基于水力联系分析的现代岩溶影响层深度确定方法

陈启军,张小平,曹振中

(1.中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州 510610; 2.桂林理工大学 土木与建筑工程学院,广西 桂林 541004)

0 引 言

覆盖型岩溶[1-2]区域的河谷随着峡谷期、宽谷期和盆地期三期演化[3-4],两岸地下水位降低,岩溶水动力作用影响深度减小,地下岩溶发育具有明显的垂直分带性,由下至上可分为深层孤立洞隙层、中层强化岩溶层和现代岩溶影响层(河谷演化盆地期形成的岩溶化地质体分层)。处于盆地期的现代岩溶影响层经历三期岩溶水动力作用,岩溶发育强烈,洞隙充填性差,渗透系数大,对坝基渗漏起着控制作用。对低水头水电站大坝而言,通常允许一定量的坝基渗漏,对现代岩溶影响层进行防渗处理可以满足设计要求,比如采用悬挂式帷幕,不需要将防渗帷幕底界深入相对隔水层中,可大大减少坝基岩溶渗漏防渗处理工程量,节约工程投资。因此,准确、有效确定现代岩溶影响层深度十分关键。

关于现代岩溶影响层下限的确定,王家骏[5-6]通过对坝基岩体溶蚀洞隙充填物的成分、颜色、颗粒级配、充填程度、土壤状态(稠度)以及袍粉等深入统计分析,并将其与地表阶地堆积、新构造运动特征进行对比,指出坝基岩溶和洞隙充填物具有垂直分带规律,将坝基岩溶化地质体划分为3层不同程度的岩溶化层,找出现代岩溶影响层分布高程。此外,还可通过钻孔内水温、水电阻率、水质与河水进行对比分析,若孔内某一高程之上岩溶水水温、水电阻率、水质与河水均非常接近,说明该高程以上洞隙岩溶水与河水之间联系密切,可认为该高程是现代岩溶影响深度的下限[7-10]。通过钻孔分层压水试验和分层水位观测,根据垂直剖面上岩体透水率、地下水位高程及地下水位有无突变情况,可划分岩溶水系统[11]。然而,这些方法未能反映不同高程的岩溶化地层之间水力联系密切程度,难以区分岩溶化深层孤立洞隙层、中层强岩溶化层、现代岩溶影响层。

本文在整合覆盖型岩溶区河谷地貌的三期演化理论和河谷地下岩溶的三期分层模型基础上,依据现代岩溶影响层受三期岩溶水动力持续强化作用,岩溶发育强烈、层内溶蚀洞隙扩大或连通、构成网格化的溶蚀洞隙系统且系统内岩体渗透系数大、洞隙之间水力联系密切的特点,在坝基钻孔垂直剖面上采用双栓塞分层止水压水试验,获取不同层位岩溶的水力联系密切程度。与常规压水试验不同,本方法在钻孔内实行下段压水试验+上段同步监测水压力变化,从而获得下段与上段的水力联系密切程度,只要找出下段与上段岩溶水力联系相对较弱的界限,即可作为现代岩溶影响层的下限深度。本文旨在提出更好地分析坝基岩溶渗漏重点地带的方法,可靠、有效地划分现代岩溶影响层的下限深度,据此明确防渗目标层和防渗依托层。

1 覆盖型岩溶河谷地下岩溶化分层模型

根据裸露型岩溶山区河谷地貌及岩溶水动力演化模式[12-14],提出覆盖型岩溶区河谷水动力演化过程。现代岩溶盆地由上一期夷平面重启,经过峡谷期、宽谷期岩溶演化而来,地下岩溶化程度与三期岩溶水动力作用相关。

(1) 峡谷期河谷深切,两岸高程接近夷平面,河流常呈“V”形谷,岸坡地下水较高,为河谷产生深层倒虹吸带提供了足够高的岩溶化作用水头。然而,由于峡谷期河流快速下切,或地壳快速抬升,深循环带内岩体受岩溶水动力作用时间较短,溶蚀洞隙尚未扩大或相互连通,后期不再继续受到明显岩溶水强化作用,洞隙呈无充填状或充填早期阶地堆积物,层内部的孤立洞隙之间以基岩裂隙水联系,与上面岩溶化岩层的水力联系弱或基本无联系。将深循环带内含孤立洞隙岩溶化层划分为深层孤立洞隙层。

(2) 随着两岸可溶岩被不断溶蚀侵蚀,岸坡后退,河谷由峡谷向宽谷演化,并在两岸形成堆积阶地,岸坡地下水降低,岩溶作用水头相应变小,但依然能形成倒虹吸作用,并对残留的峡谷期中上部岩溶化层持续作用,岩溶发育程度比深层孤立洞隙层强,呈中等-弱发育,洞隙充填中期阶地堆积物和溶蚀残积影响充填物。残留的峡谷期中下部岩溶化层不再受后期的岩溶水强化作用,岩溶发育弱,与中上部中等-弱岩溶化层的水力联系也较弱。将中上部呈中等-弱发育的岩溶化层划分为中层强化岩溶层。

(3) 宽谷后期河流向现代盆地河流演化,两岸地下水位持续降低,岩溶作用水头更低,但仍然可以对残留的宽谷期中层强化岩溶层的浅部进行岩溶水动力作用。岩溶水动力作用范围内岩溶愈发强烈,溶蚀洞隙扩大或相互连通,构成网格化的溶蚀洞隙系统。该系统不仅内部的洞隙之间水力联系密切,而且与现代地表及地下水有着密切的交换关系,对坝基渗漏起着控制作用,是坝基防渗的目标层。将这种溶蚀洞隙呈网格化发育的岩溶化层划分为现代岩溶影响层。

动态平衡理论认为,早期形成的岩溶是后期演化改造的基础,而上述岩溶化分层思想则是对岩溶作用动态平衡理论[15-16]的传承和创新。依据岩溶作用水头逐渐变低、岩溶化深度越来越浅的规律和岩溶作用动态平衡理论,提出覆盖型岩溶河谷地下岩溶的三期分层模型,即深层孤立洞隙层、中层强化岩溶化层和现代岩溶影响层,其中现代岩溶影响层的确定是本文研究的重点。

2 现代岩溶影响层下限深度确定

2.1 岩溶水力联系分层结构模型

现代岩溶影响层内水力联系密切,通过有效测定上、下相邻岩溶层水力联系的变化规律,可划定现代岩溶影响层的下限深度。针对现代岩溶影响层岩溶发育强烈、层内洞隙多被网络化、洞隙之间水力联系密切的特征,提出了坝基岩体岩溶水力联系密切程度的测试方法,测试结构装置主要由钻孔、压水工作管、套管、止水栓塞、上段(水压观测段)、下段(压水试验段)和存储型压力传感器组成,具体结构见图1。

图1 上、下相邻岩溶层水力联系测试模型Fig.1 Test model for hydraulic connection between upper and lower adjacent karst layers

现代岩溶影响层下限深度确定的具体方法:在钻孔内从上至下进行分层岩溶水力联系密切程度测试,每段测试时,在压水段和观测段分别安装存储型压力传感器,测量、记录压水段和观测段的水压力变化过程;根据压水段、观测段的水压力曲线相关性,确定现代岩溶影响深度所在的位置。压水试验按三级压力5个阶段进行,水压力曲线表现出5级平台,如图2所示,其中第1级、第5级平台为初始压力阶段,第2～4级平台为三级加压测试阶段

图2 岩溶水力联系相关性判别Fig.2 Karst hydraulic correlation discrimination

2.2 上、下相邻岩溶水力联系相关性判别

若岩溶发育强烈,岩溶水力联系密切,压水试验过程中压水段、观测段的水压变化曲线同升、同降,且两者的压力值较为接近,表现出明显的同步性,可判定为洞隙型水力联系,如图2(a)所示。若压水段、观测段的水压力曲线具有一定的同步性,而观测段水压力却明显偏小,两段通过溶蚀裂隙产生水力联系,岩溶中等发育,可判定为裂隙型水力联系,如图2(b)所示。若压水段的水压力曲线变化过程明显,而观测段水压力基本没有变化,呈直线状,上、下两段基本没有相关性、无水力联系,岩溶发育弱-微,可判定为孤立洞隙型水力联系,如图2(c)所示。

根据压水试验压水段、观测段的水压变化曲线是否明显相关或同步,划分出坝基现代岩溶影响层、中层强化岩溶层、深层孤立洞隙层,从而确定现代岩溶影响层的下限深度。若在压水试验段和水位(压)观测段分别安装三参数(水压、温度、盐离子)传感器,测量并记录存储压水试验段和水位(压)观测段的三参数变化过程,可更加准确判别现代岩溶影响层的下限。本方法基于覆盖型河谷三期演化和河谷地下岩溶的三期分层模型结构(垂直剖面上分带性),通过对观测段和压水段岩溶水力联系密切程度的研究,确定现代岩溶影响层下限深度。与传统方法相比,本方法是一种全新的直接判定方法。

3 工程实例验证

某水电站拟建于红水河支流上,属于低水头径流式水电站。工程区地处广西河池市境内岩溶盆地,坝址覆盖层为第四系粉质黏土,层厚8.8～13.5 m,下伏基岩为石炭系马平组(C3)白云质灰岩,坝址河段呈纵向谷,覆盖型岩溶发育。

根据钻孔揭露,坝基岩体岩溶发育在垂直剖面上具有分带性,故需要查明现代岩溶影响层深度。通过现场钻孔可知,孔深9.6～30.8 m发育7层溶洞,岩溶发育强烈;孔深30.8～40.0 m仅发育一层溶洞,其他岩溶形态为溶蚀裂隙为主;孔深40 m以下未见溶洞发育,岩心表面零星分布溶孔、溶蚀裂隙。从上至下进行分段岩溶水力联系密切程度测试,见图3。试验结果表明:孔深9.6～30.8 m岩溶强烈发育(图4(a)),压水段和观测段水力联系密切,两段的水压变化曲线同升、同降,且两者的压力值较为接近,为洞隙型水力联系,如图4(b)所示;孔深30.8～40.0 m发育相对较弱(图5(a)),压水试验时压水段和观测段的水压力虽有一定的同步性,但观测段水力值明显偏小,两段基本通过溶蚀裂隙产生水力联系,为裂隙型水力联系,如图5(b)所示;孔深40 m以下岩溶不甚发育(图6(a)),在该段进行压水时,观测段水力基本没有变化,为孤立洞隙型水力联系,如图6(b)所示。

图3 岩溶水水力联系测试现场Fig.3 Field test of karst hydraulic connection

图6 孤立洞隙型水力联系特征验证Fig.6 Verification of weak connection characteristics of isolated cavity

通过上、下两段水压力变化曲线判别压水段与观测段水力联系密切程度。由图4(b)可知,压水段和观测段水力联系密切,上、下两段水压力曲线变化同步且变化幅度相似;由图5(b)可知,压水段和观测段虽然具有一定的同步性,但两段水压力曲线变化幅度明显不同;由图6(b)可知,压水段水压力呈三级压力5个阶段变化,而观测段水压力曲线呈直线状,说明上、下两段之间基本无联系。

通过分析压水段和观测段水压力相关性,确定该孔30.8 m以上为现代岩溶影响层,即现代岩溶影响层下限深度为30.8 m。依次确定坝轴线多个钻孔的现代岩溶影响层下限,可为整个坝基防渗深度提供设计依据。

4 结 论

(1) 低水头水电站大坝通常允许一定量的坝基渗漏,对溶蚀洞隙相互贯通、透水性强的现代岩溶影响层进行防渗处理即可满足设计要求,不需要将防渗帷幕底界深入相对隔水层中,可以大大减少坝基岩溶渗漏防渗处理工程量,节约工程投资。因此,准确、有效确定现代岩溶影响层深度非常关键。

(2) 覆盖型岩溶区河谷地貌的三期演化和河谷地下岩溶的三期分层模型是岩溶动态平衡理论的传承和创新。基于此,提出了确定现代岩溶影响层深度的新方法,即在钻孔内自上而下进行分层岩溶水力联系密切程度测试,根据压水段、观测段的水压力曲线相关性,分别给出了洞隙型、裂隙型、孤立洞隙型水力联系的判别方法,从而确定现代岩溶影响深度所在的位置。

(3) 以某水电站坝基岩体分层压水试验为例进行分析,结果表明:根据压水段、观测段的水压力实测曲线特性判定的岩溶类型与钻孔揭露的岩溶发育情形相符,验证了提出的确定现代岩溶影响层深度的方法具有较高可靠性。但这种新方法需要大量有关水力联系密切程度的试验数据作为支撑,其在应用推广上还有待进一步加强。