岩溶发育程度由于地形地貌、地质构造以及水文条件等因素的差异展现出非均一性的特征,新建隧道工程穿越岩溶发育区,通常会遇到许多岩溶地质灾害及生态环境问题。川东隔档式背斜具有独特的岩溶水文地质结构与岩溶发育特征,从而影响着岩溶发育程度的差异性。研究背斜构造区岩溶发育特征,预测评价背斜构造区岩溶发育程度,对于在隧道施工过程中降低岩溶灾害风险具有重大意义。
构建岩溶发育程度评价体系,深入分析影响岩溶发育的关键因素,鉴于岩溶隧道影响因素的多样性,实现对岩溶发育程度的精确评估和预测存在一定难度。目前岩溶发育程度的评价方法包括:CT(computed tomography)技术探测
[1]、岩溶地质调查法
[2]、人工神经网络法、地球物理方法、钻探物探等,分形理论在岩溶发育规律方面的研究,中国也取得了显著的进展。李苍松等
[3]提出不同岩溶发育形态显示的分形特征,并结合水化学动力学参数划分岩溶发育程度等级;谭谣等
[4]结合钻孔图像识别及分形计算程序厘定岩溶发育程度判别指数,其结果与野外调查溶蚀现象反映的岩溶发育程度大致相同;付海
[5]、双同钊
[6]结合李苍松提出的分形评价方法,对岩石溶蚀后的电镜图像进行了分形维数计算处理,从而获得了与图形对应的岩溶发育程度判别指数,在此基础上对微观状态下岩溶发育图形所体现的岩溶发育特征进行深入分析。王杨双
[7]基于高陡褶断带特殊性,采用构造物理模拟定量化构造地貌分析构建岩溶发育强度判别系统,与实际岩溶发育情况一致。
目前看来,多数学者倾向于从岩溶发育的机制出发,评价指标体系已经由单一层次向多层次体系演变,但定量预测研究较少。构建层次清晰、重点突出、结构合理的岩溶发育程度评价指标体系,既能全面、科学地反映岩溶发育客观规律,又兼具合理性和适宜性。基于假角山背斜区已有研究成果,从影响岩溶发育的控制因素入手, 分析地下水水化学动力学特征、计算岩溶形态分形指数评价岩溶发育程度,研究该方法在川东背斜区特殊的隔档式构造所展现的岩溶发育特征,并结合钻探、物探成果验证其适用性,以期为提高岩溶和地下水预报或探测精度提供有益补充依据。
1 岩溶介质分形维数及水化学动力学特征
1.1 岩溶分形理论
“分形理论”
[8]作为数学领域的一项新兴工具,主要用以分析杂乱无序的现象和不规则的形态,不同测度的分维值有所不同,以此揭示复杂现象内在的规律性和秩序性。
分形的两大核心特征包括自相似性和尺度不变性
[8]。目前中国已有较多研究证明分形理论运用在岩溶发育程度评价的可行性,王榕臻等
[9]、罗川
[10]利用分形相关理论对不同地区的地表岩溶地貌和含水介质的发育特征进行了研究,研究结果均显示岩溶形态系统具有广泛的分形特征;李苍松
[11]分别以宏观的地表岩溶发育图像以及微观的电镜图像为基础,结合分形理论对岩溶发育程度进行了深入的定量化研究,研究结果显示利用分形特征表征岩溶的发育程度具有较好的适用性,同时其研究结果显示岩溶发育图像具有自相似性和标度不变性。
在岩溶分形理论研究中,李苍松
[11]提出了岩溶元(溶蚀元)的相关概念,其生长机理依据各异的分形维数,展现了岩溶形态多样性,每种形态均与特定的分形维数相对应,后沿着节理、裂隙等结构面或岩石表层逐步发育成溶孔、溶缝、溶槽及溶管,最终演变成大型岩溶现象,如溶洞和暗河等,具有特定的生长规律,由此定义为岩溶形态发育的最小单元。在分形发展过程中,岩溶单元第
N级的发育成果映射出在特定地质条件下岩溶的发育程度或形态特征。
分形维数的确定和计算可以通过多种不同方式进行,如Hausdorff维数、关联维数、计盒维数、信息维数等
[12]。本文中计算二维图像分形维数应用计盒维数原理,应用Photoshop对现场岩溶照片进行数值处理,将处理后的
N级生长图像置于均匀网格中进行剖分,统计黑色图像覆盖网格个数,逐渐细化网格精度后统计图像的网格覆盖数及占比面积
Xi,运用最小二乘法计算ln
Xi、ln(1
/2
n-1)后线性拟合,拟合直线斜率
k即为分形维数
D。
分形维数
D的绝对值与岩溶的发育水平成正比,岩溶分形曲线的相关系数
R揭示了岩溶发育的潜在概率。
R越大,越有可能发育岩溶,岩溶发育程度越高。基于分形曲线和分形维数,李苍松
[11]提出了岩溶发育程度的分形评价指数
IKFA的概念,为定量预测岩溶发育程度提供了基础数据,即
式(1)中:
R为岩溶分形曲线相关系数;
D为线性拟合直线斜率。在此基础上,提出了基于分形评价指数的岩溶发育程度分级,如
表1所示。
1.2 岩溶地下水的水化学动力学特征
岩溶是可溶性岩石(碳酸盐岩、石膏、岩盐等)在地下水动力学和水化学效应共同作用的结果,地下水的化学组成成分是水动力作用和多种化学过程最终物质累积的产物
[13]。地下水中水化学成分随运移路径而改变,地下水中物质元素的变化过程和结果展现出的效应与同位素“示踪”过程相似。胡宽瑢等
[14]结合地下水动力学和化学动力学,应用达西定律建立的岩溶水文地质化学动力学理论,基于岩溶水的常规水化学成分计算地下水动力学参数
[15]。李常锁
[16]根据地下水水动力场变化规律及不同含水层之间的补排关系,阐明了研究区地下水水化学的形成和演化机制。分子或离子与金属离子结合成较稳定新离子称为络合反应,基于络合理论和水化学动力学,将参与反应的水化学离子进行配对,其中离子被称作络离子,配对后的离子称为离子对。
在不同的地区和环境条件下,岩溶地下水的化学成分呈现出明显的多样性,其中各种离子含量表现出一定的随机性。此外,离子对百分比累积含量与对数尺度的曲线之间存在线性关系,这正是分形图形所特有的两个关键特征—自相似性和尺度不变性的体现。李苍松等
[17]基于分形理论和水化学方法开展溶蚀实验,分析结果显示水化学动力学参数呈现出类似的规律性。通过绘制水化学分形评价指数与岩溶形态分形评价指数的散点图并进行相关性分析,发现这两者在趋势上呈现出明显的相关性。
2 研究区岩溶发育程度评价指标
岩溶发育规律的必要条件即主控因素有地层岩性、地质构造、地形地貌、侵蚀性二氧化碳、地下水动力状况及气候条件等,是评价岩溶发育程度的定性基础。从研究区的基本条件出发,选取假角山背斜区岩溶发育的主要控制因素作为定性评价岩溶发育程度的指标。
选取川东平行岭谷中构造剥蚀的褶皱山假角山为研究区,地处四川盆地东北缘,走向呈北东—南西向,其地理位置位于重庆市西北部,涵盖梁平县、万县、开县等县级行政单位,区内多为山区,地理位置如
图1所示。背斜区岩层产状变化较大,东翼岩层较为陡倾,西翼较为平缓,裂隙较发育。研究区出露地层主要为三叠系和侏罗系地层,其中以碳酸盐岩为主的可溶岩地层出露于三叠系地层;构造活动发育,褶皱构造最为明显,研究区地质剖面图如
图2所示。
背斜区地表岩溶形态主要发育溶孔和岩溶槽谷,加上区内构造较为发育,节理裂隙发育,大型岩溶形态的垂向发育特征与空间展布方向主要受断层构造控制,其发育规模则与节理裂隙的密集程度密切相关
[18]。可溶岩地段地下水易沿裂隙、层面活动,使其扩大为较大岩溶化裂隙、溶洞进而可能形成岩溶通道,隧道施工过程中可能揭示岩溶通道,尤其可溶岩与非可溶岩接触带及褶皱核部,产生岩溶涌突水事故及突水突泥风险极高;隧道建设将严重影响该区域地下水环境变化,可能会诱发岩溶地面塌陷、地表水流失、井泉枯竭等一系列环境地质问题,给居民的生产、生活及地方经济带来严重损失
[19]。
2.1 岩溶发育控制因素
2.1.1 可溶岩分布特征
岩溶发育的前提条件是岩石具有可溶性,通常情况下可溶岩质越纯厚、可溶性越强,对岩溶发育越有利;碳酸盐岩类与非可溶岩接触区域,通常是地下水流动和汇集的关键地带。地下水流在此处汇集并沿着接触带流动,可溶岩中节理、裂隙的发育为地下水的运移提供了有利通道。
研究区可溶岩地层广泛分布,然而岩溶的发育程度不具均一性,在水平方向上表现出明显的分异特征,集中分布于背斜核部嘉陵江组(T
1j)地层及背斜两翼的巴东组(T
2b)及自流井组(J
1-2z)地层,地表出露形成沿背斜轴向形成圈闭的条带,可溶岩分布情况如
图3所示。岩溶个体形态也主要出露于背斜核部地层,其次为珍珠冲组(J
1-2z)地层。受背斜构造的影响,沿背斜轴向成条带状在地表出露,受两翼产状差异及地貌的影响,在平面上表现为西翼出露宽度大于东翼。
研究区内可溶岩和非可溶岩的相间出露及其与页岩、泥岩等地层相间沉积的组合关系,不同的构造背景、地下水的交替影响以及地形条件的多样性,导致岩溶发育呈现出极大的不均匀性,展现出不同的岩溶形态和空间分布特点。岩溶形态揭示了地下水在碳酸盐岩中的溶蚀作用、赋存状况和流动特性。
2.1.2 构造沟谷切割
地下水循环交替条件对岩溶发育起关键控制作用,当背斜区两侧非可溶岩为相对隔水层时,地下水汇聚、迁移,形成较好的地下水径流条件,地下水循环越向深发育,地下暗河等大型岩溶现象常发育在构造切割剧烈及节理、裂隙层面或断层破碎带相交的切割地带。
切穿背斜两翼的贯穿型河谷、切穿背斜轴部的深切横沟和仅切穿背斜单翼的浅切横沟,形成了不同级次的地下水排泄基准面。研究区内仅有横向沟谷发育并控制着浅表地下水循环,能够较好地排泄背斜核部含水层中的地下水,含水层中的地下水顺着可溶岩层位顺层向该类沟谷呈集中式进行排泄,该类沟谷对可溶岩地层中浅层地下水的径流影响较大。
研究区北部横切沟谷更发育,表现特征在于可溶岩和非可溶岩沟谷发育密度及其高程,高程介于550~600 m。调查显示研究区内横切沟谷最低点位于背斜西翼处野猪凼泉点附近沟谷。北部、中部及南部切沟发育情况如
表2所示。
2.1.3 地下水补、径、排及动态特征
基于上述两个条件,地下水在水动力作用下,尤其是径流条件好且地下水流速相对较快的区域,岩溶发育的可能性越大。
假角山背斜区浅层地下水出露方式主要为泉点,少部分以溶洞水的形式出露。地下水以泉点及溶洞水的形式出露地表,部分地下水沿地表切沟形成地表径流,部分地下水顺岩层裂隙空隙下渗。区内年均降水量约1 213.5 mm,研究区内形成的岩溶槽谷和洼地等地貌条件,具有良好的汇水能力与补给通道。径流的总体方向受背斜轴线控制,地下水接受大气降水补给后,浅表层岩溶地下水限制在碎屑岩夹持的可溶岩狭长条带内,在区域地下水径流排泄基础上顺轴向径流,深部地下水运动则主要集中在与构造线方向一致的裂隙中,当遇到切割背斜核部可溶岩的横向沟谷横切沟谷时,浅表的地下水就近排泄,补给、排泄具有“就近”特点。
假角山背斜整体特征向北东、南西倾伏。核部为T1j+T2b可溶岩含水层。岩溶地下水主要顺倾向沿背斜东、西翼分流,部分地下水由于假角山地势“西高东低”的特点,由西翼流向东翼,两翼的浅层地下水顺碳酸盐岩地层走向或构造裂隙径流。地下水埋深较浅的地区,于当地浅切沟谷切割后出露地表,其径流途径较短,流量一般不大。研究区内岩溶泉点多出露于嘉陵江组(T1j)和相对隔水层巴东组一段(T2b1)的界线上,水位埋藏较深地区,地下水径流受控于区域深切沟谷排泄基准面;研究区以背斜核部的嘉江组(T1j)地层形成中间岭,地下水通过大气降水补给,沿着地下溶蚀裂隙浅层径流。背斜区南段的可溶岩地层条带较为封闭,富水性较差,仅有浅切沟谷切穿雷口坡组(T2l3)与须家河组(T3xj)的接触带,以排泄浅表地下水为主。
2.2 研究区岩溶水化学特征及岩溶发育程度的分形指数
2.2.1 岩溶地下水的水化学分形特征
研究区岩溶地下水的水化学成分主要源自碳酸盐岩的溶蚀作用
[20],如
表3所示分析成果表明水样水化学类型主要为SO
4·HCO
3-Ca·Mg,含HC
${O}_{3}^{-}$最多的8个水样均来自嘉陵江组地层,地下水循环深度大,矿化度偏高。Ca
2+、Mg
2+含量也较高。Na
+含量偏高的取水点附近存在居民住户,考虑为生活用水汇入而导致离子含量较高,水样受到人为因素影响的可能性较大。
研究区内水样中阴离子主要由HC
${O}_{3}^{-}$和S
${O}_{4}^{2-}$组成,HC
${O}_{3}^{-}$含量大于S
${O}_{4}^{2-}$;阳离子主要由Ca
2+和Mg
2+组成, Ca
2+较Mg
2+更多。表明地下水运移途径相对较长,径流条件已大致处于水平径流带附近。研究区地下水泉点阴阳离子变化piper图如
图4所示。
2.2.2 岩溶地下水化学分形评价指数
常规水化学成分包括Na
+、K
+、N
${H}_{4}^{+}$等阳离子和 Cl
-、HC
${O}_{3}^{-}$、S
${O}_{4}^{2-}$、N
${O}_{3}^{-}$等阴离子,在特定的环境因素影响下,这些离子在水溶液中维持相对平衡状态。计算离子对在水溶液中的百分含量,根据占比关系进行不同级配的离子对百分比含量的累加过程视作观察尺度的变化
[18],部分水样水化学离子对及含量如
表4所示。线性回归分析二者及各取对数后的散点图,该曲线斜率即为水化学分形维数,相关系数与斜率的几何平均为水化学分形评价指数
QW(
表5),以此分析常规水化学成分的分形特征。
以
表3水质分析结果的初始数据为基础,获取研究区岩溶地下水的水化学分形计算原始数据,得出假角山背斜区部分地下水水样离子对累积百分比-观察尺度散点图如
图5所示。分别对离子对百分比累计含量和观察尺度取对数后作图得到分形维数计算曲线,如
图6所示。
2.3 岩溶发育形态及分形评价指数
改变观察尺度,岩溶发育形态在宏观和微观条件下均展现出分形理论的自相似性和标度不变性。选取研究区内地表岩溶发育强烈的背斜核部嘉陵江组(T
1j)较大溶洞图片作为分析案例,运用Photoshop软件对其进行灰度及二值化处理后,得到对应的分形图片如
图7所示,依据计盒维数法的原理,编写相应的程序代码,运用 MATLAB软件计算出岩溶图像的分形维数和相关系数,结果分别如
图8和
表6所示。
将岩溶分形维数与岩溶分形曲线相关系数以几何平均的方式结合在同一数学表达式中,涵盖了岩溶元分形生长后的状态,反映了特定生长条件下岩溶发育程度的分形评价指数QP,QP值越大,岩溶越发育,各段岩层岩溶图像分形维数评价指数的变化趋势大体上与宏观岩溶发育规律一致。
3 建立基于水化学-分形指数的背斜区岩溶发育程度评价体系
岩溶发育程度是一个相对概念,很难制定普遍评价的标准,必须具体问题具体分析,综合考虑多种因素。评价岩溶发育程度的指标体系包含定性和定量两大类指标,依据假角山背斜区岩溶发育的特征,确定评价体系中的定性指标为岩石的可溶性、构造切割状况以及地下水的流动条件。将这些定性指标转化为定量数据,并通过定量数据来数值化赋值定性指标。按影响程度的不同将岩溶发育程度定性评价指标的影响系数分别赋值,累积计算各项定性指标分值,构建岩溶发育程度定性评价指数CKDQ。
根据岩溶发育程度定性评价的规范(
表7)并结合现场地质勘察和区域地质条件进行分析,研究区的岩溶发育程度定性评价指数
CKDQ计算结果为0.65。
将水化学分形评价指数QW与岩溶形态分形指数QP的几何平均作为岩溶发育程度分形评价的定量指标CKDF为,其表达式为
根据假角山北部、中部和南部的岩性及泉点分布特征得到岩溶发育程度的分形评价定量指数依次为0.98、0.95、0.83,按3∶7的比例进行权重赋值,即
充分考虑此前研究已有成果预测假角山背斜区岩溶发育程度,利用水化学-分形指数综合评价指数
CKD的计算结果进行相关分析,划分假角山岩溶发育程度的等级评定,结果如
表8所示。
4 结论
利用水化学动力学手段结合分形指数的计算,结果显示假角山背斜区南、北两段岩溶发育程度存在较大差异,结合已有资料中钻孔揭示的地下岩溶规律判断与其区域岩溶发育程度有关,得到如下结论。
(1)运用水化学动力学参数与岩溶发育程度的分形维数计算出假角山背斜区岩溶发育程度的划分与基于分形维数的岩溶发育程度分级表中定量指标对应,岩溶强发育区域综合评价指数均大于0.8,验证了该方法在背斜构造区的适用性及规范性,即应用水化学-分形指数进行岩溶发育程度评价的技术方法来切实解决隧道施工期间岩溶地质灾害预测的问题,在工程实践中有望得到广泛应用,具出良好的应用前景。
(2)从岩溶发育的强度来看,研究区由北向南依次减弱。背斜区北部嘉陵江组(T1j)与巴东组(T2b)地层在隧道施工过程中发生涌突水灾害的可能性较大,岩溶发育程度的评价结果与背斜区南、北两段钻孔揭示的岩溶发育程度以及遥感影像资料和野外实地的岩溶调查结果一致,且评价结果与工程实际对比性较好,符合现场实际情况。
(3)通过定性分析背斜构造区岩溶发育特征,结合分形理论定量评价岩体岩溶发育程度,对于未来隧道施工选线绕避具有指导作用。本文的岩溶发育程度定量研究建立在二维表面的基础上,未考虑岩溶发育深度的三维空间分异,下一步将在水化学分析的基础上对背斜区岩溶水系统进行划分,建立全面、科学、合理的岩溶发育程度评价体系。
PDF
(14204KB)
