贵州省秀印高速公路木黄一号隧道岩溶水文地质特征研究

王 戈， 王勇瑞， 朱文彩

(湖北省地质局 水文地质工程地质大队，湖北 荆州 434020)

秀山(黔渝界)—印江高速公路是贵州省铜仁市高速公路规划网的主要组成部分，起于贵州省松桃县与重庆市秀山县交界的代家坪，经石梁、木黄、合水、峨岭，止于贵州省印江县郎溪镇，全长52.9 km。木黄一号隧道位于印江县木黄镇，北距印江河支流木黄河约500 m。该隧道及附近区域碳酸盐岩裸露，岩溶洼地、槽谷、岩溶管道、地下河等岩溶形态极为发育，地表水和地下水转换频繁，给隧道选线、防排水设计、工程施工带来极大的不确定性。

岩溶管道、地下河等构成岩溶地下水系统，主要受地层岩性、地质构造、地貌演化、水系变迁等诸多因素影响和控制，发育规律十分复杂。查明隧道与岩溶地下水系统，尤其是与地下河管道的空间关系，是岩溶隧道水文地质勘查和水害防治的关键[1]。本文在岩溶水文地质调查、泉和地下河出口流量动态观测基础上，辅以示踪试验、洞穴探测，查明了岩溶地下水系统及暗河管道的空间展布特征，可为木黄一号隧道选线、防排水设计等提供水文地质依据。

1 地质环境条件

隧址区为构造溶蚀中低山地貌，西侧为地势低洼的白水溪溶蚀槽谷，东侧、南侧受木黄河及其支流乌溪切割，北侧为溶蚀山丘。地势高处为北侧将军山一线山脉，最大高程为1 161 m，为区域地下水系统的分水岭。向南为山盆期Ⅱ级剥夷面(高程840～1 100 m)的残留展布区，高程逐渐降低至900～1 000 m，地形多为峰林或溶蚀残丘，其间为岩溶洼地或溶槽，并在各峰林鞍部或洼地内分布众多漏斗、落水洞等地表岩溶形态，为地下水主要补给区。继续往南地形逐渐过渡到木黄河，高程也随之降低，相当于峡谷期Ⅲ级剥夷面(高程700～800 m)。随着地壳间歇性上升，大气降水向地势低的木黄河河谷汇集径流，长期冲刷溶蚀坡面，进而在木黄河河谷边缘形成了溶蚀沟谷地貌。

总体来看，隧址区岩溶地下水系统北侧受地形地貌控制，为区域地表水与地下水分水岭；东侧受牛蹄塘组炭质页岩的阻隔及乌溪的切割，控制着地下水系统的东侧边界；西侧发育奥陶系下统不纯碳酸盐岩岩溶水，与新郎沟组合构成地下水系统的西边界；南侧受木黄河的切割，为该地下水系统的排泄区。

2 岩溶发育特征

隧址区地表岩溶个体形态主要有溶隙、石芽、岩溶漏斗、落水洞、溶蚀洼地、岩溶槽谷、盲谷、干谷、溶洞、溶峰等，地表岩溶组合形态有峰丛洼地、峰丛槽谷、溶丘浅谷等。

2.1 岩溶发育的成层性及向深性

不同岩溶期发育不同的岩溶形态。在Ⅰ、Ⅱ级剥夷面上表现为以垂向岩溶为主、水平岩溶为辅的特点，而在Ⅲ、Ⅳ级剥夷面上则恰恰相反，表明岩溶的发育与地壳的上升、停顿与岩溶水的变迁密切相关[2-4]。谭家洞地下河出水段发育多个溶洞口，高程为726～732 m不等，溶洞口向内彼此连通。目前出水洞高程为726 m，稍高于主河道约0.5～1 m；中间溶洞、上溶洞高程分别为728 m、732 m，均为干溶洞，但在降雨流量增大时，地下水可由中间溶洞出水。以上说明早期地壳经历过多次停顿和抬升，地壳停顿时主要发育水平岩溶，上升期时主要发育垂向岩溶，反映了岩溶发育的向深性。

2.2 岩溶发育的不均匀性

通过岩溶水文地质调查发现，岩溶集中发育于剥夷面分布区的槽谷洼地中，而在槽谷洼地中又集中发育于其中心部位或地下洞穴展布段。其中，发育于寒武系下统清虚洞组以灰岩为主地层中的洼地、落水洞、漏斗、溶洞有20个，平均面岩溶率为3.2；发育于寒武系中统高台组、平井组和寒武系上统后坝组以白云岩为主地层中的岩溶形态有13个，平均面岩溶率为2.6。岩溶又集中沿正断层发育于小脑屯—百鸟坝一线，充分反映了岩溶发育受地层岩性、地质构造的影响较大，具不均匀性。

2.3 岩溶发育的垂向分带性

第四纪以来，本区地壳呈大幅间歇性上升，使得岩溶发育速率小于地壳上升速度，造成岩溶发育程度随深度增加而减弱的局面[5]。在近地表地带，岩溶水交替循环剧烈，岩溶洞隙规模大、数量多；而在地下深处，地下水交替运动十分缓慢，仅发育一些溶孔和小溶隙，从而形成了岩溶发育的垂直分带特征。本区自地表向下可分为垂向洞隙带(包气带)、水平管道带(包括季节变动带、饱水带)和深部孔隙带(深部循环带)。

3 岩溶地下水系统

隧址区受区域构造、地形起伏、碳酸盐岩与非碳酸盐岩的分布及组合方式、地下水动力模式等因素影响，在地质应力的长期作用下形成了独特的岩溶地下水系统。在岩溶水文地质调查、示踪试验、洞穴探测等基础上，基本查明了该区地下水系统分布特征，将其划分为牛家泉溶隙溶洞水泉域系统、谭家洞地下河系统和白水溪地下河系统(图1)。

3.1 牛家泉溶隙溶洞水泉域系统

牛家泉排泄口位于木黄镇石化加油站对面，处于斜坡底部陡壁下的崩塌堆积块石中，泉口出露高程为720 m。该系统流量变化较大，2017年8月20日采用断面流速法测得其流量为20 L/s，8月24日因突降暴雨其流量增大为40 L/s，最大流量可达80 L/s，并从牛家泉左侧6 m处的洞口排泄出水。牛家泉系统补给范围为泉点上方斜坡区一带，以溶蚀浅缓沟谷地貌为主，泉域汇水面积约1.5 km2。泉口处地层为寒武系中统高台组白云岩、灰岩，层理产状为285°∠24°。牛家泉的补给方式以面状渗入式补给为主、注入式补给为辅，补给区含水岩组为寒武系中统高台组、平井组碳酸盐岩地层。

3.2 谭家洞地下河系统

谭家洞地下河的排泄口位于木黄河谷右岸的缘木黄酒厂旁，排泄方向为200°，在平水期该洞口为主要排泄口。目前该排泄口因河道整治修建成涵洞，其东侧30 m处分布2个溶洞口，与排泄口向内相连通，在降雨时因补给区快速注入式补给，水量快速增长，此时中间洞口也向外排泄。进行流量调查时处于当地的丰水期，排泄口流量约300 L/s。谭家洞地下河排泄口地层为寒武系中统高台组灰—深灰色中—厚层状细晶白云岩，层理产状为300°∠14°，主要发育2组裂隙：①105°∠46°，延伸长1～3 m，微张0.5 cm，裂面较平直，密度为3条/m；②194°∠83°，延伸长0.5～2 m，闭合，裂面粗糙，密度为2条/m。

调查发现，谭家洞系统排泄区共发育4个溶洞(图2)，编号分别为A-D，高程分别为726 m、728 m、732 m、727 m。目前从D洞口、B洞口皆可进入地下河主管道，在E点可见主管道空间较大，高约10 m，因水流淤积形成水潭。推测管道沿百鸟坪伏流口—河沙坝—小脑屯—谭家洞一线展布(图1)，管道长约3 km，依据如下：①洞穴探测发现，地下河管道展布方向约40°(E点位置测量)，与小脑屯正断裂(F6)走向近于一致；②物探资料显示，F6断裂电阻率极低，可能为张性断裂带，有利于地下河管道的形成；③地面调查可知，沿F6断裂一线发育多处岩溶洼地与落水洞，表明地下河的发育和展布与断裂带具有相关性；④区域裂隙面统计结果表明，地下河展布方向与优势结构面保持一致。通过地下水系统的划分，确定补给区面积约10 km2，与沿河幅水文地质调查项目确定的径流模数差异不大；并确定谭家洞地下河的伏流口为百鸟坪伏流口，其高程约960 m(图3)。

图1 木黄一号隧道隧址区水文地质简图Fig.1 Hydrogeological map of Muhuang No.1 tunnel area1.奥陶系下统大湾组；2.奥陶系下统桐梓组—红花园组；3.寒武系上统毛田组；4.寒武系上统后坝组；5.寒武系中统平井组；6.寒武系中统高台组；7.寒武系下统清虚洞组；8.寒武系下统明心寺组—金顶山组；9.寒武系下统牛蹄塘组；10.地质界线；11.正断层；12.性质不明断层；13.岩溶泉；14.岩溶洼地；15.落水洞；16.地下河出口；17.地下河进口；18.地下河系统边界(地下分水岭)；19.推测地下河管道。

图2 谭家洞地下河管道(近出口段)分布示意图Fig.2 Distribution map of Tanjiadong undergroundriver pipeline(near outlet section)1.谭家洞排泄口；2.溶洞口及编号；3.推测地下河管道；4.正断层；5.寒武系中统高台组；6.层理产状。

图3 谭家洞地下河剖面示意图Fig.3 Schematic diagram of Tanjiadong underground river section1.寒武系中统高台组；2.白云岩；3.层理产状；4.推测地下河管道；5.伏流口/出水口高程。

3.3 白水溪地下河系统

白水溪地下河排泄口位于木黄一号隧道出口所在沟谷，出露高程为840 m，调查时为丰水期，流量约350 L/s。该地下河管道主要受寒武系中统平井组层面控制，沿香树湾—白水溪一线展布，长约1.4 km(图4)。根据地表岩溶洼地、落水洞的分布特征及地形地貌特点，综合分析认为白水溪系统与谭家洞系统西部相接，北侧以地表分水岭为界，东侧边界处于寒武系中统平井组底部，西侧以地表溪沟为界，补给面积约7 km2。补给区内发育洼地、落水洞10个，出露地层主要是寒武系中统白云岩。该系统以点状注入式补给为主、面状入渗为辅。

图4 白水溪地下河剖面示意图Fig.4 Schematic diagram of Baishuixi underground river section1.寒武系中统平井组；2.白云岩；3.层理产状；4.推测地下河管道；5.伏流口/出水口高程。

本次研究于2017年8月18日在香树湾伏流口投放荧光素钠示踪剂4 kg，于8月25日在白水溪排泄口开始接收到反馈数据，确定了香树湾伏流口为白水溪地下河的伏流口。荧光素钠浓度曲线为单峰陡坡平直型，两翼较对称，初显时间较长，显示地下河结构较复杂，可能为单支多潭岩溶管道，具有大水力坡度水文地质特征。

4 结论

(1) 木黄一号隧道隧址区地下水系统分为牛家泉溶洞溶隙泉域系统、谭家洞地下河系统和白水溪地下河系统，牛家泉系统以面状渗入式补给为主、注入式补给为辅，平水期流量约20 L/s，泉域汇水面积约1.5 km2；谭家洞系统受控于NE向张性断裂带和寒武系中统高台组地层，地下水管道可能沿百鸟坪伏流口—河沙坝—小脑屯—谭家洞一线展布，长约3 km，丰水期流量约300 L/s，补给区面积约10 km2；白水溪系统受控于寒武系中统平井组岩层面，地下水管道可能沿香树湾伏流口—白水溪一线展布，长约1.4 km，丰水期流量约350 L/s，补给区面积约7 km2。

(2) 通过调查可知，木黄一号隧道不可避免地受谭家洞地下河系统影响，排除了白水溪地下河系统的影响，本次研究为隧道选线、水害防治设计、隧道设计提供了可靠依据。