地質構造控制可溶性地層的展布和連續性,控制巖溶發育的方向、部位和空間展布,控制巖溶發育的強度和深度。
一、褶皺與巖溶的關系
褶皺變形的不同部位其變形強度和對地層的切割程度各異,破裂變形的力學性質不同、破裂程度不同,其裂隙介質的導水性也不同。它們往往控制地下水系統的邊界,影響地下水流的交替強度,從而控制巖溶、巖溶水的發育。不同的褶皺部位其變形機制不同、破裂結構面切割程度不同,巖溶、巖溶水發育程度的差異亦明顯。
(一)褶皺核部
(1)背斜核部。巖層受構造應力作用,于垂直主應力方向產生壓縮變形,形成背斜、向斜褶皺構造。褶皺核部應力集中,巖層受強烈擠壓,并產生以下現象:
1)與褶皺變形同時產生的、配套的第一序次的“X”形扭節理裂隙。
2)隨著巖層的彎曲變形,弧頂產生第二序次的拉張應力,形成縱向張性裂隙。 背斜核部該裂隙上寬下窄;向斜弧頂于中和面以下與背斜相反,上窄下寬。
3)隨著褶皺變形的強烈,引起層面的大幅滑移,層間的扭應力(低序次)使層間產生大量破劈理。
4)隨著褶皺變形的加劇,使巖層內物質順層間引起重分配,使褶曲的頂部加厚,翼部變薄;剛性巖層(如灰巖)因厚度難改變,結果在褶曲頂部巖層間相互脫開(形成頂部“虛脫”現象),層間形成空隙空間。
褶皺核部是地應力集中、巖體變形最強烈的地方,上述破裂結構面的疊加,使節理裂隙集中、密集發育,提供強滲流通道,且易溶蝕成槽谷、洼地,有利于地表水的匯集及集中滲漏,為巖溶、巖溶水的發育提供了場所和條件。如齊岳山隧道工程區為緊密背斜褶皺,核部組成背斜山地,并發育縱向槽谷、洼地,有利于降雨、地表水的匯聚。巖層較陡立,層間裂隙(破劈理)、核部構造節理裂隙發育,有利于巖溶的發育及地下水的滲漏、儲存。2006年7月5日暴雨(120mm/d)背斜核部DK363+095~+103掌子面右拱腰、邊墻大突水達13 000m3/h(圖2-4、圖2-5)。
圖2-4齊岳山隧道地區水文地質平面縮圖
1.地表河流及流向;2.斷層;3.地層界線;4.分水嶺;5.暗河及出口;6.泉
圖2-5齊岳山背斜核部縱斷面涌水點
(2)向斜核部。向斜核部的受力變形機制與背斜核部類似,只是向斜核部巖層彎曲弧頂變形強烈部位位于中和面以下,處于深埋部位,巖溶化作用難于企及。但它對巖溶、巖溶水發育的控制作用仍不可忽視。
向斜核部處于負地形時,向斜兩翼組成山地和斜坡,向斜核部標高最低,成為地表水和地下水匯聚、徑流、排泄的場所,常發育大型暗河溶道,也常是排泄基面的所在地,如小溪暗河即發育于金子山復向斜的小溪次級向斜中(圖2-6)。
圖2-6小溪河暗河系統平面示意圖
1.暗河天窗;2.暗河及進出口
向斜核部處于正地形時,向斜核部為山地臺原,山地臺原發育的溶蝕洼地、巖溶漏斗分布于向斜核部,其方向與向斜軸向一致,核部巖層產狀相向,接收臺原巖溶洼地等的入滲和山地側向巖溶水、地表水的補給,于向斜核部匯聚、徑流成暗河(溶道型巖溶)。如八字嶺隧道工程區為山地向斜,東、西、南三向被河溪深切,北部與大山相連;向斜核部上方山地臺原巖溶發育,降雨入滲匯入核部;北部山地的巖溶水側向補給向斜核部;北部山地下來的響水坪、張三坡兩溪溝的地表水直接注入地下,上述入滲、注入水流于核部匯成牛 鼻子洞暗河,沿軸向徑流、排泄于泗渡河(圖2-7)。
圖2-7八字嶺隧道區水文地質縮圖
1.地表河流;2.地層界線;3.暗河及進出口;4.分水嶺
(二)褶皺的轉折部位
背斜的傾伏端、褶皺的轉折部位,巖層皆發生曲面彎曲,產生低序次應力場,巖層的受力條件與背斜核部類似,節理裂隙密集,有利于巖溶發育,是巖溶的好發部位。
(1)如別巖槽隧道為箱型背斜,核部巖層產狀平緩,巖體變形、變動較小,節理裂隙欠發育;箱型背斜核部橫剖面的兩側的轉折端(核部產狀平緩處至兩翼產狀變陡的轉折部位)應力集中,巖體變形較大,破裂結構面(斷層和節理裂隙)發育(如東翼的茨竹埡斷層等),相應巖溶隨之發育,廟坪暗河的主要徑流段、隧道出口突水截流廟坪暗河的地段皆位于轉折端(圖2-8、圖2-9)。
圖2-8別巖槽隧道區水文地質平面示意圖
1.分水嶺;2.推測暗河及出口;3.地下水流向;4.巖層界線;5.背斜軸道
圖2-9別巖槽隧道剖面背斜翼部轉折端匯水示意圖
(2)如魯竹壩隧道進口大型溶腔即發育于背斜傾伏端的轉折部位(圖2-10、圖2-11)。
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