岩溶水勘察技术：宜万铁路工程地质成果

2．6．2　宜万铁路岩溶水

一、岩溶水的分类

宜万铁路的岩溶水根据其不同的储存特征、岩溶水的不同特性，划分为：表层带岩溶水、岩溶孔隙水、岩溶裂隙水、岩溶洞穴水、岩溶管道水、岩溶地下河和岩溶大泉等类型，如表2－9所示。

表2－9　岩溶水类型表

二、岩溶水富集地段

碳酸盐岩地区岩溶发育的程度、岩溶水的富水性，受地层岩性、地层的整体结构、地质构造等控制。岩溶水的发育规律及发育程度与岩溶的发育规律及发育程度等具一致性。综合分析宜万铁路岩溶地区的岩溶、岩溶水的发育规律，得出岩溶水明显富集于如下地段：

（1）碳酸盐岩地区的强岩溶发育带。排泄基准面控制的浅部岩溶发育带。

（2）碳酸盐岩与碎屑岩阻水层、泥灰岩等相对阻水层的交界处，岩溶水运移受阻而汇聚、富集。如嘉陵江组碳酸盐岩与巴东组碎屑岩的交界处发育的白杨坪富集带及暗河、小溪暗河、齐岳山德胜场暗河等；志留系碎屑岩与二叠系栖霞组、茅口组灰岩交界处发育的马鹿箐隧道进口地区的油竹暗河；寒武系、奥陶系下统碳酸盐岩与奥陶系中上统泥灰岩、志留系碎屑岩的交接处发育的长阳背斜北翼岩溶水富集带等。

（3）褶皱构造核部。背斜褶皱核部，特别是紧密背斜褶皱核部，岩体受强烈挤压、褶皱生成的多序次的破裂结构面特别发育，有利于地下水的活动，有利于岩溶的发育和岩溶水的储存，如齐岳山背斜核部发育的大量岩溶裂隙水、溶隙流、溶隙管道流；向斜褶皱核部有利于岩溶水的汇聚、富集，如八字岭向斜核部发育的牛鼻子暗河、五爪观向斜发育的五爪观暗河。

（4）断层破碎带、节理裂隙密集带。该带自身岩体较破碎，同时促使后期岩溶的发育，呈带状富水，如野三关隧道F18断层为富水、导水断层（施工产生涌水并将浅部岩溶水导入隧道）。

（5）茅口组（P₁m）上部因存在沉积间断历经了岩溶化的历程，发育“古岩溶层”，该古岩溶层是较好的储水层，如野三关隧道等都遭遇该层的突水。

（6）碳酸盐岩中的层间破碎带。岩层内原岩结构松散、胶结不好、裂隙发育（岩体被强烈切割呈碎裂结构），存在大量空隙，有利于岩溶水的储存、富集。如栖霞组（P₁q）下部含煤地层及与碎屑岩的交界处结构松散、破碎，多成为含水层，野三关隧道开挖该层产生涌水并将3^＃暗河导入隧道。

三、岩溶水的地质结构

岩溶水的地质结构包括介质及其储水空间、地质构造所提供的含水体的延展空间的组合。岩溶水不同的含水介质（不同的碳酸盐岩）在同等外部条件作用下其岩溶化程度不同，提供的储水空间亦各异。不同的构造类型具不同的构造特征，其控制含水体的空间展布的状态、规律亦不同。因此，储水介质、地质构造是总结（划分）岩溶水地质结构需考虑的基本要素。各类含水介质、地质构造综合构成的储水空间上的组合，基本构成了三维空间岩溶水的地质结构。

岩溶水对铁路隧道工程影响最大，造成的危害也最大。因此，对宜万铁路岩溶地区进行的岩溶水地质结构的划分时，当侧重考虑隧道工程的需要。主要的岩溶水地质结构类型划分为均匀型、间互型（灰岩与相对阻水层相间）和单斜构造结构等类型，如表2－10所示。

表2－10　岩溶水地质结构类型表

续表2－10

四、岩溶水的补给、排泄与动态

（1）岩体中储存的岩溶水被不同的地形（陡坎、陡坡、河流谷坡）切割使岩溶水得以排出；有压岩溶水若被阻水层阻隔被压出地表而溢出。

（2）岩溶水排泄的形式有点状排泄、线状排泄。点状排泄多为集中排泄型，如大泉、暗河出口等；线状排泄多成线漫流，以线状分布的泉群形式排泄等。

（3）活动着的岩溶水（具备水流梯度势能）都尽力克服阻力向低处运移，即所谓“水往低处流”。河流是地表水、地下水汇流的集聚地，也是岩溶水相对最终的（较低处的、较长期的）排泄场所，因此，河流一般被认为是岩溶水的相对排泄基准面。

（4）排泄基准面作为岩溶水相对最低处的排泄场所，起着控制岩溶水的活动空间、限制岩溶水活动范围的作用。位于不同地貌位置、不同特征的河流（排泄基面），其控制的岩溶水的活动状态（水动力条件）各异，组构成不同的岩溶水水动力剖面（水动力剖面由垂直入渗带、季节变化带、水平流动带组成）。宜万铁路处在新构造运动不断上升、河流不断下切的山区，不同地貌区域其河流的下切强度不同。将其切割程度不同的河流（排泄基准面）分成浅切割河流、深切割河流两种。

1）浅切割河流排泄类型。河流切割较浅，多为溶蚀宽谷，地表成干谷。地下河在地表以下数米至数十米，整个水动力剖面（垂直渗入带、季节变动带、水平流动带）厚度相对不大。如小溪暗河河谷，暗河下切至地下30～50m，地面为相对较宽的干谷，是两侧岩溶水的排泄基面。

2）深切割河流排泄类型。河流深切强烈，多为峡谷。地下水为不断适应排泄基面的强烈下切，长期处于强烈的活动阶段，不断往深部扩延，致使水动力剖面厚度较大；发育的管道流、暗河梯度相对较大，常为有压水流；常见暗河出口高出河流水面标高，呈“悬挂式”水流。如八字岭隧道地区泗渡河为深切数百米的峡谷，牛鼻子暗河在河水面以上十几米高处排出，水动力剖面（垂直渗流带→水平循环带）深达400m以上（图2－24）。

（5）岩溶水向排泄基面排泄的流程状况分类。

1）“近基排泄”。排泄基准面似乎像是强大的“磁场”吸纳岩溶水，岩溶水为适应排泄基准面的“吸引”，总是尽力以最短的流程向河流排泄，此种近程排泄（实施就近的排泄基准面的排泄）的模式称为“近基排泄”。如小马滩明流及浅层岩溶水汇流→竖井入口→龙潭→箐口河的蝌蚂口出口排泄的小马滩暗河系统等（图2－25、图2－26）。

2）“远基排泄”。岩溶水于排泄过程中由于受“弱面”（地层层面、构造软弱面等）的导引和受阻水层的阻隔等原因，难以实施就近排泄的模式，而沿弱面、层面走向等改向较远的河流排泄，此种不能就近而求远的排泄模式称为“远基排泄”。如大坪→小马滩→狮子口→小溪暗河排泄的大坪暗河系统等（图2－25、图2－26）。

五、岩溶水的动力类型

（一）划分基础

由于碳酸盐岩地层的多样性及其存在的间互性（夹阻水层）、地质构造对地层的切割（损其连续性）等原因，使储存于碳酸盐岩中岩溶水的统一性受到破坏，难以形成区域性的单一系统，而多构成多层、多单元的含水体系，岩溶水的地质结构类型基本概略地反映了多体系岩溶水的输入与输出全过程的状态特征；岩溶水的排泄基准面既控制着补给、径流、排泄过程的活动空间，同时又控制岩溶水的动力特征。可见，岩溶水的地质结构、排泄基准面是控制岩溶水补、储、径、排过程中水动力特征最重要、最基本的因素。宜万铁路根据基本的岩溶水的地质结构类型（表2－11）与基本的排泄基准面类型（根据宜万铁路所处的鄂西南地区地壳不断上升、河流深切的情况，排泄基准面类型分为深切割排泄基准面、浅切割排泄基准面）及其组合，总结出基本的岩溶水动力类型。

（二）岩溶水动力类型划分

1．代表性的基本类型

宜万铁路工程区的地形、地质、岩溶水文地质条件都极其复杂，难以概全所有岩溶水水动力类型，基于此，为考虑铁路工程建设，特别是隧道工程实践的需要，进行典型的、有代表性的岩溶水动力类型的划分：

Ⅰ－1．均匀型向斜构造（整个核部为正地形）——近（远）基排泄型（宜万铁路缺）；

Ⅰ－2．均匀型向斜构造（核部为负地形）——近（远）基排泄型；

Ⅱ．均匀型背斜构造——近（远）基排泄型；

Ⅲ．间互型向斜构造——近（远）基排泄型；

Ⅳ．间互型背斜构造——近（远）基排泄型；

Ⅴ．单斜构造——近（远）基排泄型。

2．岩溶水动力基本类型的基本特征

Ⅰ．均匀型向斜构造——近（远）基排泄型

代表例五爪观向斜地区。向斜核部为奥陶系下统（O₁）纯碳酸盐岩，两翼分布寒武系上统三游洞群灰岩。向斜核部组成山岭，山岭中发育溶蚀谷地，谷地走向与向斜轴向一致，东部近邻深切的景阳沟，为岩溶水的排泄基面，暗河出口吊于河岸陡壁。向斜核部山岭谷地汇水面积42．4km²为补给区，补给区降雨入渗的岩溶地下水向向斜核部汇聚成五爪观暗河。水流梯度为向斜轴的倾伏角，15°～20°。特点：补给范围大，以管道流为主。暗河的流量较大（0．5～10m³/s，暴雨时更大），动态变化亦大，洪峰来得快、去得亦快；流向稳定并排向景阳沟（图2－53、图2－45、图2－46）。隧道穿越该类型岩溶时，隧道与暗河的空间关系不同，暗河对隧道的影响程度亦不同。

图2－53　五爪观隧道区水文地质图

1．地表河流；2．岩层界线；3．分水岭；4．推测暗河；5．岩溶洼地；6．等高线

Ⅱ．均匀型背斜构造——近（远）基排泄型

代表例齐岳山背斜地区、长阳背斜地区。背斜组成山地，山地汇水面积构成补给区。背斜核部挤压、切割强烈，岩溶水渗漏强烈。深切割的横向（河流走向垂直背斜轴）河流为排泄基面时，岩溶水以溶隙流、管道流为主，流向以纵向（平行构造线）为主导，可使其形成较大厚度的水动力剖面，水位埋置较深（可以位于距山顶地面以下很深的部位）。背斜山地补给区补给的岩溶水通过强势的横张裂隙和横张溶蚀管道将岩溶水导向横向低处，被阻水层阻隔以大泉形式排出（大泉为局部排泄基面），其岩溶水的垂直渗流、纵向流、横向流可能同时存在（如齐岳山背斜核部、长阳背斜（图2－4、图2－5）。隧道穿越此类型岩溶时，隧道标高处于水平流动带，可能存在直接遭遇突水的可能。隧道处于水位以下时，岩溶水可通过构造带将水导入隧道引起突水。隧道轴向平行管道流时，隧道可能成为截水廊道。

Ⅲ．间互型向斜构造——近（远）基排泄型

八字岭向斜构造就是间互型近基排泄型的典型代表（图2－24、图2－27）。(www.xing528.com)

（1）构成正地形的向斜构造多由不同时代的地层组成，间夹多层阻水层，构成多层相对独立的含水层，如八字岭向斜的志留系碎屑岩与P₂w泥灰岩阻水层之间的P₁q、P₁m含水层，P₂w、T₁d底部页岩阻水层之间的P₂c含水层，向斜核部T₁d（大冶组）、T₁j（嘉陵江组）灰岩含水层。

（2）各含水层各自有自己的补给源（主要为该含水层的汇水范围），以溶隙水、溶隙管道流为主，多限于层间并循该层走向径流，向横切构造的河流（排泄基面）排泄。浅层动态水其流量动态变化较大，深部静态水多以孔隙水、裂隙水、溶隙水储存。P₁m（茅口组）顶部灰岩发育“古岩溶”储水层，并成为浅部与深部的导水连接通道。

（3）向斜核部为均质的灰岩（大冶组、嘉陵江组），汇水面积大，有利于岩溶水的汇聚，隙流、管道流并存。管道流水量较大，循向斜轴向径流，向横切的排泄基面排泄。

（4）隧道穿越该类型岩溶时，其岩溶水文地质条件较复杂，可能穿越多层含水层，遭遇不同程度涌水的几率较大，若出现较大涌水则可造成危害。

Ⅳ．间互型背斜构造－近（远）基排泄型

（1）基本特征

由志留系（S）至二叠系嘉陵江组（P₁j）组成的背斜构造，其中间夹S—D（碎屑岩）、P₂w（吴家坪组泥灰岩、炭质页岩）、T¹₁d（大冶组底部页岩）等明显的阻水层，阻水层之间夹多层含水层，如夹于S、P₂w两阻水层之间的栖霞组＋茅口组（P₁q＋P₁m）含水层；夹于P₂w、T¹₁d（底部页岩）两阻水层之间的长兴组（P₂c）含水层；大冶组底部页岩阻水层以上的大冶组＋嘉陵江组（T₁d＋T₁j）含水层；它们组构的含水层有如下基本特征：

①含水层以溶隙水、溶管水为主，亦产出溶洞水、管道流。

②各被阻隔的含水层基本为相对独立的含水体系，各自具有自己的补给源、独立的流场（纵向流）、独立的排泄点。

③各含水层中以P₁q＋P₁m、T₁d＋T₁j含水层富水程度高，多发育管道流。它们若为近基排泄时，水动力剖面厚度较浅，水位埋深不大；若为远基排泄时，其水动力剖面厚度较深，水位埋深较大。隧道若于含水层的水平流动带穿越，则遭遇大涌水、暗河的可能性较大。

④各含水层一般情况下为纵向管道流、纵向径流，若遇构造强烈、特别发育强势的横向裂隙或断层时，可将各含水层沟通，使岩溶水复杂化，对隧道影响更为不利。

⑤隧道穿越此种类型岩溶时，背斜两翼都可能遭遇多层含水层，但各含水层富水程度受控制的因素较多，差异较大。

（2）代表实例

1）大支坪背斜核部

背斜核部志留系碎屑岩组成山地分水岭，两侧为栖霞组（P₁q）、茅口组（P₁m）灰岩、吴家坪组（P₂w）泥灰岩及炭质页岩等，栖霞组、茅口组组成山前溶蚀低地、洼地，组构成夹于志留系、吴家坪组两阻水层之间的岩溶含水层（图2－28）。

该含水层补给源为：①背斜山地分水岭区域范围内的降雨向两侧分流汇入补给；②该含水层自身分布区内（汇水面积范围内）的降雨入渗补给。

含水层汇水面积补给范围大、且纵向受汇较长，因含水层受限于两阻水层之间，岩溶水多具纵向远程排泄（远基排泄）特征，即向横切背斜构造的野三河排泄，径流流程长，水位埋深大。大支坪隧道施工于该含水层内（隧道埋深350m）的DK133＋913～＋920、DK133＋970～＋997出现大突水；背斜构造西侧栖霞组＋茅口组含水层被吴家坪组阻水层阻隔以大泉（S₅₄）形式泄出，2002年5月19日测量流量171（L/s），雨季可大许多倍，是大支坪镇居民用水水源。

2）野三关背斜

①背斜核部为志留系（S）碎屑岩，两翼依次分布栖霞组（P₁q）、茅口组（P₁m）、吴家坪组（P₂w）、长兴组（P₂c）、大冶组（T₁d）、嘉陵江组（T₁j）地层；间夹的阻水层有S、P₂w、T¹₁d（底部页岩层），夹于其间的含水层有栖霞组＋茅口组、长兴组、大冶组＋嘉陵江组含水层；各含水层组成相对独立的溶隙—管道流系统（图2－54）。野三关背斜各含水层中发育的主要管道流特征如表2－11所示。

图2－54　野三关地区岩溶水文地质略图

1．地层界线；2．地表河流；3．地下暗河；4．分水岭；5．第四系；6．断裂构造

表2－11　野三关隧道区主要暗河管道流特征

②各含水层因存在较大的地质差异，其富水程度差异亦明显，以栖霞组＋茅口组、大冶组、嘉陵江组灰岩富水程度高，是主要含水层，背斜两翼都存在。

③各含水层都具独立的补给源。含水类型主要为溶隙水、溶隙管道水、暗河管道水等。因受阻水层限制，各自组成独立的含水体系，岩溶水多沿含水层走向径流。各含水层有各自的排泄基面和排泄标高，各自构成不同厚度的水动力剖面，水位埋深亦各异。

④野三关背斜岩溶水为深切近基排泄型，就近的排泄基面标高相对较高，受其控制的水动力剖面厚度约80～150m，不致涉及深部的隧道。

⑤溶隙流、溶隙管道流、暗河等的流量受降雨控制明显，动态变化大（图2－55、图2－56）。

图2－55　3^＃暗河降雨—时间—流量动态变化曲线

图2－56　4^＃暗河降雨—时间—流量动态变化曲线

（3）间互型背斜构造——近（远）基排泄型对隧道工程的影响

隧道穿越此种水动力类型岩溶时，可能遭遇多层（栖霞组＋茅口组、大冶组、嘉陵江组等）含水层的影响。

①隧道进、出口，埋深较浅，处在排泄区，可能直接遭遇管道流。如野三关隧道出口横穿4^＃暗河，因隧道标高与暗河标高相近，于DK129＋810～＋920遭遇暗河的泄洪支洞，将泄洪水流（暴雨时泄洪）引入隧道。

②栖霞组（P₁q）＋茅口组（P₁m）含水层位于近背斜核部，岩溶水动力剖面深度涉及150m，不达山体深部（隧道已进入山体较深的腹部），隧道不致直接遭遇暗河或浅部强岩溶水的影响，但可通过断层、茅口组的“古岩溶层”、层间破碎带等将浅部岩溶水、暗河导入隧道。如野三关隧道通过茅口组（P₁m）中的“古岩溶层”、F18断层、栖霞组（P₁q）的层间破碎带，隧道突水将浅部岩溶水、3^＃暗河导入隧道，使3^＃暗河断流。

Ⅴ．单斜构造——近（远）基排泄型

该类型发育于褶皱构造翼部的单斜岩层（单一岩层层状）构成的山体（单面山），如利川境内的石板岭单斜山地，其主要特征有：

（1）单斜构造的山体斜坡面由栖霞组（P₁q）组成，栖霞组中间夹较厚（＞70m）的泥灰岩阻水层，将栖霞组分隔成阻水层上层、阻水层下层两部分，它们分别承接山体台原（下层部分）、山体斜坡（上层部分）各自汇水面积的降雨补给，构成两层不同的含水层（图2－57）。

图2－57　单斜构造岩溶发育特征

（2）阻水层上部栖霞组灰岩含水层受斜坡面面状的降雨补给，降雨入渗水受阻于阻水层于阻水层基面附近汇聚，沿倾向运移，于斜坡坡脚处以大泉泄出；或沿阻水层界面走向运移，于沟谷低处（小马滩谷地）排出成明流，明流于切割深处（切断泥灰岩阻水层流入下部灰岩）露出的下部灰岩部分注入竖井，再转成浅部管道流。

（3）阻水层下部的栖霞组灰岩既接受溪沟斜坡汇水面积的降雨补给，又接受阻水层上部泄出的明流注入补给，汇聚“近基排泄基面”控制的水动力剖面范围内的岩溶水等，汇总沿岩层走向、强势横向裂隙径流，于就近（斜坡坡脚）的排泄基面排出，如小马滩汇水（相关汇水面积范围内的降雨入渗水、明流等）注入竖井→凉风洞→龙潭→蝌蚂口（排泄口—就近的排泄基面），属近基排泄型，水动力剖面较浅，为浅部管道流。

（4）山顶台原出露的栖霞组灰岩（阻水层下部的灰岩），接受高位的山顶台原的汇水面积降雨入渗补给，汇聚形成单管式管道流。因其受灰岩倾向层面控制，无力实现侧向就近排泄，只好沿倾向→走向径流，向更远的排泄基面排泄（远基排泄）。如大坪管道流：大坪山地台原补给→沿倾向、走向径流→深入地下（位在小马滩管道流下部，与其立交）→狮子口→排入小溪暗河的下游。

（5）不管是近基排泄的大泉、管道流或远基排泄的单管式管道流，其流量都随降雨量变化而变化，降雨量—流量的动态变化大（图2－58、图2－59）。

（6）隧道穿越此种类型的“单面山”时，一般隧道洞轴多与岩层走向垂直（或大角度相交），较难躲避阻水层上部含水层；阻水层下部的近基排泄的浅部管道流（如小马滩管道流）多在隧道上部，对隧道影响较小。单管式的远基排泄的管道流，其不同埋深的具体位置较难确定，隧道较难完全躲避。

图2－58　蝌蚂口7月15日—7月18日降雨量—流量曲线

图2－59　马鹿箐隧道泄水洞流量、计算流量拟合曲线