基于水力聯(lián)系分析的現(xiàn)代巖溶影響層深度確定方法

陳啟軍,張小平,曹振中

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司,廣東 廣州 510610; 2.桂林理工大學 土木與建筑工程學院,廣西 桂林 541004)

0 引 言

覆蓋型巖溶[1-2]區(qū)域的河谷隨著峽谷期、寬谷期和盆地期三期演化[3-4],兩岸地下水位降低,巖溶水動力作用影響深度減小,地下巖溶發(fā)育具有明顯的垂直分帶性,由下至上可分為深層孤立洞隙層、中層強化巖溶層和現(xiàn)代巖溶影響層(河谷演化盆地期形成的巖溶化地質體分層)。處于盆地期的現(xiàn)代巖溶影響層經歷三期巖溶水動力作用,巖溶發(fā)育強烈,洞隙充填性差,滲透系數(shù)大,對壩基滲漏起著控制作用。對低水頭水電站大壩而言,通常允許一定量的壩基滲漏,對現(xiàn)代巖溶影響層進行防滲處理可以滿足設計要求,比如采用懸掛式帷幕,不需要將防滲帷幕底界深入相對隔水層中,可大大減少壩基巖溶滲漏防滲處理工程量,節(jié)約工程投資。因此,準確、有效確定現(xiàn)代巖溶影響層深度十分關鍵。

關于現(xiàn)代巖溶影響層下限的確定,王家駿[5-6]通過對壩基巖體溶蝕洞隙充填物的成分、顏色、顆粒級配、充填程度、土壤狀態(tài)(稠度)以及袍粉等深入統(tǒng)計分析,并將其與地表階地堆積、新構造運動特征進行對比,指出壩基巖溶和洞隙充填物具有垂直分帶規(guī)律,將壩基巖溶化地質體劃分為3層不同程度的巖溶化層,找出現(xiàn)代巖溶影響層分布高程。此外,還可通過鉆孔內水溫、水電阻率、水質與河水進行對比分析,若孔內某一高程之上巖溶水水溫、水電阻率、水質與河水均非常接近,說明該高程以上洞隙巖溶水與河水之間聯(lián)系密切,可認為該高程是現(xiàn)代巖溶影響深度的下限[7-10]。通過鉆孔分層壓水試驗和分層水位觀測,根據(jù)垂直剖面上巖體透水率、地下水位高程及地下水位有無突變情況,可劃分巖溶水系統(tǒng)[11]。然而,這些方法未能反映不同高程的巖溶化地層之間水力聯(lián)系密切程度,難以區(qū)分巖溶化深層孤立洞隙層、中層強巖溶化層、現(xiàn)代巖溶影響層。

本文在整合覆蓋型巖溶區(qū)河谷地貌的三期演化理論和河谷地下巖溶的三期分層模型基礎上,依據(jù)現(xiàn)代巖溶影響層受三期巖溶水動力持續(xù)強化作用,巖溶發(fā)育強烈、層內溶蝕洞隙擴大或連通、構成網格化的溶蝕洞隙系統(tǒng)且系統(tǒng)內巖體滲透系數(shù)大、洞隙之間水力聯(lián)系密切的特點,在壩基鉆孔垂直剖面上采用雙栓塞分層止水壓水試驗,獲取不同層位巖溶的水力聯(lián)系密切程度。與常規(guī)壓水試驗不同,本方法在鉆孔內實行下段壓水試驗+上段同步監(jiān)測水壓力變化,從而獲得下段與上段的水力聯(lián)系密切程度,只要找出下段與上段巖溶水力聯(lián)系相對較弱的界限,即可作為現(xiàn)代巖溶影響層的下限深度。本文旨在提出更好地分析壩基巖溶滲漏重點地帶的方法,可靠、有效地劃分現(xiàn)代巖溶影響層的下限深度,據(jù)此明確防滲目標層和防滲依托層。

1 覆蓋型巖溶河谷地下巖溶化分層模型

根據(jù)裸露型巖溶山區(qū)河谷地貌及巖溶水動力演化模式[12-14],提出覆蓋型巖溶區(qū)河谷水動力演化過程。現(xiàn)代巖溶盆地由上一期夷平面重啟,經過峽谷期、寬谷期巖溶演化而來,地下巖溶化程度與三期巖溶水動力作用相關。

(1) 峽谷期河谷深切,兩岸高程接近夷平面,河流常呈“V”形谷,岸坡地下水較高,為河谷產生深層倒虹吸帶提供了足夠高的巖溶化作用水頭。然而,由于峽谷期河流快速下切,或地殼快速抬升,深循環(huán)帶內巖體受巖溶水動力作用時間較短,溶蝕洞隙尚未擴大或相互連通,后期不再繼續(xù)受到明顯巖溶水強化作用,洞隙呈無充填狀或充填早期階地堆積物,層內部的孤立洞隙之間以基巖裂隙水聯(lián)系,與上面巖溶化巖層的水力聯(lián)系弱或基本無聯(lián)系。將深循環(huán)帶內含孤立洞隙巖溶化層劃分為深層孤立洞隙層。

(2) 隨著兩岸可溶巖被不斷溶蝕侵蝕,岸坡后退,河谷由峽谷向寬谷演化,并在兩岸形成堆積階地,岸坡地下水降低,巖溶作用水頭相應變小,但依然能形成倒虹吸作用,并對殘留的峽谷期中上部巖溶化層持續(xù)作用,巖溶發(fā)育程度比深層孤立洞隙層強,呈中等-弱發(fā)育,洞隙充填中期階地堆積物和溶蝕殘積影響充填物。殘留的峽谷期中下部巖溶化層不再受后期的巖溶水強化作用,巖溶發(fā)育弱,與中上部中等-弱巖溶化層的水力聯(lián)系也較弱。將中上部呈中等-弱發(fā)育的巖溶化層劃分為中層強化巖溶層。

(3) 寬谷后期河流向現(xiàn)代盆地河流演化,兩岸地下水位持續(xù)降低,巖溶作用水頭更低,但仍然可以對殘留的寬谷期中層強化巖溶層的淺部進行巖溶水動力作用。巖溶水動力作用范圍內巖溶愈發(fā)強烈,溶蝕洞隙擴大或相互連通,構成網格化的溶蝕洞隙系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅內部的洞隙之間水力聯(lián)系密切,而且與現(xiàn)代地表及地下水有著密切的交換關系,對壩基滲漏起著控制作用,是壩基防滲的目標層。將這種溶蝕洞隙呈網格化發(fā)育的巖溶化層劃分為現(xiàn)代巖溶影響層。

動態(tài)平衡理論認為,早期形成的巖溶是后期演化改造的基礎,而上述巖溶化分層思想則是對巖溶作用動態(tài)平衡理論[15-16]的傳承和創(chuàng)新。依據(jù)巖溶作用水頭逐漸變低、巖溶化深度越來越淺的規(guī)律和巖溶作用動態(tài)平衡理論,提出覆蓋型巖溶河谷地下巖溶的三期分層模型,即深層孤立洞隙層、中層強化巖溶化層和現(xiàn)代巖溶影響層,其中現(xiàn)代巖溶影響層的確定是本文研究的重點。

2 現(xiàn)代巖溶影響層下限深度確定

2.1 巖溶水力聯(lián)系分層結構模型

現(xiàn)代巖溶影響層內水力聯(lián)系密切,通過有效測定上、下相鄰巖溶層水力聯(lián)系的變化規(guī)律,可劃定現(xiàn)代巖溶影響層的下限深度。針對現(xiàn)代巖溶影響層巖溶發(fā)育強烈、層內洞隙多被網絡化、洞隙之間水力聯(lián)系密切的特征,提出了壩基巖體巖溶水力聯(lián)系密切程度的測試方法,測試結構裝置主要由鉆孔、壓水工作管、套管、止水栓塞、上段(水壓觀測段)、下段(壓水試驗段)和存儲型壓力傳感器組成,具體結構見圖1。

圖1 上、下相鄰巖溶層水力聯(lián)系測試模型Fig.1 Test model for hydraulic connection between upper and lower adjacent karst layers

現(xiàn)代巖溶影響層下限深度確定的具體方法:在鉆孔內從上至下進行分層巖溶水力聯(lián)系密切程度測試,每段測試時,在壓水段和觀測段分別安裝存儲型壓力傳感器,測量、記錄壓水段和觀測段的水壓力變化過程;根據(jù)壓水段、觀測段的水壓力曲線相關性,確定現(xiàn)代巖溶影響深度所在的位置。壓水試驗按三級壓力5個階段進行,水壓力曲線表現(xiàn)出5級平臺,如圖2所示,其中第1級、第5級平臺為初始壓力階段,第2～4級平臺為三級加壓測試階段

圖2 巖溶水力聯(lián)系相關性判別Fig.2 Karst hydraulic correlation discrimination

2.2 上、下相鄰巖溶水力聯(lián)系相關性判別

若巖溶發(fā)育強烈,巖溶水力聯(lián)系密切,壓水試驗過程中壓水段、觀測段的水壓變化曲線同升、同降,且兩者的壓力值較為接近,表現(xiàn)出明顯的同步性,可判定為洞隙型水力聯(lián)系,如圖2(a)所示。若壓水段、觀測段的水壓力曲線具有一定的同步性,而觀測段水壓力卻明顯偏小,兩段通過溶蝕裂隙產生水力聯(lián)系,巖溶中等發(fā)育,可判定為裂隙型水力聯(lián)系,如圖2(b)所示。若壓水段的水壓力曲線變化過程明顯,而觀測段水壓力基本沒有變化,呈直線狀,上、下兩段基本沒有相關性、無水力聯(lián)系,巖溶發(fā)育弱-微,可判定為孤立洞隙型水力聯(lián)系,如圖2(c)所示。

根據(jù)壓水試驗壓水段、觀測段的水壓變化曲線是否明顯相關或同步,劃分出壩基現(xiàn)代巖溶影響層、中層強化巖溶層、深層孤立洞隙層,從而確定現(xiàn)代巖溶影響層的下限深度。若在壓水試驗段和水位(壓)觀測段分別安裝三參數(shù)(水壓、溫度、鹽離子)傳感器,測量并記錄存儲壓水試驗段和水位(壓)觀測段的三參數(shù)變化過程,可更加準確判別現(xiàn)代巖溶影響層的下限。本方法基于覆蓋型河谷三期演化和河谷地下巖溶的三期分層模型結構(垂直剖面上分帶性),通過對觀測段和壓水段巖溶水力聯(lián)系密切程度的研究,確定現(xiàn)代巖溶影響層下限深度。與傳統(tǒng)方法相比,本方法是一種全新的直接判定方法。

3 工程實例驗證

某水電站擬建于紅水河支流上,屬于低水頭徑流式水電站。工程區(qū)地處廣西河池市境內巖溶盆地,壩址覆蓋層為第四系粉質黏土,層厚8.8～13.5 m,下伏基巖為石炭系馬平組(C3)白云質灰?guī)r,壩址河段呈縱向谷,覆蓋型巖溶發(fā)育。

根據(jù)鉆孔揭露,壩基巖體巖溶發(fā)育在垂直剖面上具有分帶性,故需要查明現(xiàn)代巖溶影響層深度。通過現(xiàn)場鉆孔可知,孔深9.6～30.8 m發(fā)育7層溶洞,巖溶發(fā)育強烈;孔深30.8～40.0 m僅發(fā)育一層溶洞,其他巖溶形態(tài)為溶蝕裂隙為主;孔深40 m以下未見溶洞發(fā)育,巖心表面零星分布溶孔、溶蝕裂隙。從上至下進行分段巖溶水力聯(lián)系密切程度測試,見圖3。試驗結果表明:孔深9.6～30.8 m巖溶強烈發(fā)育(圖4(a)),壓水段和觀測段水力聯(lián)系密切,兩段的水壓變化曲線同升、同降,且兩者的壓力值較為接近,為洞隙型水力聯(lián)系,如圖4(b)所示;孔深30.8～40.0 m發(fā)育相對較弱(圖5(a)),壓水試驗時壓水段和觀測段的水壓力雖有一定的同步性,但觀測段水力值明顯偏小,兩段基本通過溶蝕裂隙產生水力聯(lián)系,為裂隙型水力聯(lián)系,如圖5(b)所示;孔深40 m以下巖溶不甚發(fā)育(圖6(a)),在該段進行壓水時,觀測段水力基本沒有變化,為孤立洞隙型水力聯(lián)系,如圖6(b)所示。

圖3 巖溶水水力聯(lián)系測試現(xiàn)場Fig.3 Field test of karst hydraulic connection

圖6 孤立洞隙型水力聯(lián)系特征驗證Fig.6 Verification of weak connection characteristics of isolated cavity

通過上、下兩段水壓力變化曲線判別壓水段與觀測段水力聯(lián)系密切程度。由圖4(b)可知,壓水段和觀測段水力聯(lián)系密切,上、下兩段水壓力曲線變化同步且變化幅度相似;由圖5(b)可知,壓水段和觀測段雖然具有一定的同步性,但兩段水壓力曲線變化幅度明顯不同;由圖6(b)可知,壓水段水壓力呈三級壓力5個階段變化,而觀測段水壓力曲線呈直線狀,說明上、下兩段之間基本無聯(lián)系。

通過分析壓水段和觀測段水壓力相關性,確定該孔30.8 m以上為現(xiàn)代巖溶影響層,即現(xiàn)代巖溶影響層下限深度為30.8 m。依次確定壩軸線多個鉆孔的現(xiàn)代巖溶影響層下限,可為整個壩基防滲深度提供設計依據(jù)。

4 結 論

(1) 低水頭水電站大壩通常允許一定量的壩基滲漏,對溶蝕洞隙相互貫通、透水性強的現(xiàn)代巖溶影響層進行防滲處理即可滿足設計要求,不需要將防滲帷幕底界深入相對隔水層中,可以大大減少壩基巖溶滲漏防滲處理工程量,節(jié)約工程投資。因此,準確、有效確定現(xiàn)代巖溶影響層深度非常關鍵。

(2) 覆蓋型巖溶區(qū)河谷地貌的三期演化和河谷地下巖溶的三期分層模型是巖溶動態(tài)平衡理論的傳承和創(chuàng)新。基于此,提出了確定現(xiàn)代巖溶影響層深度的新方法,即在鉆孔內自上而下進行分層巖溶水力聯(lián)系密切程度測試,根據(jù)壓水段、觀測段的水壓力曲線相關性,分別給出了洞隙型、裂隙型、孤立洞隙型水力聯(lián)系的判別方法,從而確定現(xiàn)代巖溶影響深度所在的位置。

(3) 以某水電站壩基巖體分層壓水試驗為例進行分析,結果表明:根據(jù)壓水段、觀測段的水壓力實測曲線特性判定的巖溶類型與鉆孔揭露的巖溶發(fā)育情形相符,驗證了提出的確定現(xiàn)代巖溶影響層深度的方法具有較高可靠性。但這種新方法需要大量有關水力聯(lián)系密切程度的試驗數(shù)據(jù)作為支撐,其在應用推廣上還有待進一步加強。