贵州省董当隧道岩溶区水文地质特征研究

陈 鹏

(中国建筑材料工业地质勘查中心青海总队，青海 西宁 810000)

董当隧道是贵州省加快脱贫致富步伐的重要交通枢纽，是贯通东西，连接南北公路、铁路、水运等的重要通道，对加快滇桂黔石漠化集中连片特困地区扶贫开发意义重大。拟建区属于扬子准地台黔南台陷之贵定南北向构造变形区，区域地质构造发育，碳酸盐岩地层广布[1]，导致岩溶地貌较发育，为隧道的施工增加了难度。因此，为顺利推进隧道工程施工，本文对拟建岩溶区的水文地质特征进行了研究，为进一步制定防治方案提供依据。

1 拟建区地质概况

1.1 地层

拟建区以碳酸盐岩地层为主，主要包括：①上二叠统(P2)中风化灰岩，岩石呈浅灰至深灰色，具微晶结构，中厚层状构造或块状构造，岩体较破碎至较完整，节理裂隙发育，局部溶蚀强烈；②下三叠统大冶组(T1dy)中风化白云质灰岩夹灰岩，呈青灰、深灰色，具微晶结构，中薄层状构造，岩体破碎至较破碎，节理裂隙发育至较发育，局部裂隙为方解石充填[2]；③中三叠统小米塘组(T2xm)中风化白云质灰岩，呈深灰、灰白、红褐色，具微晶结构，中厚层状构造，局部受构造作用影响，岩体较破碎，节理裂隙较发育，局部裂隙面溶蚀风化强烈，见铁锰质渲染[3]；④第四系(Q4c+dl)碎、块石土，呈灰白、黄褐、深灰色，碎石为灰岩或白云质灰岩，粒径不等，一般小于20 cm，为崩坡积堆积而成，主要分布于稍缓的坡体表层及坡脚处，一般呈松散至稍密状。

1.2 构造

董当隧道拟建区位于贵州省经向构造体系和纬向构造体系的交汇部位，前者主要为克度向斜南端，后者主要由沫阳背斜、董当向斜、砂厂背斜等一级褶皱组成。隧道口及附近发育的构造主要包括：①位于隧道口的莫尖断层，出露基岩以灰岩为主，断面岩体节理裂隙发育，岩体极破碎至较破碎，完整性受构造断层及次生断层影响；②位于隧道洞身处的砂厂背斜北端，出露地层为中二叠系中风化灰岩，褶皱轴线中心区域内，构造形迹发育，岩体较为破碎；③位于隧道洞身段的性质不明断层，为中风化角砾状灰岩，钙质胶结，胶结程度较好，断层倾角较陡，为非活动性断层。

2 岩溶发育特征

2.1 岩溶地貌类型

拟建区特定的地质构造以及岩性组合、分布特征和新构造运动等共同制约了拟建区地貌发育和分布规律，塑造该区域地貌形态的主要外营力为溶蚀和侵蚀作用，剥蚀与堆积作用属于次要地位。按成因类型，隧道区主要为溶蚀地貌类型；根据个体形态组合划分，隧道区主要为峰丛洼地。

(1)岩溶个体形态。岩溶洼地：是拟建区内分布较广的岩溶负地形，主要分布在上二叠统(P2)、下三叠统大冶组(T1dy)和中三叠统小米塘组(T2xm)的灰岩、白云质灰岩和白云岩区。根据区内洼地分布高程统计，洼地主要分布在800～1 000 m高程段，对应于区域三级岩溶剥夷面，一般底部较平坦，宽度多在80m以上，长度在200 m以上，形状各异。谷底有较厚的黏土层，是区内农作物主要种植地和农村居住地，洼地中部或边缘多有落水洞，洼地边缘多有小型泉水，区内洼地多分布于向斜核部及断裂带。

消水洞、竖井：是拟建区常见的一种岩溶垂直形态，主要分布于洼地中，但有明显消水洞的较少；竖井主要分布于拟建区北部，如董架谷地、莫要等地发育有竖井。

溶洞：在洼地、槽谷及峡谷岩壁上分布众多溶洞。在洼地、槽谷周围可以看到四层溶洞，第一层溶洞为暗河通道，第二层溶洞一般处于季节变化带，洪水季节有水涌出，第三、第四层溶洞一般为干溶洞，这些溶洞多沿构造断裂及可溶岩与非可溶岩界面发育，往往呈裂隙峡谷状。

溶(缝)隙：在拟建区内分布普遍，多为沿构造裂隙和层面裂隙溶蚀扩大，具有很强的导水性能，局部充填，但充填物稳定性差。

(2)组合形态。从个体形态组合看，隧道区主要为峰丛洼地。出露地层岩性主要为二叠系上统至三叠系中统的厚层状灰岩、白云质灰岩、白云岩等，一般位于平缓褶皱区或褶皱的翼部和转折部位。溶蚀锥峰起伏，山体浑圆，峰脚高低不一，基座相互连接成峰丛。峰丛间为溶蚀洼地或漏斗，底部常能见到消水洞或竖井，常有少量第四系残坡积层覆盖。测区内溶蚀洼地，底部多被第四系残坡积层覆盖，为居民种植农作物的重要地段，且多数未见明显消水洞或竖井。洼地、漏斗一般顺地层走向及构造方向呈串珠状展布。在平缓褶皱区，受构造裂隙的控制而呈树枝状、网状分布。在紧密构造带，洼地沿构造线条带状延伸，它们和峰丛相间分布组成一种独具特色的峰丛槽谷地形，如沬尖—董架一带，受沬尖断层的控制，洼地沿构造线呈近南北向条带状延伸。

2.2 岩溶发育的主要影响因素

拟建区岩溶地貌都是在特定条件下经历一定时期岩溶作用所形成的，在诸多控制因素中，地层岩性是基础，地质构造是主导，而水动力条件是决定性的因素。

(1)岩性是岩溶发育的基础。拟建区岩溶主要发育在三叠系小米塘组、三叠系大冶组白云质灰岩、白云岩区及二叠系中统灰岩、白云质灰岩中，该两套灰岩层为隧道区分布最广、岩溶最发育地层。

(2)地质构造是岩溶发育的控制因素。区内洼地、漏斗、槽谷与地下管道系统的发育与分布明显受到构造断裂、可溶岩与非可溶岩界面、裂隙密集带与结构面控制，形成洞穴—管道—裂隙系统。在近南北向的沬尖断层控制下，地表发育洼地、槽谷，如龙门—沬尖—董架槽谷；对地下河发育方向起到导向作用，如河边主管道受沬尖断层控制，也沿断层方向展布。

(3)水动力条件是岩溶发育的必要条件。水的溶蚀性能是岩溶作用得以进行的必要条件，而水的循环交替是决定水的溶蚀性能的决定因素，同时水动力条件也决定了水流侵蚀性能。拟建区内年均降雨量1 152.8 mm，为区内岩溶发育提供了良好的水动力条件。

2.3 岩溶发育特征及基本规律

(1)岩溶发育受地层岩性控制。隧道穿过的碳酸盐岩岩组主要有二叠系上统(P2)、下三叠统大冶组(T1dy)、中三叠统小米塘组(T2xm)，岩性主要为白云质灰岩、白云岩区及二叠系中统灰岩、白云质灰岩。根据向斜构造影响范围内的统计数据，洼地、槽谷、漏斗平均密度为3～5个/km2。区内降水70%～80%入渗地下，大部分以地下河或泉水形式排泄，三水转化迅速，局部地段地下岩溶管道发育强烈，故测区岩溶发育强度总体上属强岩溶发育。

(2)岩溶发育受构造控制。拟建区发育的沬尖断层、砂厂背斜对区内岩溶发育有较明显的控制。河边地下河沿近南北向的沬尖断层展布，而区内洼地、漏斗多受砂厂背斜次生的横张裂隙发育。拟建区发育300°～360°和200°～270°的构造裂隙，其中300°～360°是控制岩溶发育的主要裂隙，河边地下河支管道主要受其控制。

(3)岩溶发育受可溶岩与非可溶岩界面结构面控制。隧道区岩溶发育深度取决于两个基本条件：当地排水基准面；由泥质页岩和粉砂质泥岩、页岩形成的溶蚀基准面。霸王河是该区主要排水基准面，河水面最低高程430 m。此外，由于拟建区地层产状陡，溶蚀基准面可能较深。

3 岩溶区水文地质特征

3.1 岩溶垂向水动力分带

岩溶垂向水动力分带可划分为：①表层岩溶带：主要是指位于强烈岩溶化的包气带表层部分，该区域厚5～20 m，该带发育较多分散且流量小的泉水，为山区居民及牲畜主要的水源；表层岩溶带与下部的饱水带之间没有明显的水力联系，但是与包气带存在较为明显的水力联系，因此若隧道的埋深相对较浅，在施工过程中可能引起表层岩溶带中的水资源枯竭，进而影响山区人畜用水及生态环境；②垂直下渗带(包气带)：以垂向型岩溶为主，如竖井、落水洞、垂直溶缝等，但也存在一些水平干溶洞，有时被黏土夹碎石充填，是将大气降水和地表洪水导入地下的通道，泄水能力很强；当隧道通过此带时，受到季节性地表水灌入的威胁，洞穴充填物的塌陷也必须引起重视，董当隧道绝大部分地段处于此带；③季节交替带：是指受季节变化而引起地下水位波动较大的区域，该带介于饱水带与包气带之间，雨季时该带属于饱水带的一部分，旱季时该带属于包气带的一部分，因此隧道在雨季可能受到自下而上的有压涌水、涌泥；④水平管道循环带(浅饱水带)：指枯水期地下水位以下地下河排水口以上的饱水含水带，如一些水平洞穴，地下河主通道，大的充水溶洞，宽大的溶缝、深潭、地下湖均发育在此带，对隧道涌水的威胁最大，一般为高压突水、突泥；⑤压力饱水带：在浅饱水带之下，即暗河口排水面以下、当地主要河流排水基准面影响带以上的含水层。拟建区地下水虽然在系统排水基准面影响下运动，但循环交替速度减慢，岩溶整体发育强度减弱，岩溶仅沿某些断裂带、软弱面溶蚀扩大，整体岩溶率低，但局部岩溶也可能造成压力较大的突水、突泥。

3.2 岩溶水系统

拟建区涉及隧道的岩溶水系统为河边地下河系统。地下河系统中的主河道基本沿沫尖断层带发育，以董架洼地东南边缘的消水洞为入口。入口标高790 m，雨季董架洼地汇集地表径流于该入口进入补给地下河，然后自北向南径流，沿途经过沫尖、龙门西部、干田坳东一带，最后于河边寨排泄，出口标高450 m。根据调查结果，地下河还存在一系列支管道，与隧道密切相关的是：①锅厂—莫托—莫要—冗拉西北一带，长约5 000 m，总体沿约335°方向展布；②拉达—冗奶—冗井—冗拉西北一带，长约3 000 m，总体沿约310°方向展布；③水井湾—833洼地—干田坳北一带，长约3 500 m，总体沿约300°方向展布。

4 结语

综上所述，拟建区域水文地质条件较为复杂，隧道的硐身处于垂直下渗带(包气带)，隧道修建过程中可能遇到沿构造裂隙或层面发育的岩溶管道，在降雨等条件下易发生涌水、涌泥现象，且涌水初期水量相当大。因此，在隧道修建过程中，若出现裂隙状涌水或渗滴水时，需及时进行封堵处理，能够有效避免隧道上方洼地边缘形成一系列新的裂隙管道泉和表层泉，进而引起涌水、涌泥等灾害。