淺談細晶白云巖“砂化”機制及工程實例

鄒子南 王湘鋒

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072；四川路橋勘察設計公司，四川 成都 610041）

1 概述

白云巖是一種沉積碳酸鹽巖，主要由白云石組成，常混入石英、長石、方解石和粘土礦物，呈灰白色，性脆，大多為中等硬度，用鐵器可劃出擦痕，遇稀鹽酸緩慢起泡或不起泡，外貌與石灰巖很相似，地質學上將具細晶結構的白云巖稱為細晶白云巖。很多人認為，細晶白云巖常為淺海相碳酸鹽沉積物在成巖過程中強白云石化，并可能疊加有重結晶作用的產物。

2 細晶白云巖“砂化”機制

在談細晶白云巖“砂化”機制之前，先簡單地了解一下地下水化學成分的形成作用。各種起源的地下水，各有其不同的初始化學成分，當它們形成地下水后，參與地球物質的循環，不斷與環境介質發生各種作用，并使水的化學成分進一步發生演變。地下水化學成分的形成作用主要有六種：①溶濾作用、②濃縮作用、③脫碳酸作用、④脫硫酸作用、⑤陽離子交替吸附作用、⑥混合作用。其中溶濾作用是指在水與巖石的相互作用下，巖石中一部分物質轉入地下水中的過程，它既包括在不破壞礦物結晶格架的情況下，一部分化學成分進入水中的作用；也包括巖石中可溶鹽的溶解，難溶鹽及不溶鹽的溶解。溶濾作用的強度首先取決于巖土的礦物鹽類的溶解度，巖土的空隙結構是影響溶濾作用的另一因素，水的溶解能力決定著溶濾作用的強度，地下水的徑流和交替強度是決定溶濾作用強度的最活躍最重要因素。

自然界中，可溶性巖石巖溶發育需具備兩個基本條件：①在可溶性巖石中具備一定的孔隙或裂隙系統，為水的循環提供通道；②有適宜的地貌條件和地質結構條件，為水向可溶性巖中滲入提供補給途徑，并為水排出可溶性巖石之外提供通道。

細晶白云巖為過渡類巖石，在純的碳酸鹽巖中，隨著其中白云石成分的增多

其溶解性將降低，然而，自然界中的細晶白云巖常含有方解石等其它易溶性礦物，由于方解石等其它易溶性礦物在細晶白云巖中呈分散分布，地下水首先將這些易溶性物質溶解，地質學上稱這一過程為白云巖化，隨著白云巖化的進行，巖石中生成許多孔隙，水不斷滲入孔隙并不斷循環，結果使巖石孔隙不斷增大，體積不斷減小，巖石強度不斷降低，最終可生成散粒狀的白云石粉，形似粉細砂，我們將細晶白云巖的這一特殊溶蝕現象稱為"砂化"。

一般情況下，細晶白云巖的“砂化”首先沿著易于地下水滲入和流通的巖體中的各種結構面（尤其是地質運動過程中受到擾動的結構面）進行，形成規模不等的"砂化"條帶網絡，隨著地下水的溶蝕、淋濾作用的不斷進行，巖溶的不斷向前發展，“砂化”條帶逐漸向結構面兩側擴張，最終使細晶白云巖出現整體溶蝕，圍繞滯后溶蝕的白云巖塊體構成“砂土包塊石核”狀，可簡稱“砂包石”狀。

3 工程實例

某水電站位于四川省涼山州美姑、昭覺、雷波三縣交界處，電站為低閘引水式開發，工程建筑主要由首部樞紐（泄洪閘、沖沙閘、進水閘等）、引水系統（引水隧洞、調壓井、壓力管道等）和地下廠房系統（主廠房、主變室、尾水洞等）組成，電站裝機容量為18萬KW。

引水隧洞后段（樁號K11+260～K12+716段）至廠區地下洞室均置于震旦系燈影組中段（Zbd2）的細晶白云巖巖層中。

3.1 基本地質條件

引水隧洞后段至廠區位于美姑河左岸爾古溝～龍頭溝之間的斜坡內，所在斜坡整體呈三溝夾兩脊的形態，上游側爾古溝和下游側龍頭溝分別作為工程區的上、下游邊界，由580m高程的河水面開始，至650m高程以下，岸坡相對較陡，總體自然坡度30～45°；650～790m高程多為基巖形成的陡壁，總體自然坡度70～80°；790m高程以上寬緩開闊的坡面，坡度 15～25°。（見圖 3-1）

引水隧洞后段至廠區地下洞室均置于震旦系燈影組中段（Zbd2）的細晶白云巖巖層中，該套地層上部灰色、灰白色含石英灰質白云巖，中部為灰～灰黑色斑狀、條帶狀含砂狀鈣質巖屑細晶白云巖，下部為灰～灰黑色粉晶白云巖、細晶白云巖及泥晶白云巖互層。

引水隧洞后段至廠區無大的斷層或破碎帶通過，該區處于莫紅背斜的兩翼及核部，其中引水隧洞后段大多處于背斜北西翼，調壓井至廠區處于南東翼，背斜核部位于引水隧洞未端（樁號K12+200處附近）。莫紅背斜為一開闊背斜，冀間角大于120°，軸向N5～15°E，南東冀巖層產狀 N60°～70°E／SE∠30°～40°，傾山外偏下游；北西翼巖層產狀N20°～40°W／SW∠20°～35°，傾山外偏上游，背斜向南傾伏，傾伏角35～40°，背斜的傾伏方向和傾伏角分別與廠區所在斜坡的坡向和坡角基本一致。巖體中順層的擠壓（錯動）帶和節理裂隙（尤其是平行背斜軸向的近SN向張性裂隙）較發育。

引水隧洞后段至廠區物理地質現象較發育，主要表現為卸荷、崩塌、滑坡和泥石流。該區岸坡高600余米，為斜向順層邊坡，巖層傾角30°左右，巖體中裂隙較發育，垂直層面的"X"節理、平行岸坡的陡傾卸荷裂隙和層面組合，岸坡卸荷作用較為強烈。受構造裂隙、卸荷裂隙等結構面的組合切割，該區岸坡局部陡壁坡段時有小規模松動巖塊崩落、下墜。該段岸坡坡面及溝槽內第四系松散堆積物分布較廣，局部坡段殘留有早期冰川泥石流堆積物，雨季時有小型坡面及溝谷型泥石暴發，該段岸坡引水隧洞5號支洞在樁號K0+082～K0+235段和引水隧洞主洞在樁號K11+667～K11+733段遭遇覆蓋層，據調查，爾古溝至萬波溝間岸坡分布有一古滑坡體，該古滑坡體后緣發育兩條規模較大的深部滑移拉裂帶，該古滑坡體現今整體處于穩定狀態。

引水隧洞后段至廠區水文地質條件較復雜，地下水在橫向上接受岸坡的補給，在縱向上接受河水補給，地表水流在下滲到碳酸鹽巖巖層后，通過細晶白云巖和巖體中的層面及縱張裂隙自北向南徑流，并向南匯集形成徑流帶，最終于廠房尾水洞出口的美姑河河邊以泉的方式集中排泄。

圖3-1 引水隧洞后段至廠區三維地形圖和建筑物布置圖

3.2 洞室圍巖

引水隧洞后段（樁號K11+260～K12+716段）長1456m，隧洞水平埋深180～460m，垂直埋深50～185m，Ⅲ類圍巖長38m，Ⅳ類圍巖長389m，Ⅴ類圍巖長1029m。調壓井井筒深66m，井筒垂直埋深143m～209m，水平埋深218m～300m，Ⅲ類圍巖井筒長17m，Ⅴ類圍巖井筒長49m。壓力管道主管段由兩個豎井段和三個水平段組成，全長628m，管道垂直埋深 132～307m，水平埋深 186～460m，Ⅲ類圍巖長78m，Ⅳ類圍巖長286m，Ⅴ類圍巖長264m。地下廠房跨度10.3m×75m，最大凈高40m，垂直埋深127～171m，水平埋深190～221m，圍巖以Ⅲ類為主，少量Ⅳ類。主變室跨度14.6m×43.3m，最大凈高28.9m，垂直埋深96～130m，水平埋深 142～172m，圍巖以Ⅲ類為主，部分Ⅳ類。尾水洞由3條組成，每條長214m，總長642m，最大垂直埋深161m，最大水平埋深208m，Ⅲ類圍巖長320m，Ⅳ類圍巖長178m，Ⅴ類圍巖長144m。

廠區其它洞室，如上室交通洞、上室、閥室交通洞、閥室、壓力管道施工支洞、出線洞兼通風洞、進廠交通洞、排水廊道、自流排水洞等洞室，開挖揭示圍巖均為細晶白云巖，圍巖地質條件總體較差，圍巖總體以Ⅳ～Ⅴ類為主，部分為Ⅲ類。

開挖揭示，引水隧洞后段（樁號K11+260～K12+716段）至廠區地下洞室圍巖均為細晶白云巖，巖體中無大的斷層或破碎帶通過，裂隙較發育，圍巖基本干燥，局部有少量滲滴水。當巖體中的各種結構面以閉合狀態為主時，巖溶作用較弱，"砂化"現象不明顯，巖體中僅見沿少量結構面溶蝕形成小規模溶蝕裂隙，此時，該段圍巖地質條件較好，圍巖以Ⅲ類為主；當巖體中的各種結構面以張開狀態為主時，巖溶相對較強，"砂化"現象較明顯，巖體中沿大部結構面都有溶蝕現象，并且溶蝕裂隙規模相對較大，部分已向裂隙兩側巖體中擴張，此時，該段圍巖地質條件差，圍巖以Ⅳ類為主；當溶蝕向結構面完全擴張，最終使巖體出現整體溶蝕，巖石強度大部喪失或完全喪失，巖體為碎裂結構或"砂包石"狀散體結構時，此時，該段圍巖地質條件極差，圍巖為Ⅴ類。（圖3-2、圖3-3、圖3-4、圖3-5為不同"砂化"情況的圍巖照片）

圖3-2 沿個別結構面“砂化”的Ⅲ類圍巖

圖3-3 沿部分結構面“砂化”的Ⅲ類偏差圍巖

圖3-4 部分結構面已“砂化”擴張的Ⅳ類圍巖

圖3-5 整體溶蝕、“砂化”完全的Ⅴ類圍巖

3.3 “砂化”差異原因分析

開挖揭示，引水隧洞后段（樁號K11+260～K12+716段）至廠區地下洞室圍巖均為細晶白云巖，各洞室圍巖均有不同程度的"砂化"現象，不同洞段圍巖"砂化"差異較為明顯，綜合各種因素，分析認為造成細晶白云巖"砂化"差異的原因主要有以下幾個方面：

①巖性

巖石成分、成層條件和巖層的組織結構等與“砂化”的發育程度和速度有關。工程區的細晶白云巖地層大致可分為三層，上部為灰色、灰白色含石英灰質白云巖，中部為灰～灰黑色斑紋狀、條帶狀含砂狀鈣質巖屑細晶白云巖，下部為灰～灰黑色粉晶白云巖、細晶白云巖及泥晶白云巖互層。開挖揭示，上部和下部的細晶白云巖巖層質地較純、結晶顆粒相對粗大，“砂化”作用總體較強烈；而中部的細晶白云巖巖層含雜質和難溶物較多，結晶顆粒也相對較細小，“砂化”作用相對較弱。主廠房和主變室等大跨度地下洞室即處于中部地層中，圍巖條件相對較好，以Ⅲ圍巖類為主。

②構造

結構面的發育和延伸方向，可決定"砂化"的發育程度和發展方向。莫紅背斜軸向近SN，核部位于引水隧洞未端（樁號K12+200處附近），受莫紅背斜影響，巖體中順層的擠壓（錯動）帶和節理裂隙（尤其是平行背斜軸向的近SN向張性裂隙）較為發育。巖體中的各種結構面是水流的良好通道，開挖揭示，沿順層的擠壓（錯動）帶和節理裂隙（尤其是平行背斜軸向的近SN向張性裂隙）"砂化"現象較為明顯。引水隧洞段后段相對于調壓井和地下廠房系統更靠近莫紅背斜的核部，其"砂化"作用相對更強，圍巖地質條件相對更差。

③埋深

總體上看，同一地段"砂化"作用隨著埋深的增大呈現出逐漸減弱的趨勢。主廠房水平埋深和垂直埋深較主變室大，主變室水平埋深和垂直埋深又較尾水洞大，開挖揭示，同在一套地層中，主廠房的“砂化”作用較主變室弱，而主變室的“砂化”作用又較尾水洞弱。此外，為查明深部巖體“砂化”特征，在引水隧洞未端樁號12+004m處往山內開挖了一個長198m的勘探平硐，開挖揭示，平硐圍巖"砂化"作用明顯較同一地段的引水隧洞圍巖的"砂化"作用要弱得多。

④地下水活動性

引水隧洞后段地表為平緩開闊斜坡，坡面第四系松散堆積物覆蓋嚴重，洞線經過處發育兩條長大深部滑移拉裂帶，該洞段地表水下滲較多，地下水得到充分補給，地下水循環流通較快，“砂化”強烈。地表調查和開挖揭示，地下廠房下部已形成深部巖溶水集中排泄通道，分析認為，受莫紅背斜的隆起和河床的快速下切及地殼的迅速抬升，上部巖體未來得及完全溶蝕“砂化”，地下水就集中滲入到下部巖體中，從而形成深部巖溶發育帶（深部鉆孔揭示，廠房下部最深低于廠房底板高程約90m的深度范圍內巖溶發育，"砂化"強烈，壓水試驗不起壓），主廠房和主變室等大跨度洞室即處于上部溶蝕"砂化"程度相對較弱的巖體中。

結語

巖溶是可溶性巖石在水的作用下，產生的各種地質作用、形態和現象的總稱，是一種常見的自然現象，而細晶白云巖“砂化”卻是一種極為特殊的巖溶現象。巖溶會降低巖石強度、破壞巖體完整性、形成各種洞隙，巖溶發育區往往存在許多工程地質問題，因此，應高度重視巖溶地區的工程地質生產實踐工作，在一些地區，應把巖溶的調查和研究工作放在工程地質工作中的最重要位置。

[1]張倬元，王士天，王蘭生.工程地質分析原理[M].北京：地質出版社，1994.

[2]肖長來.水文地質學[M].北京：清華大學出版社，2010.

[3]GB50287-2006.水力發電工程地質勘察規范[S].