、混合土卵石。 工程区内的岩溶发育情况主要受岩性和构造控制， 二叠系下统茅口组和二叠系上统合山组下部岩性以可溶岩为主，岩溶沿节理和层面方向发育， 在地面表现为窄而深或扁而宽的溶隙及溶洞。

三、设计方案拟定

1.可研设计阶段方案

2012 年12 月15 日，广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司、中水东北勘测设计研究有限责任公司、中国科学院南京地质古生物研究所、来宾市国土资源局等单位对“蓬莱滩金钉子”开展联合实地勘查。 中水东北勘测设计研究有限责任公司设计并提出三个应对措施方案，分别是修建防护工程、水库枯水期降低水位运行和附近寻找同样地层代替位置。

2014 年9 月18 日， 全国地层委员会组织专家对《广西蓬莱滩二叠系乐平统底界全球界线层型剖面保护方案论证报告》进行评审，专家一致认为应首先寻找替代剖面，其次考虑博物馆方案， 并建议由项目业主出资，尽快组织有关研究单位在剖面附近区域开展相关调查和研究工作。 考虑工期紧迫性，为不影响大藤峡水利枢纽建设，在尚未找到完整替代剖面情况下，可采用在原址设防护工程的方案， 并与水利枢纽工程一起实施。为此，项目业主广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司委托中水东北勘测设计研究有限责任公司开展保护“蓬莱滩金钉子”的设计工作。

2.初步设计阶段方案

初步设计方案主要内容为对 “蓬莱滩金钉子”采用工程围堤防护。 围堤采取重力式挡墙、帷幕灌浆与岸坡衔接的U 形防护型式。帷幕灌浆深度19 m。围堤全长为300.30m，堤顶高程63.30m，堤顶宽3 m，最大堤高19.30 m，迎水面为直立面，背水面坡比为1∶0.65。 为减少围堤内积水， 在桩号0+273.31 处围堤内部设一直径1.0 m 的排水管，管底高程52.00 m； 同桩号围堤内侧设集水井，用潜水泵将积水排至围堤外。 防护工程建成后，“蓬莱滩金钉子”将不再受汛期淹没影响，研究人员和参观人员能全年参观考察。

3.实施设计阶段方案

（1）保护方案确定

中水东北勘测设计研究有限责任公司进一步对 “蓬莱滩金钉子”进行详细勘察成果表明：“蓬莱滩金钉子” 防护工程基础地质条件极差，工程区内岩溶发育强烈，地下水与河水连接较紧密， 地下水排泄通道顺畅。围堤堤基为强烈溶蚀地基～极强烈溶蚀地基，存在管道涌水的可能，须进行深开挖，增加垫层、固结和防渗灌浆处理。 “金钉子”防护工程所处位置基础灰岩岩溶发育、表层强烈溶蚀风化、 岩体沿溶洞和溶蚀裂隙透水，透水性不均匀。 对围堤基础需加强帷幕灌浆处理，为满足防渗要求，帷幕灌浆施工深度较深， 灌浆压力较大，灌浆浆液扩散范围大，会严重污染“金钉子”剖面岩层，使剖面地层的相关科学研究尤其是地球化学研究难以进行。 同时当大藤峡水库高水位运行时，“金钉子” 剖面会淹没在水下，产生淤积；低水位运行时，围堤防护范围内山体受雨水冲刷，冲积物会流入围堤内。 围堤内淤积物在科考期清理困难，会对科考工作产生影响。

表1 大藤峡库区红水河库段h12 断面和h13 断面水位流量关系表

2018 年8 月21 日， 大藤峡公司在南京组织召开了大藤峡水利枢纽“蓬莱滩金钉子” 世界性地质遗迹防护方案讨论会，建议取消原址筑堤保护方案，原则同意来宾“金钉子”保护方案由“原址防护+切割保护”调整为“辅助剖面+切割保护” 的保护方案。中国科学院南京地质古生物研究所采用三维实景建模技术对 “金钉子”层型剖面岩石标本进行采集，分析研究拟确定广西柳州市柳城县凤山镇瓜德鲁普统—乐平统界线剖面作为来宾蓬莱滩“金钉子”新的辅助层型剖面。 “辅助剖面+切割保护”方案通过水利部水利水电规划设计总院技术咨询得以完善。

（2）保护方案内容

保护方案主要由三部分组成，分别为“金钉子”层型剖面岩石标本采集（包括切割和钻孔）、广西来宾吴家坪阶“金钉子”辅助剖面查找研究确认（科研部分）和“金钉子”化石储存保护展示馆设计。

①“金钉子”层型剖面岩石标本采集

主要包括四部分工作： 一是三维实景建模，工作内容主要为“金钉子” 层型剖面与来宾铁桥辅助剖面三维实景建模制作；二是层型剖面表部岩石标本刻槽采集， 工作内容主要为层型剖面表部岩石标本采集位置选址、 上部无用层清理、 切割和包装、运输、存放；三是层型剖面深部岩石标本采集， 工作内容主要为深部岩石标本采集孔定位、 采集、标识和装箱、编录、存放及运输；四是标本采集孔孔内测试， 主要内容为全孔数字成像和综合测井， 全孔数字成像包括原位岩石标本二维和三维图像， 综合测井包括标本采集孔温度测井、 标本采集孔视电阻率测井和标本采集孔天然γ 射线测井。

②广西来宾蓬莱滩吴家坪阶“金钉子”潜在辅助剖面研究

为寻找新的辅助层型剖面，中国科学院南京地质古生物研究所在广西来宾、柳州和国内其他地区进行了广泛的野外考察，最终在广西柳州市柳城县凤山镇发现一连续沉积的瓜德鲁普统—乐平统界线剖面，有望作为来宾蓬莱滩“金钉子”新的辅助层型剖面。 然而，“金钉子”辅助层型剖面必须要有很高的综合地层学研究程度，不仅需要确定界线标志化石首现的精确层位，还要有高精度的生物地层学、年代地层学、化学地层学、岩石地层学和磁性地层学等研究，以使其能够行使全球综合地层对比标准的功能。 目前广西柳州凤山剖面研究程度极低，为了使广西柳州凤山剖面成为来宾蓬莱滩“金钉子”剖面新的辅助层型剖面，需对该剖面进行必需的各项研究工作。

③“金钉子”化石储存保护展示馆

“金钉子”化石储存保护展示馆是保护宝贵自然遗产的宝库，具有重要的科研价值。基于对当地人文环境与自然环境的研究进行建筑设计，基于周边环境确立建筑形体要素、记忆要

素与建造要素，力求创造一座延续历史文脉、普及科普教育、保护为主、展示为辅的生态建筑。