李會強 閆常赫

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

無論從平面上，還是空間上，中國巖溶發(fā)育都體現(xiàn)了多樣性和復(fù)雜性。據(jù)統(tǒng)計，中國碳酸鹽出露面積約91萬km2，加上已知的隱伏性巖溶，巖溶分布總面積達340萬km2，約占全國面積的1/3[1]。針對巖溶問題，已有許多學(xué)者開展相關(guān)研究，曹賢發(fā)等研究中國巖溶的分區(qū)[2]；王增銀等認(rèn)為清江流域是中部地區(qū)最為典型的巖溶發(fā)育區(qū)之一[3-4]；李光偉給出巖溶區(qū)工程選線的8條建議[5]；劉興云通過多元示蹤試驗，為地下暗河研究提供一種可行方法[6]；另外，還有其他學(xué)者通過示蹤試驗對巖溶地下水文進行深入研究[7-8]。

清漁河間地塊地處湖北宜昌，巖溶形態(tài)多樣，地下暗河發(fā)育，對交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)造成極大困難。因此，對清漁河間地塊巖溶進行研究很有必要。

1 清漁河間地塊自然地理概況

清漁河間地塊為清江及其支流漁洋河交匯形成，面積約1 200 km2。區(qū)內(nèi)屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，具有四季分明，雨熱同期，寒旱同季的氣候特征。多年平均降水量為1 701.4 mm，最大年降水量為1 999 mm，最大24 h降雨量為279.5 mm。年平均氣溫為13.7 ℃～17.6 ℃，極端最高氣溫43.1 ℃，極端最低氣溫-15.6 ℃。清漁河間地塊位于構(gòu)造溶蝕、剝蝕中低山、丘陵區(qū)，高程200～1 000 m，相對高差50～500 m。區(qū)內(nèi)溝谷深切，自然坡度較陡，局部近直立，地勢整體起伏較大，受地質(zhì)構(gòu)造影響西高東低，溪河流向和山脈走向大致平行褶皺軸成近東西向展布。區(qū)內(nèi)溶蝕地貌較為明顯，溶洞、溶溝、暗河、峰叢、孤峰、落水洞、天坑、溶丘、洼地等巖溶形態(tài)十分發(fā)育。地下水主要為碳酸鹽巖巖溶水、松散巖類孔隙水和碎屑巖裂隙水3種。區(qū)內(nèi)雖然降雨充足，雨量豐沛，但地表河流干涸，是典型的喀斯特干旱地貌。

清漁河間地塊除侏羅系缺失以外，其他地層均有出露，巖性主要為寒武、奧陶系白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r和二疊系、三疊系灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r夾炭質(zhì)泥巖、頁巖及煤層。區(qū)內(nèi)主要由東西向的褶皺和北西向的斷裂組成，在剖面上體現(xiàn)為“一箱兩直兩歪”的構(gòu)造形態(tài)，見圖1、圖2。

圖1 褶皺帶構(gòu)造剖面

圖2 地質(zhì)構(gòu)造綱要

2 清漁河間地塊地質(zhì)背景

2.1 地質(zhì)發(fā)展史

清漁河間地塊屬揚子準(zhǔn)地臺上揚子臺坪八面山褶皺帶，位于新華夏系第三隆起帶內(nèi)，自古生代至中三疊系，清漁河間地塊是穩(wěn)定的地臺區(qū)，中三疊后期的印支運動，區(qū)域大面積抬升，產(chǎn)生了東西向的隆起、凹陷及相應(yīng)的北北西和北北東向扭裂面，燕山運動使得侏羅系及以前地層普遍褶皺，形成一系列的褶皺和斷裂，第三紀(jì)開始的新構(gòu)造運動繼承了燕山運動的特征，山區(qū)上升，盆地下降，中更新世以來清漁河間地塊構(gòu)造體現(xiàn)為震蕩抬升，并且抬升幅度相對均勻[9]。

2.2 水文巖溶發(fā)展史

清漁河間地塊水文發(fā)展受地形地貌、水文氣象和構(gòu)造運動等多項因素控制，其中構(gòu)造運動是決定因素。白堊系之前，鄂西—川東地區(qū)西降東升，地表水自東向西流入四川盆地，白堊系燕山運動致使古地貌發(fā)生巨大變化，東部形成江漢盆地，西部恩施、建始形成斷陷盆地，中更新世漢江盆地襲奪恩施盆地形成自西向東的清江水系[10-11]。

清漁河間地塊巖溶發(fā)展演化過程中，既具有階段性，又具有繼承性。階段性形成巖溶臺面(或巖溶夷平面)，繼承性形成了巖溶疊加，既保留了早期巖溶作用的痕跡，又開啟新巖溶的塑造[12-13]。清漁河間地塊巖溶經(jīng)歷鄂西期(2 000 m)、臺原期(1 600 m)、山原期(1 200 m)、山盆期(800 m)、云盆期(400 m)和清江期(50～240 m)發(fā)展過程，見圖3。

圖3 巖溶發(fā)育過程示意

3 清漁河間地塊巖溶發(fā)育特征

清漁河間地塊碳酸鹽巖約占總面積的82%，受控于地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、氣候和水動力條件，結(jié)合其發(fā)育位置特征，可分為巖溶臺地、巖溶斜坡、巖溶暗河[14]。

3.1 巖溶臺地

巖溶臺地主要分布在高程500～1 000 m的分水嶺地帶，位于松園坪斷裂和曾家坪斷裂附近，多呈平緩的高原巖溶臺面。洼地面積一般小于2 km2，地形相對高差一般小于100 m。大氣降水多以分散的形式在洼地中匯集，經(jīng)洼地底部的管道狀落水洞或溶蝕裂隙入滲補給地下水。這種地貌的形成，一是由于其地勢較高幾乎沒有外源地表水補給，以大氣降水為主要補給的就地溶蝕作用為主；二是由于該處出露的地層主要為上寒武的純碳酸鹽巖巖組。

3.2 巖溶斜坡

巖溶斜坡主要沿清江及漁洋河展布，為巖溶臺地與河谷的過渡區(qū)，呈帶狀分布，發(fā)育高程80～500 m，呈30°～50°斜坡。受縱張和橫張裂隙控制，發(fā)育北西、南西向、南北向的小型地表溪溝，有利于大氣降水的匯集和排泄，地表巖溶發(fā)育程度為中等-強烈。巖溶斜坡早期經(jīng)歷比較強烈的地表及地下巖溶作用，后期受地殼抬升，漁洋河、清江及其支流等進一步向分水嶺處的高原巖溶臺地溯源侵蝕，改造形成的巖溶地貌形態(tài)。同時受侵蝕基準(zhǔn)面控制，暗河出口多發(fā)育于巖溶斜坡地帶。

3.3 巖溶暗河

清漁河間地塊發(fā)育有千漁洞、洞灣、謝家洞等多個大型巖溶地下暗河系統(tǒng)。為查明其空間分布，對3個系統(tǒng)分別進行多元化示蹤試驗，即在每個系統(tǒng)的多個補給區(qū)(2個及以上)投放不同的示蹤劑，在排泄點采用瑞士GGUN-FL Fluorometer光度計進行檢測。以千漁洞系統(tǒng)為例，在盧底沖消水洞投放羅丹明，在馬家沖消水洞投放熒光素鈉，在許家龍坑消水洞投放熒光增白劑，經(jīng)過1個多月的試驗，各監(jiān)測點監(jiān)測的示蹤劑濃度曲線見圖4～圖6。

圖4 熒光素鈉監(jiān)測曲線

圖5 羅丹明監(jiān)測曲線

圖6 熒光增白劑監(jiān)測曲線

由圖4～圖6可知，熒光素鈉和羅丹明均在一定時間出現(xiàn)，并持續(xù)上漲，達到峰值之后，示蹤劑濃度逐漸衰減至天然背景值，說明盧底沖消水洞和馬家沖消水洞兩個補給區(qū)和排泄點存在水力聯(lián)系。熒光增白劑未出現(xiàn)異常，說明許家龍坑消水洞補給區(qū)和排泄點不存在水力聯(lián)系。

熒光素鈉的濃度-時間曲線呈基本對稱的單峰型曲線，熒光素鈉濃度上升段與下降段出現(xiàn)波動狀變化，上升支與下降支明顯拖長，使該曲線成為鈍峰，示蹤劑經(jīng)過地下水池時，在地下水池中彌散、稀釋，導(dǎo)致示蹤劑的運動時間增長，說明補給區(qū)與排泄點之間的巖溶管流場類型為單一管道串聯(lián)地下溶潭，且地下溶潭數(shù)量較多。

羅丹明的濃度-時間曲線總體呈多峰曲線，羅丹明濃度曲線經(jīng)歷了2次較為明顯的濃度升高現(xiàn)象，呈現(xiàn)雙峰曲線形態(tài)，且都表現(xiàn)出第二個峰值與第一個峰值基本相等的現(xiàn)象。由于管道的長度、直徑、彎曲程度不同，各管道中地下水流速也不同，故產(chǎn)生了2個峰，且2個峰相隔時間較大，表明2條管道的位置關(guān)系；峰值大小基本相等，根據(jù)濃度的疊加效果，表明由第一個距離較短的管道所攜帶的示蹤劑較多，為主通道；此外其下降明顯延長，呈現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，表明補給區(qū)和排泄區(qū)之間的管流場類型為并聯(lián)多管道串聯(lián)。

謝家洞系統(tǒng)和千漁洞系統(tǒng)類型相似，洞灣系統(tǒng)只有單一管道，未見多管道串聯(lián)。

4 清漁河間地塊巖溶發(fā)育規(guī)律

通過對清漁河間地塊的水文地質(zhì)調(diào)查和地下水示蹤試驗，基本確定巖溶地下水來源、徑流方向以及地下水流速和巖溶管道介質(zhì)等特征[15]。

清漁河間地塊多為溶蝕帶的裸露巖溶，絕大多數(shù)溶洞是在沒有任何特殊封閉的水文地質(zhì)條件下，由大氣降水交替循環(huán)而成的普通洞穴。這些洞穴按形態(tài)和成因可分為豎向洞穴、橫向洞穴和橫向-豎向組合洞穴。其中，豎向洞穴是發(fā)育于地下水面以上的垂直滲流帶內(nèi)垂向延伸的落水洞；橫向洞穴系是發(fā)育于地下水面以下飽水帶內(nèi)的水平管道河洞室；橫向-豎向洞穴是通過傾斜通道或豎井將不同水平面的橫向洞穴聯(lián)系起來，構(gòu)成層狀的樓式結(jié)構(gòu)。地表落水洞起著暗河入口或集中補給點的作用，上層水平管道也往往通過傾斜通道與下層水平管道相聯(lián)系，或通過豎井向下層消水。

4.1 平面規(guī)律

(1)空間展布的方向性

清漁河間地塊洞穴空間的展布表現(xiàn)出極強的方向性，洞穴軸線的延伸方向無論在個體，還是整體上都顯示出與所在地段的構(gòu)造線方向或巨型裂隙、優(yōu)勢導(dǎo)水裂隙組方向一致。清漁河間地塊構(gòu)造格局和構(gòu)造線方向在不同的構(gòu)造單元上差異較大，故洞穴發(fā)育的方向也隨之變化。

洞穴系統(tǒng)的延伸方向主要受華夏系及新華夏系的縱張、橫張裂隙、斷裂控制，因而發(fā)育北北西(南南東)、北東(南東)、東西向、南北向的管道系統(tǒng)。其中，磨市巖溶區(qū)西側(cè)主要發(fā)育東西向管道系統(tǒng)，東側(cè)發(fā)育南北向和北西向管道系統(tǒng)；大堰巖溶臺地則發(fā)育有從中間向周邊的擴散狀巖溶系統(tǒng)。雖然大型管道系統(tǒng)內(nèi)部方向常交替變化，迂回曲折，但其總體展布方向總是明顯受控于構(gòu)造線方向、縱張方向和橫張方向。

(2)平面分布的不均一性

清漁河間地塊巖溶發(fā)育受地層巖性組合，構(gòu)造變動程度和水動力學(xué)條件控制，由于以上控制要素的差異，巖溶發(fā)育在平面上極不均一，表現(xiàn)出對地層層位、構(gòu)造部位和地貌單元有著鮮明的選擇性。

不同地層中巖溶發(fā)育規(guī)模及密度不同。區(qū)內(nèi)巖溶系統(tǒng)主要分布于下奧陶系的南津關(guān)組、寒武系上統(tǒng)三游洞組及中統(tǒng)覃家廟組。寒武系三游洞組地層大面積出露，往往集中發(fā)育有大型洞穴系統(tǒng)，但由于內(nèi)部巖組的差異，其發(fā)育程度和出現(xiàn)頻率也明顯不同；奧陶系南津關(guān)組為單一均勻連續(xù)型，有利于巖溶發(fā)育，為強透水層，其中洞穴、暗河發(fā)育；寒武系中統(tǒng)覃家廟組主要為不純碳酸鹽巖，主要發(fā)育裂隙、溶隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

根據(jù)總體地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化情況，將清漁河間地塊分為清江南岸巖溶區(qū)、馬燕山巖溶區(qū)、大堰巖溶臺地、五眼泉巖溶區(qū)和志留系巖溶區(qū)5個大區(qū)和19個亞區(qū)，見圖7。

4.2 剖面規(guī)律

根據(jù)主洞口高程，所處地貌單元特征，可將清漁河間地塊發(fā)育的洞穴在垂向劃分出幾個集中分布層，其分布高程分別與清漁河間地塊各級巖溶臺面相對應(yīng)。

受地質(zhì)構(gòu)造背景控制，清漁河間地塊缺少1 100 m以上的巖溶系統(tǒng)，鄂西期(清江一期、白堊系)、臺原期(清江二期、早第三系)、山原期(清江三期、晚第三系)清江水自東向西，該地區(qū)處于最上游，以地表剝蝕溶蝕為主。山盆期(清江四期、更新世)受地殼運動影響，江漢平原襲奪恩施盆地，清江流水改向，清漁河間地塊巖溶洞穴系統(tǒng)自此拉開序幕，其發(fā)展剖面規(guī)律見表1。

表1 清漁河間地塊巖溶發(fā)育剖面規(guī)律

上述各級巖溶臺面相對應(yīng)的巖溶系統(tǒng)，代表清漁河間地塊構(gòu)造運動受間歇式抬升的影響和制約。地下水系統(tǒng)適應(yīng)于不同相對穩(wěn)定時期的區(qū)域地下排泄基準(zhǔn)面發(fā)生的巖溶作用結(jié)果，以第二層、第三層發(fā)育最為強烈，構(gòu)成清漁河間地塊龐大的巖溶系統(tǒng)，縱斷面見圖8。

圖8 清漁河間地塊縱斷面

5 清漁河間地塊巖溶發(fā)育主控因素

5.1 地形因素

清漁河間地塊位于清江中、東段，西高東低，受東西向構(gòu)造影響，山體走勢大體呈東西向。西側(cè)山嶺高程達1 000 m，東側(cè)高程約200 m，切割強烈，山體林立，形成高程不同的多級臺面。山岳頂面多平緩，發(fā)育各種巖溶地形，清江和漁洋河高程較低，從高差上形成有利的水體梯度。

5.2 巖性因素

巖性不同的巖石在地下水作用下的可溶性不同，碳酸鹽巖成分越純，巖溶越發(fā)育，長陽至五峰段出露面積較大的寒武、奧陶系灰?guī)r，在化學(xué)成分上差別并不明顯，難以確認(rèn)哪個層位更易發(fā)育。二疊系地層則發(fā)育相對明顯，僅發(fā)育于馬雁山山頂，出露面積相對小，且未見大型暗河或管道系統(tǒng)。

巖組類型一般影響水流的相對集中程度，在局部形成地下水強徑流段而控制洞穴和管道的形成，許多大的溶洞出現(xiàn)于灰?guī)r與相對隔水層的交匯處，沿不透水的軟弱夾層接觸帶順層分布的現(xiàn)象較為普遍。如禹王宮、龍洞、下觀音洞、夏家洞、桃花洞均體現(xiàn)出該特點。

5.3 構(gòu)造因素

褶皺構(gòu)造的核部及轉(zhuǎn)折段是巖溶發(fā)育的有利位置，特別是背斜核部，在兩翼邊界作用下往往形成地下水相對集中地帶，易在核部形成寬度、長度均較大的巨型裂隙，層面裂隙張開，邊界條件和介質(zhì)滲透性的共同作用形成軸向地下水強徑流通道。區(qū)內(nèi)梁山-肖家隘背斜即為區(qū)內(nèi)最典型的巖溶帶，核部發(fā)育寒武系碳酸鹽巖地層，巨型張裂隙發(fā)育，地表多發(fā)育溝谷，形成良好的補給條件，故該段多發(fā)育溶蝕洼地及落水洞等，底部形成洞穴與暗河管道，謝家洞暗河系統(tǒng)及順梁山-肖家隘背斜發(fā)育。

向斜構(gòu)造在一定程度上也能形成巖溶發(fā)育的有利條件，特別是當(dāng)?shù)貙哟嬖谙鄬Ω羲畬?，?gòu)成外圍封閉狀態(tài)，地下水向斜集水構(gòu)造，相對隔水層組成隔水底板和邊界，阻止地下水匯入河湖而是沿軸線方向徑流，向傾伏端或隔水底板出露高程最低處排泄。馬雁山巖溶系統(tǒng)即為典型的向斜巖溶系統(tǒng)。

斷層或斷層性裂隙(巨型裂隙)往往構(gòu)成局部地下水集中徑流通道，使巖溶洞穴沿其發(fā)育。特別是斷層性裂隙分布廣，且具有一定密度，區(qū)內(nèi)絕大多數(shù)巖溶洞穴的形成都與其有關(guān)。禹王宮暗河系統(tǒng)、洞灣暗河系統(tǒng)、向家坪巖溶系統(tǒng)、千魚洞暗河系統(tǒng)、施毛渡暗河系統(tǒng)、羊角洞、十八拐洞等地下暗河均表現(xiàn)為斷層及張裂隙控制的特點，另外許家龍坑、螞蝗沖、石磙埫、鄭家沖、楊家灣及馬雁山巖溶溝谷也體現(xiàn)了受斷裂及張裂隙控制的特點。

5.4 氣候因素

清漁河間地塊位于中亞熱帶與北亞熱帶的過渡地帶，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，四季分明，雨熱同期，降雨量大，地下水豐富，為巖溶發(fā)育提供良好的必備條件。

6 清漁河間地塊巖溶發(fā)育對工程的影響

清漁河間地塊孕育5個巖溶發(fā)育區(qū)和19個巖溶發(fā)育亞區(qū)，整體巖溶極其發(fā)育。巖溶臺地、巖溶斜坡、溶蝕丘陵、巖溶泉、伏流入口及地下暗河等巖溶地貌齊全，對工程建設(shè)影響大。

6.1 清江南岸巖溶區(qū)

清江南岸巖溶區(qū)，從平面上與嘆氣溝散泉系統(tǒng)、禹王宮暗河系統(tǒng)、夏家洞暗河系統(tǒng)和多寶寺巖溶區(qū)等4個亞區(qū)相交。其中，嘆氣溝散泉系統(tǒng)、多寶寺巖溶區(qū)屬于寒武系下統(tǒng)及奧陶系中上統(tǒng)地層，發(fā)育多個相對隔水層，巖溶發(fā)育相對較弱，巖溶水文條件對工程修建影響相對較小。禹王宮暗河系統(tǒng)及夏家洞暗河系統(tǒng)對隧道工程影響相對較大，易發(fā)生涌水、突水風(fēng)險，設(shè)計過程中應(yīng)詳細(xì)勘察，并采取合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計措施、堵排結(jié)合的水處理方案，并加強地質(zhì)超前預(yù)報等，使工程風(fēng)險可控。

6.2 馬燕山巖溶區(qū)

馬燕山巖溶區(qū)位于軸向近東西向的馬鞍山向斜分布區(qū)，核部出露二疊系-三疊系地層，四周被志留泥盆系地層圈閉，并托于山梁上部，表層巖溶發(fā)育強烈，巖溶水順巖層產(chǎn)狀及相對隔水層整體向西方向排泄，修建地下工程難度大。巖溶系統(tǒng)以下為志留系頁巖，隧道工程將出現(xiàn)軟巖變形風(fēng)險，建議繞避。

6.3 大堰巖溶臺地

大堰巖溶臺地從平面上橫穿肖家溢背斜，為長陽至五峰段洞灣、謝家洞和千魚洞等巖溶地下水系統(tǒng)的分水嶺地帶，雖然區(qū)內(nèi)寒武-奧陶系碳酸鹽巖廣泛出露，但從巖溶地下水系統(tǒng)的空間分布特征分析，巖溶發(fā)育程度、巖溶水系統(tǒng)匯水面積均較低。臺地東南側(cè)漁洋河排泄區(qū)，出水口高程較低，存在工程建設(shè)的可行通道，但因位于邊坡上，地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育，對工程影響較大，通過時應(yīng)加強隧道進出口防護措施。

6.4 五眼泉巖溶區(qū)

五眼泉巖溶區(qū)發(fā)育有寒武系及奧陶系灰?guī)r，溶蝕作用明顯，主要以裸露性巖溶及淺覆蓋性巖溶為主。地下水、地表水排入漁洋河，地形以溶蝕丘陵為主，整體高程低，巖溶水作用不明顯，對工程建設(shè)影響較小。

6.5 志留系巖溶區(qū)

志留系巖溶區(qū)發(fā)育有白馬洞暗河出口，流量較小，巖溶裂隙水、巖溶溶洞水發(fā)育，主要依靠大氣降水及地下徑流補給，排泄方式主要沿垂直節(jié)理裂隙滲入巖溶白馬洞暗河系統(tǒng)，在白馬洞低洼區(qū)排泄，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。區(qū)內(nèi)生物碎屑灰?guī)r條帶狀分布，出露面積小，巖溶水補給有限，巖溶對工程整體影響相對較小，工程建設(shè)穿越灰?guī)r段落整體較短，巖溶及巖溶水除對個別段落有突水、突泥風(fēng)險外，對工程建設(shè)整體影響不大。

7 結(jié)語

清漁河間地塊巖溶發(fā)育有5個大區(qū)、19個亞區(qū)，平面上具有不均一性，空間上具有聯(lián)通性。主要受地形、巖性、地質(zhì)構(gòu)造和氣候等影響。盡管巖溶形態(tài)多樣，地下暗河強烈發(fā)育，但依然可為工程建設(shè)提供可行通道，為以后地方建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。