（水利水电工程专业论文）岩溶区水库地下库容研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 岩溶地区水库由于其所处的特殊的地质环境，地表水库自身并非个独立的 封闭系统，它与水库周边的一定范围内的岩溶地下水存在着密切的水交换联系， 常形成附属于它的地下库容。在水库的运营过程中，它们相互影响、相互制约， 关系密切。同时，二者又分别具有各自的水存储、水运动特征。 本文从系统的观点出发，将水库及其地下库容统一在为水库及水库周边地区 服务的一个大的系统中去，即岩溶区水库水系统。水库及其地下库容分别为库区 水系统的地表、地下子系统。 地下子系统，即岩溶水系统，是由岩溶介质和岩溶水共同构成的实体。根据 岩溶水和岩溶介质存在、发展的般规律，在整个库区水系统中对地下子系统进 行了全面的探讨，包括其形成、运动特征，并最终归结到对地下子系统的价值的 研究上。f 研究表明，地下子系统除去其自身的资源价值( 对岩溶水的直接开采利 用) 外，更多的价值体现在对水库调度的参与、影响方面。价值的大小则与地下 子系统的规模( 地下库容量的大小) 、库区周边岩溶介质的渗透性及具体的水库调 度有密切的关系。对于地下子系统的库容量的评估，本文也给出了两种可行的方 法。 f 虽然本文的重心在于理论分析，但是理论永远也不应该脱离实践而孤立存在。 l j 文章的最后尝试着对清江隔河岩水库的地下库容进行了评估。 关键词：岩溶库区水系统地下库容含水率渗透性 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e “o i ri nk a r s ta r e ai sn e i t h e rad e p e n d e n tn o rac l o s ew a t e rs y s t e md u e t oi t s s p e c i a lg e o l o g i ce n v i r o n m e n t i te x c h a n g e s w a t e r f r e q u e n t l y w i t ht h ek a r s tg r o u n d w a t e r w i t h i nac e r t a i ne x t e n ta r o u n di ta n du s u a l l yf o r mau n d e r g r o u n d r e s e r v o i rs u b o r d i n a t e d t oi t d u r i n gt h eo p e r a t i o no ft h er e s e r v o i r ，t h et w oi n f l u e n c ee a c ho t h e ra n d r e s t r i c t e a c ho t h e r a tt h es a i l l et i m e ，t h e yb o t hh a v et h e i ro w n c h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rs t o r a g e a n dm o v e m e n t s t a r t i n gf r o mt h ev i e w p o i n to fs y s t e m ，f o rt h ea d v a n t a g eo f t h er e s e r v o i ra n dt h e a r e aa r o u n di t , t h er e s e r v o i ra n di t su n d e r g r o u n dr e s e r v o i ra l eu n i f i e da sas y s t e m , n a m e l yt h ew a t e rs y s t e mo ft h er e s e r v o i ri nk a r s ta r e a t h er e s e r v o i ri s i t ss u r f a c e s u b s y s t e ma n d t h eu n d e r g r o u n dr e s e r v o i ri st h eu n d e r g r o u n ds u b - s y s t e m t h eu n d e r g r o u n ds u b s y s t e mi sak a r s tw a t e rs y s t e ma n di sc o m p o s e do fk a r s t g r o u n d w a t e ra n dk a r s tr o c k a f t e rac o m p l e t ea n a l y s i st o t h et w oc o m p o n e n t s ，t h e u n d e r g r o u n ds u b s y s t e mi sa n a l y z e da l l s i d e s ，s u c ha si t sf o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n t t h er e s e a r c ho fi t sv a l u ei st h em a i n g o a l t h er e s u l t ss h o w t h a tb e s i d e st h ev a l u eo fi t s o w n ( a sag r o u n d w a t e rr e s o u r c e ) t h eu n d e r g r o u n ds u b s y s t e mh a sal a r g ev a l u ei n j o i n i n gi n t h eo p e r a t i o no ft h er e s e r v o i rt h i sv a l u ei sd e c i d e db yt h es c a l eo ft h e u n d e r g r o u n ds u b - s y s t e m ，t h ep e r m e a b i l i t yo ft h ek a r s tr o c ka n dt h eo p e r a t i o no f t h e r e s e r v o i r t ot h ee v a l u a t i o no ft h eu n d e r g r o u n ds t o r a g et w of e a s i b l es o l u t i o n si s a n a l y z e d t h em a i np u r p o s eo ft h ep a p e ri st h e o r e t i ca n a l y s i s h o w e v e r , i ti sn e c e s s a r yt o c o m b i n et h et h e o r yw i t h p r a c t i c e s oa tt h ee n d o f t h e p a p e r t h eu n d e r g r o u n ds t o r a g eo f t h eg e h e y a nr e s e r v o i ri se v a l u a t e d k e yw o r d s ：w a t e rs y s t e mo f r e s e r v o i ri nk a r s ta r e au n d e r g r o u n ds t o r a g e l l 华中科技大学硕士学位论文 1 概述 在可溶性岩石地区，地下水和地表水对可溶岩进行化学溶蚀、机械侵蚀、搬 运、堆积并形成各种地貌形态的地质现象，总称为岩科“。这种地质作用称为“岩 溶作用”。在南斯拉夫的喀斯特( k a r s t ) 高原，岩溶现象十分发育，故岩溶又 称为“喀斯特”。在我国则统称为“岩溶”。 岩溶最早是以其独特景观受到地貌工作者的重视与研究的；而其独特的溶洞 体系则是洞穴学( s p e l e o l o g y ) 探测和研究的主要对象；由于岩溶地表水系多转为 伏流河，研究和追索地下水流通道就成为岩溶水文地理学的研究内容；近年来， 更多的水文学者重视岩溶水文学( k a r s t h y d r o l o g y ) 的研究，以便掌握岩溶区地下 水的运动、水文动态和水均衡方面的规律性1 2 j 。 上个世纪到本世纪2 0 年代，为岩溶水文学的萌芽时期，此时的岩溶水文地质 附属于区域地质研究，且多将岩溶水含水介质看作单一介质。3 0 年代到7 0 年代， 由于二战后恢复经济发展的需要，岩溶及岩溶地下水的研究变得更加广泛，并逐 渐形成- - i 学科 3 f - 4 。 1 1 岩溶水库区主要工程地质问题概述 由于岩溶的存在及发育特征，岩溶水库区有着特有的工程地质问题。 水库蓄水后，库区水文条件将发生很大的变化。地表水位上升，水深增大， 流速减缓。当库区存在某些不利的地貌地质因素时，就可能产生库岸坍塌、水库 淤积、浸没、水库地震和渗漏等工程地质问题 5 1 1 6 1 1 f l 。 水库蓄水后，库岸浸水，稳定性降低，可能造成库岸的坍塌，将危及到岸边 建筑物的安全，毁坏农田、淤塞库容，有时在邻近坝区的大规模的塌岸所激起的 巨大涌浪可危及坝体的安全。 水库建成后，河水搬运的泥沙逐渐沉积下来，使库容逐渐减小，严重时可使 水库失效。水库淤积的现象在我国西北和华北气候干旱、水土流失严重的地区比 较突出对于此问题在地质上主要是查明淤积物的来源。此外水库淤积与剥蚀作 用强烈程度、植被、气候等也有密切的关系【8 】。 华中科技大学硕士学位论文 水库蓄水使地表水位抬高，引起水库周围地下水位上升，甚至接近地表或略 高于地表，从而发生地下及地面浸没现象【9 l 。浸没将使库岸地带建筑物的安全受 到影响，使一些地下矿藏被浸泡、矿坑充水和大片的土地沼泽化或盐渍化。 在某些活动性断裂带附近，或者在具有历史地震背景地区修建大型水库，由 于库水荷载、水对结构面的软化以及孔隙水压的作用，可能诱发构造地震【l j 。岩 溶区水库除去诱发构造地震外，还可能由于地下溶洞充水，诱发气爆性质的岩溶 地震【i 】。 水库蓄水后，在适宜的地形、岩性、地质构造和水文地质条件下，库水将通 过地下通道向库外渗漏，从而影响到工程效益和大坝的安全。库水向库外渗漏的 途经通常有两种：其一是通过库岸的分水岭向邻谷( 或者相邻洼地) ，或经由河湾 部分渗向坝下游的河道，以及通过库盆底部渗向远处低洼地区；其二是通过坝基 或者绕过坝肩渗向坝下游。前者称为库区渗漏，后者称为坝区渗漏1 1 0 1 。最突出的 就是由于其地下溶洞、溶蚀缝隙发育，修建水工建筑物往往会遇到强烈的渗漏问 题。水库的坝址选择不当或未能采取恰当的防渗措施，轻则造成水能水资源的损 失，重则使水库完全不能蓄水而失效，或者处理的代价过高而经济上不合理。 这些问题对于岩溶地区是具有共性的。对一个具体地区的岩溶分布、发育情 况进行全面的勘察以及科学的论证，是决定宜否修建水工建筑的必要条件。 1 2 我国岩溶分布及特点概述 我国是岩溶十分发育的国家，含裸露、覆盖、埋藏三种类型在内的岩溶总面 积达到3 4 6 3 万k m 2 ，其中裸露型岩溶为9 0 7 万k m 2 。 从宏观上，可将我国的岩溶分布划分为南北方两大区。秦岭一一淮河以南地 区属于热带及亚热带气候，以北属于中暖温带气候。由于气候因素的影响，南北 方岩溶发育具有不同的特点。例如，南方碳酸盐岩主要发育为溶隙一一溶道( 或 溶洞) 含水介质，而北方则发育溶隙一一洞隙含水介质；南方岩溶地区主要发育 管流水，特点是流速快、比降陡、流量大，而北方主要为层流或混和流流态1 2 l 。 我国的岩溶主要分布于广西、贵州、湘西、鄂西、滇东和川东等地，而山西、 河北等省也有一定的分布。在这些地区，岩溶水是一种极为丰富的地下水资源， 其水量充沛、水质良好，适用于饮用、灌溉和发电。另外，在我国黄河、长江、 2 华中科技大学硕士学位论文 珠江三大流域内，岩溶地区的水能资源蕴藏量约为7 0 0 0 万k w ，占到三大江河的 3 0 左右但是现在的开发量只占到9 左右。 我国在岩溶地区兴建了许多大、中、小型水利工程，如乌江渡、鲁布革、天 生桥二级、岩滩、隔河岩、观音阁等，取得了丰富的经验i l l 。经过多年的工程实 践和理论研究，我们逐步发展了岩溶工程地质学。8 0 年代以来，由于大型水利水 电、铁道、矿山、工程建设的发展，以及信息技术、电子计算机技术的引进，在岩 溶探铡、分析和治理技术方面都有了很大的发展。实践证明，只要掌握了岩溶的 形成条件和发育规律，认识不同地区岩溶所具有的特点，充分利用其有利条件， 对不利因素采取有效的措施，就可以变害为利，成功修建各种水利工程。 1 3 课题概述 1 3 1 课题的来源 岩溶地区水库自唠漏分为暂时性和永久性渗漏两种。 永久性渗漏即通常所说的水库渗漏。导致水库永久渗漏的原因主要有：岩溶 地区的一些地质构造的自然存在，例如大的导水性断层；水库周边的地下水分水 岭由于水库蓄水后地表水位的抬升而消失：岩溶自身由于岩溶水的溶蚀而发育出 的通向其它河谷、河流的地下水通道。水库永久渗漏将导致水库水的自自流失， 这是所有的水库建设都应该避免的，因此本文中的所有分析都是在水库无永久渗 漏的前提条件下展开的。 岩溶地区的水库周边大多分布有厚( 厚度大) 而广( 范围广) 的岩溶岩体， 而岩溶岩体的最大的特点便是具有远大于一般岩体或者土层的吸水能力和导水能 力水库蓄水后，地表水位将大幅的抬升，打破已有的地表水和地下水交换的平 衡，此时将发生地表水入渗补给地下水，使水库周边一定范围内的岩溶岩体孔隙、 裂隙甚至溶洞充水饱和，达到新的地表、地下水交换平衡。这部分渗入水并没有 流出库区以外，但是也不像有些人所认为的将永久的保持不变。此即水库的暂时 性渗漏 就现阶段而言，众多的地质工作者都将注意力集中在了永久性渗漏的调查、 防治及消除上。对于暂时性渗漏由于其危害性不大而较少关注。从危害防治的角 度来讲，这种忽略好像是合理的。但实际上并非如此，在一些情况下还必须考虑 一一 3 华中科技大学硕士学位论文 到它的存在所带来的影响。这也是本课题将要讨论的问题。 结合自己多年地质工作的经验，刘广润教授对此提出了自己独特的见解，认 为水库的暂时性渗漏将会形成一个附属于水库的地下库容，它因水库的存在而形 成，与水库保持着密切水交换联系，在一定程度上对水库的调度表现出一定的参 与作用，并体现其效益和价值。由此提出“岩溶区水库地下库容研究”的课题， 并作为本人的研究生毕业论文的主要内容。 1 3 2 课题研究的目的及意义 岩溶区水库周边由水库蓄水引起的新的地下充水空间，我们称之为岩溶区水 库的地下库容。它实际上是一个岩溶水系统，一个有其显著特征的岩溶水系统。 它不但有其自身的水资源价值，还对水库的调度运营效益有重要的参与价值。 就目前为止，国内外对于地下库容还没有展开相应的研究。通过本课题的研 究，希望对地下库容的形成、发展和特征进行分析，并根据一种共同的价值取向， 将水库和其地下库容归入一个大的、新的体系，即本文所提出的岩溶区水库水系 统。并希望以此为契机，引起广大地质工作者对岩溶区水库地下库容的重视，对 其展开系统、全面的研究。 虽然本课题的核心是理论研究，但还是希望在建立理论的基础上，能够结合 一定的实际情况，将理论与实践结合起来。因此，本文在最后将尝试对清江流域 隔河岩水库的地下库容进行评估。 1 4 文章的组织 对于一篇文章来说，好的组织结构是极为重要的。本文的组织主要是依据岩 溶区水库水系统的层次结构进行的，即： r 地表子系 岩溶区水库水系统ji 岩溶介质 i 地下子系统 。( 岩溶水系统) l岩溶水 第一章是概述部分，主要介绍了岩溶水库区的常见工程地质问题、我国的岩 溶分布情况以及关于本课题的一些内容。 4 华中科技大学硕士学位论文 第二章是基础理论知识的预备部分，分别对组成岩溶水系统的岩溶介质和岩 溶水进行了介绍，并对它们的存在、发展和运动的一般规律进行探讨。 第三章则是本文的核心理论部分，从提出岩溶区水库水系统的概念开始，通 过对水库水封闭性的分析，引出水库水封闭边界的讨论。进而对岩溶区水库水系 统的两个子系统，地表、地下子系统的形态及二者之间的关系展开讨论。重点在 于对地下子系统的研究，其中涉及到地下子系统的特征、意义以及对其库容的评 估方法 第四章则主要是将第三章的理论分析与实践相联系。本章中选取了清江流域 的隔河岩水库为对象，尝试对其库容进行评估，并对评估的结果做初步的分析。 一 5 华中科技大学硕士学位论文 2 岩溶水系统 岩溶水系统是由岩溶水和岩溶介质共同构成的实体，在一定的环境条件下， 岩溶水与岩溶介质相互作用，相互依存，从各自提取的信息可以相互说明i l l j ；它 是在一定的自然背景下( 有时还受到人类活动的影响) 形成的，又反作用于周围 环境，从而对岩溶地区的自然风貌、生态环境、人类的生存与生活、当地的工农 业发展都会带来重大的影响。 由于地层构造的分层性、岩溶岩层厚度分布的不均匀性，强烈的构造变动， 以及地形分割、河网刻切，赋存于碳酸盐岩中的地下水，即岩溶水，不易形成区 域性单一系统，而常以多层状、多系统的形式出现，这也就决定了岩溶水系统的 复杂性。 2 1 岩溶水系统的类型划分 对于岩溶水系统类型的划分可以根据控制岩溶水系统的分布空间和岩溶水排 泄条件两个因素进行。岩溶水系统受排泄基准的控制，即碳酸盐岩层被构成地下 水排泄基准的河网所切割，称为基控；受地层结构的控制，称为层控。我们也可 以沿用传统的、将地下水出露特征和受控因素相结合的方法，将岩溶水系统划分 为侵蚀、接触、溢出三种形式【2 】【“】。上述两种空间形式和三种排泄形式结合起来， 便可组成岩溶水系统的六种类型： r 侵蚀型r 侵蚀型 基控 接触型层控 接触型 l 溢出型i 溢出型 其中基控一一接触型与基控一一溢出型在实际中很少出现。 1 ) 基控一一侵蚀型 如图2 一j 、a 所示，在排泄基准之上不存在稳定隔水岩层及驵水体对，排泄 基准的下切深度与一定的地形条件相结合，决定着岩溶水系统的分布空间，同时 也决定了含水层因遭受侵蚀而出露排泄。此种类型广泛发育于我国鄂西清江流域 6 华中科技大学硕士学位论文 厚度大、缓倾斜、河网切割强烈的岩溶地区。 2 ) 层控一一侵蚀型 如图2 一l 、b 所示，即岩溶含水层之下发育有不透水或弱透水层，其倾角较 大，含水层被河沟切割，但未揭露底板，此时岩溶水系统的分布受到下部底板所 限，而岩溶水的排泄则是含水层被侵蚀所致。 3 ) 层控一一接触型 如图2 一l 、c 所示，岩溶含水层之下发育有不透水或弱透水岩层，其界面高 于侵蚀基准。此时，含水层底板不仅控制了岩溶水系统的分布，还控制了岩溶水 系统的排泄条件，即排泄点的位置由上述界面决定，而与排泄基准无关。 蓼匆7 ( c )( d ) 睡拯一l 岩涪水系统基本类型示意圈 4 ) 层控一一溢出型 构成条件如图2 1 、d 所示，岩溶水系统的分布范围受下部底板或者周围隔 水岩体所限；岩溶水的排泄是由于在排泄基准附近，因断层错动，或地层变化等 原因，岩溶水在运动过程受阻，造成回水而泄出地表。 不论是那一种类型，由于具体条件不同，必然造成既便在同一类型中，不同 系统的个体规模、分布状态、补给来源和补给条件都存在很大的差别，因此在实 一罗一拶 一 一爹 华中科技大学硕士学位论文 践中应具体情况具体对待，不能一概而论。 2 2 岩溶介质 岩溶岩体作为岩溶水的蓄存介质，是岩溶水系统的一个重要组成部分，其特 点、性质对岩溶水的蓄存、运动都有着决定性的意义。对岩溶介质的研究可以在 很大程度上指导对岩溶水的研究。 岩溶岩的分类可以从多个角度进行考虑，例如可以按照可溶岩的出露条件分 为裸露型、覆盖型、埋藏型：按照水文地质条件可以分为包气带岩溶、浅饱水带 岩溶和深部岩溶。本文从碳酸盐岩本身的成分、碳酸盐岩的主要岩石类型及其配 置格局来进行类型的划分。 对于岩溶岩的可溶性的分析是极为有意义的，由可溶性可以对岩溶的发育程 度进行定性的分析，可以对岩溶的孔隙率及连通性、吸水性等参数的确定作出指 导，而这些都是对岩溶区水库的地下库容进行科学研究的必要条件。 2 2 i 岩溶岩的类型划分 岩溶岩的类型是从岩溶发育的角度对纵向剖面上岩类组合关系的一种捌分， 以反映岩溶发育强度和渗透特征【l “。它既能反映不同的沉积环境与成岩作用的变 迁，又能反映岩石类型及其可溶性的变化。对于岩溶岩的类型的划分，除去考虑 碳酸盐岩本身的成分差异外，还着重考虑了碳酸盐岩的主要岩石类型及其配置格 局【1 2 1 。 各种岩石类型反映了岩石成分和结构构造上的差异，是影响岩溶发育程度的 基本因素。主要的岩石类型从大的角度可以分为非碳酸盐岩类、不纯碳酸盐岩类 以及纯碳酸盐岩类。 非碳酸盐岩类包括单一的非碳酸盐岩组和间夹薄层灰岩的非碳酸盐岩组两个 类型，前者完全由连续分布的不可溶沙页岩或者页岩类组成：后者以不可溶的沙 页岩为主，夹杂着厚度不超过数米的灰岩，而且小于沙页岩的连续厚度。 不纯碳酸盐岩组类是由纯碳酸盐岩、不纯碳酸盐岩和非碳酸盐岩组合而威的。 期间起到决定作用的因素有岩层的厚度比例、某岩层的连续厚度。对于不同的 组合特征，岩溶的可发育特征、可溶性强弱、溶蚀率的大小都会有较大的区别。 8 华中科技大学硕士学位论文 例如，间夹非碳酸盐岩厚度为1 0 4 0 的纯碳酸盐岩，由于后者的单层厚度及 连续厚度均较大，可溶性强，溶蚀率大，而由于非碳酸盐岩( 薄层泥灰岩和页岩) 夹层的存在，岩组剖面上垂层方向上的水流受到限制，主要发育顺层岩溶，岩溶 发育程度一般为中等；而由碳酸盐岩和不纯碳酸盐岩的交互岩组，一般单层厚度 和连续厚度均较小，在水文地质上为层状非均质弱透水岩组，总体上岩溶发育程 度很弱。 纯碳酸盐岩组指无非碳酸盐夹层、不纯碳酸盐岩夹层厚度小于1 0 、纯碳酸 盐岩连续厚度达到数十米以上者。根据灰岩和白云岩及其过渡类型岩石的组合特 征和厚度比例及连续厚度又可对其进行亚类划分：( 1 ) 纯灰岩亚类，单层厚度大， 一般为厚一一巨厚层，灰岩连续分布，最有利于岩溶的发育；( 2 ) 纯自云岩类， 其特点与纯灰岩类相同；( 3 ) 灰岩和白云岩交互型，一般连续厚度较小，灰岩单 层厚度较大，为中厚一厚层，白云岩单层厚度较小，为薄一一中厚层，垂层方 向渗透性小于顺层方向的渗透性，主要发育顺层岩溶；( 4 ) 斑块状云灰岩类，白 云岩集中分布成斑块状，方解石矿物组成基质，前者常为细晶结构，后者为隐晶 和微晶结构，二者差异溶蚀明显，一般为巨厚层，连续厚度大，适于岩溶发育【1 3 1 。 2 2 2 碳酸盐岩的溶蚀分析 通常硫酸盐和氯化物的溶蚀是一种纯溶解过程，在一定的温度、压力下，其 溶解度为常数，只要达到饱和就不再进一步溶解。所以此类可溶岩的溶蚀都是由 地表向地下迅速的减弱，并且在地面下很快的消失。 碳酸盐岩的溶蚀与上述两种岩石的溶蚀不同。它不是纯溶解，而是涉及到几 个体系的化学平衡和复杂溶解过程，还有某些特殊效应使其溶蚀能够在地下水面 下深处发生，形成所谓盼深饱和带( d e e pp h r e a t i e ) 溶洞。这就使得碳酸盐岩的溶 蚀并不仅仅有由表及里的发育，许多情况下还存在着深部先形成而后又经浅部作 用改造的趋向。常见的岩溶溶蚀作用可以分为两类：一般性溶蚀和差异性溶蚀。 1 ) 一般性溶蚀1 1 4 1 一般性溶蚀通常是指发生一系列化学反应而产生的溶蚀。碳酸钙在纯水中的 溶解度是很低的。根据已有的资料，在2 5 ( 3 时其溶解度仅为1 4 2 m g l 。而c a z + 和c o b 。的溶解度仅为3 9 x1 0 1 ( 2 5 c ) 。但是天然水中的碳酸盐含量总是高于 其溶解度值，这是因为水中总含有溶解的c 0 2 ，而c 0 2 含量的增加能够大大增加 9 华中科技大学硕士学位论文 碳酸盐溶于水中的量。过去一直认为c a ( h c 0 3 ) 2 的溶解度大大高于c a c 0 3 是主 要原因，即发生反应： c a c 0 3 + c 0 2 + h 2 0 l = c a ( h c 0 3 ) 2 但实际情况与此并不相符，原因是水中从来没有发现过c a ( h c o a ) 2 分子，且 c a c 0 3 与c 0 2 参加反应的比例也并非l ：l 的比例1 2 j 。 实际上溶蚀过程中所发生的反应应该由下列一系列方程来描述。 c a c 0 3 = c a 2 + + c 0 3 2 一 解离出的c a 2 + 离子可以水解，但这并不重要，重要的是碳酸根离子可以与水产生 下面的反应： c o s 2 - + h 2 0 = h c 0 3 - + o h h c 0 3 一+ h 2 0 = h z c o s + 0 h 一 任何酸所解离出来的h + 离子的加入，都会减少反应方程右侧的o h 一离子的浓 度而使反应不断的向右方进行，亦即不断减小c 0 3 2 - 离子和h c 0 3 一离子的浓度， 反应于是不断向右方进行，而使碳酸钙的溶解度比纯水中大为增加。例如据实际 调查，在清江流域地下水的p h 值多在6 5 ，这就说明了该流域内的岩溶发育具有 良好的自然条件，而对坝区部位的勘测也证实了这一点，现已发现两岸各有一个 大的溶洞网发育。 2 ) 混和溶蚀效应 2 1 ，1 1 6 1 这是对碳酸盐岩的发育有着特别重要意义的极其特别的一种溶蚀，即所谓混 和溶蚀效应( m i s c h u n g s - k o r r o s i o n 或m i x i n g c o r r o s i o ne f f e c t ) 。 如上所述，c 0 2 溶于水之后，经过与水化合、解离，使水中出现c 0 2 0 、h e c 0 3 、 h c 0 3 一、c o s 2 - 和h + 等一系列离子和分子。h + 离子促使水中的c a c 0 3 0 解离并促 进c a c 0 3 固体溶解而转化为水溶液中的c a c 0 3 0 ，随h c 0 3 一、c 0 3 2 一和c a c 0 3 0 的 浓度增加，以至于各个反应均达到化学平衡以后，一定温度、压力下的平衡常数 就限定了各种离子及分子均须保持一定的浓度。也就是说，化学反应已经可以看 作是不能继续进行的了，在一定的程度上碳酸钙的溶解已经终止。 我们将此时水中的c 0 2 0 和h 2 c 0 3 统称为平衡二氧化碳，因为它是维护整个体 系化学平衡所需要的，而并不会使碳酸钙继续溶蚀。当水中溶有超出该温度、压 力下的平衡二氧化碳浓度的多余的二氧化碳时，这一部分多余的二氧化碳才能够 继续溶蚀碳酸钙，而且其中仅有一部分用于溶蚀，另一部分将被用来维系体系的 1 0 华中科技大学硕士学位论文 新的化学平衡，因溶蚀进行后h c 0 3 一、c a h c 0 3 - ：和c 0 3 2 一增加了，用于平衡的二 氧化碳也必须有所增加。超出体系平衡所需的这一部分多余的二氧化碳称为侵蚀 性二氧化碳。 _ 3 4 0 0 譬 霹 誓 i 二氯化磺( a g l ) 图2 - - 2 混和溶蚀效应图 被溶解的c a c 0 3 与c 0 2 平衡的之间的关系曲线是如图2 2 所示的一条上凸曲 线。曲线上任一点表示溶解的c a c ( h 与水中的c 0 2 恰处于平衡状态，曲线的右下 方表示水a p - 氧化碳的含量多于平衡所需的含量，存在有侵蚀性二氧化碳，对 c a c 0 3 有侵蚀性；曲线的左上方代表水中溶解的c a c 0 3 已经达到过饱和，必须沉 淀出某一数量的c a c 0 3 才能够重新达到平衡。 图中a 、b 两点都位于曲线上，表明两种溶液都处于平衡状态，但是二者的 成分却各不相同： 溶液a溶液b 溶液中c 0 2 的总含量，( m g l ) 1 0 07 0 0 溶液中溶解的c a c 0 3 总量，( m e l ) 1l o5 1 5 如果二者以相同的体积相混和，则每升含有c 0 2 为4 0 0 m g ，含c a c 0 3 为3 1 0 r a g ， 即相当于图上所示的c 点，具体位置位于a 、b 点的连线的中点。由于平衡曲线 为上凸曲线，所以a b 连线上的任点均处于连线以下，因此混和后的溶液对碳 酸盐岩又重新具有了侵蚀性。如图中c 的情况可以再多溶解2 0 的碳酸钙。 但是在自然条件下，相混和的两种溶液的差别不会有图中所示的a 、b 两点那 么大，更多情况是曲线上相距较近的两点的混和，混和后对碳酸钙的溶解也仅能 华中科技大学硕士学位论文 够增加1 2 。通常也会碰到饱和溶液和未饱和溶液相混和，侵蚀性二氧化碳 也有所增加，如图中所示的b 与d 等体积相混和而形成的e 溶液。 两个不同来源的水中c 0 2 含量相差的越大，则对混和溶蚀越有利，两者之一 的c 0 2 含量很低时尤其如此。所以，灰岩中碳酸盐溶质饱和度很高的地下水排出 地表与地表水的混和处对混和溶蚀效应的产生极为有利；地下深部地质作用产生 的富含c 0 2 的水上升与近地表含c 0 2 低的水混和也会产生较强的混和溶蚀效应。 同理，两个不同来源、h 2 s 含量不同的水相混和也可以产生混和溶蚀效应。地 下深部地质作用( 如岩浆活动) 产生的水含有大量的h 2 s ，而近地表的地下水则 h 2 s 的含量极低，二者相混和后其混和溶蚀效应也相当的显著。 含盐度不同的水混和，同样也会发生混和溶蚀效应，其原理与c 0 2 的混和溶 蚀效应相同。所以近海岸灰岩的含水层向海的排泄带因淡、咸水混和而产生的溶 蚀作用也强烈。 正因为有混和溶蚀效应，凡是有利于不回成分水混和的地带，岩溶发育总是 超前于其它地带。这样的地带包括垂直渗入水与灰岩中地下水相汇合的地下水面 附近地带；地下水面以下能使不同成分的水向它汇集的强径流带，如大的溶蚀裂 隙和溶蚀管道，不同方向的溶蚀裂隙的交汇带；灰岩中地下水排出口处地表与地 下水的混和带等。 由于混和溶蚀效应所造成的某些局部地带溶蚀“超前”，其它地带的溶蚀“滞 后”，是造成岩溶发育“不均衡”或者“分异”的主要原因之一。 2 2 3 影响岩溶岩溶蚀的因素 岩溶作用是在各种自然条件的共同作用下发生和发展起来的，要保证岩溶化 能继续进行，必须有水在碳酸盐岩内部的裂隙或孔隙中流动，使两者不断地相互 接触和相互作用，而且不断的更替。因此可溶的透水岩层和具侵蚀性的水流是岩 溶发育的基本条件【1 4 】【1 6 l 。 通过对加工过的岩石标本在不同的条件下进行溶蚀试验，可以定性的衡量不 同条件下岩溶溶蚀率的强度。通常用溶蚀率来评价不同岩石的相对可溶性： 溶蚀率= 糯 而溶蚀率r i 与体积岩溶率在数值上具有一致性，因而是有实际意义的。以下 华中科技大学硕士学位论文 表中为引用他人所作试验的部分结果： 表2 - - 1 溶蚀试验特征及部分试验结果1 2 l 地层化学成分( )溶蚀率( ) 编号岩石名称 单位c a c 0 3 m g c 0 3 酸不溶朝第7 天第1 3 天第3 2 天 i豫晶灰岩 c 2 8 6 5 43 5 41 珏2 8 93 6 23 8 l 2 跨品灰岩 p l m 9 2 1 02 2 2，6 63 6 95 1 l5 - m 3 赣晶灰岩 t l d 9 2 3 ln 好4 3 81 0 64 1 64 j 9 4 徽量灰岩 瞄 9 ，、粥o 8 43 0 4 2 9 l4 1 34 7 7 5 灰色纯灰岩o i 舛3 31 卯2 拍3 7 24 4 7，0 5 6收缩纹泥灰岩 o 7 9 8 51 7 41 4 7 429 23 3 24 3 8 7 瘸状泥质灰岩 o i 7 0 粥1 5 l2 3 2 82 ，4 63 1 73 7 7 以上试验的结果表明：岩石的溶蚀程度同时受到物质组成和结构构造的控制， 物质组成起主导作用。当物质组成较为接近时，结构构造有重要的影响。此外岩 溶水接触面积也是一个不可忽视的因素。 岩石的可溶性决定了岩组的溶蚀特征与强度，通常受到碳酸盐矿物成分、岩 体结构构造以及机械破坏等多种因素的共同制约。 1 ) 碳酸盐矿物对溶蚀作用的影响旧 碳酸盐岩矿物是溶蚀的物质基础，决定岩石的溶蚀程度。试验表明，灰岩类 的溶蚀率一般大于白云岩类的溶蚀率：宏观上讲，随着方解石含量的增加、白云 石含量的减少，溶蚀率有增加的趋势。但这只是一种近似的统计关系，随着溶蚀 时间的延续，其相关性表现的越来越不明显，因为溶蚀实际上包含了两个方面的 内容，即溶解度和溶解速度。刚刚开始溶解时，溶液中溶质含量较小，浓度较低， 对方解石和白云石均是未饱和，溶蚀速度体现着溶解速度的差异和作用：随着溶 液趋于饱和，溶解度将是控制浓度的主要因素。 2 ) 结构构造对溶蚀作用的影响【2 l 碳酸盐岩的结构构造是影响溶蚀作用的次级因素，在溶蚀试验的后期它对 溶蚀的影响将变得显著。图2 3 【1 1 1 为对矿物组分相近的几种灰岩和白云岩绘制的 溶蚀试验中溶蚀率和结构构造关系的直方图。 一。一 1 3 华中科技大学硕士学位论文 _ _ 二 i 一 i 4971 41 d8l d l i l d ；1j 灰岩 白云岩 r i i i 1 1l i 3 ii1 一i 广 ： i 1i f 4 f ； ： ；： l i ! j 41 971 d1 58l a1 11 3 ：t 器 驷x l ml 笋m m鞘鍪 矧： - i 灰岩 白云岩 一 一 _ i l r 1j j 【 l f i 4 971 1 d 8l d l 1 3 灰岩 白云岩 图2 - - 3 溶蚀率与岩石结构构造关系直方图 从图上可以看出：( 1 ) 灰岩的结晶程度对溶蚀率的影响在试验的第、阶 段才显示出来，第阶段4 号试样( 微泥晶) 的n 值大于9 号试样却小于7 号试 样( 粉晶) ，是由于7 号试样的粒间孔发育而增大了孔隙度和透水性及水岩接触面 积之故。 一定体积的岩样，其结晶颗粒越小，其总表面积就越大，则体系将变得不稳 定而易于被溶蚀，从而使得r l 值变大。l o 号试样的结晶程度大于8 号，而其n 值 亦大于8 号，主要是由于该试样发育有张性微裂隙，增大了透水空间，水岩接触 面积也增大，而更有利于岩溶的发育：1 3 号试样则是因为试验过程中人为的制造 了层面裂隙，使其溶蚀率增加。 3 ) 机械破坏对溶蚀作用的影响 可溶岩在水溶液中的溶蚀量实际包含了两个组成部分一一即化学溶蚀量和机 械破坏量，后者常与岩体中的不溶组分含量有关。 以往很多研究者认为，碳酸盐岩中的非溶组分含量越高，岩溶越不发育，但 这一观点并不完全正确，因为不溶物的存在往往能够促进岩石的机械破坏作用。 据宋焕荣等人的研究成果，灰岩类的机械破坏随不溶物含量的增加而增加的幅度 较白云岩类大且期间的关系更为密切；不溶物的化学成分对机械破坏程度有明显 的影响，其中以朋2 q 影响最大，f e 2 0 3 和s i 0 2 等影响较小。 4 ) 水岩接触面积( 溶蚀面积) 对溶蚀作用的影响【1 8 1 1 4 华中科技大学硕士学位论文 在不均匀的体系中，由于化学反应总是在界面处进行，扩大水岩接触可以加 速反应速度，而反应速度和纯固态物质的量无关。增大溶蚀面积能加快初始反应 速度，相应增大溶蚀量，并最终形成一种溶蚀的良性循环效应。同样的道理，微 裂隙和孔隙的存在和发育，也有助于岩溶作用的启动一一加速初始溶蚀反应，所 以从岩溶研究的角度看，微裂隙和溶隙也具有实际的意义。 2 2 4 岩溶岩的水理性质 岩体的水理性质指岩石与水相互作用时所表现出来的性质，通常包括吸水性、 透水性、软化性和抗冻性【1 9 1 1 2 0 1 。对于岩溶的研究来说，吸水性和透水性是极为重 要的，因此在此只介绍岩石的吸水性和透水性。 1 ) 岩石吸水性 岩石在一定条件下的吸水性能称为岩石的吸水性。它取决于岩石的孔隙数量、 大小、开闭程度和分布情况，通常表征岩石吸水性的指标有吸水率、饱水率和饱 水系数。实验条件下，几种常见沉积岩的吸水率如表3 1 所示。 吸水率( m1 ) 是指岩石试样在一个大气压下吸入水的重量( w 。1 ) 与岩石干 重w s 的比值，以百分数表示为： c o i = 旦丛1 0 0 w s 岩石在常压条件下吸水时，水分只进入岩石的大开型孔隙中。岩石的饱水率 ( 0 2 ) 则指岩石在高压( 一般为1 5 0 个大气压) 下吸入水重和岩石干重的比值， 以百分数表示为： 0 ) 2 = 旦堕1 0 0 w s 此时i , k 蔓j 水可以进入所有的开型裂隙中。 岩石的饱水系数是指岩石吸水率( 1 ) 和岩石的饱水率之比，即： k 3 ：堕 2 2 ) 岩石透水性【2 1 1 华中科技大学硕士学位论文 i 岩石能够被水透过的性能称为岩石的透水性。水只沿着连通空隙渗透，岩石 的渗透性大小可用渗透系数( k ) 来衡量，它主要取决于岩石空隙大小、数量、方 向及其相互连通情况。 法国水力学家达西曾作过大量的试验，发现地下水层流的渗透速度( v ，单位 m d 或c m s ) 和水力坡度( i ) 成正比，即： v = k 当水力坡度为l 时，渗透系数等于渗透速度。 对于岩石的透水性将在下面的章节中详细的讨论。 2 2 5 岩溶介质的发育特点 岩溶介质发育的最为重要的特点是其不均匀性。可溶岩早期也只是包含有大 量原生孔隙的岩体，并且这些原生孔隙一般很小。随着历史的变迁，这些原生孔 隙经受了一系列的化学溶蚀、机械侵蚀、搬运、堆积等自然( 或人为) 作用，才 发育为今天我们所见到的空隙率很大、千姿百态的岩溶地貌田j 2 4 1 。 岩溶发育的初始阶段只是在由各种地质活动所产生的裂隙系统之中进行的。 只有在连通性较好、空隙较大的裂隙系统中地下水才能够较为通畅的流动。裂隙 系统具有发育不均匀、宽度大小不一、连通程度亦各不相同的特点。在一些细小 裂隙中，水流因阻力而流动缓慢；相反的，在连通性好、开启性好的裂隙中，水 流因阻力小而水量相对集中，使得溶蚀速度远远大于前者。此外，岩体中差异溶 蚀的结果导致一些开启性好的裂隙岩溶化作用超前，裂隙空间不断加大，最终裂 隙发育为汇水通道，并在一些有利地段形成巨大的洞穴。与此同时，其它裂隙也 程度不同的有所加宽，颗粒间的孔隙也因溶蚀扩大而形成溶孔。因此，岩溶介质 的空隙空间是由规模较大的溶洞、管道，各种不同宽度的溶隙网以及细小的溶孔 共同构成的，层次重叠，形态复杂的空间结构。 无论是空隙的大小及其透水性能都是多层次，极不均匀的。不同空隙空间的 大小和透水性能甚至可以相差几个数量级。同时，岩溶空间主要是在裂隙空间的 基础之上发展形成的，裂隙空间的方向性和其透水性能各向异性的特点在岩溶介 质中得到继承和加剧 2 5 1 1 2 6 。 因此对岩溶介质而言，其发育的不均匀性和各向异性是很重要的特点。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 2 3 岩溶水 赋存于岩溶空隙中的地下水便是岩溶水。它既是一种水资源，又是一种活跃 的地质营力。在其流动过程中，不断的与岩石作用，改变自身的赋存和流动环境， 从而形成其独特的分布和运动特点田】。 地下发育溶洞、暗河，地下水水位不断降低，降水量很大的地区却地表严重 缺水，巨大流量的涌泉，地表河流的消失和再现，以及地下空隙系统的管道化和 地下水分布的水系化等，都是岩溶发育地区所特有的水文地质现象鲫。 2 3 1 岩溶水的分布 岩溶介质的特点导致了岩溶水分布的主要特点一岩溶水空间分布极不均匀 以及岩溶水水力联系的各向异性 z 3 t - - t z 们。 由于赋存空间的规模大小悬殊，岩溶水的水量分配也是极不均匀的。在分布 稀疏但空隙空间大的岩溶管道中，水流集中，水量丰富，而在广大的溶隙网系统 中的水流，则呈散流状态向管道汇集【2 7 l 。 我国南方气候温热多雨，土壤植被发育，在可溶岩裸露区，降雨充沛，地下 水富含c 0 2 而具有很强的溶蚀性。长期的溶蚀作用，岩溶发育强烈，岩溶水流主 要汇集于管道系统中形成地下水系。北方气候干燥，岩溶形态以溶隙为主，岩溶 水的分布则相对均匀【4 ”。 从总的情况看，岩溶含水层具有很强的富水性，其富集程度与岩溶发育程度 密切相关。在岩石可溶性好、地下水径流通畅交替强烈的地段是岩溶发育强烈也 是岩；醛水富集的地段。例如，在厚层质纯灰岩分布区、构造破碎地带、可溶岩与 非可溶岩或可溶性强与可溶性弱的岩层交界面、地表水体附近及其它岩溶水排泄 部位，通常都是富水地带。 2 3 - 2 岩溶水的运动特征 岩溶空隙规模和透水性能的多层次性以及岩溶水水量空间分布的不均匀性， 导致了岩溶水运动情况的复杂性。 岩溶水的运动速度变化很大，其流态变化也很复杂。在溶隙，特别是细小的 裂隙网中，地下水缓慢的渗流，流态属于层流状态；在溶洞、暗河等岩溶管道中， 华中科技大学硕士学位论文 水流的速度较大，甚至可以达到每昼夜千米以上，流态属于紊流状态。由于岩溶 管道存在大小区别，岩溶水在一些地段呈无压流动，而在另一些地段则呈承压流 动；不同断面处岩溶水的动能也不相同。 岩溶水的径流方向总体上是由补给区向排泄区流动。但是岩溶空隙大小的不 均匀性，不同规模裂隙导水能力的差异性，造成了彼此间的水交换，形成了岩溶 水独特的径流方式。各级裂隙中的地下水向附近导水性能更高的裂隙中汇集，大 的岩溶管道在地下水流中起到集水管道的作用【2 “。 岩溶水还是一种地质营力。在其流动工程中不断的溶解冲刷周围的岩层，扩 大空隙空间，不断改变自身的赋存和运动条件，也同时导致了岩溶水的水位不断 的下降。 2 3 3 岩溶水的补给与排泄 岩溶作用使可溶岩中的空隙空间增大，尤其是在灰岩裸露、岩溶强烈发育的 地区，地表发育落水洞、漏斗等垂直吸水结构f 4 2 1 ，地下发育宽大的溶隙、溶洞、 暗河等通道，岩溶岩体具有较强的吸水、导水和排水能力。因此，岩溶水，尤其 是岩溶潜水与大气圈及地表水的联系极为密切，其循环交替情况亦远较孔隙水和 裂隙水活跃t 2 7 【2 引。 1 ) 岩溶水的补给 在灰