雅砻江锦屏二级水电站岩溶水文地质条件的若干问题(上)
摘要：雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞区工程地质条件十分复杂，特别是岩溶水文地质条件的特殊性，使得岩溶理论在此地区基本上失去了指导意义。该区的岩溶发育特征既不能与我国南方岩溶相比较，更与北方岩溶相去甚远，常规的阶地对比法、水文分析法、储水导水理论等等，都不能较好地解释复杂的锦屏岩溶水文地质问题。本文另辟途径，分析了区内地质构造、岩性分布和区域性岩溶地下水的补排关系，阐明了区域性地下水分水岭、局部地下水分水岭、岩溶水大范围越域深循环等观点，提出了蓄水导水岩体组成"深水渠道"的岩溶水文地质模型，得出引水隧洞施工时不可能回避高水头大压力大流量涌水问题的结论，指出工程勘测设计施工尚需论证的若干问题，供锦屏问题研究者们讨论。
关键词：水电站 岩溶水文地质
1 引言
（作者多余的话：雅砻江是我国西南地区著名的水电富矿，尤以锦屏二级水电站最为诱人，早在二十世纪五十年代就开始了该电站的勘测设计工作。我国著名水电工程前辈专家、两院院士潘家铮教授，曾于二十世纪六十年代出任过锦屏水电指挥部勘测设计副主任。五十年来，开发锦屏一直是我国水电建设者们追求的目标，“锦屏梦”更是几代人的美梦。由于地质条件太复杂，工程十分艰巨，许多重大工程技术问题至今仍然属于世界水平的难题。二十世纪八十年代，我国水电建设掀起了新的高潮，锦屏二级水电站的勘测设计工作进入了一个崭新时期。笔者于1993年至1994年期间，对锦屏二级水电站岩溶水文地质条件作过专门性研究，本文即为当年研究报告的改写，并被收录进1996年《第三十届国际地质大会系统选集》提供大会交流。随着当前西部大开发的火热，锦屏二级水电站的开工建设近在眼前。笔者十多年前的研究成果今天借“工程网站”再次公布于众，如果能对锦屏问题的研究和工程建设有参考意义，将是笔者最大的欣慰）。
雅砻江锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河湾上（其地理位置如图A）。电站利用雅砻江锦屏大河湾的310ｍ天然落差，截弯取直开挖隧洞引水发电，隧洞最大埋深2500m，开挖洞径大于12m，装机4400MW，多年平均年发电量249.9亿kW.h。
锦屏大河湾地区位于青藏高原向四川盆地过渡的斜坡地带，区内碳酸盐类地层广泛分布，约占70%─80％。岩溶水文地质条件异常特殊且十分复杂，一直是工程勘测设计中人们极为关注的主要地质问题之一。
由于大河湾山势巍峨，层峦叠嶂，地形复杂，高差悬殊，相对高差达1000─3000m，给常规的工程地质勘察带来巨大困难，不太可能在18km长的引水隧洞线上布置深达千米以上的地质勘探钻孔去获得隧洞高程部位的地质信息。鉴于此，在工程可行性研究阶段，上级主管部门果断决策，拨出千万元专款在引水洞线上(比引水洞线低300m)平行开挖两条5km长的地质勘探平硐，这在我国水电勘测史上是前所未有的。
2 基本地质概况
2.1地形地貌地质构造
大河湾为直线长90余km(从大河湾北端雅砻江至南端火炉山一带)，宽12─24km(从东、西雅砻江算起)的条形山体（也可称为河间地块）。山脊地表分水岭高程3500─4000m，最高山峰4488m；3000m高程处的山体厚度(东西方向)尚有2─6km；东、西雅砻江河水水面高程为1250─ 1635m。山体总体走向N15°E。东、西两侧岸坡冲沟发育，河谷深切，显示出高山狭谷地形地貌景观。整个大河湾条形山体为一复式向斜构成，老庄子以南显示出复式向斜的次级构造─老庄子背斜；向斜构造的两冀皱曲发育，次级小向斜小背斜反复出露，岩层陡倾，部分区域岩层产状倒转。岩层整体走向、褶皱轴面走向和山脉展布三者基本一致。区内最大的两条断层─锦屏山断层和青纳民胜断层走向亦与条形山体走向基本一致。山体中部为白山组(T2b)和盐塘组(T2y)碳酸盐岩，东、西两侧为玄武岩、砂岩、板岩等非可溶岩所围限。区内发育三级夷平面(高程4000m，3000m，2200m)，雅砻江两岸零星发育6～7级阶地。
2.2 岩溶发育概况
图A 锦屏大河湾地埋位置示意图（来源：新华网四川频道）
大河湾锦屏山区碳酸盐岩广布，岩溶有所发育，但其发育程度远不如我国广西、云南、贵州、湘西及川东南地区岩溶发育那样强烈，仅在分水岭山地地表可见发育不全的溶沟石芽及浅小洼地，斜坡 地带发育有峰丛及规模较大的岩溶干谷，沟壁上可见一些早期裂隙式溶洞。1300m高程的大水沟勘探平硐所揭露的盐塘组岩溶形态多为NWW向张性构造裂隙和NNE向顺层面发育成的溶蚀裂隙，呈串珠状长条形发育，宽数厘米至数10厘米，未见溶洞发育，低高程河谷岸边有碳酸盐岩出露部位可见一些小溶洞。
2.3 岩溶水文地质特征
区内岩溶水文地质特点表现为受构造控制的岩溶大泉发育，如沿青纳民胜断层发育的老庄子泉(流量0.7─10.0m3/s，出露高程 2130─2170m)、磨房沟泉(流量2.58─ 17m3/s，出露高程 2174m)和卢宁泉(流量0.1─2m3/s，出露高程2280m)，均发育于白山组大 理岩的东侧边界。三股水大泉沿一NNE 向断层发育于白山组大理岩临江陡崖之下，出露高程1468─1455m，枯季流量1.0m3/s，丰水期流量达20.0m3/s。大水沟探硐(高程1300m)中多次发生涌水亦是沿顺层面裂隙或NWW向裂隙呈高水头大压力形式涌出，洞深2845.5m处的特大涌水其瞬时最大流量达5.0m3/s，半月后降至2.0m3/s左右，雨季回升达3.0m3/s，一个水文年过去了，长期稳定流量保持在2.0m3/s。该涌水洞段为岩溶发育强度弱于白山组大理岩的盐塘组地层。区内主要含水岩体为白山组和盐塘组碳酸盐岩，除了沿构造发育的大泉排泄之外，在雅砻江陡峻谷坡一带，地下水以分散的裂隙性渗流在岸边或河水位以下排向雅砻江。区内地质略图(包括水文地质条件将涉及到的盐源盆地)见图1。
3.1 岩层产状控制岩溶的发育
区域性的岩溶发育与研究区的地壳稳定性有密切关系，这也是河谷地带岩溶发育的一般概念。当地壳上升时，河谷下切，岩溶呈垂直方向发育；当地壳稳定时，作垂向运动的水流改为作水平运动，并向当时的排泄基准面排泄，此时岩溶呈水平方向发育，河流亦作侧向侵蚀形成阶地，完成一个岩溶发育旋回。当地壳再次上升时重复上一次旋回，这就是岩溶发育的成层性。例如南方较典型岩溶大河流域(乌江、南盘江)， 都是这种典型的岩溶发育过程留下的地质形迹。因此，多年来专家学者们对这些河流上的水电站工程区的岩溶研究出了一整套较为成熟的理论和方法，例如阶地对比法，汇流分析法，水文网法等等，取得了良好的研究效果，也解决了许多工程实际问题。值得注意的是这类成功或较成功的岩溶工程区的岩层产状多为中等倾角或缓倾角，还没有发现象锦屏山这样的陡立岩层顺河向形成的长百余公里、宽20Km的大型河间地块(见图2)。按岩溶发育的一般，除了构造控制之外，多为顺层面发育，产状较为平缓的岩层更易在地壳平稳期形成水平溶洞和暗河伏流，这种层状岩溶系统可与河谷阶地进行对比。显然锦屏山区的地层产状不符合这种水平向的层状岩溶系统的发育(向东、西雅砻江排泄)，因此该区的岩溶系统与河谷 的多级阶地基本上没有对比性，常规的岩溶研究方法基本上不适合本区的实际情况。区内岩溶水文地质条件的特殊性和复杂性就在于与传统的岩溶研究理论和方法的不一致性。工程区顺山脉展布的条带状可溶岩，其陡倾的岩层产状正是该区岩溶发育的主要控制因素之一。
3.2 地质构造控制岩溶的发育
地质构造对岩溶发育起控制作用甚至起主要控制作用，这一点几乎没有争议，也得到了实践的证实。锦屏区的主要地质构造是褶皱和区域性控制性断层。跨越东、西雅砻江，长轴方向延伸大于100km的大型复式紧密向斜构造，将该区的可溶岩层白山组和盐塘组推挤成产状近于直立或倒转的褶曲，东、西雅砻江即在此向斜的两冀顺岩层走向发育；向斜北端收敛，南端撒开，因此雅砻江在大河湾一带的平面形态就顺其地形成北端窄南端宽的河间地块。两条区域性断层(锦屏山断层，青纳民胜断层)顺锦屏山脉走向(亦顺向斜轴面方向)将此河间山体切割，形成东西方向的山体平分态势，那么河间地块中部长条形的碳酸盐岩陡立岩层的岩溶发育的主导方向将只能是顺向斜的轴面方向、顺岩层层面方向、顺控制性断层的走向发育。沿青纳民胜断层发育的老庄子泉、磨房沟泉和卢宁泉即为顺构造导水的结果。
此外，区内与大型褶皱伴生且垂直于褶皱构造的横张裂隙(NWW方向)，对纵向的含水岩体和导水构造起到了横向沟通作用，大水沟勘探平硐中的多处涌水即与NWW向构造裂隙有关，该组裂隙对工程区岩溶水文地质条件有一定的控制作用。
3.3 地层岩性控制岩溶的发育
锦屏山区控制岩溶发育的地层是东西两侧的非可溶岩。在3000m 高程以下，西侧基本上被T3砂岩、板岩所限制，东侧为P2β玄武岩所限制。由此一来，只有中部的可溶岩仅在3000m高程以上没有被非可溶岩阻隔，而向东、西方向排泄部位有岩溶地貌景观发育。东部出露的老庄子泉、磨房沟泉和卢宁泉均为大型冲沟深切使得可溶岩在2100─2200m高程出露后的产物(见图3)。从这一点来看，此三大泉并不一定就是2100─2200m高程夷平面时期就形成了，而是后期冲沟切穿可溶岩之后才出露的，此后才逐渐汇集了2200m高程以上的岩溶水集中涌出。在东、西两侧被非可溶岩所围限的高程以下，并不发育向东、西雅砻江排泄的岩溶系统，因为不存在发育的条件。可见，正是锦屏山东、西两侧的非可溶岩层限制了区内地下水向两侧雅砻江的排泄，控制着中部碳酸盐岩岩溶发育的方向和强度。
3.4 水动力条件与岩溶发育的关系
锦屏山区地形起伏大，高差悬殊，中部条形碳酸盐岩富水，向东、西雅砻江排泄不畅，势必形成较高的地下水位，为岩溶水的深部循环创造了水动力条件。锦屏山大河湾地区的岩溶深部循环主要是纵向(顺主要构造线方向)的，最突出的表现是磨房沟泉，该泉是本区最大的岩溶上升泉(磨泉顺青纳民胜断层发育，称为断层泉亦绝不为错)，岩溶水从溶蚀裂隙扩大成的缝状溶洞中向上翻滚式涌出，枯期流量2.58m3/s，雨季达12.7 m3/s，滞后降雨30天，水温10.59℃，低于气温。这些现象均表明泉水的补给源远，循环深。这里需澄清一个概念性问题，排泄基准面之下不等于无深部水力循环，只要有构造存在，虹吸式的深循环就不可能避免，一些河床深部数百米还发育大型溶洞，这也是许多工程实例所证实了的。锦屏岩溶水文地质条件有争议的问题之一就是认为2100─2200m高程是大泉排泄基准面，在此基准面之下，上下部不沟通，无水力联系，深循环受到限制。如果受此观点的制约，就根本无法解释大水沟探洞的涌水事实。锦屏的岩溶水动力条件是水头高，压力大，存在雅砻江低高程排泄基准面，区域性越域补给深循环水和当地高山入渗水流，除了顺沟造和岩层层面向深部低处运移排泄于雅砻江(岸边或河水面以下)之外，由于横向排泄通道不的畅通性，一部份水流再向上部压力低处循环，在适当的高程(如磨泉所处高程)露出地表，是完全可能的(见图4)。老庄子1号钻孔反映出来的水文地质信息亦证实了深部循环的水向上部运移的事实。该钻孔孔口高程2160.31m，钻孔深450m，岩层倾角约80°，穿过岩层的真实厚度50m，分别于孔深22─31m和350─370m 揭露了上下两个富水段，其单位涌水量分别为56.94L/mim.m.m和323.4L/mim.m.m，岩体渗透系数分别为4.461m/d和21.309m/d，有趣的也是正好能说明问题的是下富水段水位高于上富水段水位0.4─1.5m。此信息不但说明了深循环的存在，而且反映出深部水可以向浅部运动。
通常我们所提及的岩溶发育，一般是指岩溶地质作用过程中，在地表或地下遗留保存至今的岩溶地质形迹、形态和岩溶自然景观，岩溶不发育指的是这种地质遗留物少或不普遍。这里并没有将岩溶水文地质条件中岩溶水的动态包括进去，简言之，岩溶强烈发育并不是指岩溶水动力循环就一定强烈，例如一些早期形成的干溶洞悬挂在岩坡上，目前根本就没有水，谈不上水动力循环；反之，岩溶不发育亦非指岩溶水动力条件就不具备，这就是众所周知的先存在水动力循环条件后才有岩溶的发育，两者不一定要同时存在。换言之，岩溶发育是岩溶水动力循环的充分条件，不是必要条件。锦屏山的岩溶水动力循环条件就充分证实了这一点。所谓在2100─2200m高程之下岩溶不发育，的确如此，大水沟勘探硐揭露的碳酸盐岩中岩溶确实不发育，但到处涌水出水，水流具高水头承压性，大涌水长年流量稳定，显然，工程区2200m 高程以下的中部可溶岩带深部水动力循环条件充分存在，无处不有。