博士答辯深部巖溶水文學的模擬實驗研究課件

SWUswu答辯地點:西南大學地理科學學院歡迎各位專家!7/29/20231深部巖溶水文學的模擬實驗研究2008.5.17——以錦屏二級水電站工程區(qū)碳酸鹽巖地層的研究為例自然地理學指導教師況明生教授博士研究生匡鴻海7/29/20232請各位專家在答辯結束后將答辯記錄本交答辯委員會秘書統(tǒng)一保存，謝謝您的支持！7/29/20233第1章緒論1.1選題背景和意義1.1.1選題背景我國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，缺少相應的實驗手段，目前尚無系統(tǒng)研究。深部巖溶研究由于難于直接觀測，取樣困難，如無相應的鉆探設備與隧洞施工，就很難獲得巖溶研究所必須的巖石樣品。

7/29/202341.2錦屏二級水電工程

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1571公里，落差達3830米，其水電技術可開發(fā)容量達2856萬千瓦，占四川省水電能力的四分之一。錦屏二級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個梯級電站中的骨干水電站,是實施“西電東送”和“川電外送”戰(zhàn)略的關鍵性工程之一，是雅礱江上裝機規(guī)模最大的水電站,工程總投資近三百億元人民幣、總裝機四百八十萬千瓦。7/29/20235圖1.2.1雅礱江流域梯級開發(fā)示意圖7/29/20236圖1.2.2雅礱江流域圖

7/29/20237水電站建成后的情景圖

7/29/20238錦屏地區(qū)高山峽谷地貌照像

7/29/20239圖1.2.4錦屏二級水電站位置示意圖

7/29/2023101.3引水隧道建設的必要性

雅礱江卡拉至江口河段長412KM,天然落差930米,該河段可供開發(fā)水電裝機容量約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，約150公里,平均落差較小,如果直接攔河筑壩,就必然導致淹沒區(qū)較大，投產后日常管理困難。為了利用大河灣地區(qū)的水力資源，采取人工截彎取直、開挖隧洞的方式進行引水發(fā)電，可以達到減小淹沒區(qū)與提高發(fā)電效率的目的。7/29/202311圖1.3.1錦屏二級水電站所處的大河灣地區(qū)略圖7/29/2023121.4工程區(qū)深部巖溶水文學研究的必要地下含水層及其水文特征對隧道施工和安全生產具有決定性影響。錦屏二級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,地層透水性的不同導致地層間的水壓差異很大，對施工和生產安全構成很大威脅。因此,開展深部巖溶研究，查清當?shù)靥妓猁}巖地層巖溶水文性質是非常必要的，也是可以帶來巨大社會效益與經濟效益的。7/29/2023131.5研究的內容與目標本文將圍繞工程區(qū)內（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展開實驗研究，主要的研究目標就是要查明錦屏二級水電站工程區(qū)內的深部巖層（低溫高壓條件下）的巖溶水文特征，分析預測中高強度透水性巖層和含水孔穴的分布規(guī)律，對隧道附近地下水的運移狀況作出符合實驗結論和理論根據的預測。7/29/2023141.6研究的技術方案本文利用工程設計單位提供的巖石樣品進行深部巖溶水文學的模擬實驗研究，巖石樣品的掃描圖象借助計算機處理技術對深部巖溶水文特征進行分析驗證，實驗研究結論利用工程設計單位的輔助洞勘探結果進行校準。7/29/202315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研究對象進行標記的微量分析方法。在同位素示蹤法的研究實踐中，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，可以標記出含有同位素的標記化合物分布的位置、數(shù)量及其轉變等等。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)點在于可以搞清楚某一個區(qū)域內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測地下含水孔穴位置和孔徑。7/29/2023162.2雷達探測法雷達探測法是利用探地雷達等較新的地球物理探測手段，用寬頻的電磁波，以脈沖形式來探測地表之下或確定的不可視物體的內部結構。雷達探測法是一種重要的地下水與地下洞穴的探測方法。目前國際上最先進的單個民用超聲波雷達已可探測50個平方公里地表以下15米以內的孔穴。國外的水電工程建設常常使用合成孔徑雷達（SAR）探測地下含水孔穴。本方法的優(yōu)勢是可以利用多個雷達組成雷達陣列，定量探測地下孔穴的體積、分布位置與含水量，劣勢是設備成本過高。

7/29/2023172.3超前探洞法

超前探洞法是國內外隧道工程中常用的地下水探測方法，它利用在隧道主洞掘進面前開挖1或2公里長的超前探洞，一旦挖穿含水層，主洞有足夠的預警時間采取措施。本方法的優(yōu)勢是技術門檻很低，資金投入少，適合工程單位采用；劣勢是不能從根本上解決問題。錦屏二級水電站工程區(qū)目前采用了本方法。

7/29/2023182.4爆炸回聲法爆炸回聲法是采用定向爆炸的方法，利用巖層中人工開挖的具備一定方向性的孔穴放置炸藥，監(jiān)聽爆炸產生的聲波穿越孔穴、含水層等介質產生的回音時間差來判定孔穴、含水層的分布。本方法的優(yōu)點是可以定量計算孔穴體積，缺點是爆炸技術門檻太高。7/29/2023192.5圖象分析法

計算機圖象分析法是地層透水性研究中由本項研究開發(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。對這些曲線所代表的物理化學性質進行解釋，可以得到諸如巖石透水性、古氣候變化的等等信息。該方法的優(yōu)點是可以事先預測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），缺點是難以確定孔穴的孔徑。目前在錦屏二級水電站施工掘進面上收集了豐富的巖石樣本，經掃描后為本方法的實施奠定了堅實的基礎。7/29/2023202.6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，要作好遭遇孔徑為R的含水孔穴的事先準備。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。

7/29/2023212.7有限元分析法工程設計中可以根據地下工程區(qū)巖土地層的力學承載部位,在設計的地下隧洞中布置控制網，應用彈塑性有限元分析法分析引水隧洞開挖及治護過程中主要的巖層透水性造成的力學承載部位的變形規(guī)律與特征、應力分布及變化規(guī)律、塑性區(qū)范圍，從而可以通過比較分析去獲得不同滲控方案，并由此實現(xiàn)對隧洞圍巖和襯砌工狀的最優(yōu)方案。

7/29/202322第3章錦屏地區(qū)自然概況

3.1地形地貌錦屏二級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)所見的地表景觀，經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)自中生代白堊紀末期的四川運動以來，在區(qū)域構造的控制下地殼發(fā)生大幅度的均衡抬升，與此同時，在河流的強烈侵蝕切割作用下，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。7/29/2023233.2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環(huán)流和西南季風影響。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。7/29/2023243.3地質基礎錦屏二級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，地殼構造復雜，地層出露較為齊全。在工程區(qū)內，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挖的兩條5km長的地質勘探輔助洞，這在我國水電勘測史上是前所未有的，為搞清楚當?shù)氐刭|情況提供了優(yōu)越的條件。7/29/2023253.3.1地質背景

錦屏地區(qū)位于青藏高原向四川盆地過渡的斜坡地帶，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)內碳酸鹽類地層廣泛分布，約占70%─80％，其中以三迭系中上統(tǒng)碳酸鹽巖地層為主。7/29/202326圖3.3.1.1當?shù)睾娇照掌臄z的巖層、褶皺與山脈走向7/29/2023273.3.2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%。7/29/2023283.3.3地質構造錦屏二級水電站工程區(qū)在大地構造上處于松潘甘孜地槽褶皺帶的東南部，受NWW～SEE向主應力場的控制，形成規(guī)模較大的軸向NNE的、向S傾伏的復式緊密褶皺以及走向為NNE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)內地層陡傾，其地質構造的展布方向與主構造線基本一致(見圖3.4.2.2)。7/29/202329圖3.4.2.2錦屏二級水電站工程區(qū)地質圖7/29/202330第4章樣品采集與實驗方法4.1樣品采集與試件制作根據錦屏二級水電站工程區(qū)的地質構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，本次實驗分兩次采集了共12個樣品，33塊巖石，均全部采于上述三套地層內7/29/2023314.2實驗方法由于隧道施工安全性要求很高,對本文成果的精確度有比較高的要求。為了確保研究結果的準確度,決定采用多種方法并用,相互驗證分析，最后與工程區(qū)試掘的5公里小探洞掘進結果比較的技術路線。所以，本文采用巖溶水文模擬實驗法（巖溶分析法）、計算機圖象分析法2種方法作為主要技術方法。7/29/2023324.3深部條件下的巖溶模擬實驗根據錦屏二級水電站工程區(qū)內的巖溶發(fā)育特點和電站工程建設的需要，對工程區(qū)內的碳酸鹽巖地層在低溫高壓條件下，對地下深部的溶蝕量及其速率進行探測，為較為準確地認識和理解工程區(qū)內的碳酸鹽巖地層深部的溶蝕速率和深部巖溶發(fā)育特征提供實驗依據和基礎數(shù)據。7/29/2023334.3.1實驗原理7/29/2023344.3.2低溫高壓滲流條件下的溶蝕試驗設計依據：地下水在地下巖層中如果存在滲流過程，那么，當含有CO2的地下水流滲透過地下碳酸鹽巖地層時，巖溶過程就必定發(fā)生。碳酸鹽巖地層中就必然出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象。7/29/202335實驗在特制的KXS—2005多功能巖石實驗機上進行，具體的實驗條件和參數(shù)如下：（1）巖溶水按工程區(qū)地表面的水化學特征進行配制。（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低溫高壓溶蝕實驗裝置示意圖7/29/202336實驗揭示出兩個事實，即：（1）錦屏二級水電站工程區(qū)內碳酸鹽巖地層巖塊的透水性極弱，地下水主要通過地層內部的裂隙和溶孔、溶洞或廊道流動；（2）工程區(qū)內的碳酸鹽巖塊內部未能發(fā)生巖溶過程，地下深部的巖溶作用僅沿著碳酸鹽地層內部的次生結構表面和地層層面發(fā)生。7/29/2023374.3.3低溫高壓容腔內的溶蝕實驗設計依據：碳酸鹽巖地層內部的巖溶水在承壓條件下沿著次生結構面或溶隙、溶洞流動，那么，具有一定壓力的巖溶水就必然會對碳酸鹽巖地層中的裂隙結構和溶隙、溶洞表面產生溶蝕作用。據此，可以構造一個高壓容腔，將碳酸鹽巖試片放入其空腔內，讓容腔內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、溶洞內的巖溶過程。7/29/202338圖4.3.3.1耐壓空腔的低溫高壓溶蝕實驗裝置示意圖7/29/2023394.4計算機圖象分析本法是利用掃描儀將加工好的石樣掃描成為計算機圖象，利用合適的算法定義一條曲線，將滲透率已經測定的5個石樣作為標準曲線，將全部23個石樣的曲線分為相對較高、相對高、相對中等、相對低、相對較低5級，再與實測的滲透系數(shù)比較，驗證巖溶分析法的準確度。7/29/202340第5章深部巖溶水文錦屏二級水電站工程區(qū)內的深部巖溶作用能否發(fā)生，其前提條件是該區(qū)域內的地層巖石必須是可溶的，否則巖溶作用就無從發(fā)生；其次是這些可溶性地層中的流水必須具備溶蝕能力，如果水沒有溶蝕能力，溶蝕作用也會無從產生；在具備上述兩個因素的條件下，還需要巖石具備透水作用，只有當水能透過巖石產生流動，巖溶作用才能得以進行。因此，錦屏二級水電站工程區(qū)內深部巖溶作用能夠產生的基礎條件歸納起來就是以下四個方面：（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；（4）碳酸鹽巖地層的次生透水性。7/29/2023415.1巖石的可溶性一般來說，巖石的可溶性主要取決于巖石的成分、結構和巖石的構造。巖石成分是指巖石中的礦物成分和化學成分；巖石的結構是指組成巖石的礦物顆粒（或晶粒）大小、形狀和排列方式，以及巖石內部礦物顆粒之間的膠結物性質；巖石的構造則是指巖石結構的構成形式。從巖石的成分上看，基本上可以分為三類：（1）碳酸鹽類巖石；（2）硫酸鹽類巖石；（3）鹵鹽類巖石。按照一般規(guī)律，在地球表層，硫酸鹽類巖石和鹵鹽類巖石分布并不廣泛，僅占25%左右，且體積十分有限。而碳酸鹽類巖石分布確很十分廣泛，我國地表出露的可溶性巖石絕大部分都是碳酸鹽類巖石。就錦屏二級水電站工程區(qū)內分布的可溶性巖石來看，根據地質勘查，全部為碳酸鹽類巖石。7/29/2023425.1.1碳酸鹽類巖石的類型劃分7/29/2023435.1.2工程區(qū)碳酸鹽類巖石的類型及其特征根據區(qū)域地質勘查，錦屏二級水電站工程區(qū)內出露的碳酸鹽類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。7/29/2023445.1.3工程區(qū)碳酸鹽類地層的可溶性由實驗顯示，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，其巖石的相對溶解度也隨之增加，（見圖5.1.3.1）。7/29/2023455.2水的溶蝕性自然界中純水的溶蝕力是十分微弱的，只有當水中含有CO2時，水才能對碳酸鹽類巖石產生溶蝕作用。表5.2.2局部氣壓為0.0003大氣壓時，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）01.181100.7070200.5260300.39497/29/2023465.3碳酸鹽巖地層的貯水空間與水理性質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動，進而直接制約著碳酸巖地層的巖溶發(fā)育進程。為了探明工程區(qū)內主要碳酸鹽巖地層中的巖溶發(fā)育特征，對這些地層中的巖溶水貯存空間通過實驗進行探測是十分必要的。7/29/2023475.3.1主要碳酸鹽巖地層貯水空間的試驗與測量地層內的地下水貯存空間試驗中主要有對地層巖塊的天然含水率（W）測試、吸水率（Wa）

和飽和吸水率（Wsa）測試。使用的實驗工具和儀器有巖石切割機、石料車床、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規(guī)程”中的具體規(guī)定加工成直徑50mm，高20mm的標準試件后，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重，然后放入烘箱24小時后再稱重，利用兩次稱重的質量差算吸水率。試驗結果見表5.3.1.1。7/29/2023485.3.2主要碳酸鹽巖地層的水理性質在地下水文的分析研究中，一般都將凡是與水有關的巖石性質，統(tǒng)稱為巖石的水理性質。因巖石的水理性質同地下深部低溫高壓條件下的巖溶作用特征直接相關，這里將對錦屏二級水電站工程區(qū)內主要碳酸鹽巖地層水理性質中的容水性、持水性和給水性，以及地層的透水性進行分析。7/29/2023495.4碳酸鹽巖石單軸抗壓強度與巖塊密度，孔隙度和容水度的關系

在探討了錦屏二級水電站工程區(qū)碳酸鹽巖地層的貯水形式和水理性質的基礎上，進一步測試地層的單軸抗壓強度（P），對理解這些地層的的物理力學現(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7/29/2023505.5低溫高壓條件下的溶蝕速率5.5.1溶蝕速率（C）的推算根據本次實驗條件和有關規(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6小時緩慢流過后，單位碳酸鹽巖石表面產生溶侵蝕量和溶蝕深度。12個碳酸鹽巖地層樣品的深蝕速率（c）見表5.5.1.1和表5.5.1.2。經計算，錦屏二級水電站工程區(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。7/29/2023515.5.2溶蝕速率（c）的檢驗（一）“中國巖溶學”（地質出版社1993.P97）中關于溶蝕速率計算公式為：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。7/29/2023525.6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）根據低溫高壓溶蝕實驗結果和有關公式計算，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）低溫高壓溶蝕實驗顯示，在溫度10℃水壓分別為10Mpa和20Mpa的壓力條件下，溶蝕速率（C）并沒有顯著的差異。7/29/202353第6章碳酸鹽巖地層透水性圖象研究

本實驗利用掃描儀將23個加工好的石樣（共33個樣品，有10個樣品太大無法掃描）借助同一臺明基掃描儀掃描成為計算機圖象。將碳酸鹽巖地層透水性巖石樣品掃描后的圖象，直接用本研究團隊自行研發(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測定的5個石樣作為標準曲線系，由此展開對全部23個石樣的頻譜圖曲線進行滲透特征鑒定，在此基礎上，再與實測的滲透系數(shù)比較，即可驗證巖溶分析法的準確度。7/29/2023546.1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，而有可能是臺階式躍升的。比如在水滴、打磨時形成的破損處周圍，象素灰度值都是躍升式的。這些躍升的灰度值可能導致曲線失真。為了防止這些反常躍升的象素點對曲線進行干擾，一方面可以采取提高加工精度，將巖石樣品打磨的更光滑，另一方面則需對打磨后的巖石樣品用烘箱烘干以除去表面水分對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篩選出來，并在曲線中將其剔除。基于不同算法的曲線生成策略會生成不同的曲線，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）。7/29/2023556.1.1反常象素點篩選本文運用坎尼算子中的信噪比準則判定圖像中的邊緣檢測算子，檢驗圖像中的信噪比，剔除灰度值反常躍升的象素點。此處信噪比SNR定義為低失誤概率，由此可得，當S（i,j）為反常象素點的圖象頻譜值時，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）表示為反常象素點的圖象頻譜值，f(i-1,j)為反常象素點左側的象素點頻譜值，f(i+1,j)為反常象素點右側的象素點頻譜值，f(i-1,j-1)為反常象素點左下側的象素點頻譜值，f(i-1,j+1)為反常象素點左上側的象素點頻譜值，f(i+1,j-1)為反常象素點右下側的象素點頻譜值，f(i+1,j+1)為反常象素點右上側的象素點頻譜值，f(i,j-1)為反常象素點下側的象素點頻譜值，f(i,j+1)為反常象素點上側的象素點頻譜值。7/29/2023566.1.2曲線生成策略從巖土工程行業(yè)的應用情況來看，利用滿足期望的象素點信息神經元的集合可以進行巖體不連續(xù)面分析方法研究，利用具備特定映射關系的正弦曲線可以進行巖體結構面的研究。因為本文采集的巖石樣品多來自巖體結構面與不連續(xù)面，所以利用有窮自動機模型作為曲線的生成策略，定義第i個圖象象素點個體對應的網絡對第p個同類象素信息色譜樣本引起的映射誤差指標為：上式的Eip值為映射誤差指標，其中，C表示象素點信息神經元的集合，和分別表示輸出象素信息單元j對應于第p個同類曲線色譜樣本的期望值和實際輸出，滿足此映射關系的象素點顏色值進入自動機，反之則剔除。在以上算法的基礎上，可以建立一種輸入和輸出都具有一一映射關系的具有空動作的有窮自動機系統(tǒng)用來建立一條曲線。7/29/2023576.2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算機研究方法，在利用適當?shù)膱D象透鏡去掉一部分圖象信息后，巖樣中相對密度大、孔隙度小的部分會顯示出來（見表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。7/29/2023587/29/2023597/29/2023606.3碳酸鹽巖地層透水性曲線的變化規(guī)律在表6.2基礎上，將5級透水性頻譜圖變化規(guī)律總結如下：相對較高：曲線左側起始部分偏高，第2周期開始出現(xiàn)密集段，第3周期有2個密集段，各周期最大值基本一致，右側值偏低。相對高：曲線左側起始部分由中部開始，第3周期中部開始出現(xiàn)密集段，第4周期有1個密集段，各周期最大值基本一致，右側值偏低。相對中等：曲線左側起始部分由中部開始，第3周期末開始出現(xiàn)密集段，第4周期有1個密集段，各周期最大值不一致，右側值偏中。相對低：曲線左側起始部分缺失1個周期，第4周期開始出現(xiàn)密集段，第7周期有1個密集段，各周期最大值不一致，右側值偏低。相對較低：曲線左側起始部分由中部開始，第4周期末開始出現(xiàn)密集段，第7周期有1個密集段，各周期最大值一致，右側值偏低。以上所指周期，為兩個曲線最低值之間的曲線段。7/29/2023616.4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,為減少計算機圖象處理過程中的計算量,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。7/29/202362圖6.4.1-1ROCK巖樣分析系統(tǒng)打開地層1-1巖樣圖象圖上圖中的曲線左側起始部分偏高，第2周期開始出現(xiàn)密集段，第3周期有2個密集段，各周期最大值基本一致，右側值偏低，與表6.2中的1級曲線類似，說明該石樣透水性相對較高。其他地層的石樣的透水性圖象分析與本地層類似7/29/202363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和地質構造作用與溶蝕特征所制約的。錦屏二級水電站工程區(qū)碳酸鹽巖地層的巖溶特征突出，地質構造復雜，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：7/29/202364（一）工程區(qū)的碳酸鹽巖地層受后期區(qū)域高溫高壓變質作用之后，一般都變質成為大理巖，巖塊的密度大，礦物結構致密，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)域地殼構造運動的影響明顯，地質構造復雜，地層陡傾，其傾角可高達60-85°，地層中的各種破碎面、斷裂裂隙、地層錯動帶發(fā)育普遍，這些結構面成為了工程區(qū)碳酸鹽巖地層中巖溶水的流動通道。（三）工程區(qū)位于雅礱江大河彎之內海拔高達4300余米的錦屏山脈中部，因此，河間高地的地形結構對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)結構形成規(guī)律和發(fā)展過程中地殼構造運動韻律的決定，表現(xiàn)出明顯的垂直分帶結構和水平分段結構。7/29/2023657.2深部巖溶次生透水性的垂直分帶在錦屏二級水電站工程區(qū)內，碳酸鹽巖地層分布的厚度大，可達工程區(qū)分布地層厚度的80%。這些碳酸鹽巖地層在后期區(qū)域地殼運動的作用下，地質構造變動顯著，地層大都以緊密復式褶褶和高陡傾角的形式出現(xiàn)，碳酸鹽類巖體厚，埋藏深，可達萬米以上，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)，地形結構又以高達3000余米的“河間高地”形式出現(xiàn)，致使工程區(qū)東西兩側的臨江坡地排水情況良好，因此，工程區(qū)內的巖溶發(fā)育在經歷了自晚第三紀以來的漫長地質歷史之后，巖溶發(fā)育程度相對較為成熟，地下水面連續(xù)且統(tǒng)一，在水分季節(jié)變化的影響下，地下水垂直運動的幅度變化較大，地下水的循環(huán)運動具有明顯的垂直分帶性，在工程區(qū)自上而下可見四個各具特征的地下水循環(huán)帶（見圖7.2.1）。7/29/202366圖7.2.1錦屏二級水電站工程區(qū)深部巖溶次生透水的垂直分帶示意圖

7/29/202367（一）垂直下滲補給飽氣帶，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400余米。（二）季節(jié)變動帶。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以水平運動為主，中下部以緩慢的下滲運動為主。（四）深部潛流飽水帶，該帶位于工程區(qū)內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。7/29/202368圖7.2.2錦屏二級水電站工程區(qū)巖溶次生透水性的垂直分布特征圖

7/29/2023697.3深部巖溶次生透水性的水平分段錦屏二級水電站工程區(qū)地質構造復雜，且又位于雅礱江大河灣內的“河間高地”，山高坡長的地形地貌特點決定了工程區(qū)內的巖溶含水介質的透水性較為良好，因此，深部巖溶次生透水性除具有顯著的垂直分布結構外，還存在著明顯的三個水平分段性（見圖7.3.1）。7/29/202370

（一）岸坡段，分布于錦屏山脈東西兩側的河谷岸坡地帶，屬岸坡排水良好動力類型，是地表水與地下水交替循環(huán)最強烈的地段。（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)內地下水補給區(qū)向下部排泄的過渡地帶。（三）山脊段：山脊段是工程區(qū)巖溶水以垂直下滲循環(huán)為主的地下水補給地段，屬于入滲補給巖溶水動力類型。7/29/202371圖7.3.1錦屏二級水電站工程區(qū)深部巖溶次生透水性水平分段示意圖7/29/202372因此，根據上述深部巖溶次生透水性的水平分段的水動力類型特征，結合工程區(qū)的地質構造和巖溶作用，可對工程區(qū)引水隧洞沿程的高強度透水段作出如下預測（見圖7.3.2）。

圖7.3.2錦屏二級水電站工程區(qū)引