基于電力工程實踐過程中西南地區二疊系茅口組灰巖特性分析

張 義 楊 煜

（四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610041）

0 引言

巖溶在我國分布廣泛，與人民群眾的日常生活及工農業建設密切相關[2-3]。西南地區的電力建設工程實踐活動中，經常會遇到巖溶問題。受到地質背景、氣候、巖性、地質構造、江河水系等多因素綜合影響，西南地區的巖溶問題深刻而復雜。而巖溶穩定性一直是影響電力建設場區安全的重要巖土工程問題之一。在電力建設工程實踐中，發現西南地區廣泛分布的二疊系茅口組灰巖相對鄰近巖組，其巖溶發育程度、規模等具有更加顯著的特點。如果對西南地區二疊系茅口組灰巖巖溶特性認識不夠深入，就會給工程建設帶來巨大的安全隱患。該文從工程實踐角度對其進行歸納，為類似工程提供參考。

1 西南地區碳酸鹽巖分布

碳酸鹽巖是對主要由碳酸鹽類礦物組成的巖石的統稱，主要有石灰巖和白云巖等兩類[4]。我國碳酸鹽巖分布廣泛，出露面積約91 萬km2，加上隱伏于不同深度的碳酸鹽巖、總面積達340 萬km2[5]。其中，西南地區的云南、貴州、四川（含重慶）等省區都有大面積出露，見表1。

表1 西南各省區碳酸鹽巖分布和出露面積

該文側重于對云貴川等地區的地質背景及環境氣候下的二疊系茅口組灰巖的巖溶特性進行分析。

2 西南地區二疊系巖溶發育地質背景及其地層分布

以四川盆地為例，早二疊世海侵初期，普遍沉積了河湖沼澤、濱海沼澤相的砂泥巖、泥灰巖，超覆在石炭、泥盆系或下古生界之上。中期（棲霞期）為淺海臺地相灰巖（100m～300m），幾乎覆蓋了整個上揚子地區，并含有大量有機質、和較多泥質、硅質，形成了含硅質條帶或結核的灰巖。早二疊世晚期（茅口中晚期），臺地內部又一次出現拉張斷陷和斷塊差異升降活動，導致沉積環境出現差異，主要巖性為灰巖、硅質巖、炭質頁巖等，橫向上可與塊狀灰巖、燧石結核狀灰巖相變。

同期，云南、貴州也有類似構造運動，其二疊系地層對例如圖1 所示。

圖1 西南地區二疊系灰巖對比圖

西南地區廣泛分布的二疊系下統茅口組地層，為一套淺海相沉積的巨厚層灰巖，巖性主要表現為灰、淺灰色中～巨厚層致密灰巖，頂部為含燧石結核灰巖夾薄層硅質巖，巖性穩定，區域不同而略有差異。

3 工程實例和巖溶景觀

3.1 貴州某燃煤電廠工程

某4×350MW 燃煤電廠位于貴州省貞豐縣東南部，低中山地形，山體渾厚，東側高于北盤江近300m。早期地質構造運動中，地塊受南北向強烈擠壓，形成了以貞豐背斜為主的褶皺構造，后期地塊進一步活動化，產生系列壓扭性斷裂構造，場地內存在一斜穿而過的蝕變帶。第四紀以后，地殼抬升，溶蝕、侵蝕和剝蝕作用加劇，巖溶地貌突出。基巖地層以三疊系中統青巖組、二疊系下統茅口組為主。

茅口組灰巖呈灰色、淺灰色，具微晶結構，中至巨厚層狀～塊狀構造；青巖組地層灰巖、泥灰巖、頁巖互層，中厚層狀構造為主，泥質含量較重。二者在場地內以蝕變帶為界。

勘察期間在茅口組灰巖及青巖組灰巖中布置同等密度、同等數量的鉆孔，鉆探結果反映了不同巖組的巖溶發育特性，見表2。

表2 某燃煤電廠鉆孔溶洞分布統計表

在整個二疊系茅口組灰巖地層內（包括漏斗及蝕變帶），布置鉆孔32 個，其中10 個鉆孔遇溶洞，遇洞率為31.25%，鉆孔線溶率為3.1%～42.5%，平均線溶率遠大于5%。其中，洞高10m 以上的溶洞3 個，3m～8m 的溶洞5 個，0.4m～3m的溶洞7 個。根據鉆孔遇洞率及線溶率，在該地層巖溶發育強烈～極強烈。

在三疊系中統青巖組灰巖、泥灰地層中，由于巖石的礦物成份中含有黏土等雜質，巖石純度較差，可溶性差，致其巖溶發育程度微弱。青巖組地層布置鉆孔40 個，僅1 個鉆孔遇溶洞，遇洞率低，巖芯完整，溶蝕作用微弱。

該工程案例說明在相同地質背景和氣候條件下，巖溶對不同的巖組和巖性具有明顯的選擇性，且追蹤構造破碎帶發育。

3.2 重慶黔江某風電場工程

黔江某風電場工程位于重慶東南部，地處大婁山脈與武陵山脈間的低中山區，山嶺連綿，溝壑峽谷眾多，具較強烈的溶蝕、侵蝕構造地形特征。出露地層主要為二疊系，包括棲霞組、茅口組灰巖。棲霞組灰巖呈深灰色、灰褐色，薄層～巨厚層構造，夾薄層瀝青質灰巖、泥灰巖等。茅口組灰巖呈灰白-深灰色（偶帶淡紫色），厚層狀，夾少量硅質團塊及條帶。

工程地質調查及物探測試均表明，場地內巖溶形態多樣、規模較大，主要發育于茅口組地層中。見表3 和圖2。

表3 重慶黔江某風電場巖溶形態統計表

圖2 風電機位地質雷達反演結果（茅口組灰巖地層）

該工程巖溶發育有2 個明顯特點：1）與棲霞組灰巖相比，茅口組灰巖的巖溶形態更為發育，優勢明顯（茅口組灰巖地層中占比達77%，棲霞組灰巖中占比為23%）。2）與區域構造背景密切相關。工程場地位于山頂夷平面，巖溶發育高程集中在1300m～1550m，據區域水文地質普查報告（1 ∶20 萬，酉陽幅），該夷平面相當于大婁山期的第二亞期，為當地主要地貌形成及巖溶發育期。

3.3 四川興文巖溶景觀

四川興文世界地質公園區域上位于四川盆地南部山地與云貴高原的過渡地帶，屬亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和，雨量充沛，多年平均降水量約1180mm。地層以二疊系碳酸鹽巖為主，巖溶形態類型豐富。其中，小巖灣、大巖灣天坑兩天坑成景地層主要為茅口組和棲霞組灰巖，地表巖溶形態石海、石芽、石林、石柱、漏斗等主要發育于茅口組灰巖中，為二疊系地層十分典型和具有代表性的巖溶景觀。

4 二疊系茅口組灰巖巖溶特性

結合以上工程實例和巖溶景觀，茅口組灰巖具有如下巖溶特性。

4.1 物質組成及成份

調查和研究表明，巖溶化程度最強的為灰巖、次為白云質灰巖、白云巖，再次為泥質灰巖。碳酸鹽巖相對溶解度的大小，取決于CaO、MgO 及SiO2+R2O3含量比值的高低。一般地，厚層、粗晶、純灰巖的CaO/MgO 比值高，不溶物SiO2+R2O3組份低，相對溶解度高，可溶性好，巖溶發育；若為薄層、隱晶、不純灰巖，則CaO/MgO 比值低，不溶物SiO2+R2O3組份高，相對溶解度低，可溶性差，巖溶不甚發育。

由表4 可以看出[6]，二疊系灰巖可溶成份一般高于三疊系，且茅口組灰巖不溶物含量相對最低，巖性純度大，可溶性好，巖溶發育程度與上下鄰近巖組對比更為發育，該文工程案例中也發現了這個規律。

表4 川黔鐵路沿線部份碳酸鹽巖的成分分析表

4.2 結構與構造

就碳酸鹽巖結構而言，一般晶粒越粗，溶解度就越大，巖溶發育也就越強烈。粗粒結構的巖石孔隙大，巖石的吸水率高，抗侵蝕能力弱，有利于溶蝕；從巖層構造上看，一般巖層越厚，巖溶就越發育，這是由于厚層碳酸鹽巖含不溶物較少，溶解度較大，薄層碳酸鹽巖常含較多泥質，溶解度較小，巖溶化程度較弱，見表5。

表5 湘黔線婁底恩口礦區碳酸鹽成分與巖溶發育程度比較表

該文工程案例中，茅口組灰巖均呈厚層-巨厚層狀構造，尤其是黔江風電工程場地，茅口組灰巖相比棲霞組灰巖單層厚度更大，且巖性更純（棲霞組灰巖含較多條帶狀瀝青質）；同時， SiO2及有機質等的含量大小，對巖溶作用影響很大，茅口組灰巖相比棲霞組灰巖明顯較低。因此總體上場地內茅口組灰巖溶發育程度明顯強于棲霞組灰巖，與表6 所反映情況相似。

表6 園梁山地區碳酸鹽成分與巖溶發育程度比較表

4.3 地質構造運動與巖溶發育史

巖溶發育與地質構造關系密切，總體上地質構造控制著巖溶發育的方向，同時還影響著巖溶發育的規模和大小。地殼的垂直運動會影響區域水系侵蝕基準面的變化，從而影響巖溶發育的方向。在西南地區，在長江流域及珠江流域漫長演變過程中，逐漸形成了各區域較為典型的地貌發展階段（地文期），各區域的巖溶發育歷史和巖溶地貌與地文期有深刻的內在聯系。

茅口組灰巖出露于西南地區河川兩岸的山頂夷平面時，應注意當地地文期與巖溶發育史的對應。如該文案例2 中，工程場地處于山頂，但其巖溶卻異常發育，與其大婁山二期巖溶發育史的背景有關（表7）。

表7 長江流域新生代地文期與巖溶發育歷史概況

5 結論

該文在西南區域地質背景及氣候、水文條件下，通過工程實踐，分析了二疊系茅口組灰巖的巖溶特性。1）對比鄰近的上下地層巖組，其具有巖性更純、雜質含量低、溶蝕率高、單層厚度大、巖溶更為發育的特點。2）當其出露于各級夷平面時，要注意與當地地文期的對應，了解其巖溶發育歷史，認識地質構造、地貌、夷平面、河川水系、巖溶水的循環動力條件等對巖溶的控制作用。為該西南區域的工程建設提供參考。