基于电力工程实践过程中西南地区二叠系茅口组灰岩特性分析

张 义 杨 煜

（四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610041）

0 引言

岩溶在我国分布广泛，与人民群众的日常生活及工农业建设密切相关[2-3]。西南地区的电力建设工程实践活动中，经常会遇到岩溶问题。受到地质背景、气候、岩性、地质构造、江河水系等多因素综合影响，西南地区的岩溶问题深刻而复杂。而岩溶稳定性一直是影响电力建设场区安全的重要岩土工程问题之一。在电力建设工程实践中，发现西南地区广泛分布的二叠系茅口组灰岩相对邻近岩组，其岩溶发育程度、规模等具有更加显著的特点。如果对西南地区二叠系茅口组灰岩岩溶特性认识不够深入，就会给工程建设带来巨大的安全隐患。该文从工程实践角度对其进行归纳，为类似工程提供参考。

1 西南地区碳酸盐岩分布

碳酸盐岩是对主要由碳酸盐类矿物组成的岩石的统称，主要有石灰岩和白云岩等两类[4]。我国碳酸盐岩分布广泛，出露面积约91 万km2，加上隐伏于不同深度的碳酸盐岩、总面积达340 万km2[5]。其中，西南地区的云南、贵州、四川（含重庆）等省区都有大面积出露，见表1。

表1 西南各省区碳酸盐岩分布和出露面积

该文侧重于对云贵川等地区的地质背景及环境气候下的二叠系茅口组灰岩的岩溶特性进行分析。

2 西南地区二叠系岩溶发育地质背景及其地层分布

以四川盆地为例，早二叠世海侵初期，普遍沉积了河湖沼泽、滨海沼泽相的砂泥岩、泥灰岩，超覆在石炭、泥盆系或下古生界之上。中期（栖霞期）为浅海台地相灰岩（100m～300m），几乎覆盖了整个上扬子地区，并含有大量有机质、和较多泥质、硅质，形成了含硅质条带或结核的灰岩。早二叠世晚期（茅口中晚期），台地内部又一次出现拉张断陷和断块差异升降活动，导致沉积环境出现差异，主要岩性为灰岩、硅质岩、炭质页岩等，横向上可与块状灰岩、燧石结核状灰岩相变。

同期，云南、贵州也有类似构造运动，其二叠系地层对例如图1 所示。

图1 西南地区二叠系灰岩对比图

西南地区广泛分布的二叠系下统茅口组地层，为一套浅海相沉积的巨厚层灰岩，岩性主要表现为灰、浅灰色中～巨厚层致密灰岩，顶部为含燧石结核灰岩夹薄层硅质岩，岩性稳定，区域不同而略有差异。

3 工程实例和岩溶景观

3.1 贵州某燃煤电厂工程

某4×350MW 燃煤电厂位于贵州省贞丰县东南部，低中山地形，山体浑厚，东侧高于北盘江近300m。早期地质构造运动中，地块受南北向强烈挤压，形成了以贞丰背斜为主的褶皱构造，后期地块进一步活动化，产生系列压扭性断裂构造，场地内存在一斜穿而过的蚀变带。第四纪以后，地壳抬升，溶蚀、侵蚀和剥蚀作用加剧，岩溶地貌突出。基岩地层以三叠系中统青岩组、二叠系下统茅口组为主。

茅口组灰岩呈灰色、浅灰色，具微晶结构，中至巨厚层状～块状构造；青岩组地层灰岩、泥灰岩、页岩互层，中厚层状构造为主，泥质含量较重。二者在场地内以蚀变带为界。

勘察期间在茅口组灰岩及青岩组灰岩中布置同等密度、同等数量的钻孔，钻探结果反映了不同岩组的岩溶发育特性，见表2。

表2 某燃煤电厂钻孔溶洞分布统计表

在整个二叠系茅口组灰岩地层内（包括漏斗及蚀变带），布置钻孔32 个，其中10 个钻孔遇溶洞，遇洞率为31.25%，钻孔线溶率为3.1%～42.5%，平均线溶率远大于5%。其中，洞高10m 以上的溶洞3 个，3m～8m 的溶洞5 个，0.4m～3m的溶洞7 个。根据钻孔遇洞率及线溶率，在该地层岩溶发育强烈～极强烈。

在三叠系中统青岩组灰岩、泥灰地层中，由于岩石的矿物成份中含有黏土等杂质，岩石纯度较差，可溶性差，致其岩溶发育程度微弱。青岩组地层布置钻孔40 个，仅1 个钻孔遇溶洞，遇洞率低，岩芯完整，溶蚀作用微弱。

该工程案例说明在相同地质背景和气候条件下，岩溶对不同的岩组和岩性具有明显的选择性，且追踪构造破碎带发育。

3.2 重庆黔江某风电场工程

黔江某风电场工程位于重庆东南部，地处大娄山脉与武陵山脉间的低中山区，山岭连绵，沟壑峡谷众多，具较强烈的溶蚀、侵蚀构造地形特征。出露地层主要为二叠系，包括栖霞组、茅口组灰岩。栖霞组灰岩呈深灰色、灰褐色，薄层～巨厚层构造，夹薄层沥青质灰岩、泥灰岩等。茅口组灰岩呈灰白-深灰色（偶带淡紫色），厚层状，夹少量硅质团块及条带。

工程地质调查及物探测试均表明，场地内岩溶形态多样、规模较大，主要发育于茅口组地层中。见表3 和图2。

表3 重庆黔江某风电场岩溶形态统计表

图2 风电机位地质雷达反演结果（茅口组灰岩地层）

该工程岩溶发育有2 个明显特点：1）与栖霞组灰岩相比，茅口组灰岩的岩溶形态更为发育，优势明显（茅口组灰岩地层中占比达77%，栖霞组灰岩中占比为23%）。2）与区域构造背景密切相关。工程场地位于山顶夷平面，岩溶发育高程集中在1300m～1550m，据区域水文地质普查报告（1 ∶20 万，酉阳幅），该夷平面相当于大娄山期的第二亚期，为当地主要地貌形成及岩溶发育期。

3.3 四川兴文岩溶景观

四川兴文世界地质公园区域上位于四川盆地南部山地与云贵高原的过渡地带，属亚热带湿润季风气候，气候温和，雨量充沛，多年平均降水量约1180mm。地层以二叠系碳酸盐岩为主，岩溶形态类型丰富。其中，小岩湾、大岩湾天坑两天坑成景地层主要为茅口组和栖霞组灰岩，地表岩溶形态石海、石芽、石林、石柱、漏斗等主要发育于茅口组灰岩中，为二叠系地层十分典型和具有代表性的岩溶景观。

4 二叠系茅口组灰岩岩溶特性

结合以上工程实例和岩溶景观，茅口组灰岩具有如下岩溶特性。

4.1 物质组成及成份

调查和研究表明，岩溶化程度最强的为灰岩、次为白云质灰岩、白云岩，再次为泥质灰岩。碳酸盐岩相对溶解度的大小，取决于CaO、MgO 及SiO2+R2O3含量比值的高低。一般地，厚层、粗晶、纯灰岩的CaO/MgO 比值高，不溶物SiO2+R2O3组份低，相对溶解度高，可溶性好，岩溶发育；若为薄层、隐晶、不纯灰岩，则CaO/MgO 比值低，不溶物SiO2+R2O3组份高，相对溶解度低，可溶性差，岩溶不甚发育。

由表4 可以看出[6]，二叠系灰岩可溶成份一般高于三叠系，且茅口组灰岩不溶物含量相对最低，岩性纯度大，可溶性好，岩溶发育程度与上下邻近岩组对比更为发育，该文工程案例中也发现了这个规律。

表4 川黔铁路沿线部份碳酸盐岩的成分分析表

4.2 结构与构造

就碳酸盐岩结构而言，一般晶粒越粗，溶解度就越大，岩溶发育也就越强烈。粗粒结构的岩石孔隙大，岩石的吸水率高，抗侵蚀能力弱，有利于溶蚀；从岩层构造上看，一般岩层越厚，岩溶就越发育，这是由于厚层碳酸盐岩含不溶物较少，溶解度较大，薄层碳酸盐岩常含较多泥质，溶解度较小，岩溶化程度较弱，见表5。

表5 湘黔线娄底恩口矿区碳酸盐成分与岩溶发育程度比较表

该文工程案例中，茅口组灰岩均呈厚层-巨厚层状构造，尤其是黔江风电工程场地，茅口组灰岩相比栖霞组灰岩单层厚度更大，且岩性更纯（栖霞组灰岩含较多条带状沥青质）；同时， SiO2及有机质等的含量大小，对岩溶作用影响很大，茅口组灰岩相比栖霞组灰岩明显较低。因此总体上场地内茅口组灰岩溶发育程度明显强于栖霞组灰岩，与表6 所反映情况相似。

表6 园梁山地区碳酸盐成分与岩溶发育程度比较表

4.3 地质构造运动与岩溶发育史

岩溶发育与地质构造关系密切，总体上地质构造控制着岩溶发育的方向，同时还影响着岩溶发育的规模和大小。地壳的垂直运动会影响区域水系侵蚀基准面的变化，从而影响岩溶发育的方向。在西南地区，在长江流域及珠江流域漫长演变过程中，逐渐形成了各区域较为典型的地貌发展阶段（地文期），各区域的岩溶发育历史和岩溶地貌与地文期有深刻的内在联系。

茅口组灰岩出露于西南地区河川两岸的山顶夷平面时，应注意当地地文期与岩溶发育史的对应。如该文案例2 中，工程场地处于山顶，但其岩溶却异常发育，与其大娄山二期岩溶发育史的背景有关（表7）。

表7 长江流域新生代地文期与岩溶发育历史概况

5 结论

该文在西南区域地质背景及气候、水文条件下，通过工程实践，分析了二叠系茅口组灰岩的岩溶特性。1）对比邻近的上下地层岩组，其具有岩性更纯、杂质含量低、溶蚀率高、单层厚度大、岩溶更为发育的特点。2）当其出露于各级夷平面时，要注意与当地地文期的对应，了解其岩溶发育历史，认识地质构造、地貌、夷平面、河川水系、岩溶水的循环动力条件等对岩溶的控制作用。为该西南区域的工程建设提供参考。