陳啟軍，李振嵩，李寧新，湛 杰

(中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

覆蓋型巖溶[1]是指被松散堆積物覆蓋的巖溶。覆蓋型巖溶區(qū)基巖一般不出露于地表，在地面上常有漏斗或洼地，有時(shí)出露灰?guī)r石芽。大范圍覆蓋型巖溶一般處于巖溶盆地(準(zhǔn)平原)。

覆蓋型巖溶區(qū)的河谷地下巖溶總體上具有上強(qiáng)下弱的垂直分帶特征，但這種垂直分帶的成因眾說(shuō)紛紜，而且各分帶內(nèi)部尤其是各分帶之間的水力聯(lián)系方式尚不明確，給工程實(shí)際運(yùn)用帶來(lái)不少困惑。譚周地等[2-3]對(duì)受地表水流、水體控制的深巖溶的成層性進(jìn)行了初步分析和河谷深巖溶的發(fā)育分布規(guī)律研究，認(rèn)為深巖溶發(fā)育強(qiáng)度垂向變化的總趨勢(shì)是隨著深度增大而減弱，但由于巖溶的不均勻性又是其普遍的特征，因而深巖溶在垂直方向上也經(jīng)常由強(qiáng)而弱的復(fù)雜變化過(guò)程；崔政權(quán)[4]認(rèn)為不同水頭作用下多期疊加產(chǎn)生了河谷成層巖溶化地質(zhì)體，并在清江高壩洲壩址運(yùn)用巖溶動(dòng)態(tài)平衡理論將河谷由下至上劃分為溶孔晶洞分布帶、孤立洞穴、深巖溶帶和近代巖溶帶和并實(shí)際調(diào)查資料進(jìn)行比較；宋漢周等[5]對(duì)2種不同峽谷的巖溶發(fā)育及水動(dòng)力特征分析，闡述山地型峽谷彭水壩址區(qū)深巖溶洞穴大多在河水位以下60 m，埋深最大的溶蝕裂隙在枯水位以下175 m；楊明德[6]對(duì)巖溶峽谷區(qū)溶洞發(fā)育特征及水動(dòng)力條件進(jìn)行研究，提出溶洞垂直分布上的多層性。上述研究提出河谷巖溶發(fā)育的成層性或多層性，且大多數(shù)研究基于裸露型巖溶山區(qū)河谷，同時(shí)也面臨地下巖溶發(fā)育河谷如何分層及對(duì)應(yīng)的下限估算如何確定的問(wèn)題。

本文在整合覆蓋型巖溶區(qū)河谷地貌的三期演化模式和河谷巖溶的多期疊加成層模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步找出峽谷期向盆地期演化過(guò)程的巖溶地下水明顯變化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，針對(duì)覆蓋型巖溶區(qū)的重點(diǎn)研究對(duì)象——河谷地下巖溶，以最大作用水頭、最大強(qiáng)化作用水頭和最新強(qiáng)化作用水頭作為特征作用水頭，把河谷巖溶的多期疊加成層模型簡(jiǎn)化為河谷地下巖溶的三期疊加強(qiáng)化模型；并進(jìn)一步把河谷地下巖溶總體上的垂直分帶轉(zhuǎn)化為與不同特征作用水頭對(duì)應(yīng)的河谷地下巖溶剖面分層及下限估算。通過(guò)剖面分層及下限估算，可以更好地分析巖溶滲漏與滲透穩(wěn)定問(wèn)題，據(jù)此明確防滲目標(biāo)層和防滲依托層。

1 覆蓋型巖溶區(qū)的河谷地貌及巖溶演化

1.1 經(jīng)典河谷巖溶分帶

根據(jù)巖溶形態(tài)及地下水動(dòng)力條件，河谷巖溶分帶一般可分為垂直循環(huán)帶、季節(jié)變化帶、水平循環(huán)帶、倒虹吸管循環(huán)帶和深部循環(huán)帶5個(gè)分帶[7-8]，見(jiàn)圖1。

1—垂直循環(huán)帶；2—季節(jié)變化帶；3—水平循環(huán)帶；4—虹吸管式循環(huán)帶；5—深部循環(huán)帶。

1.1.1垂直循環(huán)帶

指垂直滲流帶，該帶位于地表以下，最高巖溶水位之上，以垂直運(yùn)動(dòng)為主。垂直循環(huán)帶的厚度決定于當(dāng)?shù)刂饕潘娴奈恢?。在地殼上升劇烈區(qū)，河谷下切深度大，此帶厚度也大。

1.1.2季節(jié)變化帶

指汛期地下水與枯水期地下水之間的地帶。枯季地下水作垂直運(yùn)動(dòng)；汛期地下水作水平運(yùn)動(dòng)，出流形成季節(jié)性泉。汛期巖溶發(fā)育部位，由于排泄不暢，形成的地下水位比巖溶不發(fā)育的高，平水期及枯季，由于補(bǔ)給量小，形成的地下水位比巖溶不發(fā)育的部位低。

1.1.3水平循環(huán)帶

指枯期地下水位以下地下水作水平運(yùn)動(dòng)的地帶。該帶地下水的水平運(yùn)動(dòng)在巖溶發(fā)育過(guò)程中起著最主要的作用，水平循環(huán)帶形成的溶洞最多、最大。即成層巖溶多對(duì)應(yīng)于水平循環(huán)帶。

1.1.4虹吸管循環(huán)帶

又稱谷底循環(huán)帶[1]，該帶埋藏于水平循環(huán)帶以下，是河床以下具倒虹吸管循環(huán)作用的地帶。當(dāng)寬大斷層被利用時(shí)，能形成較強(qiáng)巖溶。

1.1.5深部循環(huán)帶

深部循環(huán)帶又稱深部緩流帶[1]，深埋于虹吸管循環(huán)帶以下。 由于滲流出口受(河谷深部)微弱巖溶帶阻滯，地下水流緩慢—極緩慢，一般只能形成微弱巖溶帶。

上述分帶適用于山區(qū)裸露型巖溶區(qū)的河流峽谷。對(duì)巖溶盆地覆蓋型巖溶區(qū)而言，前期垂直循環(huán)帶、季節(jié)變化帶、水平循環(huán)帶甚至虹吸管循環(huán)帶均被剝蝕，覆蓋層以下的普遍存在的強(qiáng)巖溶帶顯然不僅僅是深部循環(huán)帶(微弱巖溶帶)的殘留，而是經(jīng)后期疊加強(qiáng)化形成的。

1.2 河谷巖溶地貌的三期演化

巖溶裸露型山區(qū)地貌發(fā)育或演化一般歸為3個(gè)階段即初期階段、中期階段和晚期階段。文獻(xiàn)[5-8]在論述這3個(gè)階段時(shí)，以河流為中心，將“從河谷到分水嶺”巖溶地貌的演化模式見(jiàn)圖2。

Ⅰ—分水嶺；Ⅱ—谷坡；Ⅲ—岸坡；Ⅳ—河谷。

1.3 河谷巖溶水動(dòng)力演變

1.3.1河谷地貌演化伴隨巖溶水動(dòng)力演變

文獻(xiàn)[9-10]結(jié)合地貌演化階段，闡明了河谷巖溶水動(dòng)力演變規(guī)律。

初期階段在古溶原面(剝夷面)上，河流切割深度僅數(shù)米至幾十米，屬淺切割河流，兩岸地下水坡度平緩，巖溶水動(dòng)力作用不強(qiáng)，以淺層巖溶化為主。

中期階段(峽谷期)在新構(gòu)造上升運(yùn)動(dòng)支配下，河流排水基準(zhǔn)面迅速下降，河流深切，地表支流及地下水運(yùn)動(dòng)為了適應(yīng)最低的排水基準(zhǔn)面，由分水嶺至岸坡地下水位快速曝低，比降增大。地下水運(yùn)動(dòng)在飽氣帶，以垂直循環(huán)為主，而在河谷兩岸以水平循環(huán)為主。反映在地貌上，即形成了由分水嶺至河谷的巖溶地貌分帶性。

晚期階段(盆地期)在地殼相對(duì)穩(wěn)定情況下，巖溶地貌進(jìn)一步發(fā)展，由分水嶺至河岸，由于侵蝕及溶蝕作用，巖溶地面逐漸被夷平，地下水比降變緩，河流又演變成淺切割型。此時(shí)水動(dòng)力作用以側(cè)向水平運(yùn)動(dòng)為主，峰叢逐漸解體，向峰林和孤峰演化，溶洼側(cè)向擴(kuò)展，向溶盆或溶原方向演化。

根據(jù)上述河谷地貌演化及巖溶水動(dòng)力演變規(guī)律，可以獲得覆蓋型巖溶區(qū)河谷水動(dòng)力演變過(guò)程的重要啟示，現(xiàn)狀巖溶盆地是從上一期夷平面(盆地)重啟，經(jīng)過(guò)峽谷期、寬谷期巖溶演化而來(lái)的?，F(xiàn)狀河谷地下巖溶化與三期巖溶演化及其相應(yīng)的巖溶作用水頭關(guān)系密切。

1.3.2覆蓋型巖溶的三期演化

如上所述，峽谷期向盆地期演化過(guò)程，是巖溶作用水頭變小即巖溶化作用變淺的過(guò)程。

a)峽谷期河流兩岸地下水位遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于河水位，加上河谷快速下切，為河谷產(chǎn)生深層巖溶提供了動(dòng)力源——足夠高的巖溶作用水頭，形成的深層巖溶是后期演化改造的基礎(chǔ)。

b)峽谷期河谷演化為寬谷(形成基座階地)后，兩岸地下水位大幅降低，巖溶作用水頭只能對(duì)峽谷期殘存的深層巖溶上部進(jìn)行疊加強(qiáng)化。

c)寬谷期河谷進(jìn)一步演化為盆地(準(zhǔn)平原)后形成現(xiàn)代河流，兩岸地下水位進(jìn)一步降低并變化緩慢，更低的巖溶作用水頭只能對(duì)寬谷期強(qiáng)化后的淺部巖溶化地質(zhì)體進(jìn)一步疊加強(qiáng)化。

1.4 河谷巖溶的多期疊加成層模型

巖溶作用動(dòng)態(tài)平衡理論[4]根據(jù)巖溶作用水頭控制巖溶(化)作用深度的基本原理，采用不同水頭作用下(圖中不同高程夷平面補(bǔ)給)的倒虹吸管模型，認(rèn)為不同水頭作用下多期疊加產(chǎn)生了河谷成層巖溶化地質(zhì)體，包括地上巖溶和地下巖溶，見(jiàn)圖3。

圖3 河谷巖溶的多期疊加成層模型[4]

在動(dòng)態(tài)平衡理論中，引入應(yīng)力水頭Hp的概念，認(rèn)為巖溶作用水頭Hk由靜水壓力水頭Hst和應(yīng)力水頭Hp兩部分組成，其中應(yīng)力水頭Hp與地殼上升幅度hup有關(guān)。根據(jù)巖溶勘測(cè)工作同步理論，在一個(gè)侵蝕旋回里巖溶作用幅度hk與該地區(qū)地殼上升幅度hup同步，即hk=hup。把巖溶水循環(huán)深度作為巖溶發(fā)育的下限深度Hk，并通過(guò)對(duì)中國(guó)30多個(gè)地區(qū)巖溶發(fā)育情況的統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為巖溶發(fā)育的下限深度為Hk=2.0Hst，見(jiàn)圖4。

圖4 巖溶化作用深度下限[4]

結(jié)合不同演化時(shí)期考慮，峽谷前期靜水壓力水頭Hst大，巖溶作用深度大；寬谷期靜水壓力水頭Hst漸小，巖溶作用深度漸淺；巖溶盆地(準(zhǔn)平原)期靜水壓力水頭Hst更小，巖溶作用深度更淺。

2 覆蓋型巖溶河谷地下巖溶的三期疊加強(qiáng)化模型

如上所述，峽谷期形成的深層巖溶是后期演化改造的基礎(chǔ)。進(jìn)一步找出峽谷期向盆地期演化過(guò)程的巖溶地下水明顯變化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)有最大巖溶作用水頭、最大強(qiáng)化作用水頭和最新強(qiáng)化作用水頭等特征作用水頭，把河谷巖溶的多期疊加成層模型簡(jiǎn)化為河谷地下巖溶的三期疊加強(qiáng)化模型。

2.1 三期特征作用水頭

2.1.1峽谷早期的最大巖溶作用水頭

只有峽谷期兩岸地下水遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于河水位，才具備產(chǎn)生深層巖溶化作用的動(dòng)力源。尤其是峽谷早期(U型)河谷，兩岸地下水位仍接近夷平面，河流快速大幅度深切，形成夷平面-深切河流之間的最大水位差，即為最大巖溶作用水頭。

2.1.2寬谷期的最大強(qiáng)化作用水頭

形成基座階地代表峽谷期河谷演化進(jìn)入寬谷期，是河谷演化的重要拐點(diǎn)，也是河谷地下水動(dòng)力轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)：進(jìn)入寬谷期意味著河谷演化進(jìn)入了河流下切逐步變慢的時(shí)期，而且由峽谷晚期河床到形成最高基座階地，河流下切幅度大，此后的河流下切幅度小。即峽谷晚期河床-最高基座階地之間的水位差最大，是寬谷期最大強(qiáng)化作用水頭。

2.1.3盆地期的最新強(qiáng)化作用水頭

寬谷期河谷進(jìn)一步演化為盆地(準(zhǔn)平原)后形成現(xiàn)代河流，兩岸地下水位進(jìn)一步降低至一級(jí)階地附近，一級(jí)階地地下水與河水位之間的水位差，是盆地期現(xiàn)代河流形成后最新的強(qiáng)化作用水頭。

2.2 河谷地下巖溶剖面分層概化模型

對(duì)應(yīng)于河谷地下巖溶的三期特征作用水頭，覆蓋型巖溶區(qū)地下巖溶一般可概化為三層巖溶化層，即深層孤立洞隙層、中層強(qiáng)化巖溶層和現(xiàn)代巖溶影響層。

2.2.1深層孤立洞隙層

峽谷期最大巖溶作用水頭形成深層孤立洞隙層。由于峽谷期河流快速下切，深循環(huán)帶內(nèi)巖體受巖溶水動(dòng)力作用時(shí)間較短，巖溶發(fā)育較弱，寬谷期以后又不再受明顯強(qiáng)化，洞隙無(wú)充填或充填早期硬結(jié)物。該層相當(dāng)于常規(guī)劃分的河床深部的弱巖溶帶。但需要強(qiáng)調(diào)的是，本層內(nèi)部的孤立洞隙之間以基巖裂隙水聯(lián)系，與上層的水力聯(lián)系弱。

2.2.2中層強(qiáng)化巖溶層

寬谷期最大強(qiáng)化作用水頭形成中層強(qiáng)化巖溶層。經(jīng)過(guò)寬谷期強(qiáng)化，巖溶發(fā)育比深層孤立洞隙層強(qiáng)，呈中等—弱發(fā)育；洞隙充填中期階地堆積物和溶蝕殘積影響充填物。該層相當(dāng)于常規(guī)劃分的河床中上部的中等—弱巖溶帶，但其中的中下部不再受盆地期的強(qiáng)化，巖溶發(fā)育較弱，洞隙之間以弱溶蝕的裂隙水聯(lián)系，與上部中等巖溶帶的水力聯(lián)系也弱。

2.2.3現(xiàn)代巖溶影響層

盆地期最新強(qiáng)化作用水頭形成現(xiàn)代巖溶影響層。經(jīng)寬谷期強(qiáng)化的淺部中等發(fā)育的巖溶層繼續(xù)受現(xiàn)代巖溶水動(dòng)力強(qiáng)化作用，巖溶愈發(fā)強(qiáng)烈，洞隙充填性狀差，滲透性大，該層相當(dāng)于常規(guī)劃分的河床淺部的強(qiáng)巖溶帶。該層洞隙多被網(wǎng)絡(luò)化，不僅內(nèi)部洞隙之間水力聯(lián)系密切，而且與現(xiàn)代地表及地下水流活動(dòng)有密切的交替關(guān)系，對(duì)壩基滲漏起著控制作用，是工程防滲處理的主要目標(biāo)層。

2.3 河谷地下巖溶剖面分層深度估算

如上所述，不同時(shí)期的靜水壓力高度Hst存在最大值(上限)，意味著有對(duì)應(yīng)的巖溶化作用深度下限。三期特征作用水頭(即三期靜水壓力高度Hst)有各自巖溶作用深度的下限(Hk=2.0Hst)，也就是各分層下限。

深層孤立洞隙層下限采用峽谷早期的最大巖溶作用水頭估算；中層強(qiáng)化巖溶層下限采用寬谷期的最大強(qiáng)化作用水頭估算；現(xiàn)代巖溶影響層下限采用盆地期的最新強(qiáng)化作用水頭估算。

3 工程實(shí)例

以已建并運(yùn)行多年的典型工程——白石窯水電站為例，驗(yàn)證上述分層及其下限的合理性。

3.1 地質(zhì)概況

白石窯水電站為建于北江干流上的低水頭徑流式水電站。工程區(qū)地處廣東英德巖溶盆地，基巖為石炭系石磴子組灰?guī)r，壩址河段呈縱向谷，覆蓋型巖溶發(fā)育。據(jù)壩址區(qū)152個(gè)鉆孔揭示，鉆孔遇洞率高達(dá)72%[13]。

3.2 地下巖溶剖面分層下限估算

3.2.1峽谷期孤立巖溶層下限估算

據(jù)粵北夷平面研究成果[10]，第四系英德期夷平面高程300 m，北江雛形從英德期剝夷面下切開(kāi)始峽谷期。峽谷早期兩岸地下水接近夷平面高程300 m；寶晶宮剖面最高層溶洞[11](高程130 m)充填砂卵礫石層，代表峽谷早期北江基準(zhǔn)面低至高程130 m，即峽谷早期的最大巖溶作用水頭Hst=170 m，最大巖溶化作用深度深達(dá)剝夷面以下340 m，即峽谷早期形成的峽谷期孤立巖溶層下限高程-40 m，見(jiàn)圖5。據(jù)白石窯水電站152個(gè)鉆孔、武廣高鐵英德段1 943個(gè)鉆孔揭露，最低溶洞分布高程在-40 m[13-15]。

圖5 白石窯水電站壩址區(qū)溶洞分布高程散點(diǎn)[12]

3.2.2寬谷期強(qiáng)化巖溶層下限估算

峽谷晚期河床下切到高程130 m以后，河谷進(jìn)一步下切、拓寬并在兩岸形成基座階地，其高程約為55 m，表明由峽谷轉(zhuǎn)向?qū)捁龋吒卟?5 m，即寬谷期的最大強(qiáng)化作用水頭Hst=75 m，巖溶作用深度Hk=2.0Hst=150 m。即寬谷期最大強(qiáng)化作用水頭強(qiáng)化作用深度達(dá)峽谷晚期河床以下150 m，即中層強(qiáng)化巖溶層下限高程為-20 m。白石窯水電站勘察揭露，超97%溶洞在-20 m高程以上，以下8個(gè)洞全部無(wú)充填。這些無(wú)充填的洞隙可能是峽谷期形成的深層孤立巖溶層的殘留。即-20 m高程至-40 m高程的巖溶化地質(zhì)體屬于峽谷期形成的孤立巖溶層。

3.2.3現(xiàn)代巖溶影響層下限估算

盆地期兩岸地下水大部分降低至一級(jí)階地高程35 m，但壩址區(qū)一級(jí)階地呈不對(duì)稱分布，左岸發(fā)育而右岸缺失。右岸殘留基座階地高程為55 m，勘探揭露右岸地下水位明顯高于一級(jí)階地?，F(xiàn)代河流河水位高程為25 m，右岸殘留基座階地高程為55 m、高差30 m，取盆地期的最新強(qiáng)化作用水頭Hst=30 m，巖溶強(qiáng)化作用深度至右岸殘留基座階地以下60 m，相應(yīng)高程-5 m，即現(xiàn)代巖溶影響層下限為-5 m。據(jù)壩址區(qū)鉆孔溶洞高程分布統(tǒng)計(jì)，-5 m高程以上溶洞雖然只占總?cè)芏纯倲?shù)81.1%，見(jiàn)圖6。但壓水試驗(yàn)成果表明，-5 m高程以下基巖透水性明顯變?nèi)鮗13]。即-5 m高程至-20 m高程的巖溶化地質(zhì)體屬于寬谷期形成的中層強(qiáng)化巖溶層；-5 m高程以上的巖溶化地質(zhì)體屬于盆地期形成的現(xiàn)代巖溶影響層。

圖6 白石窯水電站壩址區(qū)溶洞分布高程占比

對(duì)低水頭水電站大壩來(lái)說(shuō)，通常允許一定量的壩基滲漏，一般不需要將防滲帷幕底界深入相對(duì)不透水的深層孤立洞隙層中，采用懸掛式帷幕進(jìn)入中層強(qiáng)化巖溶層，可以大大減少壩基巖溶滲漏防滲處理工程量，節(jié)約工程投資。本工程最大防滲深度進(jìn)入中層強(qiáng)化巖溶層(-20 m高程)，防滲效果良好[16]。

對(duì)于低水頭電站來(lái)說(shuō)，將懸掛防滲帷幕底界置于現(xiàn)代巖溶影響層下限也是可行的。根據(jù)這一認(rèn)識(shí)，連江西牛航電樞紐將懸掛防滲帷幕底界置于現(xiàn)代巖溶影響層下限(0 m)，多年運(yùn)行良好[17]。

考慮到巖溶發(fā)育的復(fù)雜性，地下巖溶剖面分層今后需要結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)一步進(jìn)行論證與分析。

4 結(jié)論

a)基于河谷多期疊加成層模型將覆蓋型河谷地下巖溶的簡(jiǎn)化為三期疊加強(qiáng)化模型，并將地下巖溶發(fā)育在垂直剖面上劃分為深層孤立洞隙層、中層強(qiáng)化巖溶層和現(xiàn)代巖溶影響層?，F(xiàn)代巖溶影響層受到峽谷期、寬谷期、盆地期巖溶水動(dòng)力疊加作用，巖溶愈發(fā)強(qiáng)烈，洞隙充填性狀差，滲透性大，地表水和地下水交換強(qiáng)烈，對(duì)壩基滲漏起著控制作用，是防滲主要目標(biāo)層。通過(guò)白石窯水電站河谷演化、地下巖溶剖面分層分析和各個(gè)巖溶層下限估算，并提出將現(xiàn)代巖溶影響層作為防滲關(guān)鍵層，防滲帷幕最大深度進(jìn)入中層強(qiáng)化巖溶層，從而減少防滲處理工程量，節(jié)約工程投資。經(jīng)多年觀測(cè)，壩基防滲效果良好。

b)通過(guò)地下巖溶剖面分層厘清了覆蓋型巖溶區(qū)的河谷地下巖溶總體上具有上強(qiáng)下弱的垂直分帶特征。

c)覆蓋型地下巖溶剖面分層雖然成功應(yīng)用于白石窯水電站和西牛航電樞紐工程，考慮到巖溶發(fā)育的復(fù)雜性，這種地下巖溶剖面分層需要大量的野外地質(zhì)證據(jù)作為支撐，因此其在應(yīng)用推廣和結(jié)論可靠性上還有待進(jìn)一步提高。