賈召文 馬力剛

收稿日期：

2023-07-07

基金項目：

中國大唐集團公司科研項目（DTXZ-01-2023）

作者簡介：

賈召文，男，工程師，主要從事水利水電工程施工和合同管理工作。E-mail：jiazhaowen@126.com

引用格式：

賈召文，馬力剛.紅層礫巖巖溶發(fā)育特征及其工程地質(zhì)問題分析——以丹江口水利樞紐壩址區(qū)為例

［J］.水利水電快報，2024，45（1）：18-22.

摘要：

為準確評價壩址區(qū)紅層礫巖對丹江口水利樞紐左岸土石壩地基穩(wěn)定的地質(zhì)影響，通過詳細勘察、歷史比較、試驗與測試等綜合分析，查明了這種不同于一般碳酸鹽巖的紅層巖溶工程特性。結(jié)果表明：紅層礫巖巖溶發(fā)育程度主要受山體形狀、上覆巖層性狀、階地發(fā)育等因素控制，具有明顯的水平分帶性；以這類礫巖作為壩基，可能存在沉陷變形、抗滑穩(wěn)定、滲透變形等問題，需要進行專門處理。研究成果可為紅層礫巖巖溶勘察及紅層礫巖上建壩的主要工程地質(zhì)問題分析提供了參考。

關鍵詞：

紅層礫巖； 巖溶； 沉陷變形； 滲透變形； 抗滑穩(wěn)定性； 丹江口水利樞紐

中圖法分類號：TV640.3

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.003

文章編號：1006-0081（2024）01-0018-05

0? 引? 言

紅層主要是指中生代以來即三疊紀、侏羅紀、白堊紀和新生代古近紀沉積形成的碎屑巖，總體為紅色。徐瑞春等［1］對紅層沉積相以及軟弱夾層成因類型、物理力學性質(zhì)和主要工程地質(zhì)問題等進行了深入研究。賈龍等［2］基于中國東南、南部紅層中發(fā)育的巖溶塌陷現(xiàn)象，研究了紅層巖溶的形成機制，認為紅層巖體中含有灰質(zhì)、鈣質(zhì)礫石是巖溶形成的物質(zhì)基礎，順裂隙潛流的地下水對礫石進行溶蝕。湛若云等［3］調(diào)查丹江口水庫壩區(qū)的紅層分布及巖溶現(xiàn)象，認為紅層巖溶形態(tài)與礫巖的膠結(jié)類型、結(jié)構完整性及密實程度密切相關。

丹江口水利樞紐作為南水北調(diào)中線的水源工程，是具有防洪、灌溉、發(fā)電、航運等綜合效益的大型水利工程，其擋水建筑物主要由混凝土壩及其左岸土石壩、右岸土石壩組成［4-5］。左岸廣泛分布上白堊系紅層礫巖，礫巖中發(fā)育巖溶，對大壩建設不利。本研究通過詳細調(diào)查、歷史比較、測試試驗等，查明了紅層礫巖的分布、巖溶成因及其形成時期和發(fā)育規(guī)律，分析了紅層巖溶對丹江口水利樞紐大壩建設的影響，為工程建設和安全運行提供可靠的保障，有助于進一步完善紅層勘察及地質(zhì)評價體系。

1? 巖溶形成條件與形態(tài)特征

1.1? 紅層礫巖分布

丹江口水利樞紐大壩壩址位于漢江與丹江匯合口下游1.5 km的漢江干流上，為低山、丘陵地貌，其中左岸發(fā)育王大溝、張家溝、湯家溝、糖樹溝等沖溝，沖溝之間分布張老嶺、張芭嶺、湯糖嶺等山脊，尖山、天星廟崗是山脊最高處。

左岸土石壩壩址區(qū)分布白堊系上統(tǒng)紅層礫巖（圖1），呈北東東向分布，并以8°～12°的巖層傾角傾向南東，與下伏元古界副片巖為不整合接觸。由于底礫巖中可溶性碳酸巖鹽含量很高，在地下水、地表水滲流溶蝕作用下，常形成不同類型的巖溶現(xiàn)象。

1.2? 巖溶形成的物質(zhì)基礎

壩址區(qū)內(nèi)底礫巖為白堊系上統(tǒng)第一段（K12）內(nèi)陸湖盆地邊緣的沖積洪積堆積物，與下伏巖層元古界變質(zhì)巖為不整合接觸關系，上覆巖層有白堊系上統(tǒng)第二段（K22）泥巖和第三段（K32）砂巖、砂礫巖。根據(jù)巖性的不同，K22可分為K2-12～K2-72共7層，K32可分為K3-12～K3-52共5層。尖山一帶出露齊全，張老嶺和湯糖嶺一帶僅出露K2-12～K2-42。

礫巖為基底式鈣質(zhì)或泥質(zhì)膠結(jié)，以鈣質(zhì)膠結(jié)為主。礫石成分主要為灰?guī)r、脈石英，片巖、石英巖、燧石次之。湯糖嶺一帶底礫巖中礫石以片巖、脈石英為主，巖漿巖、灰?guī)r次之。

由于礫巖膠結(jié)物以鈣質(zhì)為主，礫石中灰?guī)r成分含量為50%～70%（除湯糖嶺分布的礫巖外），因此巖石化學組分中可溶性碳酸巖鹽含量頗高，碳酸鈣平均含量可高達61.82%，為地表水、地下水對巖石的溶蝕提供了物質(zhì)基礎［6］。

1.3? 巖溶形態(tài)特征

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查與勘探成果，礫巖中呈現(xiàn)出不同類型的巖溶現(xiàn)象，按照其形態(tài)特征可分為以下兩類。

第一類為溶蝕裂隙、溶溝、溶槽，主要發(fā)育于山體邊緣、上覆巖體單薄處和三級、四級階地底部。在山體內(nèi)部，巖溶發(fā)育主要受北東東、北西西向構造裂隙、原生裂隙的控制；在山體邊緣，巖溶發(fā)育受山體走向、地下水排泄方向的控制，因而溶蝕裂隙多垂直于山體斜坡走向。溶蝕裂隙的長度一般為1～2 m，最長10 m以上，寬度一般為0.5～1.0 m，最寬可達1.5 m。

第二類為溶洞，根據(jù)其發(fā)育條件及特征，又可分為底礫巖與副片巖之間沿不整合面發(fā)育的溶洞和不同膠結(jié)類型礫巖之間沿層面發(fā)育的溶洞。

（1） 底礫巖與副片巖之間沿不整合面發(fā)育的溶洞。主要發(fā)育于山體邊緣，呈喇叭狀向山體延伸直至尖滅。這類溶洞的形成主要因地表水順裂隙向下滲流而在滲流過程中逐漸溶蝕礫巖。當水流下滲至不整合面時，下伏全強風化巖層透水性較強，水流急速下滲，為水流主要徑流方向。因為不整合面接觸帶存在滲透水流，在漫長的地質(zhì)年代內(nèi)，不整合面以上的底礫巖被溶蝕。山體內(nèi)部形成的巖溶特征與邊緣有所不同，在山體內(nèi)部，地表水通過裂隙下滲至不整合面后向四周徑流，溶洞向四周尖滅呈倒置的“碟”狀，其內(nèi)充填溶蝕殘余物，見圖2（a）～（b）；在山體邊緣，地表水補給量較大，下滲至不整合面后徑流流速較快，形成長軸方向近垂直于山體地形的巖溶，其中部分或全部溶蝕殘余物被帶走形成溶洞，見圖2（c）～（d）。

（2） 不同膠結(jié)類型礫巖之間沿層面發(fā)育的溶洞。此類溶洞多發(fā)育于山體內(nèi)部，沿鈣質(zhì)膠結(jié)的礫巖與其下部泥質(zhì)膠結(jié)的礫巖間層面發(fā)育并逐漸向上擴張，呈扁豆狀，規(guī)模大小不等，長度可達高度的數(shù)十倍。鈣質(zhì)膠結(jié)的礫巖為可溶鹽巖，泥質(zhì)膠結(jié)的礫巖中可溶鹽成分含量甚微，為相對隔水層。地下水順礫巖裂隙下滲，形成溶蝕裂隙；另一方面，水下滲至泥質(zhì)膠結(jié)的礫巖頂面時受阻隔，地下水順層面徑流對鈣質(zhì)膠結(jié)的礫巖繼續(xù)產(chǎn)生巖溶作用。

此外，礫巖巖溶還具有以下3個顯著特性：① 礫巖上覆巖層單薄或無上覆巖層時，巖溶現(xiàn)象更為發(fā)育；② 如張芭嶺地段豎井地質(zhì)編錄圖（圖3）所示，礫巖由于地表水的長期溶蝕作用，表面分布一層厚1～2 m的原巖溶蝕殘余物（無外來物質(zhì)充填），巖面凹凸不平，這些殘余物往往與溶蝕裂隙、溶洞相連；③ 地表水或地下水多沿礫巖裂隙、層面運動，并逐漸向四周擴散、溶蝕可溶性碳酸鹽巖［7］，形成的巖溶也為擴散狀，圍巖由內(nèi)而外分別為強、中等、弱、微溶蝕帶。這種擴散溶蝕過程顯著表現(xiàn)在各帶礫巖化學組分的變化上，即礫巖溶蝕越強，CaO含量越小，SiO2含量越高，如圖4所示。

2? 巖溶形成時期及發(fā)育規(guī)律

2.1? 巖溶形成時期

自紅層沉積以來，該區(qū)地殼一直處于緩慢抬升階段，漢江各級階地、溝谷塑造了區(qū)域的地貌景觀，地表水的滲流條件和地下水的補給排泄條件也隨之發(fā)生劇烈變化，因而不同地質(zhì)年代形成的巖溶及其程度也不同［8］。根據(jù)本區(qū)巖溶的形成條件和發(fā)育特征，可分為以下3個時期。

（1） 漢江階地形成之前為較古老的巖溶。該類巖溶被上覆紅層所覆蓋，地表水垂直下滲受阻，形成以水平溶洞為主的巖溶。由于現(xiàn)代巖溶的發(fā)育，古巖溶與現(xiàn)代巖溶難以區(qū)分，目前僅在張老嶺北坡見發(fā)育；溶洞發(fā)育于底礫巖下部，洞底以8°左右的角度向山體傾斜，呈喇叭狀向內(nèi)延伸，此方向恰與本區(qū)古水文系的排泄方向一致。因巖石透水性弱（僅沿裂隙和層面滲流），地下水循環(huán)緩慢，本期形成的巖溶不發(fā)育。尖山山體中心一帶十余個鉆孔資料顯示，僅個別鉆孔揭示有巖溶現(xiàn)象。

（2） 漢江階地形成過程中，江水對階地基座巖石沖刷和侵蝕，礫巖上覆巖層變薄或侵蝕無余，礫巖長期處于水下，加劇了巖溶發(fā)育，階地后緣地下水向漢江排泄也使巖溶化程度加深。因此，在各級階地底部，基座巖石為礫巖或礫巖上覆巖層單薄時，巖溶強發(fā)育。如圖5所示，以湯家溝、芭茅溝之間的三級階地為例，礫巖中溶蝕裂隙縱橫交錯，主體方向（走向）50°～70°，與地下水向漢江的排泄方向基本一致。

（3） 溝谷切割后，地下水下降至紅層下伏副片巖中，紅層中僅有局部上層滯水存在。大氣降水為其地下水唯一的補給來源，但因地表長期遭受剝蝕，溝谷縱橫交錯，大氣降水一般難以下滲而急速匯流入溝谷中，僅在山體邊緣平臺或低洼處，上覆巖層單薄或底礫巖直接裸露地表，地表水下滲和地下水匯集較易，使該時期巖溶的發(fā)育具有明顯的水平分帶性：山體頂部，水流下滲受阻于較厚的上覆巖層，巖溶不發(fā)育，局部地帶上覆巖層較薄，仍可發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的巖溶；山體邊緣，尤其是山體邊緣地形平緩處，水流條件優(yōu)于山脊或斜坡，巖溶強發(fā)育，以溶蝕裂隙、溶溝、溶槽為主，縱橫交錯并常與不整合面巖溶相連通。垂直于山體斜坡走向的巖溶多形成于該時期。

2.2? 巖溶發(fā)育規(guī)律

礫巖中的巖溶發(fā)育具有明顯的水平分帶性，主要受山體形狀、上覆巖層性狀、階地發(fā)育等因素控制。階地礫巖基座巖溶一般強發(fā)育，山體邊緣又較山體內(nèi)部發(fā)育。這種特殊巖溶與一般碳酸鹽巖巖溶［9］具有明顯不同的發(fā)育規(guī)律。

此外，隨礫巖中可溶鹽含量不同，巖溶化程度也有差別。湯糖嶺地形條件、水文條件與張芭嶺、張老嶺近乎一致，但湯糖嶺礫巖中礫石含量以片巖、脈石英為主，其巖溶化程度弱于其他兩地。

3? 巖溶工程地質(zhì)問題及地基處理

巖溶的形成與發(fā)育改變了原巖的性狀，使半堅硬的礫巖變?yōu)樗缮⒌牡[石土或含礫黏土，巖石的物理力學性質(zhì)和化學組分發(fā)生變化。在礫巖巖溶發(fā)育地帶建土石壩可能存在壩基沉陷變形、滲透變形、抗滑穩(wěn)定等工程地質(zhì)問題［10-11］。

3.1? 沉陷變形問題

原巖為半堅硬巖石，承載力較高，單軸飽和抗壓強度一般大于11.4 MPa，而溶蝕殘余物呈松散狀，壓縮系數(shù)大于0.4 MPa-1，具中、高壓縮性，因此存在以下2個方面問題：① 階地底部礫巖表面一般分布有厚度不等的溶蝕殘余物，以此為壩基，將會產(chǎn)生沉陷變形問題；② 山體及其邊緣巖溶中充填溶蝕殘余物，在上覆巖層厚度不夠時，因壩基應力傳遞，也會產(chǎn)生沉陷變形問題［12］。

3.2? 滲透變形問題

礫巖溶蝕殘余物的SiO2、R2O3含量相對原巖較高，易溶鹽成分顯著減少。從顆粒級配看，原巖中粒徑大于2 mm的顆粒占43%～69%，而殘余物中此粒徑組顆粒含量10%～25%，顆粒變細，物理力學性質(zhì)變化更大，其中含礫黏土、黏土的天然含水率分別為23.5%、28.9%，孔隙比分別為0.900、1.103，且崩解性較強，其崩解率分別為23.4%、62.2%，如表1所示。

針對殘余物進行了野外機械管涌沖刷試驗，結(jié)果表明：當總壓力為0.176 MPa時，軟弱夾層產(chǎn)生機械管涌和沖刷，對應的臨界水力梯度為6.41，試驗結(jié)果符合殘余物特性［13］。因此，受礫巖巖溶發(fā)育及其連通性影響，在一定壓力水頭作用下會出現(xiàn)機械管涌。因殘余物中可溶鹽成分含量極微，出現(xiàn)化學管涌的可能性不大。

3.3? 抗滑穩(wěn)定問題

分布于張芭嶺四級階地底部的礫巖溶蝕殘余物呈層分布于整個山脊，壩體位于其上。殘余物天然含水率較大，抗剪強度較低，其中黏土、含礫黏土黏聚力15～18 kPa、內(nèi)摩擦角15.8°～20.4°，下部為完整礫巖。穩(wěn)定性計算結(jié)果表明，壩體有可能沿壩基殘余物土層發(fā)生滑動。

3.4? 地基處理

由于紅層礫巖中巖溶較發(fā)育，左岸土石壩布置時盡量避讓紅層礫巖，最終選擇的壩軸線多位于元古界副片巖地段。大壩截水槽開挖時，對局部紅層礫巖地段（如湯糖嶺）進行了專門地基處理：挖除強溶蝕帶，換填混凝土，清挖厚度一般為1～3 m，最大厚度5 m；弱溶蝕帶厚度較大，可予以利用，但需進行加強灌漿處理。后期沉降、變形監(jiān)測成果表明，左岸土石壩運行正常。

4? 結(jié)? 語

丹江口水利樞紐左岸土石壩壩基白堊系紅層礫巖巖溶的形成是短暫或間歇性的地表水、地下水作用的結(jié)果，地表水、地下水往往沿裂隙、層面、不整合面活動，因此形成的巖溶具有一定的規(guī)律性。巖溶發(fā)育程度一般在山體邊緣較強，中心地帶較弱，階地礫巖基座巖溶化程度最高。巖溶中一般充填溶蝕殘余物，水對礫巖的擴散溶蝕作用使可溶物被帶走，可能導致壩基沉陷變形、抗滑穩(wěn)定等問題，同時在一定壓力水頭作用下，將會發(fā)生滲透變形破壞。紅層礫巖巖溶現(xiàn)象在一定程度上對該區(qū)域樞紐工程建設有不利影響。經(jīng)過相應的地基處理措施，丹江口水利樞紐左岸土石壩運行正常。

參考文獻：

［1］? 徐瑞春，周建軍.紅層與大壩［M］.武漢：中國地質(zhì)大學出版社.2010.

［2］? 賈龍，吳遠斌，潘宗源，等.我國紅層巖溶與紅層巖溶塌陷芻議［J］.中國巖溶，2016，35（1）：67-73.

［3］? 湛若云，陳澤濤，曾光輝，等.丹江口庫區(qū)地質(zhì)災害發(fā)育特點與防治建議［J］.水利水電快報，2020，41（4）：31-36.

［4］? 長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司.丹江口水利樞紐大壩加高工程初步設計階段工程地質(zhì)勘察報告［R］.武漢：長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，2004.

［5］? 長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司.丹江口水利樞紐大壩加高工程初步設計報告［R］.武漢：長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，2004.

［6］? 李廷勇，王建力.中國的紅層及發(fā)育的地貌類型［J］.四川師范大學學報，2002，25（4）：427-431.

［7］? 林永生，裴建國，鄒勝章，等.清江下游紅層巖溶及其水化學特征［J］.廣西師范大學學報，2018，36（3）：113-120.

［8］? 程強，寇小兵，黃紹檳，等.中國紅層的分布及地質(zhì)環(huán)境特征［J］.工程地質(zhì)學報，2004，12（1）：34-40.

［9］? 吳志才，彭華.廣東紅層形成及其發(fā)育規(guī)律研究［J］.熱帶地理，2006，26（3）：207-210.

［10］? 郭永春，謝強，文江泉.我國紅層分布特征及主要工程地質(zhì)問題［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007，34（6）：67-71.

［11］? 王小毛.重力壩深層抗滑穩(wěn)定失穩(wěn)判別標準探討［J］.水利水電快報，2020，41（2）：1-4，16.

［12］? 杜雪珍，張猛，朱錦杰.面板堆石壩實測沉降變形性態(tài)研究［J］.水利水電快報，2022，43（8）：65-69.

［13］? 黃振偉.丹江口水利樞紐大壩地基的滲流特性［J］.資源環(huán)境與工程，2009，23（4）：419-424，446.

（編輯：江? 燾，高小雲(yún)）

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