0 引言

凡口铅锌矿是中国著名岩溶大水矿山，隐伏岩溶发育。矿山复杂的水文地质条件使矿山开拓早期发生多次突水、涌泥、地面塌陷和河水倒灌等灾害，不仅危害开采区的安全生产，也对当地生态环境造成了极大的破坏。为了维持矿山正常开釆，每年需投入数百万元进行恢复治理。针对矿区严峻的环境水文地质问题，本文开展隐伏岩溶管道流的径流特征研究，研究成果有助于深入了解岩溶地下水系统、有效管理地下水资源，可为环境保护、资源管理和工程建设提供科学依据。

隐伏岩溶通道的探查，首先应根据地质、水文条件在宏观上圈出可能的通道范围，然后利用物探、钻探、示踪试验等综合手段，逐步缩小异常区范围，最终实现对涌水通道的探测（杨荣丰，2006）。前人对比了地质雷达、红外线技术、瞬变电磁法、激发极化法等探测方法对涌水通道探测的优缺点，认为应根据水文地质环境、地形地貌特征和岩溶发育特征等因素采用多种综合方法对涌水通道进行探测。根据碳酸盐类岩石的岩性、地貌特征、地下水的动态特征、地质构造特征和水动力条件、地面塌陷和陷落柱的分布规律、水文地球物理勘探方法、水文地球化学勘探方法分析确定厚层灰岩强径流带（李利平，2009）。示踪试验常用来探寻地下河连通性及概化岩溶管道结构特征，揭示暗河的展布规律（杨立铮和刘俊业，1979；梅正星，1988a，1988b，1988c）；根据浓度与时间的关系可以计算渗流速度、平均流速、流量等（梅正星等，1986；刘树林等， 2015；雷媛媛等，2023）；通过示踪剂回收曲线，可确定岩溶管道结构特征、分析路径是否单一（陈余道等，2013；赵一等，2017；赵骏等，2020；陈亚洲和董维红，2022），计算地下水资源量（束龙仓等，2008； 田娟等，2013），研究岩溶水的污染治理（朱学愚等， 1997）。前人在基流期和降水条件下对苍蒲凹地下河实施了多源示踪试验，表明苍蒲凹地下河为多源单汇型地下河，据此建立了苍蒲凹地下河管道结构的概念模型（耿新新等，2022）；利用示踪试验、泉水位动态观测等方法揭示济南岩溶泉域发育不均、具多重性，奥陶系灰岩与寒武系灰岩的岩溶更发育 （邢立亭等，2017）。

以往的研究工作多集中于裸露型岩溶地貌，岩溶管道发育于侵蚀基础面以上，且有相对明确的出入口，其空间分布、形态及径流特征的探寻相对容易；而对于埋藏型岩溶地区，岩溶管道深埋于地下、出入口不明确，且岩溶空间内多充满水或充填物，地下水径流速度缓慢，大幅增加了隐伏岩溶管道探查的难度，相关的报道亦鲜有发表。凡口铅锌矿山经过几十年的生产实践，先后通过地质调查、物探、钻探、示踪试验、帷幕注浆等手段，实现了对岩溶管道的探测与封堵。本文以地质构造为核心，分析岩溶管道的形成及构造对其空间展布的控制作用，结合钻探、地面塌陷、示踪试验等多种方法，分析验证凡口铅锌矿隐伏岩溶管道的空间分布及径流特征，有助于更好地了解岩溶地下水系统，从而为矿山工程的设计、施工和维护提供指导，减小地下水对工程的不利影响。

1 研究区背景

凡口铅锌矿山位于广东省韶关市仁化县董塘镇，距离韶关市约 48 km。地理坐标位置为 113°37′31″～113°38′24″E，25°05′59″～25°07′14″N。属亚热带季风气候，雨量充沛。年平均降水量 1620.5 mm，雨水集中在 3—7 月份，占全年降水量 63.2%～70.9%。

区内地势平坦，广泛沉积上古生界—中生界浅海相碳酸岩和碎屑岩（图1）。其中中泥盆统东岗岭组（D₂d）与上泥盆统天子岭组（D₃t）、中—上石炭统壶天群（C₂₊₃ht）与下石炭统孟公坳组（C₁ym）为主要碳酸岩层位。东岗岭组以深灰色白云岩、白云质灰岩夹粉砂岩为主，厚 90～150 m，倾向 140°，倾角 18°；天子岭组以圆状核形石灰岩夹鲕粒灰岩、条带瘤状灰岩、花斑灰岩为主，厚度 185～323 m，倾向 145°，倾角17°；孟公坳组以深灰色厚层隐晶质灰岩、泥炭质灰岩夹页岩、粉砂岩为主；壶天群以微肉红色、浅灰色白云质灰岩、白云岩为主，广泛隐伏于第四纪冲洪积层之下，厚度 400～500 m，倾向 192°，倾角21°。

研究区位于区域水文地质单元的径流-排泄区，接受大气降雨的入渗补给及盆地边缘山区的径向径流补给。壶天群溶洞裂隙含水层为区内主要含水层，含溶洞裂隙水，富水性强，钻孔单位涌水量 0.66～3.48 L/（s·m）。岩溶强烈发育，标高 10 m 以上，钻孔线岩溶率 5. 00%～13.88%。天然条件下，地下水由西南向东南径流，以泉的形式排泄至河流；开采条件下，地下水集中向矿坑径流，以人工抽排的形式排泄至地表河流。

研究区受北西向逆冲断裂 F203、F202 影响，断裂带上盘（东侧）大幅抬升，中泥盆统东岗岭组逆冲推覆至上泥盆统天子岭组之上，断距大于400 m（图2）。断裂F203走向南西，倾向北东，倾角39º～45º。断裂带宽0. 05～10. 0 m，由上下盘撕裂下来的灰岩、白云质灰岩角砾或泥炭质组成。断裂带下盘处于相对低能、弱还原沉积环境，地质作用相对平稳；上盘处于高能沉积环境，构造应力活动频繁，次级构造发育，为研究区的主要成矿带。如北北东向断层 F1、 F2、F3、F4、F5、F6，为研究区主要的控矿与成矿构造。

断裂带上盘构造活动强烈，常伴随着强烈的水平挤压，形成弓形或波状的褶皱。凡口向斜走向北西，核部出露二叠系，两翼出露中—上石炭统壶天群。东北翼稍缓，倾角 20°～28°；西南翼稍陡，倾角 23°～34°。受北西向逆冲断裂影响，凡口向斜向西侧抬升，向东南方向倾伏。在其两翼，尤其是扬起端附近出现大量的次级褶皱，如狮岭背斜、金星岭背斜、铁石岭背斜、贵湖背斜等（图3）。在背斜轴部，岩石的层理和节理方向受到构造应力的作用而发生变化，形成了有利于地下水渗透的条件。当地下水在背斜轴部流动时，很容易沿着这些薄弱面渗透，从而形成岩溶管道。

2 隐伏岩溶管道的形成机理

2.1 形成条件

岩溶管道的形成主要受碳酸盐岩的溶解作用。在水的极性分子电荷和电势力学条件作用下，碳酸盐矿物晶格中的离子脱离原来的位置向水中转移，形成空洞（杨荣丰，2006）。空洞的规模可以从细小的溶孔到巨大的溶洞，彼此相连形成单独的岩溶管道或似格架状的岩溶体。这些管道通常呈现出分支状、树冠状或网状的形态，因此被称为树枝状岩溶管道。研究区内分布大量壶天群白云岩、白云质灰岩，质纯且厚度接近500 m，当地下水在可溶性岩层中流动时，水中的二氧化碳会与岩石中的钙、镁等离子发生化学反应，形成溶解物质，使得岩石不断被侵蚀和溶蚀。随着时间的推移，这些微小的裂隙和洞穴逐渐扩大和连通，形成了大小不一、形态各异的树枝状岩溶管道。特点如下：

（1）分支状形态：树枝状岩溶管道呈现出分支状的形态，主干与分支之间有明显的分界线，整体形态类似于树冠或蜘蛛网。

（2）不规则性：由于地下水的流动和岩石的性质具有不确定性，因此树枝状岩溶管道的形态和大小具有很大的不规则性。不同地点、不同时间的岩溶管道形态可能存在较大的差异。

（3）多层性：在碳酸盐岩地区，树枝状岩溶管道通常出现在不同的高度和深度上，形成多个层次。不同层次的管道之间可能存在相互连通的情况。

（4）发育时间较长：树枝状岩溶管道的形成需要较长的时间，通常需要数十年甚至数百年的时间才能形成较为完整的网络系统。

2.2 控制因素

岩溶管道的形成和发育受多种因素的影响，如地层岩性、水文特征、地质构造、覆盖条件、时间等，这些因素相互作用，共同影响岩溶管道的形成。其中，地质构造是影响岩溶管道发育的主要因素，不仅控制着岩溶管道发育的方向，而且还影响着岩溶管道发育的规模和大小（莫美仙，2017；马剑飞等， 2022；章爱卫和杨彤飞，2023）。

北西向逆冲断裂F203使断裂带上盘向上推移，覆盖于原始地层之上。断裂带上盘的脆性白云岩在拉伸和剪切应力的作用下，发生变形和破裂，形成张性裂隙。随着时间的推移，裂隙在风化作用下进一步扩大，而侵蚀作用则会使裂隙更深更宽，最终这些裂隙相互连接，形成复杂的网络系统。而在背斜轴部，应力相对集中。轴部的扭曲力会产生剪切应力，导致背斜剪切变形；弯曲部分产生的弯曲应力，使背斜的内部产生向外的张力。因此，背斜轴部是裂隙发育的集中区域之一，为地下水渗透、径流、储存提供了有利的条件。天然条件下，地下水沿着背斜轴部向上流动，形成一条或几条主流，这些主流通常会汇聚于背斜轴部的中心部位，流速大、水动力作用活跃，岩溶化程度强烈，促进了岩溶管道的形成。而在开采条件下，矿坑排水加大了地下水水力梯度，使流速加快，溶蚀作用增强，进一步扩大了裂隙，从而加速了岩溶管道的形成。

此外，构造还控制着岩溶管道的形态。如断层和节理的产生，可以改变地下水的流动路径和方向，从而影响岩溶管道的形成，还可以使原有的岩溶管道发生改变或重新组合。在背斜构造中，岩层向上拱起，岩溶管道通常呈现出向上拱起的形态； 而在向斜构造中，岩溶管道则呈现出向下凹陷的形态。地下水在轴部汇聚并形成岩溶管道，从而使其具有与构造轴线一致的带状分布特征。

3 隐伏岩溶管道的空间分布

研究区地表岩溶不发育，可溶性碳酸盐岩基本隐伏于第四系之下，因此，从地表圈定岩溶管道的可能性小，需要采用一系列间接方法来识别。如地球物理、地质钻探、地表形变监测、地下水水位监测、示踪试验等。识别过程中，需要将这些方法结合起来，形成一个多层次、多角度的分析体系，以提高对岩溶管道空间分布特征的理解。本文拟以地质构造理论为基础，地表形变为切入点，结合钻孔岩溶分布，大致圈定岩溶管道的分布，而后通过工程验证与示踪试验，最终实现对岩溶管道的精准控制。

3.1 平面分布特征

地面塌陷的形成与隐伏岩溶管道之间存在紧密的关系。由于隐伏岩溶管道的存在，导致地下土层逐渐溶解和流失。当管道扩张或者岩溶活动增强时，地下土层可能无法支撑地表的重量，导致土层坍塌，形成地面塌陷。受矿坑疏干排水影响，研究区岩溶地面塌陷频发。矿山疏干排水引发的岩溶地面塌陷近 3500处，波及范围达 7.42 km²。塌陷平面形态以圆形为主，其次为椭圆形；空间形态以圆锥形、锅底型为主，其次为圆柱形；直径一般小于 10 m，深度一般小于 5 m。根据岩溶地面塌陷分布图（图4）：主要塌陷区位于富屋南背斜及狮岭背斜发育地段，塌陷主要发育方向以北西、近东西向为主。此外，钻孔直观地揭露了溶洞的发育和分布特征，通过对一定区域内钻孔岩溶率的对比分析，可以初步判断岩溶活动的程度和岩溶管道的分布。统计分析研究区钻孔分层数据，绘制壶天群底板标高等值线，叠加构造及钻孔岩溶率等值线（图5），可以看出：背斜是岩溶发育相对集中的部位，岩溶带走向与背斜轴向基本一致，以北西、近东西向为主。如富屋南背斜发育一条近东西向岩溶带，长约1440 m，宽约545 m；贵湖背斜发育一条北西向的岩溶带，走向约 315°，长约 2700 m，宽约 500 m。由此可见，背斜发育地段，裂隙相对集中，岩溶化程度强烈，地下水径流畅通，岩溶管道相对发育。

帷幕施工期间，钻探、井下工程揭露2条隐伏岩溶管道，分别位于研究区东部和南部，方向以近东西、北西向为主。东部岩溶管道东起东部塌陷点，经凡口河塌陷点、钻孔 ZK151、钻孔 ZK70 及新南截流巷，西至老南截流巷，控制长度约1092 m；南部岩溶管道南起西部塌陷点，向西北径流至 210SK01、 208SK01，后转向东北至狮岭南截流巷。长度约 783 m。为进一步求证岩溶管道的空间展布，采用多源示踪方法，于东部、南部、西部进行10组示踪试验。示踪方案见表1，试验点分布见图6。试验过程中为查明钻孔中地下水的主要径流带，采用人工间隔2～5 m进行分段检测，待某一深度检测到示踪剂后，将探头固定于该深度进行检测，时间间隔为 5 m。

示踪结果显示：岩溶管道内地下水主要向新南截流巷、狮岭南截流巷径流，表现出复杂的不规则网状结构，并在研究区的东部和南部分别形成了一条明显的集中径流带。岩溶管道总体呈现出树枝状结构，分支和复合现象十分显著（图6）。

东部塌陷点投放示踪剂1 h后，CK109电导率即出现明显上升；2 h后井下 41#硐室同时检测到浓度高达200×10^-9 的荧光增白剂，同时电导率明显上升； 之后 38#硐室出水点也检测到荧光增白剂，L4 出水点电导率明显上升。此后，212FK2、-214SK5 也相继检测到荧光增白剂，L3裂隙出水点未检测到明显示踪剂。根据试验结果，各检测点示踪剂浓度曲线峰型尖锐，浓度高，持续时间短，说明东部塌陷点至 41#硐室出水点间应存在东西向地下水集中径流通道，该通道中的地下水径流迅速，水量巨大。38#硐室及 L4 裂隙出水点均揭露东西向的断层破碎带或裂隙，为东西向地下水集中径流带的支流。此外，西南侧钻孔 212FK2、-214SK5 亦检测到示踪剂，峰值略低、到达时间稍长，说明集中径流带南部亦发育岩溶管道，其规模、径流速度、径流量明显小于集中径流带，可视为集中径流带的支流。由此可见，东西向隐伏岩溶管道并非唯一，呈树枝状，以一条东西向的主干为基础，两侧发育多条交错支流。

西部塌陷点投放示踪剂4 h后，于钻孔208SK01 检测出峰值浓度1.56×10^-9 的罗丹明，6 h后，于钻孔 210SK01检测出峰值浓度 0.72×10^-9 的罗丹明，说明地下水在该处分为两部分，一部分通过 208SK01 岩溶通道进入狮岭南截流巷，另一部分通过 210SK01 岩溶通道进入狮岭南截流巷道，狮岭南出水口检测到深度3.90×10^-9 的罗丹明，示踪剂浓度曲线表现为明显的双峰现象（图7），说明岩溶管道存在明显的分支、复合现象。结合通过两处的峰值浓度分析，通过 208SK01 区域的地下水占主要部分，约占总量的 60%，说明西部塌陷点→208SK01→狮岭南截流巷为主要的岩溶径流通道，210SK01 处为其分支径流通道。

3.2 垂向分布特征

研究区钻孔基本从不同深度揭露了一定数量的溶洞，单个钻孔揭露的溶洞数量在1～19个不等。溶洞呈串珠状不连续分布，层层叠叠，构成立体、复杂的岩溶洞穴系统（图8）。虽然垂向上单个溶洞的高度、发育标高异性较大，不同钻孔之间溶洞的连续性较差，未能形成明显的径流通道，但由于岩溶网状裂隙系统发育，溶洞之间水力联系强，构成统一的岩溶地下水系统。矿坑疏干排水及地下水位的季节性变动，促使地下水垂向径流速度加快，从而加速了岩溶管道在垂直方向上的扩张与形成。

经钻孔工程控制，岩溶管道一般发育深度60～85 m，高 1.5～3. 0 m，管道内充填物基本随水流失，多呈空洞。如富屋南背斜岩溶管道，发育深度80～84 m，宽约 2.4 m，高 1～4 m。钻孔揭露情况详见表2。

4 隐伏岩溶管道流的径流特征

隐伏岩溶管道流是指运动于埋藏型岩溶地下管道中的水流，是可溶性岩石和水文循环的产物。受岩性、构造、地貌、水文等因素的制约，隐伏岩溶管道流相对复杂、特殊。既具多元结构又分布不均匀，同时含有地下水流与地表水流的特性，而且还将随着时间的变化不断地发生演变和交替（王腊春等，1995）。岩溶管道内，地下水径流通畅，雨后管道水位迅速上涨，流量急剧增加，其水文过程与坡面流基本相似，一般呈三角形，与降雨过程具有良好的同步性，径流过程短、涨落迅速是此时管道流的最大的特点（杨荣丰，2006）。

4.1 水位动态响应灵敏

岩溶管道内，地下水急速涨落，监测孔水位动态具有显著的季节性变化特征。通过对降水量与水位的相关性分析，计算了各监测井降水量与水位间的相关系数，40 口监测井相关系数介于 0.10~0.83。其中，高度（r≥0.8）、中度（0.5<r≤0.8）、低度 （0.3<r≤0.5）和非相关（r<0.3）的监测点个数分别为 2个、25个、7个和6个，说明区内大部分监测位置地下水对降雨具有较好的响应（图9）。总体上，岩溶管道径流系统内，监测点水位与降水量相关系数较高。此外，多孔抽水试验显示：主孔抽水 1 h 后，方圆600 m范围内的各观测孔水位均呈现不同幅度的下降，由此可见，岩溶管道内，地下水动态变化响应及时、灵敏。

4.2 径流速度快

岩溶管道内，径流通道宽敞，水流的阻力相对较小，从而使岩溶管道流的流速较快。示踪试验证实：东部塌陷点与 41#硐室距离 1092 m，2 h 检测到示踪剂，推算地下水径流速度 546 m/h；南部塌陷点至狮岭南截流巷，长度约 783 m，径流速度 35.6～186 m/h。

4.3 径流量大

岩溶管道内的溶洞与通道能够有效地收集和导流地下水，通常表现出较高的径流量。帷幕施工期，-40 m 中段新南截流巷的涌水量 16000～25000 m³ /d，雨季流量在旱季的基础上增大约50%，涌水溃入巷道，部分水点浑浊。岩溶管道经封堵后，-40 m 中段平均排水量由 16952 m³ /d 减至 7801 m³ /d，说明东部岩溶管道径流量为9151 m³ /d。

5 结论

隐伏岩溶管道的空间分布和径流特征是一个复杂而多层次的系统，受多种地质和水文因素的影响。多源示踪试验结合研究区钻孔、地质、水文资料等可较为准确反映隐伏岩溶管道的分布和径流特征，从而为工程建设、地下水资源可持续利用、环境保护提供科学的依据。

（1）隐伏岩溶管道基本发育于逆冲断裂F203的上盘，构造控制作用明显。尤其是背斜轴部，为裂隙发育、地下水活动的集中区域，岩溶管道沿构造轴线发育。

（2）岩溶管道的分布范围与岩溶强烈发育区范围一致，与岩溶发育程度呈正相关关系；背斜轴部岩溶管道发育，方向以近东西向、北西向为主；岩溶管道内，地下水径流通畅、水位变化频繁，地面塌陷频发。

（3）研究区主要存在2处隐伏岩溶径流通道，多源示踪试验证实岩溶管道呈树枝状，集中径流带两侧交错发育低角度支流，存在明显的分支、复合现象。

（4）岩溶管道内，地下水动态变化响应及时、灵敏，地下水径流速度186～546 m/h，东部岩溶管道径流量9151 m³ /d。

参考文献