河谷演化控制下的覆盖型岩溶区地下岩溶分层——以白石窑水电站为例

陈启军，李振嵩，李宁新，湛 杰

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610)

覆盖型岩溶[1]是指被松散堆积物覆盖的岩溶。覆盖型岩溶区基岩一般不出露于地表，在地面上常有漏斗或洼地，有时出露灰岩石芽。大范围覆盖型岩溶一般处于岩溶盆地(准平原)。

覆盖型岩溶区的河谷地下岩溶总体上具有上强下弱的垂直分带特征，但这种垂直分带的成因众说纷纭，而且各分带内部尤其是各分带之间的水力联系方式尚不明确，给工程实际运用带来不少困惑。谭周地等[2-3]对受地表水流、水体控制的深岩溶的成层性进行了初步分析和河谷深岩溶的发育分布规律研究，认为深岩溶发育强度垂向变化的总趋势是随着深度增大而减弱，但由于岩溶的不均匀性又是其普遍的特征，因而深岩溶在垂直方向上也经常由强而弱的复杂变化过程；崔政权[4]认为不同水头作用下多期叠加产生了河谷成层岩溶化地质体，并在清江高坝洲坝址运用岩溶动态平衡理论将河谷由下至上划分为溶孔晶洞分布带、孤立洞穴、深岩溶带和近代岩溶带和并实际调查资料进行比较；宋汉周等[5]对2种不同峡谷的岩溶发育及水动力特征分析，阐述山地型峡谷彭水坝址区深岩溶洞穴大多在河水位以下60 m，埋深最大的溶蚀裂隙在枯水位以下175 m；杨明德[6]对岩溶峡谷区溶洞发育特征及水动力条件进行研究，提出溶洞垂直分布上的多层性。上述研究提出河谷岩溶发育的成层性或多层性，且大多数研究基于裸露型岩溶山区河谷，同时也面临地下岩溶发育河谷如何分层及对应的下限估算如何确定的问题。

本文在整合覆盖型岩溶区河谷地貌的三期演化模式和河谷岩溶的多期叠加成层模型的基础上，进一步找出峡谷期向盆地期演化过程的岩溶地下水明显变化的关键节点，针对覆盖型岩溶区的重点研究对象——河谷地下岩溶，以最大作用水头、最大强化作用水头和最新强化作用水头作为特征作用水头，把河谷岩溶的多期叠加成层模型简化为河谷地下岩溶的三期叠加强化模型；并进一步把河谷地下岩溶总体上的垂直分带转化为与不同特征作用水头对应的河谷地下岩溶剖面分层及下限估算。通过剖面分层及下限估算，可以更好地分析岩溶渗漏与渗透稳定问题，据此明确防渗目标层和防渗依托层。

1 覆盖型岩溶区的河谷地貌及岩溶演化

1.1 经典河谷岩溶分带

根据岩溶形态及地下水动力条件，河谷岩溶分带一般可分为垂直循环带、季节变化带、水平循环带、倒虹吸管循环带和深部循环带5个分带[7-8]，见图1。

1—垂直循环带；2—季节变化带；3—水平循环带；4—虹吸管式循环带；5—深部循环带。

1.1.1垂直循环带

指垂直渗流带，该带位于地表以下，最高岩溶水位之上，以垂直运动为主。垂直循环带的厚度决定于当地主要排水基面的位置。在地壳上升剧烈区，河谷下切深度大，此带厚度也大。

1.1.2季节变化带

指汛期地下水与枯水期地下水之间的地带。枯季地下水作垂直运动；汛期地下水作水平运动，出流形成季节性泉。汛期岩溶发育部位，由于排泄不畅，形成的地下水位比岩溶不发育的高，平水期及枯季，由于补给量小，形成的地下水位比岩溶不发育的部位低。

1.1.3水平循环带

指枯期地下水位以下地下水作水平运动的地带。该带地下水的水平运动在岩溶发育过程中起着最主要的作用，水平循环带形成的溶洞最多、最大。即成层岩溶多对应于水平循环带。

1.1.4虹吸管循环带

又称谷底循环带[1]，该带埋藏于水平循环带以下，是河床以下具倒虹吸管循环作用的地带。当宽大断层被利用时，能形成较强岩溶。

1.1.5深部循环带

深部循环带又称深部缓流带[1]，深埋于虹吸管循环带以下。 由于渗流出口受(河谷深部)微弱岩溶带阻滞，地下水流缓慢—极缓慢，一般只能形成微弱岩溶带。

上述分带适用于山区裸露型岩溶区的河流峡谷。对岩溶盆地覆盖型岩溶区而言，前期垂直循环带、季节变化带、水平循环带甚至虹吸管循环带均被剥蚀，覆盖层以下的普遍存在的强岩溶带显然不仅仅是深部循环带(微弱岩溶带)的残留，而是经后期叠加强化形成的。

1.2 河谷岩溶地貌的三期演化

岩溶裸露型山区地貌发育或演化一般归为3个阶段即初期阶段、中期阶段和晚期阶段。文献[5-8]在论述这3个阶段时，以河流为中心，将“从河谷到分水岭”岩溶地貌的演化模式见图2。

Ⅰ—分水岭；Ⅱ—谷坡；Ⅲ—岸坡；Ⅳ—河谷。

1.3 河谷岩溶水动力演变

1.3.1河谷地貌演化伴随岩溶水动力演变

文献[9-10]结合地貌演化阶段，阐明了河谷岩溶水动力演变规律。

初期阶段在古溶原面(剥夷面)上，河流切割深度仅数米至几十米，属浅切割河流，两岸地下水坡度平缓，岩溶水动力作用不强，以浅层岩溶化为主。

中期阶段(峡谷期)在新构造上升运动支配下，河流排水基准面迅速下降，河流深切，地表支流及地下水运动为了适应最低的排水基准面，由分水岭至岸坡地下水位快速曝低，比降增大。地下水运动在饱气带，以垂直循环为主，而在河谷两岸以水平循环为主。反映在地貌上，即形成了由分水岭至河谷的岩溶地貌分带性。

晚期阶段(盆地期)在地壳相对稳定情况下，岩溶地貌进一步发展，由分水岭至河岸，由于侵蚀及溶蚀作用，岩溶地面逐渐被夷平，地下水比降变缓，河流又演变成浅切割型。此时水动力作用以侧向水平运动为主，峰丛逐渐解体，向峰林和孤峰演化，溶洼侧向扩展，向溶盆或溶原方向演化。

根据上述河谷地貌演化及岩溶水动力演变规律，可以获得覆盖型岩溶区河谷水动力演变过程的重要启示，现状岩溶盆地是从上一期夷平面(盆地)重启，经过峡谷期、宽谷期岩溶演化而来的。现状河谷地下岩溶化与三期岩溶演化及其相应的岩溶作用水头关系密切。

1.3.2覆盖型岩溶的三期演化

如上所述，峡谷期向盆地期演化过程，是岩溶作用水头变小即岩溶化作用变浅的过程。

a)峡谷期河流两岸地下水位远远高于河水位，加上河谷快速下切，为河谷产生深层岩溶提供了动力源——足够高的岩溶作用水头，形成的深层岩溶是后期演化改造的基础。

b)峡谷期河谷演化为宽谷(形成基座阶地)后，两岸地下水位大幅降低，岩溶作用水头只能对峡谷期残存的深层岩溶上部进行叠加强化。

c)宽谷期河谷进一步演化为盆地(准平原)后形成现代河流，两岸地下水位进一步降低并变化缓慢，更低的岩溶作用水头只能对宽谷期强化后的浅部岩溶化地质体进一步叠加强化。

1.4 河谷岩溶的多期叠加成层模型

岩溶作用动态平衡理论[4]根据岩溶作用水头控制岩溶(化)作用深度的基本原理，采用不同水头作用下(图中不同高程夷平面补给)的倒虹吸管模型，认为不同水头作用下多期叠加产生了河谷成层岩溶化地质体，包括地上岩溶和地下岩溶，见图3。

图3 河谷岩溶的多期叠加成层模型[4]

在动态平衡理论中，引入应力水头Hp的概念，认为岩溶作用水头Hk由静水压力水头Hst和应力水头Hp两部分组成，其中应力水头Hp与地壳上升幅度hup有关。根据岩溶勘测工作同步理论，在一个侵蚀旋回里岩溶作用幅度hk与该地区地壳上升幅度hup同步，即hk=hup。把岩溶水循环深度作为岩溶发育的下限深度Hk，并通过对中国30多个地区岩溶发育情况的统计分析，认为岩溶发育的下限深度为Hk=2.0Hst，见图4。

图4 岩溶化作用深度下限[4]

结合不同演化时期考虑，峡谷前期静水压力水头Hst大，岩溶作用深度大；宽谷期静水压力水头Hst渐小，岩溶作用深度渐浅；岩溶盆地(准平原)期静水压力水头Hst更小，岩溶作用深度更浅。

2 覆盖型岩溶河谷地下岩溶的三期叠加强化模型

如上所述，峡谷期形成的深层岩溶是后期演化改造的基础。进一步找出峡谷期向盆地期演化过程的岩溶地下水明显变化的关键节点，对应有最大岩溶作用水头、最大强化作用水头和最新强化作用水头等特征作用水头，把河谷岩溶的多期叠加成层模型简化为河谷地下岩溶的三期叠加强化模型。

2.1 三期特征作用水头

2.1.1峡谷早期的最大岩溶作用水头

只有峡谷期两岸地下水远远高于河水位，才具备产生深层岩溶化作用的动力源。尤其是峡谷早期(U型)河谷，两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-深切河流之间的最大水位差，即为最大岩溶作用水头。

2.1.2宽谷期的最大强化作用水头

形成基座阶地代表峡谷期河谷演化进入宽谷期，是河谷演化的重要拐点，也是河谷地下水动力转变的转折点：进入宽谷期意味着河谷演化进入了河流下切逐步变慢的时期，而且由峡谷晚期河床到形成最高基座阶地，河流下切幅度大，此后的河流下切幅度小。即峡谷晚期河床-最高基座阶地之间的水位差最大，是宽谷期最大强化作用水头。

2.1.3盆地期的最新强化作用水头

宽谷期河谷进一步演化为盆地(准平原)后形成现代河流，两岸地下水位进一步降低至一级阶地附近，一级阶地地下水与河水位之间的水位差，是盆地期现代河流形成后最新的强化作用水头。

2.2 河谷地下岩溶剖面分层概化模型

对应于河谷地下岩溶的三期特征作用水头，覆盖型岩溶区地下岩溶一般可概化为三层岩溶化层，即深层孤立洞隙层、中层强化岩溶层和现代岩溶影响层。

2.2.1深层孤立洞隙层

峡谷期最大岩溶作用水头形成深层孤立洞隙层。由于峡谷期河流快速下切，深循环带内岩体受岩溶水动力作用时间较短，岩溶发育较弱，宽谷期以后又不再受明显强化，洞隙无充填或充填早期硬结物。该层相当于常规划分的河床深部的弱岩溶带。但需要强调的是，本层内部的孤立洞隙之间以基岩裂隙水联系，与上层的水力联系弱。

2.2.2中层强化岩溶层

宽谷期最大强化作用水头形成中层强化岩溶层。经过宽谷期强化，岩溶发育比深层孤立洞隙层强，呈中等—弱发育；洞隙充填中期阶地堆积物和溶蚀残积影响充填物。该层相当于常规划分的河床中上部的中等—弱岩溶带，但其中的中下部不再受盆地期的强化，岩溶发育较弱，洞隙之间以弱溶蚀的裂隙水联系，与上部中等岩溶带的水力联系也弱。

2.2.3现代岩溶影响层

盆地期最新强化作用水头形成现代岩溶影响层。经宽谷期强化的浅部中等发育的岩溶层继续受现代岩溶水动力强化作用，岩溶愈发强烈，洞隙充填性状差，渗透性大，该层相当于常规划分的河床浅部的强岩溶带。该层洞隙多被网络化，不仅内部洞隙之间水力联系密切，而且与现代地表及地下水流活动有密切的交替关系，对坝基渗漏起着控制作用，是工程防渗处理的主要目标层。

2.3 河谷地下岩溶剖面分层深度估算

如上所述，不同时期的静水压力高度Hst存在最大值(上限)，意味着有对应的岩溶化作用深度下限。三期特征作用水头(即三期静水压力高度Hst)有各自岩溶作用深度的下限(Hk=2.0Hst)，也就是各分层下限。

深层孤立洞隙层下限采用峡谷早期的最大岩溶作用水头估算；中层强化岩溶层下限采用宽谷期的最大强化作用水头估算；现代岩溶影响层下限采用盆地期的最新强化作用水头估算。

3 工程实例

以已建并运行多年的典型工程——白石窑水电站为例，验证上述分层及其下限的合理性。

3.1 地质概况

白石窑水电站为建于北江干流上的低水头径流式水电站。工程区地处广东英德岩溶盆地，基岩为石炭系石磴子组灰岩，坝址河段呈纵向谷，覆盖型岩溶发育。据坝址区152个钻孔揭示，钻孔遇洞率高达72%[13]。

3.2 地下岩溶剖面分层下限估算

3.2.1峡谷期孤立岩溶层下限估算

据粤北夷平面研究成果[10]，第四系英德期夷平面高程300 m，北江雏形从英德期剥夷面下切开始峡谷期。峡谷早期两岸地下水接近夷平面高程300 m；宝晶宫剖面最高层溶洞[11](高程130 m)充填砂卵砾石层，代表峡谷早期北江基准面低至高程130 m，即峡谷早期的最大岩溶作用水头Hst=170 m，最大岩溶化作用深度深达剥夷面以下340 m，即峡谷早期形成的峡谷期孤立岩溶层下限高程-40 m，见图5。据白石窑水电站152个钻孔、武广高铁英德段1 943个钻孔揭露，最低溶洞分布高程在-40 m[13-15]。

图5 白石窑水电站坝址区溶洞分布高程散点[12]

3.2.2宽谷期强化岩溶层下限估算

峡谷晚期河床下切到高程130 m以后，河谷进一步下切、拓宽并在两岸形成基座阶地，其高程约为55 m，表明由峡谷转向宽谷，二者高差75 m，即宽谷期的最大强化作用水头Hst=75 m，岩溶作用深度Hk=2.0Hst=150 m。即宽谷期最大强化作用水头强化作用深度达峡谷晚期河床以下150 m，即中层强化岩溶层下限高程为-20 m。白石窑水电站勘察揭露，超97%溶洞在-20 m高程以上，以下8个洞全部无充填。这些无充填的洞隙可能是峡谷期形成的深层孤立岩溶层的残留。即-20 m高程至-40 m高程的岩溶化地质体属于峡谷期形成的孤立岩溶层。

3.2.3现代岩溶影响层下限估算

盆地期两岸地下水大部分降低至一级阶地高程35 m，但坝址区一级阶地呈不对称分布，左岸发育而右岸缺失。右岸残留基座阶地高程为55 m，勘探揭露右岸地下水位明显高于一级阶地。现代河流河水位高程为25 m，右岸残留基座阶地高程为55 m、高差30 m，取盆地期的最新强化作用水头Hst=30 m，岩溶强化作用深度至右岸残留基座阶地以下60 m，相应高程-5 m，即现代岩溶影响层下限为-5 m。据坝址区钻孔溶洞高程分布统计，-5 m高程以上溶洞虽然只占总溶洞总数81.1%，见图6。但压水试验成果表明，-5 m高程以下基岩透水性明显变弱[13]。即-5 m高程至-20 m高程的岩溶化地质体属于宽谷期形成的中层强化岩溶层；-5 m高程以上的岩溶化地质体属于盆地期形成的现代岩溶影响层。

图6 白石窑水电站坝址区溶洞分布高程占比

对低水头水电站大坝来说，通常允许一定量的坝基渗漏，一般不需要将防渗帷幕底界深入相对不透水的深层孤立洞隙层中，采用悬挂式帷幕进入中层强化岩溶层，可以大大减少坝基岩溶渗漏防渗处理工程量，节约工程投资。本工程最大防渗深度进入中层强化岩溶层(-20 m高程)，防渗效果良好[16]。

对于低水头电站来说，将悬挂防渗帷幕底界置于现代岩溶影响层下限也是可行的。根据这一认识，连江西牛航电枢纽将悬挂防渗帷幕底界置于现代岩溶影响层下限(0 m)，多年运行良好[17]。

考虑到岩溶发育的复杂性，地下岩溶剖面分层今后需要结合工程实例进一步进行论证与分析。

4 结论

a)基于河谷多期叠加成层模型将覆盖型河谷地下岩溶的简化为三期叠加强化模型，并将地下岩溶发育在垂直剖面上划分为深层孤立洞隙层、中层强化岩溶层和现代岩溶影响层。现代岩溶影响层受到峡谷期、宽谷期、盆地期岩溶水动力叠加作用，岩溶愈发强烈，洞隙充填性状差，渗透性大，地表水和地下水交换强烈，对坝基渗漏起着控制作用，是防渗主要目标层。通过白石窑水电站河谷演化、地下岩溶剖面分层分析和各个岩溶层下限估算，并提出将现代岩溶影响层作为防渗关键层，防渗帷幕最大深度进入中层强化岩溶层，从而减少防渗处理工程量，节约工程投资。经多年观测，坝基防渗效果良好。

b)通过地下岩溶剖面分层厘清了覆盖型岩溶区的河谷地下岩溶总体上具有上强下弱的垂直分带特征。

c)覆盖型地下岩溶剖面分层虽然成功应用于白石窑水电站和西牛航电枢纽工程，考虑到岩溶发育的复杂性，这种地下岩溶剖面分层需要大量的野外地质证据作为支撑，因此其在应用推广和结论可靠性上还有待进一步提高。