红层砾岩岩溶发育特征及其工程地质问题分析

贾召文 马力刚

收稿日期：

2023-07-07

基金项目：

中国大唐集团公司科研项目（DTXZ-01-2023）

作者简介：

贾召文，男，工程师，主要从事水利水电工程施工和合同管理工作。E-mail：jiazhaowen@126.com

引用格式：

贾召文，马力刚.红层砾岩岩溶发育特征及其工程地质问题分析——以丹江口水利枢纽坝址区为例

［J］.水利水电快报，2024，45（1）：18-22.

摘要：

为准确评价坝址区红层砾岩对丹江口水利枢纽左岸土石坝地基稳定的地质影响，通过详细勘察、历史比较、试验与测试等综合分析，查明了这种不同于一般碳酸盐岩的红层岩溶工程特性。结果表明：红层砾岩岩溶发育程度主要受山体形状、上覆岩层性状、阶地发育等因素控制，具有明显的水平分带性；以这类砾岩作为坝基，可能存在沉陷变形、抗滑稳定、渗透变形等问题，需要进行专门处理。研究成果可为红层砾岩岩溶勘察及红层砾岩上建坝的主要工程地质问题分析提供了参考。

关键词：

红层砾岩； 岩溶； 沉陷变形； 渗透变形； 抗滑稳定性； 丹江口水利枢纽

中图法分类号：TV640.3

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.003

文章编号：1006-0081（2024）01-0018-05

0  引  言

红层主要是指中生代以来即三叠纪、侏罗纪、白垩纪和新生代古近纪沉积形成的碎屑岩，总体为红色。徐瑞春等［1］对红层沉积相以及软弱夹层成因类型、物理力学性质和主要工程地质问题等进行了深入研究。贾龙等［2］基于中国东南、南部红层中发育的岩溶塌陷现象，研究了红层岩溶的形成机制，认为红层岩体中含有灰质、钙质砾石是岩溶形成的物质基础，顺裂隙潜流的地下水对砾石进行溶蚀。湛若云等［3］调查丹江口水库坝区的红层分布及岩溶现象，认为红层岩溶形态与砾岩的胶结类型、结构完整性及密实程度密切相關。

丹江口水利枢纽作为南水北调中线的水源工程，是具有防洪、灌溉、发电、航运等综合效益的大型水利工程，其挡水建筑物主要由混凝土坝及其左岸土石坝、右岸土石坝组成［4-5］。左岸广泛分布上白垩系红层砾岩，砾岩中发育岩溶，对大坝建设不利。本研究通过详细调查、历史比较、测试试验等，查明了红层砾岩的分布、岩溶成因及其形成时期和发育规律，分析了红层岩溶对丹江口水利枢纽大坝建设的影响，为工程建设和安全运行提供可靠的保障，有助于进一步完善红层勘察及地质评价体系。

1  岩溶形成条件与形态特征

1.1  红层砾岩分布

丹江口水利枢纽大坝坝址位于汉江与丹江汇合口下游1.5 km的汉江干流上，为低山、丘陵地貌，其中左岸发育王大沟、张家沟、汤家沟、糖树沟等冲沟，冲沟之间分布张老岭、张芭岭、汤糖岭等山脊，尖山、天星庙岗是山脊最高处。

左岸土石坝坝址区分布白垩系上统红层砾岩（图1），呈北东东向分布，并以8°～12°的岩层倾角倾向南东，与下伏元古界副片岩为不整合接触。由于底砾岩中可溶性碳酸岩盐含量很高，在地下水、地表水渗流溶蚀作用下，常形成不同类型的岩溶现象。

1.2  岩溶形成的物质基础

坝址区内底砾岩为白垩系上统第一段（K12）内陆湖盆地边缘的冲积洪积堆积物，与下伏岩层元古界变质岩为不整合接触关系，上覆岩层有白垩系上统第二段（K22）泥岩和第三段（K32）砂岩、砂砾岩。根据岩性的不同，K22可分为K2-12～K2-72共7层，K32可分为K3-12～K3-52共5层。尖山一带出露齐全，张老岭和汤糖岭一带仅出露K2-12～K2-42。

砾岩为基底式钙质或泥质胶结，以钙质胶结为主。砾石成分主要为灰岩、脉石英，片岩、石英岩、燧石次之。汤糖岭一带底砾岩中砾石以片岩、脉石英为主，岩浆岩、灰岩次之。

由于砾岩胶结物以钙质为主，砾石中灰岩成分含量为50%～70%（除汤糖岭分布的砾岩外），因此岩石化学组分中可溶性碳酸岩盐含量颇高，碳酸钙平均含量可高达61.82%，为地表水、地下水对岩石的溶蚀提供了物质基础［6］。

1.3  岩溶形态特征

根据现场调查与勘探成果，砾岩中呈现出不同类型的岩溶现象，按照其形态特征可分为以下两类。

第一类为溶蚀裂隙、溶沟、溶槽，主要发育于山体边缘、上覆岩体单薄处和三级、四级阶地底部。在山体内部，岩溶发育主要受北东东、北西西向构造裂隙、原生裂隙的控制；在山体边缘，岩溶发育受山体走向、地下水排泄方向的控制，因而溶蚀裂隙多垂直于山体斜坡走向。溶蚀裂隙的长度一般为1～2 m，最长10 m以上，宽度一般为0.5～1.0 m，最宽可达1.5 m。

第二类为溶洞，根据其发育条件及特征，又可分为底砾岩与副片岩之间沿不整合面发育的溶洞和不同胶结类型砾岩之间沿层面发育的溶洞。

（1） 底砾岩与副片岩之间沿不整合面发育的溶洞。主要发育于山体边缘，呈喇叭状向山体延伸直至尖灭。这类溶洞的形成主要因地表水顺裂隙向下渗流而在渗流过程中逐渐溶蚀砾岩。当水流下渗至不整合面时，下伏全强风化岩层透水性较强，水流急速下渗，为水流主要径流方向。因为不整合面接触带存在渗透水流，在漫长的地质年代内，不整合面以上的底砾岩被溶蚀。山体内部形成的岩溶特征与边缘有所不同，在山体内部，地表水通过裂隙下渗至不整合面后向四周径流，溶洞向四周尖灭呈倒置的“碟”状，其内充填溶蚀残余物，见图2（a）～（b）；在山体边缘，地表水补给量较大，下渗至不整合面后径流流速较快，形成长轴方向近垂直于山体地形的岩溶，其中部分或全部溶蚀残余物被带走形成溶洞，见图2（c）～（d）。

（2） 不同胶结类型砾岩之间沿层面发育的溶洞。此类溶洞多发育于山体内部，沿钙质胶结的砾岩与其下部泥质胶结的砾岩间层面发育并逐渐向上扩张，呈扁豆状，规模大小不等，长度可达高度的数十倍。钙质胶结的砾岩为可溶盐岩，泥质胶结的砾岩中可溶盐成分含量甚微，为相对隔水层。地下水顺砾岩裂隙下渗，形成溶蚀裂隙；另一方面，水下渗至泥质胶结的砾岩顶面时受阻隔，地下水顺层面径流对钙质胶结的砾岩继续产生岩溶作用。

此外，砾岩岩溶还具有以下3个显著特性：① 砾岩上覆岩层单薄或无上覆岩层时，岩溶现象更为发育；② 如张芭岭地段竖井地质编录图（图3）所示，砾岩由于地表水的长期溶蚀作用，表面分布一层厚1～2 m的原岩溶蚀残余物（无外来物质充填），岩面凹凸不平，这些残余物往往与溶蚀裂隙、溶洞相连；③ 地表水或地下水多沿砾岩裂隙、层面运动，并逐渐向四周扩散、溶蚀可溶性碳酸盐岩［7］，形成的岩溶也为扩散状，围岩由内而外分别为强、中等、弱、微溶蚀带。这种扩散溶蚀过程显著表现在各带砾岩化学组分的变化上，即砾岩溶蚀越强，CaO含量越小，SiO2含量越高，如图4所示。

2  岩溶形成时期及发育规律

2.1  岩溶形成时期

自红层沉积以来，该区地壳一直处于缓慢抬升阶段，汉江各级阶地、沟谷塑造了区域的地貌景观，地表水的渗流条件和地下水的补给排泄条件也随之发生剧烈变化，因而不同地质年代形成的岩溶及其程度也不同［8］。根据本区岩溶的形成条件和发育特征，可分为以下3个时期。

（1） 汉江阶地形成之前为较古老的岩溶。该类岩溶被上覆红层所覆盖，地表水垂直下渗受阻，形成以水平溶洞为主的岩溶。由于现代岩溶的发育，古岩溶与现代岩溶难以区分，目前仅在张老岭北坡见发育；溶洞发育于底砾岩下部，洞底以8°左右的角度向山体倾斜，呈喇叭状向内延伸，此方向恰与本区古水文系的排泄方向一致。因岩石透水性弱（仅沿裂隙和层面渗流），地下水循环缓慢，本期形成的岩溶不发育。尖山山体中心一带十余个钻孔资料显示，仅个别钻孔揭示有岩溶现象。

（2） 汉江阶地形成过程中，江水对阶地基座岩石冲刷和侵蚀，砾岩上覆岩層变薄或侵蚀无余，砾岩长期处于水下，加剧了岩溶发育，阶地后缘地下水向汉江排泄也使岩溶化程度加深。因此，在各级阶地底部，基座岩石为砾岩或砾岩上覆岩层单薄时，岩溶强发育。如图5所示，以汤家沟、芭茅沟之间的三级阶地为例，砾岩中溶蚀裂隙纵横交错，主体方向（走向）50°～70°，与地下水向汉江的排泄方向基本一致。

（3） 沟谷切割后，地下水下降至红层下伏副片岩中，红层中仅有局部上层滞水存在。大气降水为其地下水唯一的补给来源，但因地表长期遭受剥蚀，沟谷纵横交错，大气降水一般难以下渗而急速汇流入沟谷中，仅在山体边缘平台或低洼处，上覆岩层单薄或底砾岩直接裸露地表，地表水下渗和地下水汇集较易，使该时期岩溶的发育具有明显的水平分带性：山体顶部，水流下渗受阻于较厚的上覆岩层，岩溶不发育，局部地带上覆岩层较薄，仍可发现规模较大的岩溶；山体边缘，尤其是山体边缘地形平缓处，水流条件优于山脊或斜坡，岩溶强发育，以溶蚀裂隙、溶沟、溶槽为主，纵横交错并常与不整合面岩溶相连通。垂直于山体斜坡走向的岩溶多形成于该时期。

2.2  岩溶发育规律

砾岩中的岩溶发育具有明显的水平分带性，主要受山体形状、上覆岩层性状、阶地发育等因素控制。阶地砾岩基座岩溶一般强发育，山体边缘又较山体内部发育。这种特殊岩溶与一般碳酸盐岩岩溶［9］具有明显不同的发育规律。

此外，随砾岩中可溶盐含量不同，岩溶化程度也有差别。汤糖岭地形条件、水文条件与张芭岭、张老岭近乎一致，但汤糖岭砾岩中砾石含量以片岩、脉石英为主，其岩溶化程度弱于其他两地。

3  岩溶工程地质问题及地基处理

岩溶的形成与发育改变了原岩的性状，使半坚硬的砾岩变为松散的砾石土或含砾黏土，岩石的物理力学性质和化学组分发生变化。在砾岩岩溶发育地带建土石坝可能存在坝基沉陷变形、渗透变形、抗滑稳定等工程地质问题［10-11］。

3.1  沉陷变形问题

原岩为半坚硬岩石，承载力较高，单轴饱和抗压强度一般大于11.4 MPa，而溶蚀残余物呈松散状，压缩系数大于0.4 MPa-1，具中、高压缩性，因此存在以下2个方面问题：① 阶地底部砾岩表面一般分布有厚度不等的溶蚀残余物，以此为坝基，将会产生沉陷变形问题；② 山体及其边缘岩溶中充填溶蚀残余物，在上覆岩层厚度不够时，因坝基应力传递，也会产生沉陷变形问题［12］。

3.2  渗透变形问题

砾岩溶蚀残余物的SiO2、R2O3含量相对原岩较高，易溶盐成分显著减少。从颗粒级配看，原岩中粒径大于2 mm的颗粒占43%～69%，而残余物中此粒径组颗粒含量10%～25%，颗粒变细，物理力学性质变化更大，其中含砾黏土、黏土的天然含水率分别为23.5%、28.9%，孔隙比分别为0.900、1.103，且崩解性较强，其崩解率分别为23.4%、62.2%，如表1所示。

针对残余物进行了野外机械管涌冲刷试验，结果表明：当总压力为0.176 MPa时，软弱夹层产生机械管涌和冲刷，对应的临界水力梯度为6.41，试验结果符合残余物特性［13］。因此，受砾岩岩溶发育及其连通性影响，在一定压力水头作用下会出现机械管涌。因残余物中可溶盐成分含量极微，出现化学管涌的可能性不大。

3.3  抗滑稳定问题

分布于张芭岭四级阶地底部的砾岩溶蚀残余物呈层分布于整个山脊，坝体位于其上。残余物天然含水率较大，抗剪强度较低，其中黏土、含砾黏土黏聚力15～18 kPa、内摩擦角15.8°～20.4°，下部为完整砾岩。稳定性计算结果表明，坝体有可能沿坝基残余物土层发生滑动。

3.4  地基處理

由于红层砾岩中岩溶较发育，左岸土石坝布置时尽量避让红层砾岩，最终选择的坝轴线多位于元古界副片岩地段。大坝截水槽开挖时，对局部红层砾岩地段（如汤糖岭）进行了专门地基处理：挖除强溶蚀带，换填混凝土，清挖厚度一般为1～3 m，最大厚度5 m；弱溶蚀带厚度较大，可予以利用，但需进行加强灌浆处理。后期沉降、变形监测成果表明，左岸土石坝运行正常。

4  结  语

丹江口水利枢纽左岸土石坝坝基白垩系红层砾岩岩溶的形成是短暂或间歇性的地表水、地下水作用的结果，地表水、地下水往往沿裂隙、层面、不整合面活动，因此形成的岩溶具有一定的规律性。岩溶发育程度一般在山体边缘较强，中心地带较弱，阶地砾岩基座岩溶化程度最高。岩溶中一般充填溶蚀残余物，水对砾岩的扩散溶蚀作用使可溶物被带走，可能导致坝基沉陷变形、抗滑稳定等问题，同时在一定压力水头作用下，将会发生渗透变形破坏。红层砾岩岩溶现象在一定程度上对该区域枢纽工程建设有不利影响。经过相应的地基处理措施，丹江口水利枢纽左岸土石坝运行正常。

参考文献：

［1］  徐瑞春，周建军.红层与大坝［M］.武汉：中国地质大学出版社.2010.

［2］  贾龙，吴远斌，潘宗源，等.我国红层岩溶与红层岩溶塌陷刍议［J］.中国岩溶，2016，35（1）：67-73.

［3］  湛若云，陈泽涛，曾光辉，等.丹江口库区地质灾害发育特点与防治建议［J］.水利水电快报，2020，41（4）：31-36.

［4］  长江勘测规划设计研究有限责任公司.丹江口水利枢纽大坝加高工程初步设计阶段工程地质勘察报告［R］.武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2004.

［5］  长江勘测规划设计研究有限责任公司.丹江口水利枢纽大坝加高工程初步设计报告［R］.武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2004.

［6］  李廷勇，王建力.中国的红层及发育的地貌类型［J］.四川师范大学学报，2002，25（4）：427-431.

［7］  林永生，裴建国，邹胜章，等.清江下游红层岩溶及其水化学特征［J］.广西师范大学学报，2018，36（3）：113-120.

［8］  程强，寇小兵，黄绍槟，等.中国红层的分布及地质环境特征［J］.工程地质学报，2004，12（1）：34-40.

［9］  吴志才，彭华.广东红层形成及其发育规律研究［J］.热带地理，2006，26（3）：207-210.

［10］  郭永春，谢强，文江泉.我国红层分布特征及主要工程地质问题［J］.水文地质工程地质，2007，34（6）：67-71.

［11］  王小毛.重力坝深层抗滑稳定失稳判别标准探讨［J］.水利水电快报，2020，41（2）：1-4，16.

［12］  杜雪珍，张猛，朱锦杰.面板堆石坝实测沉降变形性态研究［J］.水利水电快报，2022，43（8）：65-69.

［13］  黄振伟.丹江口水利枢纽大坝地基的渗流特性［J］.资源环境与工程，2009，23（4）：419-424，446.

（编辑：江  焘，高小雲）

Analysis on characteristics and engineering geological problems of red conglomerate karst： an example of dam site area of Danjiangkou Water Control Project

JIA Zhaowen1，MA Ligang2

（1.Tibet Datang Zhala Hydropower Development Co.，Ltd.，Chengdu 610000，China；  2.Changjiang Geotechnical Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to accurately evaluate the geological influence of the red conglomerate in the dam site area on the foundation stability of the left bank earth-rock dam of Danjiangkou Water Control Project，the engineering characteristics of the red bed karst different from the general carbonate rock were identified through comprehensive analysis of detailed investigation，historical comparison，test and measurement.The results showed that the karst development degree of the red conglomerate was mainly controlled by the mountain shape，overlying strata properties，terrace development and other factors，and had obvious horizontal zoning.If this kind of conglomerate was used as the dam foundation，there would be some problems such as subsidence deformation，anti-sliding stability，seepage deformation and so on，which required special treatment.The research results can provide a reference for the investigation of karst in the red conglomerate and the analysis of the main engineering geological problems of the dam built on the red conglomerate．

Key words：

red conglomerate； karst； subsidence deformation； seepage deformation； anti-sliding stability； Danjiangkou Water Control Project