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(shè)計有限公司,廣東 廣州 510610; 2.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)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(zhì)體分層)。處于盆地期的現(xiàn)代巖溶影響層經(jīng)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(jìn)行防滲處理可以滿足設(shè)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(zhǔn)確、有效確定現(xiàn)代巖溶影響層深度十分關(guān)鍵。

關(guān)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(gòu)造運動特征進(jìn)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(zhì)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(nèi)水溫、水電阻率、水質(zhì)與河水進(jìn)行對比分析,若孔內(nèi)某一高程之上巖溶水水溫、水電阻率、水質(zhì)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(rèn)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(chǔ)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(nèi)溶蝕洞隙擴大或連通、構(gòu)成網(wǎng)格化的溶蝕洞隙系統(tǒng)且系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)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(biāo)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(jīng)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(guān)。

(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(chǎn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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?qū)捁妊莼?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(yīng)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(jìn)行巖溶水動力作用。巖溶水動力作用范圍內(nèi)巖溶愈發(fā)強烈,溶蝕洞隙擴大或相互連通,構(gòu)成網(wǎng)格化的溶蝕洞隙系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅內(nèi)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(guān)系,對壩基滲漏起著控制作用,是壩基防滲的目標(biāo)層。將這種溶蝕洞隙呈網(wǎng)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(rèn)為,早期形成的巖溶是后期演化改造的基礎(chǔ),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(jié)構(gòu)模型

現(xiàn)代巖溶影響層內(nèi)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(nèi)洞隙多被網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)從上至下進(jìn)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(guān)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(jìn)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(guān)性判別Fig.2 Karst hydraulic correlation discrimination

2.2 上、下相鄰巖溶水力聯(lián)系相關(guān)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(chǎn)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(guān)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(guān)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(zhǔn)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(jié)構(gòu)(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(nèi)巖溶盆地,壩址覆蓋層為第四系粉質(zhì)黏土,層厚8.8～13.5 m,下伏基巖為石炭系馬平組(C3)白云質(zhì)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(jìn)行分段巖溶水力聯(lián)系密切程度測試,見圖3。試驗結(jié)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(chǎn)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(jìn)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(guān)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(shè)計依據(jù)。

4 結(jié) 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(jìn)行防滲處理即可滿足設(shè)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(zhǔn)確、有效確定現(xiàn)代巖溶影響層深度非常關(guān)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(nèi)自上而下進(jìn)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(guān)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(jìn)行分析,結(jié)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(guān)水力聯(lián)系密切程度的試驗數(shù)據(jù)作為支撐,其在應(yīng)用推廣上還有待進(jìn)一步加強。