思林水電站壩區(qū)巖溶水文地質(zhì)特點及其對工程建設(shè)之影響-水利工程

1、 思林水電站壩區(qū)巖溶水文地質(zhì)特點及其對工程建設(shè)之影響 摘要：思林水電站壩址區(qū)巖溶強烈發(fā)育，大壩、地下廠房、導(dǎo)流洞等主要建筑物均遭遇巖溶。巖溶對工程建設(shè)帶來了諸多不利影響，如巖溶涌水、河水倒灌、圍巖穩(wěn)定等。本文通過對其巖溶發(fā)育特征的介紹，便于針對各建筑物特點，采取不同的工程處理措施。 關(guān)鍵詞：思林水電站 巖溶水文地質(zhì) 工程影響 工程處理 思林水電站位于貴州烏江中游河段，距下游的思南縣城23km。是一個以發(fā)電為主，兼顧航運、防洪和灌溉綜合效益的水利樞紐。水庫設(shè)計正常蓄水位440m，上游接構(gòu)皮灘水電站廠房尾水，總庫容16.54億m3。最大壩高117m，裝機容量1000MW。經(jīng)1995年可研論證，思林

2、水電站的原推薦方案樞紐布置為：玉龍山壩線、碾壓混凝土重力壩、右岸地下廠房、左岸垂直升船機，施工導(dǎo)流方案為左岸2條導(dǎo)流洞。該電站壩址區(qū)以可溶巖為主，巖溶發(fā)育，規(guī)模較大，特別是左岸發(fā)育多個大規(guī)模的巖溶管道系統(tǒng)，為工程建設(shè)的主要不利因素之一。本文將對其巖溶水文地質(zhì)特點及對工程建設(shè)的不利影響作簡要介紹。1根本地質(zhì)條件1.1地形地貌壩址位于思林糧站至F4斷層間的兩扇巖附近。自思林糧站起河流走向由N45°E轉(zhuǎn)至S65°E，至下游4km烏江與龍底江集合后轉(zhuǎn)向北，形成河間及河灣地塊。壩址區(qū)河段山體雄厚，除500-525m為烏江寬谷期巖溶臺面緩坡地形較開闊外，上下均為45-70°陡

3、坡，根本呈對稱“V型，枯水期河面高程364m左右，水面寬70-120m，水深20-30m，汛期漲幅可達(dá)25m，440m高程時谷寬265m。1.2地層巖性從上游至下游，涉及的地層主要為二疊系下統(tǒng)至三疊系下統(tǒng)之灰?guī)r和泥頁巖，第四系堆積物分布零星。各層簡述如下：二疊系下統(tǒng)P1棲霞、茅口組P1q、P1m：為厚、巨厚層灰?guī)r，含燧石結(jié)核。吳家坪組P2w：分P2w1、P2w2、P2w3、P2w4、P2w5共5段。其總體為含燧石結(jié)核灰?guī)r、硅質(zhì)巖、硅質(zhì)灰?guī)r夾泥頁巖、炭質(zhì)頁巖、煤層等。其中P2w1夾劣質(zhì)煤層、P2w3、P2w5泥頁巖與硅質(zhì)巖、硅質(zhì)灰?guī)r呈互層狀。長興組P2c：深灰色中厚-厚層含燧石結(jié)核生物碎屑灰?guī)r。

4、三疊系下統(tǒng)夜郎組T1y，分三段：第一段T1y1，為薄-極薄層粘土巖夾泥質(zhì)灰?guī)r。第二段T1y2，分三層：第一層T1y2-1為薄-極薄層泥晶灰?guī)r。第二層T1y2-2為中厚-厚層泥晶灰?guī)r、白云巖等。第三層T1y2-3為極薄-中厚層泥質(zhì)灰?guī)r、泥晶灰?guī)r等。第三段T1y3，為紫紅色薄-中厚層粘土巖夾灰?guī)r。永寧鎮(zhèn)組T1yn，分兩段：第一段T1yn1，上部極薄-中厚層粉晶灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖，下部中厚-厚層。第二段T1yn2，分為兩層：第一層T1yn2-1角礫狀白云巖夾灰色極薄層白云巖，第二層T1yn2-2薄、中厚層白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r夾多層角礫狀白云巖透鏡體。第四系主要有分布于兩岸階地及河床的沖積Qal亞粘土和卵礫

5、石層，分布于山腳的多為崩積Qcol塊碎石夾粘土，分布于較平緩岸坡的多為殘坡積Qedl粘土夾碎塊石。1.3地質(zhì)構(gòu)造主要地質(zhì)構(gòu)造有塘頭向斜、F4斷層。塘頭向斜軸在F4斷層下游120m橫穿烏江兩岸。壩址主要位于塘頭向斜NW翼，該翼在F4上游地層發(fā)生倒轉(zhuǎn)，巖層產(chǎn)狀N40 E，NW70 ；F4斷層為一區(qū)域性斷層，產(chǎn)狀N43 E，NW60 。裂隙發(fā)育多組。1.4物理地質(zhì)現(xiàn)象主要物理地質(zhì)現(xiàn)象主要有卸荷、崩塌、巖石體風(fēng)化及夾層夾泥。卸荷多見于岸坡，主要沿NW向裂隙擴展，平行河流。崩塌見于陡壁岸坡，下多有崩塌堆積物。泥頁巖、粉砂巖含量較多的地層如P2w1、P2w3、P2w5、T1y1、T1y3層，物理風(fēng)化強烈，

6、分級明顯，可分為強、弱、微三級；灰?guī)r以化學(xué)風(fēng)化為主，分級不明顯，大致分為弱、微二級。2巖溶、水文地質(zhì)特點2.1概況壩址區(qū)兩岸巖溶泉點發(fā)育，鉆孔地下水位長觀高于河水位，烏江屬地下水補給河水類型。地下水橫向徑流帶發(fā)育，兩岸300m范圍內(nèi)屬地下水低平帶，水力坡降約0.5%。根據(jù)地表調(diào)查、平硐、鉆孔等揭示，壩址區(qū)對建筑物區(qū)有較大影響的巖溶系統(tǒng)或管道共有10余個。如圖2-1所示。左岸：P1q中有K-12暗河，P1m中有K-11S66巖溶泉、Sj-5季節(jié)性巖溶泉；P2c內(nèi)有K-30巖溶管道系統(tǒng)；T1y2內(nèi)有K-31巖溶管道系統(tǒng)，T1yn1中有Sj-3、Sj-20季節(jié)性巖泉溶。發(fā)育規(guī)模較大的有：K-12暗河

7、：發(fā)育于P1q灰?guī)r內(nèi)，沿層面發(fā)育，常年有水，為一暗河通道，流量變化大，汛期可達(dá)13m3/s。源頭在符家溝盲谷，總長1.5km，出口高程高于枯期河面10m左右，洞內(nèi)有砂卵礫石分布。K-11S66巖溶管道泉：發(fā)育于P1m灰?guī)r內(nèi)，沿層間褶曲順層發(fā)育水平溶洞，洞口分布高程高于河面10余m，可見洞長14m，寬13m，高8m，枯期流量為2-3L/s，有冷風(fēng)吹出，推測內(nèi)部有較大溶洞。K-30巖溶管道泉：發(fā)育于左岸P2c灰?guī)r中部，沿層面發(fā)育，常年有水流。其匯水面積1.98km2,一般流量9140L/s，汛期洪峰流量大。有分支溶洞與S2連通，內(nèi)有多層巖溶管道及倒虹吸管道。K-31巖溶管道泉：發(fā)育于T1y2-2，

8、沿層面及NW向橫張裂隙發(fā)育。出口高程高于河面10余m，由洞口向山內(nèi)呈階梯狀下降至366m高程后順層發(fā)育水平溶洞，據(jù)平硐揭露其在深部形成多個巖溶潭，在河水面以下尚有出口。其匯水面積2.0km2,多年平均流量51L/s，汛期洪峰流量大，見由PD-23平硐內(nèi)溢流。右岸：P1m中有K-28巖溶管道，P2c內(nèi)有S-65巖溶管道系統(tǒng)；T1y2內(nèi)有K-29落水洞系統(tǒng)、S-64巖溶泉、Sj-2、Sj-4巖溶泉等。發(fā)育規(guī)模較大的有：K29落水洞系統(tǒng)：位于右岸地下廠房地表500m巖溶臺面上，發(fā)育于T1y2-2中厚-厚層灰?guī)r中，深大于7m，下為溶蝕裂隙，洞口上方為一順層發(fā)育的溶蝕溝槽，距K29約432m處為K90落

9、水洞，其后尚有K91落水洞。該溝槽平時干涸，大雨時會聚谷坡地表水注入落水洞，后排向烏江。其與河邊S64連通。S-64：出口發(fā)育于右岸T1y2-2灰?guī)r河邊，一般流量0.580L/s，其與K29連通，河水面下尚有出口。汛期洪峰流量大。Sj-2巖溶管道：出口發(fā)育于右岸兩扇巖下游T1y2-3-2灰?guī)r中，一般流量5-20L/s，河水面下尚有出口，平硐內(nèi)揭示長 80m，寬高3-5m。汛期洪峰流量較大。2.2巖溶、水文地質(zhì)特點對地表調(diào)查的洼地、落水洞、巖溶泉及鉆孔、平硐揭示的溶洞等進行分析，思林壩址區(qū)巖溶發(fā)育有如下特點：1地層的巖性、構(gòu)造對巖溶作用控制明顯。P1q、P1m、P2c、T1y2-2地層，灰?guī)r、白

10、云質(zhì)灰?guī)r，質(zhì)地純，巖性均一，發(fā)育大型溶洞、暗河，如K-12、K-30、K-31、K-29、S-64等，屬強巖溶、強透水層，；T1y2-1-2、T1y2-3、T1yn地層為薄-中厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，夾較多薄層泥頁巖，巖溶化較弱，主要發(fā)育中小型溶洞、裂隙型管道，如Sj-2、Sj-3、Sj-4、Sj-20等，屬中等巖溶層，中等透水巖組；T1y2-1-1、P2w為極薄層灰?guī)r或富含硅質(zhì)，并有較多的泥頁巖夾層，巖溶化微弱，僅有少量小型巖溶發(fā)育，屬弱透水巖組，可作為相對隔水層；T1y1、T1y3等泥頁巖地層，為裂隙水，屬隔水巖組。巖溶在深部多沿層面發(fā)育，近岸邊沿層面及裂隙發(fā)育。2巖溶層與非巖溶層相間呈帶狀

11、分布，各巖溶層的溶洞互不連通，地下水相互獨立，無水力聯(lián)系。如P1q+m、P2c、T1y2、T1yn各巖溶層之間分別有P2w，T1y1、T1y3等隔水層或相對隔水層。水化學(xué)分析各層間地下水差異較大。3受喜山期間歇性隆升運動的控制，在鉛直剖面上各巖溶層溶洞成層發(fā)育。根據(jù)統(tǒng)計，在鉛直方向上此區(qū)帶的溶洞大致可分為四層，高程分別為450、425、400、380m，下三層與河流三級階地有較好的對應(yīng)關(guān)系；水平方向上從分水嶺至河邊，溶洞的發(fā)育有隨高程呈階梯狀下降、巖溶發(fā)育程度逐漸增加之特點。4左岸巖溶的發(fā)育強度和規(guī)模大于右岸。如左岸發(fā)育有K-12P1q內(nèi)暗河、K-30P2c、K-31T1y2等，形成暗河或巖溶

12、潭，常年有水，最大流量達(dá)10余m3/s。而右岸發(fā)育的S-64、Sj-2T1y2及平內(nèi)揭露的溶洞流量均較小。原因主要受構(gòu)造、地形控制，左岸補給區(qū)面積大于右岸。左岸從地形分水嶺到河邊，未受斷層影響，巖層連續(xù)；而右岸在麻坨圖2-1 思林水電站壩址區(qū)地質(zhì)略圖一帶受F9、F4切割，隔水層受到切錯，使銅鼓坨-麻坨一帶的地表水下滲后沿構(gòu)造缺口向龍清灣一帶排泄，減少了向壩址河側(cè)的匯水。5河床深部巖溶發(fā)育微弱。因受多層非可溶巖或微弱透水層的阻隔，及河流岸坡卸荷裂隙發(fā)育，地下水向河床深部的循環(huán)條件差，河床深部巖溶發(fā)育微弱。根據(jù)地下水化學(xué)成份分析，大致以330m高程為界，330m高程以上為地下水循環(huán)相對較強地帶，以

13、下為地下水位弱循環(huán)帶，其同勘探的巖溶發(fā)育深度有較好的對應(yīng)關(guān)系。接合物探綜合判定巖溶發(fā)育深度在320m高程，透水率小于1Lu的在300-320m高程以下，6P2c與T1y2相比，因匯水面積相等，厚度較小，岸坡巖溶排泄能力有限，兩岸的倒虹吸管道深度較深，相對應(yīng)河床強巖溶發(fā)育深度亦較深，據(jù)河心鉆孔揭示，其中291.77298.11m亦發(fā)育溶洞，比T1y2層河床強巖溶下限320m高程低30m。 上一頁1 2下一頁3.1對大壩的影響思林水電站大壩壩基及兩壩肩均位于T1y2灰?guī)r中，其巖質(zhì)堅硬，整體完整性尚屬良好。但其屬強巖溶層，巖溶發(fā)育，左岸有K-31巖溶管道系統(tǒng)、右岸有S-64、Sj-2巖溶管道。其對大

14、壩的不利影響主要表現(xiàn)在如下幾個方面：1對大壩建基面及壩基巖體質(zhì)量的影響。壩基開挖一般因工程量的限制不宜太深，建基面一般選擇于微風(fēng)化巖體內(nèi)，但由于受地下水循環(huán)影響，在微風(fēng)化巖體與新鮮巖體界面附近地下水活動和巖溶作用尚較強烈，并有溶洞發(fā)育。壩基局部地段將遭遇S-64巖溶管道和其它溶洞、溶蝕帶，對局部巖體完整性、穩(wěn)定性有較大影響，需作特殊處理。2對大壩防滲的影響。大壩左岸有K-31巖溶管道水構(gòu)成的橫向地下水徑流凹槽，右岸又有S-64、Sj-2巖溶管道水構(gòu)成橫向地下水徑流凹槽。槽向徑流內(nèi)溶洞發(fā)育，地下水活動強烈，地下水位低平，成為兩岸壩肩地基繞壩滲漏流向下游排泄的通道，對壩址防滲不利。向河床深部，受巖

15、溶發(fā)育深度影響，壩基透水性小于1Lu的高程在300m左右，懸帷幕下限較深。3對大壩基坑施工影響河床大壩基坑開挖時，K-30、K-31、S-64、Sj-2等巖溶管道均包括在上、下游圍堰之間的河段，由上述管道水形成的基坑涌水量推測枯期 100L/s，汛期 2500L/s。3.2對地下廠房的影響地下廠房位于右岸山體T1y2灰?guī)r、白云巖中，其地表為一較寬緩的巖溶臺地。地下廠房處于K29落水洞巖溶系統(tǒng)之下，并發(fā)育有S-64及Sj-2等巖溶管道，巖溶對地下廠房的不利影響主要有：1巖溶涌水、涌泥。由于地下廠房位于K29落水洞巖溶系統(tǒng)之下，平硐內(nèi)揭示豎直型巖溶、溶蝕裂隙水在主變洞、主廠房頂拱較為發(fā)育，枯期一般

16、僅為滴水，但汛期涌水、涌泥嚴(yán)重。據(jù)汛期觀測特大暴雨時，平硐溢流涌水量 1000L/s。2河水倒灌。地下廠房底板高程在347m高程左右，低于枯期河水位以下1520m，施工及運行期河水將沿S-64、Sj-2巖溶管道、裂隙等倒灌，其倒灌涌水量可達(dá)500L/s。3局部圍巖穩(wěn)定性。地下洞室埋深70-140 m，圍巖主要為T1y2-2中厚-厚層灰?guī)r，整體穩(wěn)定性好。但由于巖溶的溶蝕影響及溶蝕裂隙的切割影響，大大降低了局部圍巖完整性、穩(wěn)定性。3.3對導(dǎo)流洞的影響左岸導(dǎo)流洞，沿線穿越P1mT1yn2層。巖溶對導(dǎo)流洞造成的不利影響主要有：1巖溶涌水。隧洞通過地段，除P2c層和T1y2層局部洞段通過地下水季節(jié)變動帶

17、外，其余洞段均在地下水位以下，并處岸坡地下水緩坡降地帶，巖溶發(fā)育：進口洞段P1m灰?guī)r有sj-5巖溶季節(jié)泉；P2w與P1m層界面處巖溶較發(fā)育；P2c和T1y2-2洞段橫穿K-30、K-31巖溶管道水徑流帶，其間溶洞發(fā)育，水面以下尚有虹吸管道通向河床；T1y2-1、T1y2-3、T1yn巖溶較發(fā)育，出水點分散，以季節(jié)性巖溶泉、中小型溶洞為主，如Sj2、Sj4等。對左岸導(dǎo)流洞影響最大的是K30、K31。據(jù)平硐揭示K31在山體內(nèi)有多個巖溶潭，如PD-23、PD-47平硐追蹤揭露的Kp-3、Kp-1、Kp-2等，長10-15m，寬3-10m，水深20-24m，其上溶洞凈空高達(dá)50m左右。其匯水面積2.0

18、km2,多年平均流量51L/s，汛期流量將 1000L/s以上。K30匯水面積與K31相等，流量為同一規(guī)模，倒虹吸管道尚深于K31。2較高外水壓力。巖溶管道內(nèi)地下水暢通，導(dǎo)流洞通過巖溶管道部位將局部或全部堵塞地下水通道，地下水將涌高形成較高的外水壓力。另在電站建設(shè)后期，封堵導(dǎo)流洞時庫水在短時期內(nèi)上升，亦會在巖溶管道部位形成較高的外水壓力。3局部圍巖穩(wěn)定性。巖溶發(fā)育段將降低圍巖穩(wěn)定性。3.4對上游圍堰的影響 上游圍堰心墻下游左岸分布有K30巖溶系統(tǒng)，其汛期涌水量大，且具承壓性，可能會給堰體穩(wěn)定性帶來不良影響。3.5對水庫蓄水時的影響水庫蓄水后，近壩地段的K12、K30、K31等較大規(guī)模的巖溶管道均為口小肚大，蓄水后水位上升較快，內(nèi)部空氣難以快速排出，有氣爆可能。4工程處理建議 由于巖溶對工程建設(shè)有諸多的不利影響，需予以高度重視，并根據(jù)各建筑物特點及