某水电站坝址区薄层碳酸盐岩溶蚀风化分带地质研究

杨友刚, 邓争荣, 康岩玲

(1.长江岩土工程总公司(武汉),湖北 武汉 430010; 2.河南省地质矿产勘查开发局 第三地质矿产调查院,河南 信阳 464000)

某水电站坝址区薄层碳酸盐岩溶蚀风化分带地质研究

杨友刚1, 邓争荣1, 康岩玲2

(1.长江岩土工程总公司(武汉),湖北 武汉 430010; 2.河南省地质矿产勘查开发局 第三地质矿产调查院,河南 信阳 464000)

某水电站坝址建坝岩体是以薄层结晶灰岩、大理岩为主的碳酸盐岩,质不纯,裂隙等结构面发育程度总体上中等—较发育。受基础地质、岩体卸荷松弛作用等综合因素影响,其溶蚀风化与典型的层厚为中厚层以上纯碳酸盐岩相比,具有明显的差异,岩体溶蚀风化具有类似非可溶岩均匀风化由强到弱的垂直分带性,并表现出浅部岩体整体完整程度差,深部岩体完整程度好的特点。在研究本水电站坝址区薄层碳酸盐岩岩溶发育特征与规律、岩溶发育影响因素的基础上,开展溶蚀风化分带地质特征定性研究,并就各风化带对应的主要技术指标定量特征进行研究。此研究成果可供类似地区及类似工程参考。

碳酸盐岩;薄层;溶蚀风化分带;定性特征;定量特征;水电站坝址

对于非可溶岩岩体均匀风化分带地质特征的研究目前已相当成熟,现有的国内勘察技术标准形成了一致的认识,采用五级分带法,划分为:全风化带、强风化带、弱风化(中等风化)带、微风化带和新鲜带[1-2];但对于碳酸盐岩溶蚀风化分带地质特征,特别是主要技术指标定量特征研究尚显不足。现行的《水利水电工程地质勘察规范》GB 50487—2008中,对碳酸盐岩溶蚀风化带进行了划分,对各风化带具有的地质特征进行了定性描述,将溶蚀风化带划分为:表层强烈溶蚀风化带、裂隙性溶蚀风化带及微新岩体[2],但溶蚀风化分带的主要技术指标特征未加明确。

一般而言,典型的层厚为中厚层以上碳酸盐岩溶蚀风化往往不具有岩体均匀风化分带的特征,岩体溶蚀仅沿某一结构面或破碎带溶蚀扩张后,可能形成溶隙、溶缝、溶洞直至大型岩溶管道等规模不一的岩溶形式,虽然整体完整程度受到一定的影响,但是溶缝(洞)及岩溶管道围岩的强度及完整程度不会产生明显变化。可是,在诸多工程实践中,笔者发现一些地区的碳酸盐岩溶蚀风化表现具有类似非可溶岩均匀风化的垂直分带性,溶蚀风化程度由浅部向深部逐渐减弱。笔者以某水电站工程坝址区为例,对其薄层碳酸盐岩溶蚀风化分带,进行定性和定量相结合的地质特征研究。

某水电站坝址地处东南亚地区,建坝岩体系以薄层结晶灰岩、大理岩为主的碳酸盐岩,质不纯,裂隙等结构面发育程度总体上中等—较发育。其岩体溶蚀风化与典型的层厚为中厚层以上纯碳酸盐岩相比,具有明显的差异,溶蚀风化具有自浅部向深部、由强到弱的垂直分带性,并表现出浅部岩体整体完整程度差、深部岩体完整程度好的特点,这与所处地区基础地质、岩体卸荷松弛作用等因素密切相关。本文拟在岩溶发育特征与规律、岩溶发育影响因素研究的基础上,开展溶蚀风化分带地质特征定性研究,并就对应的主要技术指标特征定量研究,研究成果可供类似地区及类似工程参考。

1 岩溶发育基本特征与规律

该水电站坝址区岸坡地形陡峻,河谷呈狭窄的“V”型,与基岩层走向近于正交,属横向河谷。基岩地层为古生界石炭系下统浅变质岩,主要为结晶灰岩、大理岩,以薄层为主,层厚10～20 cm,相间分布板岩、变质砂岩等非可溶岩。基岩地层总体走向40°～70°,倾向SE(下游),倾角以50°～85°为主。主要构造形迹为断层(含层间挤压构造带、裂隙性断层)和裂隙,基岩优势结构面为北东向层面和北北西顺河向裂隙等。岸坡近岸卸荷作用明显,强卸荷带水平深度达30 m左右。

现场勘察及研究表明,区内碳酸盐岩岩溶发育基本特征与规律主要有以下几个方面:

(1) 地表岩溶类型主要为溶沟、溶槽等,地下岩溶类型主要为溶缝(洞),规模相对较小,溶蚀扩张宽度或洞径多<1 m,泥质或岩屑充填或半充填。未见大型岩溶管道系统发育,岩溶发育强度总体较弱。

(2) 岩溶发育明显受结构面控制,主要沿北东向层面和北北西顺河向裂隙等结构面发育。

(3) 岩溶地下水埋深大,水位低平。虽然岩溶发育强度总体较弱,但岩体中裂隙网络发育,结构面溶蚀扩张普遍,地下水在岩体中运移、排泄顺畅。

(4) 碳酸盐岩中,大理岩溶蚀风化强度与结晶灰岩具有一定的差异性,总体上大理岩岩溶发育程度强于结晶灰岩。

(5) 区内薄层碳酸盐岩岩溶发育规模小,发育强度总体较弱,但浅层岩体完整性较差。岩溶发育是破坏岩体完整性的一个重要因素,除此之外,还有两方面原因:一是层面、裂隙等结构面等相互切割,形成裂隙网络系统,且结构面(特别是层面)上粘土质胶结物多具有风化、泥软化现象;二是碳酸盐岩本身质不纯、粘土质矿物含量相对较高,存在部分矿物物理风化蚀变现象,以致岩石断口色泽变暗、结构变疏松。

(6) 岩溶发育强度总体上由浅部向深部逐渐减弱,由近岸向远岸逐渐减弱。近岸浅层岩体整体完整性较差,随着往深部表生改造作用逐渐减弱,岩体溶蚀风化程度逐渐降低,岩体完整性整体变好。与典型的层厚为中厚层以上纯碳酸盐岩相比,其岩溶发育规模上由大到小随深度的连续性相对较好。

(7) 岩体溶蚀风化具有可分带性。根据岩体主要地质特征、工程性状等,岩体由浅部向深部可划分为强溶蚀带、弱溶蚀带及微溶蚀带。弱或微溶蚀岩体中,局部裂隙性断层、长大结构面等部位,岩体溶蚀强烈,但不影响对岩体整体风化分带的判断。

2 岩溶发育影响因素

根据本地区、本工程实际,岩溶发育主要控制因素有地层岩性、地质构造及地下水活动,次要因素主要有气候、区域地质背景、地形地貌、岩体卸荷松弛及非可溶岩分布等[3]。

2.1 地层岩性

该地区可溶岩为碳酸盐岩,主要由结晶灰岩、大理岩组成。根据岩石矿物化学成分分析,结晶灰岩及大理岩方解石含量分别为90%～97%、78%～96%,其他含少量绢(白)云母、石英及少量褐铁矿、白云石等。CaO含量分别为44%、47%,CO2分别为36%、38%,粘土质成分SiO2、Al2O3、TFe2O3合计达15%～19%。一般而言,纯灰岩的化学成分重量百分比:CaO为56%,CO2为44%[4-5]。而区内结晶灰岩及大理岩粘土质等不溶物含量较高,质不纯,与纯灰岩相比,溶解性减弱,这与区内岩溶发育规模较小、发育程度总体弱有着密切的关系。

2.2 地质构造

控制区内岩溶发育的地质构造因素主要为岩层层面和裂隙,层面走向北东向(横河向),优势裂隙走向为北北西向(顺河向),岸坡卸荷拉张结构面亦呈北北西向为主,层面及优势结构面倾角多为70°以上,利于地下水入渗。岩溶发育主要沿这两个方向或由这两个结构面切割交汇部位向周围溶蚀扩张,受结构面控制作用明显。

岩体结构面不但控制着岩溶发育的方向,也是造成浅层岩体完整性差、溶蚀风化可分带性等的重要因素。岩层层面间距多<20 cm,以薄层状为主,少量极薄层或中厚层。由于层面间距小、层与层之间风化营力传递更易于相接,破坏了岩体的完整性,更重要的是层面为岩体中水的运移提供潜在的通道。而岩体中裂隙的发育,特别是与层面近正交的张性卸荷裂隙,与层面切割沟通后构成了导水良好的结构面网络,使地下水运移较畅通。近岸岩体卸荷松弛作用明显,裂隙多呈张开状,与层面相互切割后形成各方向结构面间距相差不大,使岩体完整性较差。此外,层面上多见粘土质矿物富集,宽度多为数毫米级—数厘米级,在构造活动或重力作用下,陡倾的岩层层间剪切作用普遍,浅表岩体层间粘土质矿物物理风化后大多泥软化,胶结差,呈泥或泥夹岩屑状,宽度大者尚能保持泥质岩的特性。因此,结构面的特征及溶蚀发育造成了浅层岩体完整性差,随着浅表层往深部表生改造作用逐渐减弱,岩溶发育强度逐渐降低,使溶蚀风化具有可分带性。

2.3 地下水活动

岩溶发育离不开水的参与,区内岩溶地下水的运移通道主要为岩体结构面,结构面的陡倾特征决定了地下水的运动以垂向运动为主,因此,造成区内发育的溶缝、溶洞等长轴方向主要为垂直方向。地下水活动另一显著特点是稳定水位埋深大,水位低平,岩溶地下水运移、排泄通畅。勘探平洞中(最长近300 m)仅存在沿结构面滴水或渗水现象,未见涌水、突泥现象。地下水活动特征与岩体结构面特征及其相互切割组成的地下裂隙网络系统较发育密切相关。

2.4 气候

气候是影响岩溶发育的因素之一,温度高低与水量充沛与否对岩溶发育速度影响较大。该工程地处东南亚热带雨林地区,受潮湿的印度洋西南季风气候影响,干湿季明显,湿季高温多雨。高温湿热多雨的气候是加速可溶岩溶解的重要条件。与温带、亚热带相比,热带地区岩溶往往最发育,且地表、地下都很发育,但受制于区内碳酸盐岩不纯等因素,岩溶发育规模有限。

2.5 区域地质背景

与岩溶发育相关的区域地质背景主要有岩相、构造运动及区域变质作用等。该区域原属浅滨海相沉积环境,水动力作用相对较强,碳酸盐岩形成过程中,成岩矿物中含有较多的粘土矿成分或其他杂质,且于层面部位富集,以致该区域碳酸盐岩不纯。经过地壳活动、构造运动等作用下,原近水平或平缓的岩层最终变成倾角70°以上的陡倾岩层。陡倾层面对岩溶发育有着非常积极的作用,便于大气降水、地表水的入渗及地下水的重力运移等。此外,在区域变质作用下,碳酸盐岩发生重结晶作用,根据变质深浅程度分为深灰色结晶灰岩和灰白色大理岩,变质后岩石矿物颗粒增大,微观上会提高化学反应速率,加速CaO的析出。大理岩变质程度略深,这也是区内大理岩岩溶发育程度强于结晶灰岩的原因之一。

2.6 地形地貌

工程地处中低山峡谷河段,岸坡地形陡峻,地表径流流速快,大气降水通过地表迅速排泄至河流中,向地下入渗量相对小,不利于岩溶发育。两岸山体雄浑,地下水埋深大,岩溶发育以垂直型为主。因此,地形地貌因素对岩溶发育影响在于浅层岩体中岩溶水水量不大,岩溶发育规模受限,潜水面以上以垂向岩溶为主,不利于水平向岩溶管道或暗河的形成。

2.7 岩体卸荷松弛

随着地壳抬升及河流迅速下切,谷坡岩体卸荷松弛作用明显,一方面产生新的拉张裂隙;另一方面迁就原有顺河向NNW向构造结构面卸荷拉张,使原有的构造结构面扩展而与其它结构面交连或贯通,溶蚀风化增强,从而造成浅层岩体完整程度在原有基础上变差。

2.8 非可溶岩分布

区内非可溶岩与可溶的碳酸盐岩呈相间分布,碳酸盐岩顺河向分布宽度约1 km,其上、下游分别连续分布砂板岩岩体,顺河宽度分别达250 m、100 m。砂板岩是良好的隔水岩层,使岩溶水的运移、循环处于相对孤立的环境内,上、下游水力联系弱,不利于大型岩溶管道的发育。

3 溶蚀风化分带特征

3.1 地质定性描述

如前文所讲,本地区薄层碳酸盐岩溶蚀风化具有可分带性。根据现场大量地质、钻探及物探等勘察工作,结合现有勘察技术标准及相关研究成果等,将本地区薄层碳酸盐岩溶蚀风化分为三个带,分别为强溶蚀带、弱溶蚀带和微溶蚀带[6-7],考虑溶蚀特征、工程性状及岩体利用等,强溶蚀带及弱溶蚀带分别可分为上、下亚带。各风化带地质定性描述见表1。

表1 薄层碳酸盐岩溶蚀风化分带特征地质定性描述一览表Table 1 Geological qualitative characterization list of dissolved weathering zoning of thin layer carbonate rock

3.2 主要技术指标

对该地区碳酸盐岩进行溶蚀风化分带考虑的技术指标主要有岩溶类型、溶蚀扩张宽度、裂隙溶蚀率、钻孔线溶蚀率、钻孔溶蚀结构面间距、岩体透水率、钻孔岩芯RQD、钻孔纵波波速、平洞浅层地震波速及大地电磁测深电阻率等[6]。

(1) 岩溶类型:常见岩溶类型规模由小到大主要包括晶孔溶孔型、溶隙宽缝型、溶沟溶槽型、溶带块屑型、网状洞穴型及溶管溶洞型。区内碳酸盐岩溶蚀类型由浅部表层溶沟溶槽型(局部溶带块屑型,泥包石状),减弱至晶孔溶孔型。

(2) 溶蚀扩张宽度:通过钻孔录像解译及勘探平洞编录,研究岩体溶蚀扩张宽度随铅直深度和水平深度的变化规律。

(3) 裂隙溶蚀率:通过钻孔岩芯编录及岩芯录像解译,沿铅直方向统计溶蚀裂隙数量占钻孔所遇裂隙的百分比;通过平洞编录,沿水平方向统计平洞溶蚀裂隙数量占所编录裂隙的百分比,以研究溶蚀裂隙随深度分布规律。

(4) 钻孔线溶蚀率:通过钻孔岩芯编录及岩芯录像解译,沿铅直方向统计结构面溶蚀扩张累计宽度占铅直长度的百分比,研究岩体溶蚀程度随深度变化规律。

(5) 钻孔溶蚀结构面间距:通过钻孔岩芯编录及岩芯录像解译,统计铅直方向上溶蚀结构面间距大小,研究溶蚀结构面随深度分布规律。

(6) 岩体透水率:通过钻孔压水试验获取岩体透水率吕荣值,研究岩体透水率随深度变化规律。

(7) 钻孔岩芯RQD:通过钻孔岩芯编录,统计岩芯每个回次>10 cm岩块累计长度占回次进尺的百分比,研究岩芯RQD值随深度变化规律。

(8) 钻孔纵波波速:于钻孔中进行纵波波速测试,研究岩体波速随深度变化规律。

(9) 平洞浅层地震波速:于平洞中进行浅层地震波速测试,研究岩体波速随深度变化规律。

(10) 大地电磁测深电阻率:探测岩溶的分布、规模、延伸方向及充填情况,研究岩体电阻率随深度变化规律等,对于大型岩溶洞穴的探测具有非常重要的意义。

(11) 岩体变形及抗剪力学性能:于平洞中选择岩体溶蚀风化状态有代表性的部位,进行现场变形及抗剪原位测试,研究不同风化状态岩体的力学性能,对风化分带进行试验验证。

该地区薄层碳酸盐岩溶蚀风化分带划分依据的主要技术指标及量化特征[7]见表2。此外,工程地质是一门科学和经验密切结合的学科,在充分研究溶蚀风化分带技术指标,并进行量化基础上,还应充分发挥专家的经验优势。

表2 薄层碳酸盐岩溶蚀风化分带划分主要技术指标一览表Table 2 Main technical indicators list of dissolved weathering zoning division of thin layer carbonate rock

4 结论

通过研究本地区薄层碳酸盐岩岩溶发育特征、规律及岩溶发育影响因素等,对该地区碳酸盐岩溶蚀风化分带地质特征及分带主要技术指标进行研究,主要结论如下:

(1) 区内薄层碳酸盐岩岩溶发育强度总体较弱,浅层岩体完整性较差,主要由于岩溶发育、结构面上粘土质胶结物泥软化及岩石本身粘土质矿物含量较高且存在物理风化等。

(2) 岩溶发育强度总体上由浅部向深部逐渐减弱,由近岸向远岸逐渐减弱,其岩溶发育规模上由大到小随深度的连续性相对较好。

(3) 区内薄层碳酸盐岩岩体溶蚀风化具有类似均匀风化的可分带性。

(4) 区内薄层碳酸盐岩岩体溶蚀风化分带可划分为强溶蚀带、弱溶蚀带和微溶蚀带。根据溶蚀特征、工程性状及考虑岩体利用等,强溶蚀带及弱溶蚀带可分为上、下亚带。

(5) 溶蚀风化分带考虑的技术指标主要包括岩溶类型、溶蚀扩张宽度、裂隙溶蚀率、钻孔线溶蚀率、钻孔溶蚀结构面间距、岩体透水率、钻孔岩芯RQD、钻孔纵波波速、平洞浅层地震波速及大地电磁测深电阻率等。

(6) 与均匀风化分带的研究相比,碳酸盐岩溶蚀风化分带地质特征,特别是主要技术指标定量特征研究尚显不足。本文在总结某水电站坝址区薄层碳酸盐岩溶蚀特征、规律及岩溶控制因素等基础上,对碳酸盐岩溶蚀风化分带地质定性特征及主要技术指标定量特征进行了研究,成果可供类似地区、工程参考。

[1] 中国电力企业联合会.水力发电工程地质勘察规范:GB 50287—2006[S].北京:中国计划出版社,2008:96-97.

[2] 中华人民共和国水利部.水利水电工程地质勘察规范:GB 50487—2008[S].北京:中国计划出版社,2009:114-116.

[3] 彭土标,袁建新,王慧明,等.水力发电工程地质手册[M].北京:中国水利水电出版社,2011:434-435.

[4] 路凤香,桑隆康.岩石学[M].北京:地质出版社,2002.

[5] 乐昌硕.岩石学[M].北京:地质出版社,1984.

[6] 邹成杰,张汝清,光耀华,等.水利水电岩溶工程地质[M].北京:水利电力出版社,1994:56-57,68-69,240-243.

[7] 杨友刚,邓争荣,吴树良,等.某水电站特高混凝土重力坝建基面选择[J].资源环境与工程,2014,28(4):551-556.

(责任编辑：于继红)

Geological Research on Dissolved Weathering Zoning of ThinLayer Carbonate Rock in a Hydropower Station Dam Area

YANG Yougang1, DENG Zhengrong1, KANG Yanling2

(1.ChangjiangGeotechnicalEngineeringCorporation,Wuhan,Hubei430010; 2.No.3InstituteofGeologicalMineralResourcesSurveyofHenamGeologicalBureau,Xingyang,Henam464000)

The dam rock mass of a hydropower station dam site is made of thin layer crystalline limestone,marble-based carbonate rock,impurity,fracture and the degree of structural plane development is generally moderate to moderate. Under the influence of basic geology and rock mass unloading and relaxation,the dissolution weathering is obviously different from that of pure carbonate rocks with typical thickness. Uniform weathering from strong to weak vertical zoning with similar non-soluble rock,and show the extent of the shallow rock poor overall integrity,completeness good depth large rock.On the basis of the law of Karstdevelopment characteristics,regularity and factors withthin layer carbonate rocks on the hydropower station dam site area,the qualitative study on the geologic characteristics of the weathering zone is carried out,and the quantitative characteristics of the main technical indexes corresponding to each weathering zone are studied.The research results are available for similar areas and similar projects.

carbonate rock; thin layer; dissolved weathering zoning; qualitative characteristic; quantitative characteristic; hydropower station dam site

2017-05-31;改回日期:2017-06-21

杨友刚(1983-),男,工程师,地质工程专业,从事水利水电工程地质、岩土工程勘察实践与研究工作。E-mail:250187166@qq.com

TV223.3+3

A

1671-1211(2017)04-0359-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.001

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1436.040.html 数字出版日期:2017-06-20 14:36