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(shè)計研究院，四川 成都 610072；四川路橋勘察設(shè)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，?；烊胧?、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?guī)r很相似，地質(zhì)學上將具細晶結(jié)構(gòu)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(jié)晶作用的產(chǎn)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(zhì)的循環(huán)，不斷與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生各種作用，并使水的化學成分進一步發(fā)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(zhì)轉(zhuǎn)入地下水中的過程，它既包括在不破壞礦物結(jié)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(jié)構(gòu)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(fā)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(tǒng)，為水的循環(huán)提供通道；②有適宜的地貌條件和地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)溶解，地質(zhì)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(huán)，結(jié)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(xiàn)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(jié)構(gòu)面（尤其是地質(zhì)運動過程中受到擾動的結(jié)構(gòu)面）進行，形成規(guī)模不等的"砂化"條帶網(wǎng)絡(luò)，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(fā)展，“砂化”條帶逐漸向結(jié)構(gòu)面兩側(cè)擴張，最終使細晶白云巖出現(xiàn)整體溶蝕，圍繞滯后溶蝕的白云巖塊體構(gòu)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(fā)，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(tǒng)（引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道等）和地下廠房系統(tǒng)（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(qū)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(zhì)條件

引水隧洞后段至廠區(qū)位于美姑河左岸爾古溝～龍頭溝之間的斜坡內(nèi)，所在斜坡整體呈三溝夾兩脊的形態(tài)，上游側(cè)爾古溝和下游側(cè)龍頭溝分別作為工程區(qū)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(qū)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(zhì)白云巖，中部為灰～灰黑色斑狀、條帶狀含砂狀鈣質(zhì)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(qū)無大的斷層或破碎帶通過，該區(qū)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(diào)壓井至廠區(qū)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(chǎn)狀 N60°～70°E／SE∠30°～40°，傾山外偏下游；北西翼巖層產(chǎn)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(qū)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(jié)理裂隙（尤其是平行背斜軸向的近SN向張性裂隙）較發(fā)育。

引水隧洞后段至廠區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象較發(fā)育，主要表現(xiàn)為卸荷、崩塌、滑坡和泥石流。該區(qū)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(fā)育，垂直層面的"X"節(jié)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(gòu)造裂隙、卸荷裂隙等結(jié)構(gòu)面的組合切割，該區(qū)岸坡局部陡壁坡段時有小規(guī)模松動巖塊崩落、下墜。該段岸坡坡面及溝槽內(nèi)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(fā)，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(jù)調(diào)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(fā)育兩條規(guī)模較大的深部滑移拉裂帶，該古滑坡體現(xiàn)今整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

引水隧洞后段至廠區(qū)水文地質(zhì)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(qū)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(diào)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(qū)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(zhì)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(qū)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(fā)育，圍巖基本干燥，局部有少量滲滴水。當巖體中的各種結(jié)構(gòu)面以閉合狀態(tài)為主時，巖溶作用較弱，"砂化"現(xiàn)象不明顯，巖體中僅見沿少量結(jié)構(gòu)面溶蝕形成小規(guī)模溶蝕裂隙，此時，該段圍巖地質(zhì)條件較好，圍巖以Ⅲ類為主；當巖體中的各種結(jié)構(gòu)面以張開狀態(tài)為主時，巖溶相對較強，"砂化"現(xiàn)象較明顯，巖體中沿大部結(jié)構(gòu)面都有溶蝕現(xiàn)象，并且溶蝕裂隙規(guī)模相對較大，部分已向裂隙兩側(cè)巖體中擴張，此時，該段圍巖地質(zhì)條件差，圍巖以Ⅳ類為主；當溶蝕向結(jié)構(gòu)面完全擴張，最終使巖體出現(xiàn)整體溶蝕，巖石強度大部喪失或完全喪失，巖體為碎裂結(jié)構(gòu)或"砂包石"狀散體結(jié)構(gòu)時，此時，該段圍巖地質(zhì)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(jié)構(gòu)面“砂化”的Ⅲ類圍巖

圖3-3 沿部分結(jié)構(gòu)面“砂化”的Ⅲ類偏差圍巖

圖3-4 部分結(jié)構(gòu)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(qū)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(xiàn)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(jié)構(gòu)等與“砂化”的發(fā)育程度和速度有關(guān)。工程區(qū)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(zhì)白云巖，中部為灰～灰黑色斑紋狀、條帶狀含砂狀鈣質(zhì)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(zhì)地較純、結(jié)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(zhì)和難溶物較多，結(jié)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(gòu)造

結(jié)構(gòu)面的發(fā)育和延伸方向，可決定"砂化"的發(fā)育程度和發(fā)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(jié)理裂隙（尤其是平行背斜軸向的近SN向張性裂隙）較為發(fā)育。巖體中的各種結(jié)構(gòu)面是水流的良好通道，開挖揭示，沿順層的擠壓（錯動）帶和節(jié)理裂隙（尤其是平行背斜軸向的近SN向張性裂隙）"砂化"現(xiàn)象較為明顯。引水隧洞段后段相對于調(diào)壓井和地下廠房系統(tǒng)更靠近莫紅背斜的核部，其"砂化"作用相對更強，圍巖地質(zhì)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(xiàn)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(nèi)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(jīng)過處發(fā)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(huán)流通較快，“砂化”強烈。地表調(diào)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(fā)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(nèi)巖溶發(fā)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(jié)語

巖溶是可溶性巖石在水的作用下，產(chǎn)生的各種地質(zhì)作用、形態(tài)和現(xiàn)象的總稱，是一種常見的自然現(xiàn)象，而細晶白云巖“砂化”卻是一種極為特殊的巖溶現(xiàn)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(fā)育區(qū)往往存在許多工程地質(zhì)問題，因此，應高度重視巖溶地區(qū)的工程地質(zhì)生產(chǎn)實踐工作，在一些地區(qū)，應把巖溶的調(diào)查和研究工作放在工程地質(zhì)工作中的最重要位置。

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

[2]肖長來.水文地質(zhì)學[M].北京：清華大學出版社，2010.

[3]GB50287-2006.水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].