貴州省董當(dāng)隧道巖溶區(qū)水文地質(zhì)特征研究

陳 鵬

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心青海總隊(duì)，青海 西寧 810000)

董當(dāng)隧道是貴州省加快脫貧致富步伐的重要交通樞紐，是貫通東西，連接南北公路、鐵路、水運(yùn)等的重要通道，對(duì)加快滇桂黔石漠化集中連片特困地區(qū)扶貧開發(fā)意義重大。擬建區(qū)屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔南臺(tái)陷之貴定南北向構(gòu)造變形區(qū)，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，碳酸鹽巖地層廣布[1]，導(dǎo)致巖溶地貌較發(fā)育，為隧道的施工增加了難度。因此，為順利推進(jìn)隧道工程施工，本文對(duì)擬建巖溶區(qū)的水文地質(zhì)特征進(jìn)行了研究，為進(jìn)一步制定防治方案提供依據(jù)。

1 擬建區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地層

擬建區(qū)以碳酸鹽巖地層為主，主要包括：①上二疊統(tǒng)(P2)中風(fēng)化灰?guī)r，巖石呈淺灰至深灰色，具微晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造或塊狀構(gòu)造，巖體較破碎至較完整，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部溶蝕強(qiáng)烈；②下三疊統(tǒng)大冶組(T1dy)中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r，呈青灰、深灰色，具微晶結(jié)構(gòu)，中薄層狀構(gòu)造，巖體破碎至較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育至較發(fā)育，局部裂隙為方解石充填[2]；③中三疊統(tǒng)小米塘組(T2xm)中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，呈深灰、灰白、紅褐色，具微晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，局部受構(gòu)造作用影響，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部裂隙面溶蝕風(fēng)化強(qiáng)烈，見鐵錳質(zhì)渲染[3]；④第四系(Q4c+dl)碎、塊石土，呈灰白、黃褐、深灰色，碎石為灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r，粒徑不等，一般小于20 cm，為崩坡積堆積而成，主要分布于稍緩的坡體表層及坡腳處，一般呈松散至稍密狀。

1.2 構(gòu)造

董當(dāng)隧道擬建區(qū)位于貴州省經(jīng)向構(gòu)造體系和緯向構(gòu)造體系的交匯部位，前者主要為克度向斜南端，后者主要由沫陽背斜、董當(dāng)向斜、砂廠背斜等一級(jí)褶皺組成。隧道口及附近發(fā)育的構(gòu)造主要包括：①位于隧道口的莫尖斷層，出露基巖以灰?guī)r為主，斷面巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體極破碎至較破碎，完整性受構(gòu)造斷層及次生斷層影響；②位于隧道洞身處的砂廠背斜北端，出露地層為中二疊系中風(fēng)化灰?guī)r，褶皺軸線中心區(qū)域內(nèi)，構(gòu)造形跡發(fā)育，巖體較為破碎；③位于隧道洞身段的性質(zhì)不明斷層，為中風(fēng)化角礫狀灰?guī)r，鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度較好，斷層傾角較陡，為非活動(dòng)性斷層。

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 巖溶地貌類型

擬建區(qū)特定的地質(zhì)構(gòu)造以及巖性組合、分布特征和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等共同制約了擬建區(qū)地貌發(fā)育和分布規(guī)律，塑造該區(qū)域地貌形態(tài)的主要外營(yíng)力為溶蝕和侵蝕作用，剝蝕與堆積作用屬于次要地位。按成因類型，隧道區(qū)主要為溶蝕地貌類型；根據(jù)個(gè)體形態(tài)組合劃分，隧道區(qū)主要為峰叢洼地。

(1)巖溶個(gè)體形態(tài)。巖溶洼地：是擬建區(qū)內(nèi)分布較廣的巖溶負(fù)地形，主要分布在上二疊統(tǒng)(P2)、下三疊統(tǒng)大冶組(T1dy)和中三疊統(tǒng)小米塘組(T2xm)的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖區(qū)。根據(jù)區(qū)內(nèi)洼地分布高程統(tǒng)計(jì)，洼地主要分布在800～1 000 m高程段，對(duì)應(yīng)于區(qū)域三級(jí)巖溶剝夷面，一般底部較平坦，寬度多在80m以上，長(zhǎng)度在200 m以上，形狀各異。谷底有較厚的黏土層，是區(qū)內(nèi)農(nóng)作物主要種植地和農(nóng)村居住地，洼地中部或邊緣多有落水洞，洼地邊緣多有小型泉水，區(qū)內(nèi)洼地多分布于向斜核部及斷裂帶。

消水洞、豎井：是擬建區(qū)常見的一種巖溶垂直形態(tài)，主要分布于洼地中，但有明顯消水洞的較少；豎井主要分布于擬建區(qū)北部，如董架谷地、莫要等地發(fā)育有豎井。

溶洞：在洼地、槽谷及峽谷巖壁上分布眾多溶洞。在洼地、槽谷周圍可以看到四層溶洞，第一層溶洞為暗河通道，第二層溶洞一般處于季節(jié)變化帶，洪水季節(jié)有水涌出，第三、第四層溶洞一般為干溶洞，這些溶洞多沿構(gòu)造斷裂及可溶巖與非可溶巖界面發(fā)育，往往呈裂隙峽谷狀。

溶(縫)隙：在擬建區(qū)內(nèi)分布普遍，多為沿構(gòu)造裂隙和層面裂隙溶蝕擴(kuò)大，具有很強(qiáng)的導(dǎo)水性能，局部充填，但充填物穩(wěn)定性差。

(2)組合形態(tài)。從個(gè)體形態(tài)組合看，隧道區(qū)主要為峰叢洼地。出露地層巖性主要為二疊系上統(tǒng)至三疊系中統(tǒng)的厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖等，一般位于平緩褶皺區(qū)或褶皺的翼部和轉(zhuǎn)折部位。溶蝕錐峰起伏，山體渾圓，峰腳高低不一，基座相互連接成峰叢。峰叢間為溶蝕洼地或漏斗，底部常能見到消水洞或豎井，常有少量第四系殘坡積層覆蓋。測(cè)區(qū)內(nèi)溶蝕洼地，底部多被第四系殘坡積層覆蓋，為居民種植農(nóng)作物的重要地段，且多數(shù)未見明顯消水洞或豎井。洼地、漏斗一般順地層走向及構(gòu)造方向呈串珠狀展布。在平緩褶皺區(qū)，受構(gòu)造裂隙的控制而呈樹枝狀、網(wǎng)狀分布。在緊密構(gòu)造帶，洼地沿構(gòu)造線條帶狀延伸，它們和峰叢相間分布組成一種獨(dú)具特色的峰叢槽谷地形，如沬尖—董架一帶，受沬尖斷層的控制，洼地沿構(gòu)造線呈近南北向條帶狀延伸。

2.2 巖溶發(fā)育的主要影響因素

擬建區(qū)巖溶地貌都是在特定條件下經(jīng)歷一定時(shí)期巖溶作用所形成的，在諸多控制因素中，地層巖性是基礎(chǔ)，地質(zhì)構(gòu)造是主導(dǎo)，而水動(dòng)力條件是決定性的因素。

(1)巖性是巖溶發(fā)育的基礎(chǔ)。擬建區(qū)巖溶主要發(fā)育在三疊系小米塘組、三疊系大冶組白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖區(qū)及二疊系中統(tǒng)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r中，該兩套灰?guī)r層為隧道區(qū)分布最廣、巖溶最發(fā)育地層。

(2)地質(zhì)構(gòu)造是巖溶發(fā)育的控制因素。區(qū)內(nèi)洼地、漏斗、槽谷與地下管道系統(tǒng)的發(fā)育與分布明顯受到構(gòu)造斷裂、可溶巖與非可溶巖界面、裂隙密集帶與結(jié)構(gòu)面控制，形成洞穴—管道—裂隙系統(tǒng)。在近南北向的沬尖斷層控制下，地表發(fā)育洼地、槽谷，如龍門—沬尖—董架槽谷；對(duì)地下河發(fā)育方向起到導(dǎo)向作用，如河邊主管道受沬尖斷層控制，也沿?cái)鄬臃较蛘共肌?/p>

(3)水動(dòng)力條件是巖溶發(fā)育的必要條件。水的溶蝕性能是巖溶作用得以進(jìn)行的必要條件，而水的循環(huán)交替是決定水的溶蝕性能的決定因素，同時(shí)水動(dòng)力條件也決定了水流侵蝕性能。擬建區(qū)內(nèi)年均降雨量1 152.8 mm，為區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育提供了良好的水動(dòng)力條件。

2.3 巖溶發(fā)育特征及基本規(guī)律

(1)巖溶發(fā)育受地層巖性控制。隧道穿過的碳酸鹽巖巖組主要有二疊系上統(tǒng)(P2)、下三疊統(tǒng)大冶組(T1dy)、中三疊統(tǒng)小米塘組(T2xm)，巖性主要為白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖區(qū)及二疊系中統(tǒng)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。根據(jù)向斜構(gòu)造影響范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，洼地、槽谷、漏斗平均密度為3～5個(gè)/km2。區(qū)內(nèi)降水70%～80%入滲地下，大部分以地下河或泉水形式排泄，三水轉(zhuǎn)化迅速，局部地段地下巖溶管道發(fā)育強(qiáng)烈，故測(cè)區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)度總體上屬?gòu)?qiáng)巖溶發(fā)育。

(2)巖溶發(fā)育受構(gòu)造控制。擬建區(qū)發(fā)育的沬尖斷層、砂廠背斜對(duì)區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育有較明顯的控制。河邊地下河沿近南北向的沬尖斷層展布，而區(qū)內(nèi)洼地、漏斗多受砂廠背斜次生的橫張裂隙發(fā)育。擬建區(qū)發(fā)育300°～360°和200°～270°的構(gòu)造裂隙，其中300°～360°是控制巖溶發(fā)育的主要裂隙，河邊地下河支管道主要受其控制。

(3)巖溶發(fā)育受可溶巖與非可溶巖界面結(jié)構(gòu)面控制。隧道區(qū)巖溶發(fā)育深度取決于兩個(gè)基本條件：當(dāng)?shù)嘏潘鶞?zhǔn)面；由泥質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)泥巖、頁巖形成的溶蝕基準(zhǔn)面。霸王河是該區(qū)主要排水基準(zhǔn)面，河水面最低高程430 m。此外，由于擬建區(qū)地層產(chǎn)狀陡，溶蝕基準(zhǔn)面可能較深。

3 巖溶區(qū)水文地質(zhì)特征

3.1 巖溶垂向水動(dòng)力分帶

巖溶垂向水動(dòng)力分帶可劃分為：①表層巖溶帶：主要是指位于強(qiáng)烈?guī)r溶化的包氣帶表層部分，該區(qū)域厚5～20 m，該帶發(fā)育較多分散且流量小的泉水，為山區(qū)居民及牲畜主要的水源；表層巖溶帶與下部的飽水帶之間沒有明顯的水力聯(lián)系，但是與包氣帶存在較為明顯的水力聯(lián)系，因此若隧道的埋深相對(duì)較淺，在施工過程中可能引起表層巖溶帶中的水資源枯竭，進(jìn)而影響山區(qū)人畜用水及生態(tài)環(huán)境；②垂直下滲帶(包氣帶)：以垂向型巖溶為主，如豎井、落水洞、垂直溶縫等，但也存在一些水平干溶洞，有時(shí)被黏土夾碎石充填，是將大氣降水和地表洪水導(dǎo)入地下的通道，泄水能力很強(qiáng)；當(dāng)隧道通過此帶時(shí)，受到季節(jié)性地表水灌入的威脅，洞穴充填物的塌陷也必須引起重視，董當(dāng)隧道絕大部分地段處于此帶；③季節(jié)交替帶：是指受季節(jié)變化而引起地下水位波動(dòng)較大的區(qū)域，該帶介于飽水帶與包氣帶之間，雨季時(shí)該帶屬于飽水帶的一部分，旱季時(shí)該帶屬于包氣帶的一部分，因此隧道在雨季可能受到自下而上的有壓涌水、涌泥；④水平管道循環(huán)帶(淺飽水帶)：指枯水期地下水位以下地下河排水口以上的飽水含水帶，如一些水平洞穴，地下河主通道，大的充水溶洞，寬大的溶縫、深潭、地下湖均發(fā)育在此帶，對(duì)隧道涌水的威脅最大，一般為高壓突水、突泥；⑤壓力飽水帶：在淺飽水帶之下，即暗河口排水面以下、當(dāng)?shù)刂饕恿髋潘鶞?zhǔn)面影響帶以上的含水層。擬建區(qū)地下水雖然在系統(tǒng)排水基準(zhǔn)面影響下運(yùn)動(dòng)，但循環(huán)交替速度減慢，巖溶整體發(fā)育強(qiáng)度減弱，巖溶僅沿某些斷裂帶、軟弱面溶蝕擴(kuò)大，整體巖溶率低，但局部巖溶也可能造成壓力較大的突水、突泥。

3.2 巖溶水系統(tǒng)

擬建區(qū)涉及隧道的巖溶水系統(tǒng)為河邊地下河系統(tǒng)。地下河系統(tǒng)中的主河道基本沿沫尖斷層帶發(fā)育，以董架洼地東南邊緣的消水洞為入口。入口標(biāo)高790 m，雨季董架洼地匯集地表徑流于該入口進(jìn)入補(bǔ)給地下河，然后自北向南徑流，沿途經(jīng)過沫尖、龍門西部、干田坳東一帶，最后于河邊寨排泄，出口標(biāo)高450 m。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，地下河還存在一系列支管道，與隧道密切相關(guān)的是：①鍋廠—莫托—莫要—冗拉西北一帶，長(zhǎng)約5 000 m，總體沿約335°方向展布；②拉達(dá)—冗奶—冗井—冗拉西北一帶，長(zhǎng)約3 000 m，總體沿約310°方向展布；③水井灣—833洼地—干田坳北一帶，長(zhǎng)約3 500 m，總體沿約300°方向展布。

4 結(jié)語

綜上所述，擬建區(qū)域水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，隧道的硐身處于垂直下滲帶(包氣帶)，隧道修建過程中可能遇到沿構(gòu)造裂隙或?qū)用姘l(fā)育的巖溶管道，在降雨等條件下易發(fā)生涌水、涌泥現(xiàn)象，且涌水初期水量相當(dāng)大。因此，在隧道修建過程中，若出現(xiàn)裂隙狀涌水或滲滴水時(shí)，需及時(shí)進(jìn)行封堵處理，能夠有效避免隧道上方洼地邊緣形成一系列新的裂隙管道泉和表層泉，進(jìn)而引起涌水、涌泥等災(zāi)害。