博士答辯深部巖溶水文學(xué)的模擬實(shí)驗(yàn)研究課件

SWUswu答辯地點(diǎn):西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院歡迎各位專(zhuān)家!11/16/20221SWUswu答辯地點(diǎn):西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院歡迎各位專(zhuān)家!11深部巖溶水文學(xué)的模擬實(shí)驗(yàn)研究2008.5.17——以錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)碳酸鹽巖地層的研究為例自然地理學(xué)指導(dǎo)教師況明生教授博士研究生匡鴻海11/16/20222深部巖溶水文學(xué)的模擬實(shí)驗(yàn)研究2008.5.17——以錦屏二級(jí)請(qǐng)各位專(zhuān)家在答辯結(jié)束后將答辯記錄本交答辯委員會(huì)秘書(shū)統(tǒng)一保存，謝謝您的支持！11/16/20223請(qǐng)各位專(zhuān)家在答辯結(jié)束后將答辯記錄本交答辯委員會(huì)秘書(shū)11/10第1章緒論1.1選題背景和意義1.1.1選題背景我國(guó)表層巖溶研究成果豐富，但是深部巖溶特別是地表以下數(shù)千米處的超深部巖溶由于不易觀測(cè)，缺少相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)手段，目前尚無(wú)系統(tǒng)研究。深部巖溶研究由于難于直接觀測(cè)，取樣困難，如無(wú)相應(yīng)的鉆探設(shè)備與隧洞施工，就很難獲得巖溶研究所必須的巖石樣品。

11/16/20224第1章緒論11/10/202241.2錦屏二級(jí)水電工程

發(fā)源于巴顏喀拉山麓的雅礱江是金沙江的最大支流，干流全長(zhǎng)1571公里，落差達(dá)3830米，其水電技術(shù)可開(kāi)發(fā)容量達(dá)2856萬(wàn)千瓦，占四川省水電能力的四分之一。錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界的雅礱江干流大河灣地區(qū)，為雅礱江下游規(guī)劃5個(gè)梯級(jí)電站中的骨干水電站,是實(shí)施“西電東送”和“川電外送”戰(zhàn)略的關(guān)鍵性工程之一，是雅礱江上裝機(jī)規(guī)模最大的水電站,工程總投資近三百億元人民幣、總裝機(jī)四百八十萬(wàn)千瓦。11/16/202251.2錦屏二級(jí)水電工程11/10/20225圖1.2.1雅礱江流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)示意圖11/16/20226圖1.2.1雅礱江流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)示意圖11/10/20226圖1.2.2雅礱江流域圖

11/16/20227圖1.2.2雅礱江流域圖11/10/20227水電站建成后的情景圖

11/16/20228水電站建成后的情景圖11/10/20228錦屏地區(qū)高山峽谷地貌照像

11/16/20229錦屏地區(qū)高山峽谷地貌照像11/10/20229圖1.2.4錦屏二級(jí)水電站位置示意圖

11/16/202210圖1.2.4錦屏二級(jí)水電站位置示意圖11/10/202211.3引水隧道建設(shè)的必要性

雅礱江卡拉至江口河段長(zhǎng)412KM,天然落差930米,該河段可供開(kāi)發(fā)水電裝機(jī)容量約18000MW,下游洼里-里莊的大河灣地區(qū)雖然天然落差較大，但河流較長(zhǎng)，約150公里,平均落差較小,如果直接攔河筑壩,就必然導(dǎo)致淹沒(méi)區(qū)較大，投產(chǎn)后日常管理困難。為了利用大河灣地區(qū)的水力資源，采取人工截彎取直、開(kāi)挖隧洞的方式進(jìn)行引水發(fā)電，可以達(dá)到減小淹沒(méi)區(qū)與提高發(fā)電效率的目的。11/16/2022111.3引水隧道建設(shè)的必要性11/10/202211圖1.3.1錦屏二級(jí)水電站所處的大河灣地區(qū)略圖11/16/202212圖1.3.1錦屏二級(jí)水電站所處的大河灣地區(qū)略圖11/10/1.4工程區(qū)深部巖溶水文學(xué)研究的必要地下含水層及其水文特征對(duì)隧道施工和安全生產(chǎn)具有決定性影響。錦屏二級(jí)水電站引水隧洞地處西南高山峽谷地區(qū),最深處距地表約4000米，隧洞埋深大、洞線長(zhǎng),地層透水性的不同導(dǎo)致地層間的水壓差異很大，對(duì)施工和生產(chǎn)安全構(gòu)成很大威脅。因此,開(kāi)展深部巖溶研究，查清當(dāng)?shù)靥妓猁}巖地層巖溶水文性質(zhì)是非常必要的，也是可以帶來(lái)巨大社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的。11/16/2022131.4工程區(qū)深部巖溶水文學(xué)研究的必要11/10/2022131.5研究的內(nèi)容與目標(biāo)本文將圍繞工程區(qū)內(nèi)（特別是隧道附近）主要的T2y（鹽源組）、T2b（白山組）和T2Z（雜谷腦組）碳酸鹽巖地層在低溫高壓的深部條件下的巖溶水文性質(zhì)展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究，主要的研究目標(biāo)就是要查明錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)內(nèi)的深部巖層（低溫高壓條件下）的巖溶水文特征，分析預(yù)測(cè)中高強(qiáng)度透水性巖層和含水孔穴的分布規(guī)律，對(duì)隧道附近地下水的運(yùn)移狀況作出符合實(shí)驗(yàn)結(jié)論和理論根據(jù)的預(yù)測(cè)。11/16/2022141.5研究的內(nèi)容與目標(biāo)11/10/2022141.6研究的技術(shù)方案本文利用工程設(shè)計(jì)單位提供的巖石樣品進(jìn)行深部巖溶水文學(xué)的模擬實(shí)驗(yàn)研究，巖石樣品的掃描圖象借助計(jì)算機(jī)處理技術(shù)對(duì)深部巖溶水文特征進(jìn)行分析驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論利用工程設(shè)計(jì)單位的輔助洞勘探結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。11/16/2022151.6研究的技術(shù)方案11/10/202215第2章深部巖溶與地層透水性研究2.1同位素示蹤法

同位素示蹤法（isotopictracermethod）是利用放射性核素作為示蹤劑對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記的微量分析方法。在同位素示蹤法的研究實(shí)踐中，利用放射性核素（或穩(wěn)定性核素）和它們的化合物與自然界存在的普通元素和他們的化合物之間的不同核物理性質(zhì)，可以標(biāo)記出含有同位素的標(biāo)記化合物分布的位置、數(shù)量及其轉(zhuǎn)變等等。同位素示蹤法是一種重要的碳酸鹽巖地層水文特征探討的研究方法，它的優(yōu)點(diǎn)在于可以搞清楚某一個(gè)區(qū)域內(nèi)的地下水與地表水的滲流狀況，不足之處在于它很難定量的預(yù)測(cè)地下含水孔穴位置和孔徑。11/16/202216第2章深部巖溶與地層透水性研究11/10/2022162.2雷達(dá)探測(cè)法雷達(dá)探測(cè)法是利用探地雷達(dá)等較新的地球物理探測(cè)手段，用寬頻的電磁波，以脈沖形式來(lái)探測(cè)地表之下或確定的不可視物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。雷達(dá)探測(cè)法是一種重要的地下水與地下洞穴的探測(cè)方法。目前國(guó)際上最先進(jìn)的單個(gè)民用超聲波雷達(dá)已可探測(cè)50個(gè)平方公里地表以下15米以內(nèi)的孔穴。國(guó)外的水電工程建設(shè)常常使用合成孔徑雷達(dá)（SAR）探測(cè)地下含水孔穴。本方法的優(yōu)勢(shì)是可以利用多個(gè)雷達(dá)組成雷達(dá)陣列，定量探測(cè)地下孔穴的體積、分布位置與含水量，劣勢(shì)是設(shè)備成本過(guò)高。

11/16/2022172.2雷達(dá)探測(cè)法11/10/2022172.3超前探洞法

超前探洞法是國(guó)內(nèi)外隧道工程中常用的地下水探測(cè)方法，它利用在隧道主洞掘進(jìn)面前開(kāi)挖1或2公里長(zhǎng)的超前探洞，一旦挖穿含水層，主洞有足夠的預(yù)警時(shí)間采取措施。本方法的優(yōu)勢(shì)是技術(shù)門(mén)檻很低，資金投入少，適合工程單位采用；劣勢(shì)是不能從根本上解決問(wèn)題。錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)目前采用了本方法。

11/16/2022182.3超前探洞法11/10/2022182.4爆炸回聲法爆炸回聲法是采用定向爆炸的方法，利用巖層中人工開(kāi)挖的具備一定方向性的孔穴放置炸藥，監(jiān)聽(tīng)爆炸產(chǎn)生的聲波穿越孔穴、含水層等介質(zhì)產(chǎn)生的回音時(shí)間差來(lái)判定孔穴、含水層的分布。本方法的優(yōu)點(diǎn)是可以定量計(jì)算孔穴體積，缺點(diǎn)是爆炸技術(shù)門(mén)檻太高。11/16/2022192.4爆炸回聲法11/10/2022192.5圖象分析法

計(jì)算機(jī)圖象分析法是地層透水性研究中由本項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)使用的重要方法。利用不同的圖象處理算法，可以獲得許多巖性特征曲線。對(duì)這些曲線所代表的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行解釋?zhuān)梢缘玫街T如巖石透水性、古氣候變化的等等信息。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以事先預(yù)測(cè)施工地層中可能遭遇的高透水性地層（即透水性曲線值比較高的巖石樣品的地層位置），缺點(diǎn)是難以確定孔穴的孔徑。目前在錦屏二級(jí)水電站施工掘進(jìn)面上收集了豐富的巖石樣本，經(jīng)掃描后為本方法的實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。11/16/2022202.5圖象分析法11/10/2022202.6巖溶分析法

該方法的原理是先算出地層的溶蝕速度S，利用該地層的溶蝕地史年齡T按照以下公式算出地層中最大孔穴的孔徑R：R=S×T因此，在該地層施工時(shí)，要作好遭遇孔徑為R的含水孔穴的事先準(zhǔn)備。值得注意的是,此處地層的地史年齡T不是地層原生的地史年齡,而是地層在地下水滲流發(fā)生巖溶之后的次生地史年齡。

11/16/2022212.6巖溶分析法11/10/2022212.7有限元分析法工程設(shè)計(jì)中可以根據(jù)地下工程區(qū)巖土地層的力學(xué)承載部位,在設(shè)計(jì)的地下隧洞中布置控制網(wǎng)，應(yīng)用彈塑性有限元分析法分析引水隧洞開(kāi)挖及治護(hù)過(guò)程中主要的巖層透水性造成的力學(xué)承載部位的變形規(guī)律與特征、應(yīng)力分布及變化規(guī)律、塑性區(qū)范圍，從而可以通過(guò)比較分析去獲得不同滲控方案，并由此實(shí)現(xiàn)對(duì)隧洞圍巖和襯砌工狀的最優(yōu)方案。

11/16/2022222.7有限元分析法11/10/202222第3章錦屏地區(qū)自然概況

3.1地形地貌錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源和冕寧三縣交界處的雅礱江大河灣地區(qū)。按自南而北穿越該區(qū)所見(jiàn)的地表景觀，經(jīng)度地帶性與緯度地帶性均不明顯，但垂直地帶性顯著。該區(qū)自中生代白堊紀(jì)末期的四川運(yùn)動(dòng)以來(lái)，在區(qū)域構(gòu)造的控制下地殼發(fā)生大幅度的均衡抬升，與此同時(shí)，在河流的強(qiáng)烈侵蝕切割作用下，形成了峰巒疊嶂，山高谷深的高山峽谷地貌，山體總體走向N15°E，東、西兩側(cè)岸坡沖溝發(fā)育，河谷深切，顯示出典型的高山狹谷地貌景觀。11/16/202223第3章錦屏地區(qū)自然概況

3.1地形地貌11/10/20223.2氣象水文錦屏地區(qū)位于青藏高原南部邊緣，每年干季、濕季區(qū)別明顯，氣候主要受到高空西風(fēng)環(huán)流和西南季風(fēng)影響。錦屏山脈由于山體巨大，地面高差顯著，因此氣候的垂直分帶明顯。11/16/2022243.2氣象水文11/10/2022243.3地質(zhì)基礎(chǔ)錦屏二級(jí)水電站分布于青藏高原東南邊緣的山原與四川西南山地的交接地帶，地殼構(gòu)造復(fù)雜，地層出露較為齊全。在工程區(qū)內(nèi)，出露地層以中生界的三疊系為主。在工程可行性研究階段，沿引水洞線平行方向開(kāi)挖的兩條5km長(zhǎng)的地質(zhì)勘探輔助洞，這在我國(guó)水電勘測(cè)史上是前所未有的，為搞清楚當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況提供了優(yōu)越的條件。11/16/2022253.3地質(zhì)基礎(chǔ)11/10/2022253.3.1地質(zhì)背景

錦屏地區(qū)位于青藏高原向四川盆地過(guò)渡的斜坡地帶，巖層整體走向、褶皺軸面走向和錦屏山脈走向三者基本一致。區(qū)內(nèi)碳酸鹽類(lèi)地層廣泛分布，約占70%─80％，其中以三迭系中上統(tǒng)碳酸鹽巖地層為主。11/16/2022263.3.1地質(zhì)背景11/10/202226圖3.3.1.1當(dāng)?shù)睾娇照掌臄z的巖層、褶皺與山脈走向11/16/202227圖3.3.1.1當(dāng)?shù)睾娇照掌臄z的巖層、褶皺與山脈走向13.3.2地層巖性電站工程區(qū)出露地層以三疊系為主，其次為泥盆系、石炭系、二迭系和部分侏羅系與第四系地層。在這些出露的地層中，以三疊系為主的碳酸鹽巖地層可占到70-80%。11/16/2022283.3.2地層巖性電站工程區(qū)出露地層以三疊系為主，其次為泥盆3.3.3地質(zhì)構(gòu)造錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)在大地構(gòu)造上處于松潘甘孜地槽褶皺帶的東南部，受NWW～SEE向主應(yīng)力場(chǎng)的控制，形成規(guī)模較大的軸向NNE的、向S傾伏的復(fù)式緊密褶皺以及走向?yàn)镹NE向的高傾角壓性或壓扭性斷層，并伴隨有NWW向的張性或張扭性斷層。區(qū)內(nèi)地層陡傾，其地質(zhì)構(gòu)造的展布方向與主構(gòu)造線基本一致(見(jiàn)圖3.4.2.2)。11/16/2022293.3.3地質(zhì)構(gòu)造11/10/202229圖3.4.2.2錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)地質(zhì)圖11/16/202230圖3.4.2.2錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)地質(zhì)圖11/10/202第4章樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法4.1樣品采集與試件制作根據(jù)錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造剖面圖揭示的地層分布狀況，三疊系中統(tǒng)雜谷腦組（T2Z）、鹽塘組（T2y）和白山組（T2b）這三套地層約占工程區(qū)地層的70%以上。為了正確了解工程區(qū)碳酸鹽巖地層在低溫高壓條件下的溶蝕特征，本次實(shí)驗(yàn)分兩次采集了共12個(gè)樣品，33塊巖石，均全部采于上述三套地層內(nèi)11/16/202231第4章樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法11/10/2022314.2實(shí)驗(yàn)方法由于隧道施工安全性要求很高,對(duì)本文成果的精確度有比較高的要求。為了確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確度,決定采用多種方法并用,相互驗(yàn)證分析，最后與工程區(qū)試掘的5公里小探洞掘進(jìn)結(jié)果比較的技術(shù)路線。所以，本文采用巖溶水文模擬實(shí)驗(yàn)法（巖溶分析法）、計(jì)算機(jī)圖象分析法2種方法作為主要技術(shù)方法。11/16/2022324.2實(shí)驗(yàn)方法11/10/2022324.3深部條件下的巖溶模擬實(shí)驗(yàn)根據(jù)錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)內(nèi)的巖溶發(fā)育特點(diǎn)和電站工程建設(shè)的需要，對(duì)工程區(qū)內(nèi)的碳酸鹽巖地層在低溫高壓條件下，對(duì)地下深部的溶蝕量及其速率進(jìn)行探測(cè)，為較為準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)和理解工程區(qū)內(nèi)的碳酸鹽巖地層深部的溶蝕速率和深部巖溶發(fā)育特征提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。11/16/2022334.3深部條件下的巖溶模擬實(shí)驗(yàn)11/10/2022334.3.1實(shí)驗(yàn)原理11/16/2022344.3.1實(shí)驗(yàn)原理11/10/2022344.3.2低溫高壓滲流條件下的溶蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)：地下水在地下巖層中如果存在滲流過(guò)程，那么，當(dāng)含有CO2的地下水流滲透過(guò)地下碳酸鹽巖地層時(shí)，巖溶過(guò)程就必定發(fā)生。碳酸鹽巖地層中就必然出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象。11/16/2022354.3.2低溫高壓滲流條件下的溶蝕試驗(yàn)11/10/20223實(shí)驗(yàn)在特制的KXS—2005多功能巖石實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，具體的實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)如下：（1）巖溶水按工程區(qū)地表面的水化學(xué)特征進(jìn)行配制。（2）巖芯試件尺寸為直徑50mm，高20mm；（3）巖芯垂向壓力分別為30Mpa，40和50Mpa圖4.3.2.1低溫高壓溶蝕實(shí)驗(yàn)裝置示意圖11/16/202236實(shí)驗(yàn)在特制的KXS—2005多功能巖石實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，具體的實(shí)實(shí)驗(yàn)揭示出兩個(gè)事實(shí)，即：（1）錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖地層巖塊的透水性極弱，地下水主要通過(guò)地層內(nèi)部的裂隙和溶孔、溶洞或廊道流動(dòng)；（2）工程區(qū)內(nèi)的碳酸鹽巖塊內(nèi)部未能發(fā)生巖溶過(guò)程，地下深部的巖溶作用僅沿著碳酸鹽地層內(nèi)部的次生結(jié)構(gòu)表面和地層層面發(fā)生。11/16/202237實(shí)驗(yàn)揭示出兩個(gè)事實(shí)，即：11/10/2022374.3.3低溫高壓容腔內(nèi)的溶蝕實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)：碳酸鹽巖地層內(nèi)部的巖溶水在承壓條件下沿著次生結(jié)構(gòu)面或溶隙、溶洞流動(dòng)，那么，具有一定壓力的巖溶水就必然會(huì)對(duì)碳酸鹽巖地層中的裂隙結(jié)構(gòu)和溶隙、溶洞表面產(chǎn)生溶蝕作用。據(jù)此，可以構(gòu)造一個(gè)高壓容腔，將碳酸鹽巖試片放入其空腔內(nèi)，讓容腔內(nèi)承壓巖溶水接觸碳酸鹽巖塊試片的表面去摸擬地下深處碳酸鹽巖層中容隙、溶洞內(nèi)的巖溶過(guò)程。11/16/2022384.3.3低溫高壓容腔內(nèi)的溶蝕實(shí)驗(yàn)11/10/202238圖4.3.3.1耐壓空腔的低溫高壓溶蝕實(shí)驗(yàn)裝置示意圖11/16/202239圖4.3.3.1耐壓空腔的低溫高壓溶蝕實(shí)驗(yàn)裝置示意圖11/14.4計(jì)算機(jī)圖象分析本法是利用掃描儀將加工好的石樣掃描成為計(jì)算機(jī)圖象，利用合適的算法定義一條曲線，將滲透率已經(jīng)測(cè)定的5個(gè)石樣作為標(biāo)準(zhǔn)曲線，將全部23個(gè)石樣的曲線分為相對(duì)較高、相對(duì)高、相對(duì)中等、相對(duì)低、相對(duì)較低5級(jí)，再與實(shí)測(cè)的滲透系數(shù)比較，驗(yàn)證巖溶分析法的準(zhǔn)確度。11/16/2022404.4計(jì)算機(jī)圖象分析11/10/202240第5章深部巖溶水文錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)內(nèi)的深部巖溶作用能否發(fā)生，其前提條件是該區(qū)域內(nèi)的地層巖石必須是可溶的，否則巖溶作用就無(wú)從發(fā)生；其次是這些可溶性地層中的流水必須具備溶蝕能力，如果水沒(méi)有溶蝕能力，溶蝕作用也會(huì)無(wú)從產(chǎn)生；在具備上述兩個(gè)因素的條件下，還需要巖石具備透水作用，只有當(dāng)水能透過(guò)巖石產(chǎn)生流動(dòng)，巖溶作用才能得以進(jìn)行。因此，錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)內(nèi)深部巖溶作用能夠產(chǎn)生的基礎(chǔ)條件歸納起來(lái)就是以下四個(gè)方面：（1）巖石的可溶性；（2）巖溶水的溶蝕性；（3）巖石的貯水形式與水理性質(zhì)；（4）碳酸鹽巖地層的次生透水性。11/16/202241第5章深部巖溶水文11/10/2022415.1巖石的可溶性一般來(lái)說(shuō)，巖石的可溶性主要取決于巖石的成分、結(jié)構(gòu)和巖石的構(gòu)造。巖石成分是指巖石中的礦物成分和化學(xué)成分；巖石的結(jié)構(gòu)是指組成巖石的礦物顆粒（或晶粒）大小、形狀和排列方式，以及巖石內(nèi)部礦物顆粒之間的膠結(jié)物性質(zhì)；巖石的構(gòu)造則是指巖石結(jié)構(gòu)的構(gòu)成形式。從巖石的成分上看，基本上可以分為三類(lèi)：（1）碳酸鹽類(lèi)巖石；（2）硫酸鹽類(lèi)巖石；（3）鹵鹽類(lèi)巖石。按照一般規(guī)律，在地球表層，硫酸鹽類(lèi)巖石和鹵鹽類(lèi)巖石分布并不廣泛，僅占25%左右，且體積十分有限。而碳酸鹽類(lèi)巖石分布確很十分廣泛，我國(guó)地表出露的可溶性巖石絕大部分都是碳酸鹽類(lèi)巖石。就錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)內(nèi)分布的可溶性巖石來(lái)看，根據(jù)地質(zhì)勘查，全部為碳酸鹽類(lèi)巖石。11/16/2022425.1巖石的可溶性11/10/2022425.1.1碳酸鹽類(lèi)巖石的類(lèi)型劃分11/16/2022435.1.1碳酸鹽類(lèi)巖石的類(lèi)型劃分11/10/2022435.1.2工程區(qū)碳酸鹽類(lèi)巖石的類(lèi)型及其特征根據(jù)區(qū)域地質(zhì)勘查，錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)內(nèi)出露的碳酸鹽類(lèi)巖石主要為三疊系中統(tǒng)的雜谷腦組（T2Z）、鹽塘組（T2y）和白云組（T2b）三套地層。地層全部為大理巖石。11/16/2022445.1.2工程區(qū)碳酸鹽類(lèi)巖石的類(lèi)型及其特征11/10/25.1.3工程區(qū)碳酸鹽類(lèi)地層的可溶性由實(shí)驗(yàn)顯示，在含有CO2的水溶液中，若令純方解石的溶解度為1，那么隨著巖石中CaO/Mgo比值的增加，其巖石的相對(duì)溶解度也隨之增加，（見(jiàn)圖5.1.3.1）。11/16/2022455.1.3工程區(qū)碳酸鹽類(lèi)地層的可溶性由實(shí)驗(yàn)顯示，在含有C5.2水的溶蝕性自然界中純水的溶蝕力是十分微弱的，只有當(dāng)水中含有CO2時(shí)，水才能對(duì)碳酸鹽類(lèi)巖石產(chǎn)生溶蝕作用。表5.2.2局部氣壓為0.0003大氣壓時(shí)，不同溫度條件下水中的CO2含量及方解石的溶蝕量溫度（T℃）CO2含量（%）方解石CaCO3的溶解度（mg/L）01.181100.7070200.5260300.394911/16/2022465.2水的溶蝕性表5.2.2局部氣壓為0.0003大5.3碳酸鹽巖地層的貯水空間與水理性質(zhì)碳酸鹽巖地層中的空隙是巖溶水的貯存空間，又是巖溶水的流動(dòng)通道。因此，碳酸鹽巖地層中空隙的大小、數(shù)量、均勻程度和連通狀況都直接影響著碳酸鹽巖地層中巖溶水的貯存和運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而直接制約著碳酸巖地層的巖溶發(fā)育進(jìn)程。為了探明工程區(qū)內(nèi)主要碳酸鹽巖地層中的巖溶發(fā)育特征，對(duì)這些地層中的巖溶水貯存空間通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探測(cè)是十分必要的。11/16/2022475.3碳酸鹽巖地層的貯水空間與水理性質(zhì)11/10/20225.3.1主要碳酸鹽巖地層貯水空間的試驗(yàn)與測(cè)量地層內(nèi)的地下水貯存空間試驗(yàn)中主要有對(duì)地層巖塊的天然含水率（W）測(cè)試、吸水率（Wa）

和飽和吸水率（Wsa）測(cè)試。使用的實(shí)驗(yàn)工具和儀器有巖石切割機(jī)、石料車(chē)床、磨床、烘箱、干燥箱、燒杯和千分之一克電子天平。樣品按“水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程”中的具體規(guī)定加工成直徑50mm，高20mm的標(biāo)準(zhǔn)試件后，用磨床將表面磨光，以便于試件表面多于水分的清除，加工后利用千分之一克電子天平稱(chēng)重，然后放入烘箱24小時(shí)后再稱(chēng)重，利用兩次稱(chēng)重的質(zhì)量差算吸水率。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.3.1.1。11/16/2022485.3.1主要碳酸鹽巖地層貯水空間的試驗(yàn)與測(cè)量11/10/5.3.2主要碳酸鹽巖地層的水理性質(zhì)在地下水文的分析研究中，一般都將凡是與水有關(guān)的巖石性質(zhì)，統(tǒng)稱(chēng)為巖石的水理性質(zhì)。因巖石的水理性質(zhì)同地下深部低溫高壓條件下的巖溶作用特征直接相關(guān)，這里將對(duì)錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)內(nèi)主要碳酸鹽巖地層水理性質(zhì)中的容水性、持水性和給水性，以及地層的透水性進(jìn)行分析。11/16/2022495.3.2主要碳酸鹽巖地層的水理性質(zhì)11/10/202245.4碳酸鹽巖石單軸抗壓強(qiáng)度與巖塊密度，孔隙度和容水度的關(guān)系

在探討了錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)碳酸鹽巖地層的貯水形式和水理性質(zhì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測(cè)試地層的單軸抗壓強(qiáng)度（P），對(duì)理解這些地層的的物理力學(xué)現(xiàn)象是必要的。

圖5.4.12006年7月27日高壓水在工程行為配合下壓破巖壁形成涌水11/16/2022505.4碳酸鹽巖石單軸抗壓強(qiáng)度與巖塊密度，孔隙度和容水度的關(guān)5.5低溫高壓條件下的溶蝕速率5.5.1溶蝕速率（C）的推算根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)條件和有關(guān)規(guī)范，溶蝕速率（c）的推算采用該樣品試件（片）的平均值，其基本單位是由侵蝕性高承壓巖溶水經(jīng)6小時(shí)緩慢流過(guò)后，單位碳酸鹽巖石表面產(chǎn)生溶侵蝕量和溶蝕深度。12個(gè)碳酸鹽巖地層樣品的深蝕速率（c）見(jiàn)表5.5.1.1和表5.5.1.2。經(jīng)計(jì)算，錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)碳酸鹽巖地層在溫度10℃的低溫，巖溶水壓為10MPa的環(huán)境條件下，其平均溶蝕速率（c）為21.323mm/千年；水壓為20MPa的環(huán)境條件下，其平均溶蝕速率（c）為20.871mm/千年。11/16/2022515.5低溫高壓條件下的溶蝕速率11/10/2022515.5.2溶蝕速率（c）的檢驗(yàn)（一）“中國(guó)巖溶學(xué)”（地質(zhì)出版社1993.P97）中關(guān)于溶蝕速率計(jì)算公式為：式中：C—溶蝕速度（m3/Km2·a）;M地表、M地下—地表水和地下水的碳酸鹽巖溶蝕模量（mg/L）;R地表、R地下—地表水和地下水的年均徑流深度（dm）; —碳酸鹽巖的平均密度（g/cm3）;n—碳酸鹽巖所占的面積百分比。11/16/2022525.5.2溶蝕速率（c）的檢驗(yàn)11/10/2022525.6工程區(qū)低溫高壓條件下的深部巖溶水文（一）工程區(qū)碳酸鹽巖地層深部的巖溶作用較為微弱。（二）根據(jù)低溫高壓溶蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有關(guān)公式計(jì)算，工程區(qū)地下碳酸鹽巖的溶蝕速率（C）較低，僅為20mm/千年左右。（三）低溫高壓溶蝕實(shí)驗(yàn)顯示，在溫度10℃水壓分別為10Mpa和20Mpa的壓力條件下，溶蝕速率（C）并沒(méi)有顯著的差異。11/16/2022535.6工程區(qū)低溫高壓條件下的深部巖溶水文11/10/202第6章碳酸鹽巖地層透水性圖象研究

本實(shí)驗(yàn)利用掃描儀將23個(gè)加工好的石樣（共33個(gè)樣品，有10個(gè)樣品太大無(wú)法掃描）借助同一臺(tái)明基掃描儀掃描成為計(jì)算機(jī)圖象。將碳酸鹽巖地層透水性巖石樣品掃描后的圖象，直接用本研究團(tuán)隊(duì)自行研發(fā)的ROCK巖樣分析系統(tǒng)生成影象頻譜圖，將滲透率的大小已經(jīng)測(cè)定的5個(gè)石樣作為標(biāo)準(zhǔn)曲線系，由此展開(kāi)對(duì)全部23個(gè)石樣的頻譜圖曲線進(jìn)行滲透特征鑒定，在此基礎(chǔ)上，再與實(shí)測(cè)的滲透系數(shù)比較，即可驗(yàn)證巖溶分析法的準(zhǔn)確度。11/16/202254第6章碳酸鹽巖地層透水性圖象研究

本6.1碳酸鹽巖地層透水性圖象頻譜圖算法在ROCK巖樣分析系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程中,選擇合適的算法是非常重要的。掃描圖像中的象素的灰度值不一定是連續(xù)變化的，而有可能是臺(tái)階式躍升的。比如在水滴、打磨時(shí)形成的破損處周?chē)笏鼗叶戎刀际擒S升式的。這些躍升的灰度值可能導(dǎo)致曲線失真。為了防止這些反常躍升的象素點(diǎn)對(duì)曲線進(jìn)行干擾，一方面可以采取提高加工精度，將巖石樣品打磨的更光滑，另一方面則需對(duì)打磨后的巖石樣品用烘箱烘干以除去表面水分對(duì)巖石樣品光譜特征的影響，但最重要的方法是利用合適的算法將碳酸鹽巖樣掃描圖象中的反常象素點(diǎn)篩選出來(lái)，并在曲線中將其剔除?；诓煌惴ǖ那€生成策略會(huì)生成不同的曲線，分別代表不同的巖性信息，如古氣候、巖石成分等等。因此，必須從圖象特征的系統(tǒng)分析中選出代表透水性的算法，才可以研發(fā)出ROCK巖樣分析系統(tǒng)，用以獲得碳酸鹽巖透水性的影象頻譜圖（即透水性特征曲線）。11/16/2022556.1碳酸鹽巖地層透水性圖象頻譜圖算法11/10/202256.1.1反常象素點(diǎn)篩選本文運(yùn)用坎尼算子中的信噪比準(zhǔn)則判定圖像中的邊緣檢測(cè)算子，檢驗(yàn)圖像中的信噪比，剔除灰度值反常躍升的象素點(diǎn)。此處信噪比SNR定義為低失誤概率，由此可得，當(dāng)S（i,j）為反常象素點(diǎn)的圖象頻譜值時(shí)，則S（i,j）等于：S（i,j）=|f(i-1,j)+f(i,j-1)+f(I-1,j-1)-[f(i,j+1)+f(i+1,j)+2f(i+1,j+1)]|+|f(i-1,j-1)+f(I+1,j)+f(i+1,j)-[f(i-1,j+1)+f(i,j+1)+f(i,j)]|上式中，F(xiàn)（i,j）表示為反常象素點(diǎn)的圖象頻譜值，f(i-1,j)為反常象素點(diǎn)左側(cè)的象素點(diǎn)頻譜值，f(i+1,j)為反常象素點(diǎn)右側(cè)的象素點(diǎn)頻譜值，f(i-1,j-1)為反常象素點(diǎn)左下側(cè)的象素點(diǎn)頻譜值，f(i-1,j+1)為反常象素點(diǎn)左上側(cè)的象素點(diǎn)頻譜值，f(i+1,j-1)為反常象素點(diǎn)右下側(cè)的象素點(diǎn)頻譜值，f(i+1,j+1)為反常象素點(diǎn)右上側(cè)的象素點(diǎn)頻譜值，f(i,j-1)為反常象素點(diǎn)下側(cè)的象素點(diǎn)頻譜值，f(i,j+1)為反常象素點(diǎn)上側(cè)的象素點(diǎn)頻譜值。11/16/2022566.1.1反常象素點(diǎn)篩選11/10/2022566.1.2曲線生成策略從巖土工程行業(yè)的應(yīng)用情況來(lái)看，利用滿足期望的象素點(diǎn)信息神經(jīng)元的集合可以進(jìn)行巖體不連續(xù)面分析方法研究，利用具備特定映射關(guān)系的正弦曲線可以進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)面的研究。因?yàn)楸疚牟杉膸r石樣品多來(lái)自巖體結(jié)構(gòu)面與不連續(xù)面，所以利用有窮自動(dòng)機(jī)模型作為曲線的生成策略，定義第i個(gè)圖象象素點(diǎn)個(gè)體對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)對(duì)第p個(gè)同類(lèi)象素信息色譜樣本引起的映射誤差指標(biāo)為：上式的Eip值為映射誤差指標(biāo)，其中，C表示象素點(diǎn)信息神經(jīng)元的集合，和分別表示輸出象素信息單元j對(duì)應(yīng)于第p個(gè)同類(lèi)曲線色譜樣本的期望值和實(shí)際輸出，滿足此映射關(guān)系的象素點(diǎn)顏色值進(jìn)入自動(dòng)機(jī)，反之則剔除。在以上算法的基礎(chǔ)上，可以建立一種輸入和輸出都具有一一映射關(guān)系的具有空動(dòng)作的有窮自動(dòng)機(jī)系統(tǒng)用來(lái)建立一條曲線。11/16/2022576.1.2曲線生成策略11/10/2022576.2碳酸鹽巖地層透水性的圖象特征碳酸鹽巖石一般都具備一定的透水性，只是由于密度、孔隙度等的不同而導(dǎo)致透水性的大小存在著差異。按照傳統(tǒng)的巖樣成分分析的計(jì)算機(jī)研究方法，在利用適當(dāng)?shù)膱D象透鏡去掉一部分圖象信息后，巖樣中相對(duì)密度大、孔隙度小的部分會(huì)顯示出來(lái)（見(jiàn)表6.2-1），由此可以發(fā)現(xiàn)本次研究使用的巖石樣品的透水性普遍比較小。11/16/2022586.2碳酸鹽巖地層透水性的圖象特征11/10/20225811/16/20225911/10/20225911/16/20226011/10/2022606.3碳酸鹽巖地層透水性曲線的變化規(guī)律在表6.2基礎(chǔ)上，將5級(jí)透水性頻譜圖變化規(guī)律總結(jié)如下：相對(duì)較高：曲線左側(cè)起始部分偏高，第2周期開(kāi)始出現(xiàn)密集段，第3周期有2個(gè)密集段，各周期最大值基本一致，右側(cè)值偏低。相對(duì)高：曲線左側(cè)起始部分由中部開(kāi)始，第3周期中部開(kāi)始出現(xiàn)密集段，第4周期有1個(gè)密集段，各周期最大值基本一致，右側(cè)值偏低。相對(duì)中等：曲線左側(cè)起始部分由中部開(kāi)始，第3周期末開(kāi)始出現(xiàn)密集段，第4周期有1個(gè)密集段，各周期最大值不一致，右側(cè)值偏中。相對(duì)低：曲線左側(cè)起始部分缺失1個(gè)周期，第4周期開(kāi)始出現(xiàn)密集段，第7周期有1個(gè)密集段，各周期最大值不一致，右側(cè)值偏低。相對(duì)較低：曲線左側(cè)起始部分由中部開(kāi)始，第4周期末開(kāi)始出現(xiàn)密集段，第7周期有1個(gè)密集段，各周期最大值一致，右側(cè)值偏低。以上所指周期，為兩個(gè)曲線最低值之間的曲線段。11/16/2022616.3碳酸鹽巖地層透水性曲線的變化規(guī)律11/10/202266.4地層巖樣圖象分析:6.4.1地層1-1巖樣圖象分析:現(xiàn)在將地層1-1巖樣用掃描儀掃描,為減少計(jì)算機(jī)圖象處理過(guò)程中的計(jì)算量,將該石樣圖象的寬度與高度均縮小為原寬度與高度的25%,利用ROCK巖樣分析系統(tǒng)得到該石樣圖象透水性曲線,如圖6.4.1-1。11/16/2022626.4地層巖樣圖象分析:11/10/202262圖6.4.1-1ROCK巖樣分析系統(tǒng)打開(kāi)地層1-1巖樣圖象圖上圖中的曲線左側(cè)起始部分偏高，第2周期開(kāi)始出現(xiàn)密集段，第3周期有2個(gè)密集段，各周期最大值基本一致，右側(cè)值偏低，與表6.2中的1級(jí)曲線類(lèi)似，說(shuō)明該石樣透水性相對(duì)較高。其他地層的石樣的透水性圖象分析與本地層類(lèi)似11/16/202263圖6.4.1-1ROCK巖樣分析系統(tǒng)打開(kāi)地層1-1巖樣圖象第7章工程區(qū)深部碳酸鹽巖地層的次生透水性7.1工程區(qū)深部巖溶次生透水性的一般分布特征深部巖溶次生透水性的形成與發(fā)展，是受其自身巖性性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造作用與溶蝕特征所制約的。錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)碳酸鹽巖地層的巖溶特征突出，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，其工程區(qū)的深部巖溶次生透水性具有如下一般分布特征：11/16/202264第7章工程區(qū)深部碳酸鹽巖地層的次生透水性11/10/202（一）工程區(qū)的碳酸鹽巖地層受后期區(qū)域高溫高壓變質(zhì)作用之后，一般都變質(zhì)成為大理巖，巖塊的密度大，礦物結(jié)構(gòu)致密，孔隙率（n）小，連通性差，巖塊的透水性極弱。（二）工程區(qū)的碳酸鹽巖地層受區(qū)域地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響明顯，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層陡傾，其傾角可高達(dá)60-85°，地層中的各種破碎面、斷裂裂隙、地層錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育普遍，這些結(jié)構(gòu)面成為了工程區(qū)碳酸鹽巖地層中巖溶水的流動(dòng)通道。（三）工程區(qū)位于雅礱江大河彎之內(nèi)海拔高達(dá)4300余米的錦屏山脈中部，因此，河間高地的地形結(jié)構(gòu)對(duì)深部巖溶次生透水性的制約明顯。（四）工程區(qū)的深部巖溶次生透水性受其自身系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形成規(guī)律和發(fā)展過(guò)程中地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)韻律的決定，表現(xiàn)出明顯的垂直分帶結(jié)構(gòu)和水平分段結(jié)構(gòu)。11/16/202265（一）工程區(qū)的碳酸鹽巖地層受后期區(qū)域高溫高壓變質(zhì)作用之后，一7.2深部巖溶次生透水性的垂直分帶在錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)內(nèi)，碳酸鹽巖地層分布的厚度大，可達(dá)工程區(qū)分布地層厚度的80%。這些碳酸鹽巖地層在后期區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)的作用下，地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)顯著，地層大都以緊密復(fù)式褶褶和高陡傾角的形式出現(xiàn)，碳酸鹽類(lèi)巖體厚，埋藏深，可達(dá)萬(wàn)米以上，且?guī)r性又較純，巖溶作彡的范圍廣、深度大，至目前為止，尚未在工程區(qū)下面發(fā)現(xiàn)區(qū)域性隔水層；另一方面，工程區(qū)地處雅礱江大河灣地區(qū)，地形結(jié)構(gòu)又以高達(dá)3000余米的“河間高地”形式出現(xiàn)，致使工程區(qū)東西兩側(cè)的臨江坡地排水情況良好，因此，工程區(qū)內(nèi)的巖溶發(fā)育在經(jīng)歷了自晚第三紀(jì)以來(lái)的漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史之后，巖溶發(fā)育程度相對(duì)較為成熟，地下水面連續(xù)且統(tǒng)一，在水分季節(jié)變化的影響下，地下水垂直運(yùn)動(dòng)的幅度變化較大，地下水的循環(huán)運(yùn)動(dòng)具有明顯的垂直分帶性，在工程區(qū)自上而下可見(jiàn)四個(gè)各具特征的地下水循環(huán)帶（見(jiàn)圖7.2.1）。11/16/2022667.2深部巖溶次生透水性的垂直分帶11/10/202266圖7.2.1錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)深部巖溶次生透水的垂直分帶示意圖

11/16/202267圖7.2.1錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)深部巖溶次生透水的垂直分帶（一）垂直下滲補(bǔ)給飽氣帶，該帶自山腳江邊深數(shù)米，沿高程的增加，厚度不斷增大，至山頂部位，其深度可達(dá)400余米。（二）季節(jié)變動(dòng)帶。位于工程區(qū)地下水最高水位和最低水位之間，其厚度可達(dá)數(shù)米至300余米。（三）水平滲流飽水帶。該帶位于工程區(qū)的地下水位至雅礱江江底高程之間，厚約1600-2000m，終年處于飽水狀態(tài)，巖溶地下水在上部和山體兩側(cè)以水平運(yùn)動(dòng)為主，中下部以緩慢的下滲運(yùn)動(dòng)為主。（四）深部潛流飽水帶，該帶位于工程區(qū)內(nèi)的雅礱江江底高程以下，終年處于飽水狀態(tài)，由于受西雅礱江和東雅礱江之間300余米高差的影響，巖溶水以自西向東的緩慢潛流為主。11/16/202268（一）垂直下滲補(bǔ)給飽氣帶，該帶自山腳江邊深數(shù)米，沿高程的增加圖7.2.2錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)巖溶次生透水性的垂直分布特征圖

11/16/202269圖7.2.2錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)巖溶次生透水性的垂直分布特7.3深部巖溶次生透水性的水平分段錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，且又位于雅礱江大河灣內(nèi)的“河間高地”，山高坡長(zhǎng)的地形地貌特點(diǎn)決定了工程區(qū)內(nèi)的巖溶含水介質(zhì)的透水性較為良好，因此，深部巖溶次生透水性除具有顯著的垂直分布結(jié)構(gòu)外，還存在著明顯的三個(gè)水平分段性（見(jiàn)圖7.3.1）。11/16/2022707.3深部巖溶次生透水性的水平分段11/10/202270

（一）岸坡段，分布于錦屏山脈東西兩側(cè)的河谷岸坡地帶，屬岸坡排水良好動(dòng)力類(lèi)型，是地表水與地下水交替循環(huán)最強(qiáng)烈的地段。（二）谷坡段：分布于工程區(qū)上部山頂與河谷岸坡段之間，是工程區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給區(qū)向下部排泄的過(guò)渡地帶。（三）山脊段：山脊段是工程區(qū)巖溶水以垂直下滲循環(huán)為主的地下水補(bǔ)給地段，屬于入滲補(bǔ)給巖溶水動(dòng)力類(lèi)型。11/16/202271

（一）岸坡段，分布于錦屏山脈東西兩側(cè)的河谷岸坡地帶，屬岸坡圖7.3.1錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)深部巖溶次生透水性水平分段示意圖11/16/202272圖7.3.1錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)深部巖溶次生透水性水平分段因此，根據(jù)上述深部巖溶次生透水性的水平分段的水動(dòng)力類(lèi)型特征，結(jié)合工程區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和巖溶作用，可對(duì)工程區(qū)引水隧洞沿程的高強(qiáng)度透水段作出如下預(yù)測(cè)（見(jiàn)圖7.3.2）。

圖7.3.2錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)引水隧洞沿程高強(qiáng)度透水段分布位置預(yù)測(cè)圖11/16/202273因此，根據(jù)上述深部巖溶次生透水性的水平分段的水動(dòng)力類(lèi)型特征，在預(yù)測(cè)的9個(gè)強(qiáng)透水段中，大致可以劃分為以下三類(lèi)：（一）斷層型強(qiáng)透水段，為分布于引水隧洞深約2000m，3200m和8500m附近的第2、第3和第5強(qiáng)透水段，透水通道沿著F26、F6和F27斷層發(fā)育。由于斷層位于背斜一側(cè)且與地層傾向基本一致，故巖溶水向斷層潛流的匯聚性相對(duì)較差，以至在斷層傾向與地層傾向呈反向交匯時(shí)，斷層附近的潛水還會(huì)呈現(xiàn)出分散狀潛流，如F27斷層，因此，斷層型強(qiáng)透水段的涌水量相對(duì)其他類(lèi)型的強(qiáng)透水段要小。（二）向斜型強(qiáng)透水段，該強(qiáng)透水段分布于向斜軸部的下方，自西向東依次出現(xiàn)于工程區(qū)引水隧洞沿程約11850m、14000m和15000m附近的第1和第6、7、8、9強(qiáng)透水段都屬于此類(lèi)型。由于此類(lèi)型中的巖溶水呈向斜軸部的匯聚型潛流，故該類(lèi)強(qiáng)透水段的巖溶水量較多、透水量較大。（三）復(fù)合型強(qiáng)透水段，該類(lèi)強(qiáng)透水段分布于沿向斜軸部附近發(fā)育的斷層下部，為斷層型+向斜型的復(fù)合類(lèi)型，出現(xiàn)于工程區(qū)西側(cè)引水隧洞沿程約4500m附近位置的第4強(qiáng)透水段即屬此類(lèi)型。由于該類(lèi)型強(qiáng)透水段位于向斜匯聚型潛流軸部，且又有斷層發(fā)育，巖溶水的下潛通達(dá)性好，因此，巖溶水量多，水流強(qiáng)度高。11/16/202274在預(yù)測(cè)的9個(gè)強(qiáng)透水段中，大致可以劃分為以下三類(lèi)：11/10/第8章結(jié)論與展望8.1結(jié)論錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)碳酸鹽巖地層在低溫高壓條件下的溶蝕特征經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，歸納計(jì)算后，現(xiàn)可對(duì)此作出如下結(jié)論：（一）工程區(qū)內(nèi)巖溶作用的條件較好；（二）工程區(qū)內(nèi)的碳酸鹽巖地層主要由大理巖構(gòu)成；（三）工程區(qū)巖溶水的溶蝕能力有限；（四）工程區(qū)碳酸鹽巖地層的貯水率較低；（五）工程區(qū)碳酸鹽巖地層的水理性質(zhì)較差，屬弱——極弱透水性地層；（六）工程區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖地層的抗壓強(qiáng)度一般都較強(qiáng)；（七）實(shí)驗(yàn)顯示，工程區(qū)碳酸鹽巖地層的單軸抗壓強(qiáng)度（P）的大小與地層巖石的孔隙度（n）和密度（p）無(wú)關(guān)；（八）工程區(qū)地下深部的溶蝕過(guò)程主要沿著地層內(nèi)部的次生結(jié)構(gòu)面和地層層面發(fā)生作用；（九）工程區(qū)地下深部2500m左右的部位，經(jīng)中更新世以來(lái)的近100萬(wàn)年的溶蝕作用后，其地下巖溶形態(tài)的孔徑最大可達(dá)1-2m；（十）受上述巖溶水文地質(zhì)條件的制約，工程區(qū)碳酸鹽巖地層的巖溶次生透水性具有明顯的垂直分帶和水平分段結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)出各具特征的巖溶水文動(dòng)力類(lèi)型。（十一）根據(jù)工程區(qū)巖溶次生透水性的結(jié)構(gòu)特征，以及與此相關(guān)的水文動(dòng)力類(lèi)型，結(jié)合工程區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造基礎(chǔ)，經(jīng)分析預(yù)測(cè)：工程區(qū)引水隧洞沿程具有三種類(lèi)型的9個(gè)強(qiáng)透水段，其中斷層型＋向斜匯聚型的復(fù)合型強(qiáng)透水段的巖溶水量多，涌水強(qiáng)度高。11/16/202275第8章結(jié)論與展望11/10/2022758.2展望本項(xiàng)研究利用巖溶分析法和圖象分析法進(jìn)行深部巖溶水文研究，對(duì)其他地區(qū)的深部巖溶水文研究有很強(qiáng)的借鑒意義。巖溶地區(qū)的一個(gè)重要特點(diǎn)是碳循環(huán)過(guò)程與其他地區(qū)不同，也是可以用來(lái)進(jìn)行深部巖溶水文研究的，但本文未展開(kāi)此方面的研究，是本文的不足之處。展望將來(lái)的工作，應(yīng)該加強(qiáng)深部巖溶模擬研究，以便為深部地下工程提供科學(xué)的數(shù)據(jù)。在深部巖溶水文研究中，應(yīng)該著力引進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，創(chuàng)新研究方法，進(jìn)一步提高研究精度。11/16/2022768.2展望11/10/202276謝謝大家！11/16/202277謝謝大家！11/10/202277SWUswu答辯地點(diǎn):西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院歡迎各位專(zhuān)家!11/16/202278SWUswu答辯地點(diǎn):西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院歡迎各位專(zhuān)家!11深部巖溶水文學(xué)的模擬實(shí)驗(yàn)研究2008.5.17——以錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)碳酸鹽巖地層的研究為例自然地理學(xué)指導(dǎo)教師況明生教授博士研究生匡鴻海11/16/202279深部巖溶水文學(xué)的模擬實(shí)驗(yàn)研究2008.5.17——以錦屏二級(jí)請(qǐng)各位專(zhuān)家在答辯結(jié)束后將答辯記錄本交答辯委員會(huì)秘書(shū)統(tǒng)一保存，謝謝您的支持！11/16/202280請(qǐng)各位專(zhuān)家在答辯結(jié)束后將答辯記錄本交答辯委員會(huì)秘書(shū)11/10第1章緒論1.1選題背景和意義1.1.1選題背景我國(guó)表層巖溶研究成果豐富，但是深部巖溶特別是地表以下數(shù)千米處的超深部巖溶由于不易觀測(cè)，缺少相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)手段，目前尚無(wú)系統(tǒng)研究。深部巖溶研究由于難于直接觀測(cè)，取樣困難，如無(wú)相應(yīng)的鉆探設(shè)備與隧洞施工，就很難獲得巖溶研究所必須的巖石樣品。

11/16/202281第1章緒論11/10/202241.2錦屏二級(jí)水電工程

發(fā)源于巴顏喀拉山麓的雅礱江是金沙江的最大支流，干流全長(zhǎng)1571公里，落差達(dá)3830米，其水電技術(shù)可開(kāi)發(fā)容量達(dá)2856萬(wàn)千瓦，占四川省水電能力的四分之一。錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界的雅礱江干流大河灣地區(qū)，為雅礱江下游規(guī)劃5個(gè)梯級(jí)電站中的骨干水電站,是實(shí)施“西電東送”和“川電外送”戰(zhàn)略的關(guān)鍵性工程之一，是雅礱江上裝機(jī)規(guī)模最大的水電站,工程總投資近三百億元人民幣、總裝機(jī)四百八十萬(wàn)千瓦。11/16/2022821.2錦屏二級(jí)水電工程11/10/20225圖1.2.1雅礱江流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)示意圖11/16/202283圖1.2.1雅礱江流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)示意圖11/10/20226圖1.2.2雅礱江流域圖

11/16/202284圖1.2.2雅礱江流域圖11/10/20227水電站建成后的情景圖

11/16/202285水電站建成后的情景圖11/10/20228錦屏地區(qū)高山峽谷地貌照像

11/16/202286錦屏地區(qū)高山峽谷地貌照像11/10/20229圖1.2.4錦屏二級(jí)水電站位置示意圖

11/16/202287圖1.2.4錦屏二級(jí)水電站位置示意圖11/10/202211.3引水隧道建設(shè)的必要性

雅礱江卡拉至江口河段長(zhǎng)412KM,天然落差930米,該河段可供開(kāi)發(fā)水電裝機(jī)容量約18000MW,下游洼里-里莊的大河灣地區(qū)雖然天然落差較大，但河流較長(zhǎng)，約150公里,平均落差較小,如果直接攔河筑壩,就必然導(dǎo)致淹沒(méi)區(qū)較大，投產(chǎn)后日常管理困難。為了利用大河灣地區(qū)的水力資源，采取人工截彎取直、開(kāi)挖隧洞的方式進(jìn)行引水發(fā)電，可以達(dá)到減小淹沒(méi)區(qū)與提高發(fā)電效率的目的。11/16/2022881.3引水隧道建設(shè)的必要性11/10/202211圖1.3.1錦屏二級(jí)水電站所處的大河灣地區(qū)略圖11/16/202289圖1.3.1錦屏二級(jí)水電站所處的大河灣地區(qū)略圖11/10/1.4工程區(qū)深部巖溶水文學(xué)研究的必要地下含水層及其水文特征對(duì)隧道施工和安全生產(chǎn)具有決定性影響。錦屏二級(jí)水電站引水隧洞地處西南高山峽谷地區(qū),最深處距地表約4000米，隧洞埋深大、洞線長(zhǎng),地層透水性的不同導(dǎo)致地層間的水壓差異很大，對(duì)施工和生產(chǎn)安全構(gòu)成很大威脅。因此,開(kāi)展深部巖溶研究，查清當(dāng)?shù)靥妓猁}巖地層巖溶水文性質(zhì)是非常必要的，也是可以帶來(lái)巨大社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的。11/16/2022901.4工程區(qū)深部巖溶水文學(xué)研究的必要11/10/2022131.5研究的內(nèi)容與目標(biāo)本文將圍繞工程區(qū)內(nèi)（特別是隧道附近）主要的T2y（鹽源組）、T2b（白山組）和T2Z（雜谷腦組）碳酸鹽巖地層在低溫高壓的深部條件下的巖溶水文性質(zhì)展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究，主要的研究目標(biāo)就是要查明錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)內(nèi)的深部巖層（低溫高壓條件下）的巖溶水文特征，分析預(yù)測(cè)中高強(qiáng)度透水性巖層和含水孔穴的分布規(guī)律，對(duì)隧道附近地下水的運(yùn)移狀況作出符合實(shí)驗(yàn)結(jié)論和理論根據(jù)的預(yù)測(cè)。11/16/2022911.5研究的內(nèi)容與目標(biāo)11/10/2022141.6研究的技術(shù)方案本文利用工程設(shè)計(jì)單位提供的巖石樣品進(jìn)行深部巖溶水文學(xué)的模擬實(shí)驗(yàn)研究，巖石樣品的掃描圖象借助計(jì)算機(jī)處理技術(shù)對(duì)深部巖溶水文特征進(jìn)行分析驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論利用工程設(shè)計(jì)單位的輔助洞勘探結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。11/16/2022921.6研究的技術(shù)方案11/10/202215第2章深部巖溶與地層透水性研究2.1同位素示蹤法

同位素示蹤法（isotopictracermethod）是利用放射性核素作為示蹤劑對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記的微量分析方法。在同位素示蹤法的研究實(shí)踐中，利用放射性核素（或穩(wěn)定性核素）和它們的化合物與自然界存在的普通元素和他們的化合物之間的不同核物理性質(zhì)，可以標(biāo)記出含有同位素的標(biāo)記化合物分布的位置、數(shù)量及其轉(zhuǎn)變等等。同位素示蹤法是一種重要的碳酸鹽巖地層水文特征探討的研究方法，它的優(yōu)點(diǎn)在于可以搞清楚某一個(gè)區(qū)域內(nèi)的地下水與地表水的滲流狀況，不足之處在于它很難定量的預(yù)測(cè)地下含水孔穴位置和孔徑。11/16/202293第2章深部巖溶與地層透水性研究11/10/2022162.2雷達(dá)探測(cè)法雷達(dá)探測(cè)法是利用探地雷達(dá)等較新的地球物理探測(cè)手段，用寬頻的電磁波，以脈沖形式來(lái)探測(cè)地表之下或確定的不可視物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。雷達(dá)探測(cè)法是一種重要的地下水與地下洞穴的探測(cè)方法。目前國(guó)際上最先進(jìn)的單個(gè)民用超聲波雷達(dá)已可探測(cè)50個(gè)平方公里地表以下15米以內(nèi)的孔穴。國(guó)外的水電工程建設(shè)常常使用合成孔徑雷達(dá)（SAR）探測(cè)地下含水孔穴。本方法的優(yōu)勢(shì)是可以利用多個(gè)雷達(dá)組成雷達(dá)陣列，定量探測(cè)地下孔穴的體積、分布位置與含水量，劣勢(shì)是設(shè)備成本過(guò)高。

11/16/2022942.2雷達(dá)探測(cè)法11/10/2022172.3超前探洞法

超前探洞法是國(guó)內(nèi)外隧道工程中常用的地下水探測(cè)方法，它利用在隧道主洞掘進(jìn)面前開(kāi)挖1或2公里長(zhǎng)的超前探洞，一旦挖穿含水層，主洞有足夠的預(yù)警時(shí)間采取措施。本方法的優(yōu)勢(shì)是技術(shù)門(mén)檻很低，資金投入少，適合工程單位采用；劣勢(shì)是不能從根本上解決問(wèn)題。錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)目前采用了本方法。

11/16/2022952.3超前探洞法11/10/2022182.4爆炸回聲法爆炸回聲法是采用定向爆炸的方法，利用巖層中人工開(kāi)挖的具備一定方向性的孔穴放置炸藥，監(jiān)聽(tīng)爆炸產(chǎn)生的聲波穿越孔穴、含水層等介質(zhì)產(chǎn)生的回音時(shí)間差來(lái)判定孔穴、含水層的分布。本方法的優(yōu)點(diǎn)是可以定量計(jì)算孔穴體積，缺點(diǎn)是爆炸技術(shù)門(mén)檻太高。11/16/2022962.4爆炸回聲法11/10/2022192.5圖象分析法

計(jì)算機(jī)圖象分析法是地層透水性研究中由本項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)使用的重要方法。利用不同的圖象處理算法，可以獲得許多巖性特征曲線。對(duì)這些曲線所代表的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行解釋?zhuān)梢缘玫街T如巖石透水性、古氣候變化的等等信息。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以事先預(yù)測(cè)施工地層中可能遭遇的高透水性地層（即透水性曲線值比較高的巖石樣品的地層位置），缺點(diǎn)是難以確定孔穴的孔徑。目前在錦屏二級(jí)水電站施工掘進(jìn)面上收集了豐富的巖石樣本，經(jīng)掃描后為本方法的實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。11/16/2022972.5圖象分析法11/10/2022202.6巖溶分析法

該方法的原理是先算出地層的溶蝕速度S，利用該地層的溶蝕地史年齡T按照以下公式算出地層中最大孔穴的孔徑R：R=S×T因此，在該地層施工時(shí)，要作好遭遇孔徑為R的含水孔穴的事先準(zhǔn)備。值得注意的是,此處地層的地史年齡T不是地層原生的地史年齡,而是地層在地下水滲流發(fā)生巖溶之后的次生地史年齡。

11/16/2022982.6巖溶分析法11/10/2022212.7有限元分析法工程設(shè)計(jì)中可以根據(jù)地下工程區(qū)巖土地層的力學(xué)承載部位,在設(shè)計(jì)的地下隧洞中布置控制網(wǎng)，應(yīng)用彈塑性有限元分析法分析引水隧洞開(kāi)挖及治護(hù)過(guò)程中主要的巖層透水性造成的力學(xué)承載部位的變形規(guī)律與特征、應(yīng)力分布及變化規(guī)律、塑性區(qū)范圍，從而可以通過(guò)比較分析去獲得不同滲控方案，并由此實(shí)現(xiàn)對(duì)隧洞圍巖和襯砌工狀的最優(yōu)方案。

11/16/2022992.7有限元分析法11/10/202222第3章錦屏地區(qū)自然概況

3.1地形地貌錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源和冕寧三縣交界處的雅礱江大河灣地區(qū)。按自南而北穿越該區(qū)所見(jiàn)的地表景觀，經(jīng)度地帶性與緯度地帶性均不明顯，但垂直地帶性顯著。該區(qū)自中生代白堊紀(jì)末期的四川運(yùn)動(dòng)以來(lái)，在區(qū)域構(gòu)造的控制下地殼發(fā)生大幅度的均衡抬升，與此同時(shí)，在河流的強(qiáng)烈侵蝕切割作用下，形成了峰巒疊嶂，山高谷深的高山峽谷地貌，山體總體走向N15°E，東、西兩側(cè)岸坡沖溝發(fā)育，河谷深切，顯示出典型的高山狹谷地貌景觀。11/16/2022100第3章錦屏地區(qū)自然概況

3.1地形地貌11/10/20223.2氣象水文錦屏地區(qū)位于青藏高原南部邊緣，每年干季、濕季區(qū)別明顯，氣候主要受到高空西風(fēng)環(huán)流和西南季風(fēng)影響。錦屏山脈由于山體巨大，地面高差顯著，因此氣候的垂直分帶明顯。11/16/20221013.2氣象水文11/10/2022243.3地質(zhì)基礎(chǔ)錦屏二級(jí)水電站分布于青藏高原東南邊緣的山原與四川西南山地的交接地帶，地殼構(gòu)造復(fù)雜，地層出露較為齊全。在工程區(qū)內(nèi)，出露地層以中生界的三疊系為主。在工程可行性研究階段，沿引水洞線平行方向開(kāi)挖的兩條5km長(zhǎng)的地質(zhì)勘探輔助洞，這在我國(guó)水電勘測(cè)史上是前所未有的，為搞清楚當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況提供了優(yōu)越的條件。11/16/20221023.3地質(zhì)基礎(chǔ)11/10/2022253.3.1地質(zhì)背景

錦屏地區(qū)位于青藏高原向四川盆地過(guò)渡的斜坡地帶，巖層整體走向、褶皺軸面走向和錦屏山脈走向三者基本一致。區(qū)內(nèi)碳酸鹽類(lèi)地層廣泛分布，約占70%─80％，其中以三迭系中上統(tǒng)碳酸鹽巖地層為主。11/16/20221033.3.1地質(zhì)背景11/10/202226圖3.3.1.1當(dāng)?shù)睾娇照掌臄z的巖層、褶皺與山脈走向11/16/2022104圖3.3.1.1當(dāng)?shù)睾娇照掌臄z的巖層、褶皺與山脈走向13.3.2地層巖性電站工程區(qū)出露地層以三疊系為主，其次為泥盆系、石炭系、二迭系和部分侏羅系與第四系地層。在這些出露的地層中，以三疊系為主的碳酸鹽巖地層可占到70-80%。11/16/20221053.3.2地層巖性電站工程區(qū)出露地層以三疊系為主，其次為泥盆3.3.3地質(zhì)構(gòu)造錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)在大地構(gòu)造上處于松潘甘孜地槽褶皺帶的東南部，受NWW～SEE向主應(yīng)力場(chǎng)的控制，形成規(guī)模較大的軸向NNE的、向S傾伏的復(fù)式緊密褶皺以及走向?yàn)镹NE向的高傾角壓性或壓扭性斷層，并伴隨有NWW向的張性或張扭性斷層。區(qū)內(nèi)地層陡傾，其地質(zhì)構(gòu)造的展布方向與主構(gòu)造線基本一致(見(jiàn)圖3.4.2.2)。11/16/20221063.3.3地質(zhì)構(gòu)造11/10/202229圖3.4.2.2錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)地質(zhì)圖11/16/2022107圖3.4.2.2錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)地質(zhì)圖11/10/202第4章樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法4.1樣品采集與試件制作根據(jù)錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造剖面圖揭示的地層分布狀況，三疊系中統(tǒng)雜谷腦組（T2Z）、鹽塘組（T2y）和白山組（T2b）這三套地層約占工程區(qū)地層的70%以上。為了正確了解工程區(qū)碳酸鹽巖地層在低溫高壓條件下的溶蝕特征，本次實(shí)驗(yàn)分兩次采集了共12個(gè)樣品，33塊巖石，均全部采于上述三套地層內(nèi)11/16/2022108第4章樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法11/10/2022314.2實(shí)驗(yàn)方法由于隧道施工安全性要求很高,對(duì)本文成果的精確度有比較高的要求。為了確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確度,決定采用多種方法并用,相互驗(yàn)證分析，最后與工程區(qū)試掘的5公里小探洞掘進(jìn)結(jié)果比較的技術(shù)路線。所以，本文采用巖溶水文模擬實(shí)驗(yàn)法（巖溶分析法）、計(jì)算機(jī)圖象分析法2種方法作為主要技術(shù)方法。11/16/20221094.2實(shí)驗(yàn)方法11/10/2022324.3深部條件下的巖溶模擬實(shí)驗(yàn)根據(jù)錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)內(nèi)的巖溶發(fā)育特點(diǎn)和電站工程建設(shè)的需要，對(duì)工程區(qū)內(nèi)的碳酸鹽巖地層在低溫高壓條件下，對(duì)地下深部的溶蝕量及其速率進(jìn)行探測(cè)，為較為準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)和理解工程區(qū)內(nèi)的碳酸鹽巖地層深部的溶蝕速率和深部巖溶發(fā)育特征提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。11/16/20221104.3深部條件下的巖溶模擬實(shí)驗(yàn)11/10/2022334.3.1實(shí)驗(yàn)原理11/16/20221114.3.1實(shí)驗(yàn)原理11/10/2022344.3.2低溫高壓滲流條件下的溶蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)：地下水在地下巖層中如果存在滲流過(guò)程，那么，當(dāng)含有CO2的地下水流滲透過(guò)地下碳酸鹽巖地層時(shí)，巖溶過(guò)程就必定發(fā)生。碳酸鹽巖地層中就必然出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象。11/16/20221124.3.2低溫高壓滲流條件下的溶蝕試驗(yàn)11/10/20223實(shí)驗(yàn)在特制的KXS—2005多功能巖石實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，具體的實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)如下：（1）巖溶水按工程區(qū)地表面的水化學(xué)特征進(jìn)行配制。（2）巖芯試件尺寸為直徑50mm，高20mm；（3）巖芯垂向壓力分別為30Mpa，40和50Mpa圖4.3.2.1低溫高壓溶蝕實(shí)驗(yàn)裝置示意圖11/16/2022113實(shí)驗(yàn)在特制的KXS—2005多功能巖石實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，具體的實(shí)實(shí)驗(yàn)揭示出兩個(gè)事實(shí)，即：（1）錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖地層巖塊的透水性極弱，地下水主要通過(guò)地層內(nèi)部的裂隙和溶孔、溶洞或廊道流動(dòng)；（2）工程區(qū)內(nèi)的碳酸鹽巖塊內(nèi)部未能發(fā)生巖溶過(guò)程，地下深部的巖溶作用僅沿著碳酸鹽地層內(nèi)部的次生結(jié)構(gòu)表面和地層層面發(fā)生。11/16/2022114實(shí)驗(yàn)揭示出兩個(gè)事實(shí)，即：11/10/2022374.3.3低溫高壓容腔內(nèi)的溶蝕實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)：碳酸鹽巖地層內(nèi)部的巖溶水在承壓條件下沿著次生結(jié)構(gòu)面或溶隙、溶洞流動(dòng)，那么，具有一定壓力的巖溶水就必然會(huì)對(duì)碳酸鹽巖地層中的裂隙結(jié)構(gòu)和溶隙、溶洞表面產(chǎn)生溶蝕作用。據(jù)此，可以構(gòu)造一個(gè)高壓容腔，將碳酸鹽巖試片放入其空腔內(nèi)，讓容腔內(nèi)承壓巖溶水接觸碳酸鹽巖塊試片的表面去摸擬地下深處碳酸鹽巖層中容隙、溶洞內(nèi)的巖溶過(guò)程。11/16/20221154.3.3低溫高壓容腔內(nèi)的溶蝕實(shí)驗(yàn)11/10/202238圖4.3.3.1耐壓空腔的低溫高壓溶蝕實(shí)驗(yàn)裝置示意圖11/16/2022116圖4.3.3.1耐壓空腔的低溫高壓溶蝕實(shí)驗(yàn)裝置示意圖11/14.4計(jì)算機(jī)圖象分析本法是利用掃描儀將加工好的石樣掃描成為計(jì)算機(jī)圖象，利用合適的算法定義一條曲線，將滲透率已經(jīng)測(cè)定的5個(gè)石樣作為標(biāo)準(zhǔn)曲線，將全部23個(gè)石樣的曲線分為相對(duì)較高、相對(duì)高、相對(duì)中等、相對(duì)低、相對(duì)較低5級(jí)，再與實(shí)測(cè)的滲透系數(shù)比較，驗(yàn)證巖溶分析法的準(zhǔn)確度。11/16/20221174.4計(jì)算機(jī)圖象分析11/10/202240第5章深部巖溶水文錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)內(nèi)的深部巖溶作用能否發(fā)生，其前提條件是該區(qū)域內(nèi)的地層巖石必須是可溶的，否則巖溶作用就無(wú)從發(fā)生；其次是這些可溶性地層中的流水必須具備溶蝕能力，如果水沒(méi)有溶蝕能力，溶蝕作用也會(huì)無(wú)從產(chǎn)生；在具備上述兩個(gè)因素的條件下，還需要巖石具備透水作用，只有當(dāng)水能透過(guò)巖石產(chǎn)生流動(dòng)，巖溶作用才能得以進(jìn)行。因此，錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)內(nèi)深部巖溶作用能夠產(chǎn)生的基礎(chǔ)條件歸納起來(lái)就是以下四個(gè)方面：（1）巖石的可溶性；（2）巖溶水的溶蝕性；（3）巖石的貯水形式與水理性質(zhì)；（4）碳酸鹽巖地層的次生透水性。11/16/2022118第5章深部巖溶水文11/10/2022415.1巖石的可溶性一般來(lái)說(shuō)，巖石的可溶性主要取決于巖石的成分、結(jié)構(gòu)和巖石的構(gòu)造。巖石成分是指巖石中的礦物成分和化學(xué)成分；巖石的結(jié)構(gòu)是指組成巖石的礦物顆粒（或晶粒）大小、形狀和排列方式，以及巖石內(nèi)部礦物顆粒之間的膠結(jié)物性質(zhì)；巖石的構(gòu)造則是指巖石結(jié)構(gòu)的構(gòu)成形式。從巖石的成分上看，基本上可以分為三類(lèi)：（1）碳酸鹽類(lèi)巖石；（2）硫酸鹽類(lèi)巖石；（3）鹵鹽類(lèi)巖石。按照一般規(guī)律，在地球表層，硫酸鹽類(lèi)巖石和鹵鹽類(lèi)巖石分布并不廣泛，僅占25%左右，且體積十分有限。而碳酸鹽類(lèi)巖石分布確很十分廣泛，我國(guó)地表出露的可溶性巖石絕大部分都是碳酸鹽類(lèi)巖石。就錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)內(nèi)分布的可溶性巖石來(lái)看，根據(jù)地質(zhì)勘查，全部為碳酸鹽類(lèi)巖石。11/16/20221195.1巖石的可溶性11/10/2022425.1.1碳酸鹽類(lèi)巖石的類(lèi)型劃分11/16/20221205.1.1碳酸鹽類(lèi)巖石的類(lèi)型劃分11/10/2022435.1.2工程區(qū)碳酸鹽類(lèi)巖石的類(lèi)型及其特征根據(jù)區(qū)域地質(zhì)勘查，錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)內(nèi)出露的碳酸鹽類(lèi)巖石主要為三疊系中統(tǒng)的雜谷腦組（T2Z）、鹽塘組（T2y）和白云組（T2b）三套地層。地層全部為大理巖石。11/16/20221215.1.2工程區(qū)碳酸鹽類(lèi)巖石的類(lèi)型及其特征11/10/25.1.3工程區(qū)碳酸鹽類(lèi)地層的可溶性由實(shí)驗(yàn)顯示，在含有CO2的水溶液中，若令純方解石的溶解度為1，那么隨著巖石中CaO/Mgo比值的增加，其巖石的相對(duì)溶解度也隨之增加，（見(jiàn)圖5.1.3.1）。11/16/20221225.1.3工程區(qū)碳酸鹽類(lèi)地層的可溶性由實(shí)驗(yàn)顯示，在含有C5.2水的溶蝕性自然界中純水的溶蝕力是十分微弱的，只有當(dāng)水中含有CO2時(shí)，水才能對(duì)碳酸鹽類(lèi)巖石產(chǎn)生溶蝕作用。表5.2.2局部氣壓為0.0003大氣壓時(shí)，不同溫度條件下水中的CO2含量及方解石的溶蝕量溫度（T℃）CO2含量（%）方解石CaCO3的溶解度（mg/L）01.181100.7070200.5260300.394911/16/20221235.2水的溶蝕性表5.2.2局部氣壓為0.0003大5.3碳酸鹽巖地層的貯水空間與水理性質(zhì)碳酸鹽巖地層中的空隙是巖溶水的貯存空間，又是巖溶水的流動(dòng)通道。因此，碳酸鹽巖地層中空隙的大小、數(shù)量、均勻程度和連通狀況都直接影響著碳酸鹽巖地層中巖溶水的貯存和運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而直接制約著碳酸巖地層的巖溶發(fā)育進(jìn)程。為了探明工程區(qū)內(nèi)主要碳酸鹽巖地層中的巖溶發(fā)育特征，對(duì)這些地層中的巖溶水貯存空間通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探測(cè)是十分必要的。11/16/20221245.3碳酸鹽巖地層的貯水空間與水理性質(zhì)11/10/20225.3.1主要碳酸鹽巖地層貯水空間的試驗(yàn)與測(cè)量地層內(nèi)的地下水貯存空間試驗(yàn)中主要有對(duì)地層巖塊的天然含水率（W）測(cè)試、吸水率（Wa）

和飽和吸水率（Wsa）測(cè)試。使用的實(shí)驗(yàn)工具和儀器有巖石切割機(jī)、石料車(chē)床、磨床、烘箱、干燥箱、燒杯和千分之一克電子天平。樣品按“水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程”中的具體規(guī)定加工成直徑50mm，高20mm的標(biāo)準(zhǔn)試件后，用磨床將表面磨光，以便于試件表面多于水分的清除，加工后利用千分之一克電子天平稱(chēng)重，然后放入烘箱24小時(shí)后再稱(chēng)重，利用兩次稱(chēng)重的質(zhì)量差算吸水率。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.3.1.1。11/16/20221255.3.1主要碳酸鹽巖地層貯水空間的試驗(yàn)與測(cè)量11/10/5.3.2主要碳酸鹽巖地層的水理性質(zhì)在地下水文的分析研究中，一般都將凡是與水有關(guān)的巖石性質(zhì)，統(tǒng)稱(chēng)為巖石的水理性質(zhì)。因巖石的水理性質(zhì)同地下深部低溫高壓條件下的巖溶作用特征直接相關(guān)，這里將對(duì)錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)內(nèi)主要碳酸鹽巖地層水理性質(zhì)中的容水性、持水性和給水性，以及地層的透水性進(jìn)行分析。11/16/20221265.3.2主要碳酸鹽巖地層的水理性質(zhì)11/10/202245.4碳酸鹽巖石單軸抗壓強(qiáng)度與巖塊密度，孔隙度和容水度的關(guān)系

在探討了錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)碳酸鹽巖地層的貯水形式和水理性質(zhì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測(cè)試地層的單軸抗壓強(qiáng)度（P），對(duì)理解這些地層的的物理力學(xué)現(xiàn)象是必要的。

圖5.4.12006年7月27日高壓水在工程行為配合下壓破巖壁形成涌水11/16/20221275.4碳酸鹽巖石單軸抗壓強(qiáng)度與巖塊密度，孔隙度和容水度的關(guān)5.5低溫高壓條件下的溶蝕速率5.5.1溶蝕速率（C）的推算根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)條件和有關(guān)規(guī)范，溶蝕速率（c）的推算采用該樣品試件（片）的平均值，其基本單位是由侵蝕性高承壓巖溶水經(jīng)6小時(shí)緩慢流過(guò)后，單位碳酸鹽巖石表面產(chǎn)生溶侵蝕量和溶蝕深度。12個(gè)碳酸鹽巖地層樣品的深蝕速率（c）見(jiàn)表5.5.1.1和表5.5.1.2。經(jīng)計(jì)算，錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)碳酸鹽巖地層在溫度10℃的低溫，巖溶水壓為10MPa的環(huán)境條件下，其平均溶蝕速率（c）為21.323mm/千年；水壓為20MPa的環(huán)境條件下，其平均溶蝕速率（c）為20.871mm/千年。11/16/20221285.5低溫高壓條件下的溶蝕速率11/10/2022515.5.2溶蝕速率（c）的檢驗(yàn)（一）“中國(guó)巖溶學(xué)”（地質(zhì)出版社1993.P97）中關(guān)于溶蝕速率計(jì)算公式為：式中：C—溶蝕速度（m3/Km2·a）;M地表、M地下—地表水和地下水的碳酸鹽巖溶蝕模量（mg/L）;R地表、R地下—地表水和地下水的年均徑流深度（dm）; —碳酸鹽巖的平均密度（g/cm3）;n—碳酸鹽巖所占的面積百分比。11/16/20221295.5.2溶蝕速率（c）的檢驗(yàn)11/10/2022525.6工程區(qū)低溫高壓條件下的深部巖溶水文（一）工程區(qū)碳酸鹽巖地層深部的巖溶作用較為微弱。（二）根據(jù)低溫高壓溶蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有關(guān)公式計(jì)算，工程區(qū)地下碳酸鹽巖的溶蝕速率（C）較低，僅為20mm/千年左右。（三）低溫高壓溶蝕實(shí)驗(yàn)顯示，在溫度10℃水壓分別為10Mpa和20Mpa的壓力條件下，溶蝕速率（C）并沒(méi)有顯著的差異。11/16/20221305.6工程區(qū)低溫高壓條件下的深部巖溶水文11/10/202第6章碳酸鹽巖地層透水性圖象研究

本實(shí)驗(yàn)利用掃描儀將23個(gè)加工好的石樣（共33個(gè)樣品，有10個(gè)樣品太大無(wú)法掃描）借助同一臺(tái)明基掃描儀掃描成為計(jì)算機(jī)圖象。將碳酸鹽巖地層透水性巖石樣品掃描后的圖象，直接用本研究團(tuán)隊(duì)自行研發(fā)的ROCK巖樣分析系統(tǒng)生成影象頻譜圖，將滲透率的大小已經(jīng)測(cè)定的5個(gè)石樣作為標(biāo)準(zhǔn)曲線系，由此展開(kāi)對(duì)全部23個(gè)石樣的頻譜圖曲線進(jìn)行滲透特征鑒定，在此基礎(chǔ)上，再與實(shí)測(cè)的滲透系數(shù)比較，即可驗(yàn)證巖溶分析法的準(zhǔn)確度。11/16/2022131第6章碳酸鹽巖地層透水性圖象研究

本6.1碳酸鹽巖地層透水性圖象頻譜圖算法在ROCK巖樣分析系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程中,選擇合適的算法是非常重要的。掃描圖像中的象素的灰度值不一定是連續(xù)變化的，而有可能是臺(tái)階式躍升的。比如在水滴、打磨時(shí)形成的破損處周?chē)笏鼗叶戎刀际擒S升式的。這些躍升的灰度值可能導(dǎo)致曲線失真。為了防止這些反常躍升的象素點(diǎn)對(duì)曲線進(jìn)行干擾，一方面可以采取提高加工精度，將巖石樣品打磨的更光滑，另一方面則需對(duì)打磨后的巖石樣品用烘箱烘干以除去表面水分對(duì)巖石樣品光譜特征的影響，但最重要的方法是利用合適的算法將碳酸鹽巖樣掃描圖象中的反常象素點(diǎn)篩選出來(lái)，并在曲線中將其剔除?；诓煌惴ǖ那€生成策略會(huì)生成不同的曲線，分別代表不同的巖性信息，如古氣候、巖石成分等等。因此，必須從圖象特征的系統(tǒng)分析中選出代表透水性的算法，才可以研發(fā)出ROCK巖樣分析系統(tǒng)，用以獲得碳酸鹽巖透水性的影象頻譜圖（即透水性特征曲線）。11/16/20221326.1碳酸鹽巖地層透水性圖象頻譜圖算法11/10/202256.1.1反常象素點(diǎn)篩選本文運(yùn)用坎尼算子中的信噪比準(zhǔn)則判定圖像中的邊緣檢測(cè)算子，檢驗(yàn)圖像中的信噪比，剔除灰度值反常躍升的象素點(diǎn)。此處信噪比SNR定義為低失誤概率，由此可得，當(dāng)S（i,j）為反常象素點(diǎn)的圖象頻譜值時(shí)，則S（i,j）等于：S（i,j）=|f(i-1,j)+f(i,j-1)+f(I-1,j-1)-[f(i,j+1)+f(i+1,j)+2f(i+1,j+1)]|+|f(i-1,j-1)+f(I+1,j)+f(i+1,j)-[f(i-1,j+1)+f(i,j+1)+f(i,j)]|上式中，F(xiàn)（i,j）表示為反常象素點(diǎn)的圖象頻譜值，f(i-1,j)為反常象素點(diǎn)左側(cè)的象素點(diǎn)頻譜值，f(i+1,j)為反常象素點(diǎn)右側(cè)的象素點(diǎn)頻譜值，f(i-1,j-1)為反常象素點(diǎn)左下側(cè)的象素點(diǎn)頻譜值，f(i-1,j+1)為反常象素點(diǎn)左上側(cè)的象素點(diǎn)頻譜值，f(i+1,j-1)為反常象素點(diǎn)右下側(cè)的象素點(diǎn)頻譜值，f(i+1,j+1)為反常象素點(diǎn)右上側(cè)的象素點(diǎn)頻譜值，f(i,j-1)為反常象素點(diǎn)下側(cè)的象素點(diǎn)頻譜值，f(i,j+1)為反常象素點(diǎn)上側(cè)的象素點(diǎn)頻譜值。11/16/20221336.1.1反常象素點(diǎn)篩選11/10/2022566.1.2曲線生成策略從巖土工程行業(yè)的應(yīng)用情況來(lái)看，利用滿足期望的象素點(diǎn)信息神經(jīng)元的集合可以進(jìn)行巖體不連續(xù)面分析方法研究，利用具備特定映射關(guān)系的正弦曲線可以進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)面的研究。因?yàn)楸疚牟杉膸r石樣品多來(lái)自巖體結(jié)構(gòu)面與不連續(xù)面，所以利用有窮自動(dòng)機(jī)模型作為曲線的生成策略，定義第i個(gè)圖象象素點(diǎn)個(gè)體對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)對(duì)第p個(gè)同類(lèi)象素信息色譜樣本引起的映射誤差指標(biāo)為：上式的Eip值為映射誤差指標(biāo)，其中，C表示象素點(diǎn)信息神經(jīng)元的集合，和分別表示輸出象素信息單元j對(duì)應(yīng)于第p個(gè)同類(lèi)曲線色譜樣本的期望值和實(shí)際輸出，滿足此映射關(guān)系的象素點(diǎn)顏色值進(jìn)入自動(dòng)機(jī)，反之則剔除。在以上算法的基礎(chǔ)上，可以建立一種輸入和輸出都具有一一映射關(guān)系的具有空動(dòng)作的有窮自動(dòng)機(jī)系統(tǒng)用來(lái)建立一條曲線。11/16/20221346.1.2曲線生成策略11/10/2022576.2碳酸鹽巖地層透水性的圖象特征碳酸鹽巖石一般都具備一定的透水性，只是由于密度、孔隙度等的不同而導(dǎo)致透水性的大小存在著差異。按照傳統(tǒng)的巖樣成分分析的計(jì)算機(jī)研究方法，在利用適當(dāng)?shù)膱D象透鏡去掉一部分圖象信息后，巖樣中相對(duì)密度大、孔隙度小的部分會(huì)顯示出來(lái)（見(jiàn)表6.2-1），由此可以發(fā)現(xiàn)本次研究使用的巖石樣品的透水性普遍比較小。11/16/20221356.2碳酸鹽巖地層透水性的圖象特征11/10/20225811/16/202213611/10/20225911/16/202213711/10/2022606.3碳酸鹽巖地層透水性曲線的變化規(guī)律在表6.2基礎(chǔ)上，將5級(jí)透水性頻譜圖變化規(guī)律總結(jié)如下：相對(duì)較高：曲線左側(cè)起始部分偏高，第2周期開(kāi)始出現(xiàn)密集段，第3周期有2個(gè)密集段，各周期最大值基本一致，右側(cè)值偏低。相對(duì)高：曲線左側(cè)起始部分由中部開(kāi)始，第3周期中部開(kāi)始出現(xiàn)密集段，第4周期有1個(gè)密集段，各周期最大值基本一致，右側(cè)值偏低。相對(duì)中等：曲線左側(cè)起始部分由中部開(kāi)始，第3周期末開(kāi)始出現(xiàn)密集段，第4周期有1個(gè)密集段，各周期最大值不一致，右側(cè)值偏中。相對(duì)低：