深切河谷水文地质结构类型*

许 模 康小兵 张 强 漆继红 杨艳娜

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)， 成都 610059， 中国)

0 引 言

在水文地质研究中，于20世纪70年代开始出现了结构控制论的萌芽。国内的谷德振(1979)在《岩体工程地质力学基础》中首先提出了“水文地质结构”的概念； 孙广忠在其1983年出版的《岩体力学基础》著作中论述了岩体结构与水文地质结构的关系(孙广忠，1983)； 随后王思敬(1984)在《地下工程岩体稳定分析》中针对已有水电工程的坝基岩体进行了研究，论述了水文地质结构及建模概化的方法； 在同一时期，美国的学者Miller(1986)也在美国地质调查局专著中提出了Hydrogeological frameword。在前人研究基础上，张寿全等(1992)于20世纪90年代提出了“水文地质结构系统”。

不同的含水介质类型与地质构造等要素在空间上的组合构成了具三维空间关系的水文地质结构(何宇彬， 1997)。在水电工程中较早开展了水文地质结构对地下水赋存流动的控制作用研究。

王思敬(1984)认为坝基水文地质结构取决于结构面类型和组合特征，由此可以分为裂隙型、层状型、断裂型、断层型和溶隙型5种基本类型。周志芳(1987)采用了裂隙水的工程地质分带方法，将岩体裂隙水分为了4类裂隙水带，分别为孔隙-裂隙、网状、面状和线状裂隙水带，从而实现了对坡体内水文地质结构的评价。随后在三峡水利枢纽工程研究基础上，将块状透水岩体分为散体状结构、孔隙-裂隙网络结构、裂隙网络结构、脉状结构这4个水文地质结构类型(周志芳等， 1997)。在水利水电岩溶工程中，邹成杰(1994)认为河谷与地质结构和岩溶水文地质条件相结合的集合体即为河谷的岩溶水文地质结构，在此基础上将河谷岩溶水文地质结构划分了单斜型、背斜型、向斜型和断裂型4种类型。易立新等(2004)提出了局部导水、局部阻水、散状导水和复合型4类断层类水文地质结构。钱海涛等(2009)通过对甘肃洮河九甸峡坝区地质条件分析，认为河谷区岩体渗透空间具有的分层分带和强各向异性特性足以使得河谷两岸出现地下水低凹带，进一步揭示了岩体渗透性空间对河谷地下水形态的控制作用。

除了水电工程中已开展的水文地质结构研究，在其他领域中水文地质结构理论也得到了广泛应用，如滑坡、矿山、页岩气开发区、隧道建设区斜坡体等。

周平根(1998)提出了常见的土质滑坡和岩质滑坡的水文地质结构类型。赵甫等(2021)通过分析研究国内断裂构造水力补给滑坡的典型实例，进一步揭示了滑坡中的构造控水作用。赵海军等(2009)在新立金矿分析中，划分了盖层孔隙结构、基岩裂隙结构和脉状结构3种矿区的水文地质结构类型。隋旺华等(2019)提出了矿山水文地质结构的概念，并基于矿山水文地质结构对矿山水害类型进行了重新划分。朱继良等(2020)通过对重庆涪陵页岩气勘查开发区碳酸盐岩分布特征、岩溶发育规律及岩溶水的赋存与动力循环过程的分析，归纳出4种岩溶水文地质结构。罗声(2015)在统计分析西南地区多个隧道涌突水灾害的基础上，提出了越岭隧道水文地质结构概念，并归纳出均匀、层状、脉状、断裂复合型和岩溶复合型、混合复合型结构类型。李亚津等(2020)根据常见的构造地貌及岩溶-构造-地貌内在动力联系特征，系统地将西南山区分为平顶山型、单斜山型、褶曲山型、断块山型和褶断山型5种常见的岩溶水文地质结构类型以及多个亚类型，并探讨各结构类型的地下水动力特征和各类型常见的涌突水部位，简单分析了各类型的岩溶危害程度。邓龙传等(2021)通过对北山场址区不同尺度结构面导水特性研究，为不同尺度结构面控水机制的研究提供参考。

综上所述，水文地质结构研究各具特色，有的立足含水与隔水介质空间关系、有的关注坡体由表及里渗透能力的变化、有的研究对象对水的不同作用表现。但不管是哪个行业，也不管从哪个角度，均是基于水文地质结构对地下水的控制作用，是为了更好地研究地下水对工程的影响。这些都为深切河谷水文地质结构的深入研究奠定了基础。

1 河谷区水电水利建设主要工程水文地质问题

青藏高原周边地带的河谷在第四纪期间伴随青藏高原的快速隆升而强烈快速下切，如黄河、金沙江、澜沧江、怒江、雅鲁藏布江、雅砻江、岷江、大渡河等均形成了深切河谷。这些高山峡谷中的大江大河水力资源丰富，既是我国重要的战略水资源储备地、也是我国重要的水电基地，是目前和未来水电水利建设的重点区域。

自1990年以来，我国水电工程的建设得到了快速发展，在青藏高原周边地带、尤其是西南地区最为迅猛。随着高坝大库的建设，带来了一系列新的水电工程水文地质问题(许模等， 2003)，如水库区库岸浸没、深层承压水、渗漏稳定性问题等。根据水文地质问题产生的部位，以及各问题产生的时间，可进行如下分类(表1)。

表1 水电工程中主要工程水文地质问题的分类Table 1 Classification of main engineering hydrogeological problems in hydropower projects

不同水文地质结构，由于其岩性和结构条件以及应力状态的不同，它们对地下水运动状态的控制作用是极不相同的。即使位于同一河谷，不同局部区域也可能存在不同的水文地质结构类型，表现为河谷区岩体渗透特征的空间变化，因此在不同水文地质结构联合作用下地下水的运动显得更为复杂。

深切河谷区水文地质结构复杂，如岩溶地区的岩溶管道、深厚覆盖层河段的非均质各向异性孔隙介质、岩体表生改造发育河段的随机裂隙介质等(黄润秋， 2002)，对水电工程建设造成一系列工程水文地质问题。目前对上述问题尚处于相对分散的单侧面研究状态，虽然各类问题均已在工程实践中出现过，并被不同程度地研究过，但缺乏系统地从水文地质结构控制下的地质机制分析到地质模型抽象，再由模拟再现到发展趋势预测以及工程环境效益论证的全过程研究(许模等， 2003)。

2 水文地质结构对地下水的控制作用

宏观的透水层(体)与微观的颗粒和空隙及其组合构成了地下水赋存、运动的场所和通道，由于其层次不同、级别不同，对地下水的分布、赋存和运移的控制程度也不尽相同。

工程地质领域学者很早就认识到不同等级地质体对工程地质问题的控制作用，即不同尺度的结构面控制效应存在差异。如：谷德振(1979)划分出了5级地质体； 李中林等(1987)在矿山岩体研究中划分出了5级地质结构； 黄鼎成(1987)在“论工程地质评价中地质体结构的级序性问题”中也将地质结构划分为5级。

在地质体分级方案基础上，张辉(1999)结合岩体中地下水渗流的特点，详细阐述了地质结构的分级及控渗作用：

首先是区域级区域地壳(地质)结构，由区域性巨-大型断裂(深断裂系统)组成，控制着深部水文地质结构，决定了深部流体动力特征。

其次是区域(或地区)地质结构，由大-中型断裂、相应规模的其他结构面组成，控制了区域水文地质结构，进而控制地下油气藏分布规律、控制地热温泉和矿水等资源形成部位，决定了区域(或地区)地下水动力特征。

然后是具体地段的山体或谷坡地质结构，由中-小型断层、相应规模的其他成因软弱结构面组成，控制了不同类型的山体或谷坡水文地质结构，是工程中常见的一类地质与水文地质结构。与地形、地貌等因素共同决定了浅表地下水的分布和循环，在更高级别的结构面作用下可与深部地下水发生联系。

接着是工程岩体结构，由小断层、贯通节理、相应规模的其他成因地质界面组成，控制了具体工程影响范围内地下水的补径排特征及渗流力的作用，能与地下水位、边界条件及气象等因素结合共同控制，主要形成不同的渗流介质类型。

最后是岩石块体结构，由局部贯通或非贯通坚硬结构面、微裂隙、孔隙组成，由于规模较小且块体内存在无效的空隙，对地下水流动控制作用较弱。

综上所述，地质结构对地下水运动的控制具有分级优先的效应，即级别越高的地质结构，对地下水运动的控制范围越广、程度越强； 水文地质结构中又以结构面为优先，从高级到低级，逐级控制地下水运动。

3 深切河谷水文地质结构

水文地质结构是研究地下水系统的基础，它构成了地下水的赋存空间、控制了地下水的空间展布规律、控制了地下水的运移规律。水文地质结构的控水作用是地下水系统特征的表征，查明水文地质结构可为定量化研究工程水文地质问题提供可靠的水文地质模型。

河谷水文地质结构是河谷岸坡与谷底可赋存、运移地下水的含水(透水)介质与相对隔水介质在空间上的排列、组合关系。河谷水文地质结构控制地下水在河谷地区的空间展布和循环特征。

在深切河谷这一具体复杂的地质环境中，河谷形态是以V字形为主，河谷结构是以坚硬的岩质结构为主。由此，根据含水(透水)结构控制下的地下水循环方向，将深切河谷水文地质结构分为：岸坡型、顺河型、跨河型、区域型4类(表2)。这4类河谷水文地质结构的空间展布及规模，与控制的地下水循环路径呈正相关关系，与前述讨论的渗流结构尺度控制效应是一致的。

表2 深切河谷水文地质结构分类表Table 2 Classification of hydrogeological structure of deep-incised river valleys

4类深切河谷水文地质结构特点及其对水电水利工程地质问题的控制作用阐述如下：

(1)岸坡型水文地质结构(A)：地下水径流总体垂直于河流，自岸坡高处向河流排泄基准面流动。根据含水介质的差异，可再分为卸荷亚类(A1)、构造结构面组合亚类(A2)、层面构造亚类(A3)3种亚类：

以卸荷类岸坡水文地质结构为例，卸荷发生于岩体表浅层，依据岩体埋藏深度不同，卸荷程度存在差异(图1)。由卸荷产生的卸荷裂隙具有一定张开度和贯通性，能提供地下水流动通道。如糯扎渡溢洪道右岸边坡，自然边坡整体稳定性较好，不可能出现失稳变形破坏，但工程运营期间雾化降雨类似于持续降雨，由于雾化雨叠加暴雨渗入表浅卸荷带，必将对该边坡的水文地质环境造成一定变化，构成边坡稳定的重要控制要素。

图1 糯扎渡水电站溢洪道右岸边坡典型剖面图Fig. 1 Typical profile of right bank slope of spillway of Nuozhadu Hydropower Station

(2)顺河型水文地质结构(B)：地下水径流总体平行于河流，自河流上游向下游在特定的结构内流动，一定距离后与河交叉汇入地表河流。

顺河型水文地质结构控水构造(优势裂隙方向或岩层走向)顺河向发育，地下水循环的通畅与否与控水结构面的发育强弱，深度有关，较岸坡型而言，其径流途径相对增长，流动性相对滞缓。若顺河向发育优势裂隙网络或有断裂发育，均可能形成较为通畅的地下水径流通道。该类水文地质结构潜在的工程水文地质问题主要表现为绕坝渗漏，如20世纪70、80年代湖南省发生的一系列小水库病漏事件(表3)及浙江湖南镇水电站坝基渗漏(宋汉周等， 1996)都属于这种类型，该类型的水文地质结构还存在坝基扬压力的潜在工程水文地质问题。

表3 湖南省小水库工程病漏概况(王家峻， 1990)Table 3 Leakage situation of small reservoirs in Hunan Province(Wang， 1990)

(3)跨河型水文地质结构(C)：地下水径流沿特定的结构穿越局部分水岭流动。根据潜在的结构形式，可再分为顺层或断裂亚类(C1)和向斜构造亚类(C2)2种亚类。

跨河型河谷水文地质结构的范围较顺河型大，跨越河流的方式有顺层(单斜)或向斜类型，顺层型中地下水受顺层断裂或顺层发育的岩溶渗漏通道控制，容易引发水库渗漏； 向斜型则提供地下水绕轴流动的条件，其径流途径较长，易形成水库的潜在渗漏通道。

官地水电站为典型的顺层型跨河水文地质结构。官地水电站坝址位于一个弧长4.75km，弦长1.88km的河湾地带靠下游部位，由河湾所围限的河间地块为一呈东西走向的单薄分水岭，坝址区出露地层为P2β玄武岩，而单薄分水岭地区则出露呈条形分布的石炭系和二叠系地层的3套碳酸盐岩地层，相互之间被非可溶性地层分隔，形成3个相互独立、且沟通河湾上下游的灰岩条带(图2)，构成水库岩溶渗漏的潜在通道。蓄水后是否会向下游渗漏，如果发生渗漏会以哪种形式、以及渗漏量有多少等问题，是官地水电站建设中面临的主要工程水文地质问题之一。

图2 官地水电站库首单薄分水岭地质图Fig. 2 Geological map of thin watershed in the front area of Guandi Hydropower Station

(4)区域型水文地质结构(D)：区域性汇水结构，如大型盆地、坳陷等汇集的区域性地下水，被河流切割出露地表。

区域型水文地质结构主要是区域型的汇水褶皱，如铜街子水电站蓄水初期下游福禄一带与蓄水过程同步的诱发地震问题就是受四川盆地西缘汇水结构控制形成的。铜街子电站整体区域在天然条件下地震活动微弱，不存在较大规模的活动断层，但在水库蓄水后即有明显的地震活动，并且地震震源由浅入深、由坝区向上下游扩展(许模等， 2000)。从铜街子大坝至下游福禄镇一带存在一个由P1y灰岩构成的顺层型承压水传导水文地质结构(图3)，有利于库水向地下深处或外围地区渗流和传导。库坝区内两次最大的诱发地震(1992年7月17日的3.5级和同年8月28日的3.3级)，其震源深度约为1.2km，恰好位于P1y灰岩与P2β玄武岩的界面附近。

图3 铜街子水电站南北方向水文地质结构剖面Fig. 3 Profile of hydrogeological structure in north direction of Tongjiezi Hydropower Station

4 结 论

通过以上讨论不难看出，水电水利工程建设中遭遇的工程水文地质问题都可归结为地质问题，都是在特定的水文地质结构控制下发生的。水文地质结构是含水介质类型与地质构造等要素在三维空间上的组合，深切河谷地区复杂的地质环境条件，造就了复杂水文地质结构。在深切河谷区的水电水利工程的建设和营运过程中，如果不能查明工程区水文地质结构特征，不仅会影响工程本身的安全和正常使用，而且往往会导致大范围的环境问题。本文在长期的水电水利工程实践中凝练了深切河谷水文地质结构类型，获得了这些具有普遍意义的工程水文地质问题的科学认识，可为类似工程建设提供借鉴。