思林水电站坝区岩溶水文地质特点及其对工程建设之影响.docx

思林水电站坝区岩溶水文地质特点及其对工程建设之影响摘要思林水电站坝址区岩溶强烈发育，大坝、地下厂房、导流洞等主要建筑物均遭遇岩溶。岩溶对工程建设带来了诸多不利影响，如岩溶涌水、河水倒灌、围岩稳定等。本文通过对其岩溶发育特征的介绍，便于针对各建筑物特点，采取不同的工程处理措施。关键词思林水电站 岩溶水文地质 工程影响 工程处理前言 思林水电站位于贵州乌江中游河段，距下游的思南县城23km。是一个以发电为主，兼顾航运、防洪和灌溉综合效益的水利枢纽。水库设计正常蓄水位440m，上游接构皮滩水电站厂房尾水，总库容亿m3。最大坝高117m，装机容量1000MW。经1995年可研论证，思林水电站的原推荐方案枢纽布置为：玉龙山坝线、碾压混凝土重力坝、右岸地下厂房、左岸垂直升船机，施工导流方案为左岸2条导流洞。该电站坝址区以可溶岩为主，岩溶发育，规模较大，特别是左岸发育多个大规模的岩溶管道系统，为工程建设的主要不利因素之一。本文将对其岩溶水文地质特点及对工程建设的不利影响作简要介绍。 1基本地质条件地形地貌坝址位于思林粮站至F4断层间的两扇岩附近。自思林粮站起河流走向由N45E转至S65E，至下游4km乌江与龙底江汇合后转向北，形成河间及河湾地块。坝址区河段山体雄厚，除500-525m为乌江宽谷期岩溶台面缓坡地形较开阔外，上下均为45-70陡坡，基本呈对称“V”型，枯水期河面高程364m左右，水面宽70-120m，水深20-30m，汛期涨幅可达25m，440m高程时谷宽265m。地层岩性从上游至下游，涉及的地层主要为二叠系下统至三叠系下统之灰岩和泥页岩，第四系堆积物分布零星。各层简述二叠系下统栖霞、茅口组：为厚、巨厚层灰岩，含燧石结核。吴家坪组：分P2w1、P2w2、P2w3、P2w4、P2w5共5段。其总体为含燧石结核灰岩、硅质岩、硅质灰岩夹泥页岩、炭质页岩、煤层等。其中P2w1夹劣质煤层、P2w3、P2w5泥页岩与硅质岩、硅质灰岩呈互层状。长兴组：深灰色中厚-厚层含燧石结核生物碎屑灰岩。三叠系下统夜郎组，分三段第一段，为薄-极薄层粘土岩夹泥质灰岩。第二段，分三层：第一层为薄-极薄层泥晶灰岩。第二层为中厚-厚层泥晶灰岩、白云岩等。第三层为极薄-中厚层泥质灰岩、泥晶灰岩等。第三段，为紫红色薄-中厚层粘土岩夹灰岩。永宁镇组，分两段第一段，上部极薄-中厚层粉晶灰岩、灰质白云岩，下部中厚-厚层。第二段，分为两层：第一层角砾状白云岩夹灰色极薄层白云岩，第二层薄、中厚层白云质灰岩、灰岩夹多层角砾状白云岩透镜体。第四系主要有分布于两岸阶地及河床的冲积亚粘土和卵砾石层，分布于山脚的多为崩积块碎石夹粘土，分布于较平缓岸坡的多为残坡积粘土夹碎块石。地质构造主要地质构造有塘头向斜、F4断层。塘头向斜轴在F4断层下游120m横穿乌江两岸。坝址主要位于塘头向斜NW翼，该翼在F4上游地层发生倒转，岩层产状N40E，NW70；F4断层为一区域性断层，产状N43 E，NW60。裂隙发育多组。物理地质现象主要物理地质现象主要有卸荷、崩塌、岩石风化及夹层夹泥。卸荷多见于岸坡，主要沿NW向裂隙扩展，平行河流。崩塌见于陡壁岸坡，下多有崩塌堆积物。泥页岩、粉砂岩含量较多的地层如P2w1、P2w3、P2w5、T1y1、T1y3层，物理风化强烈，分级明显，可分为强、弱、微三级；灰岩以化学风化为主，分级不明显，大致分为弱、微二级。2岩溶、水文地质特点概况坝址区两岸岩溶泉点发育，钻孔地下水位长观高于河水位，乌江属地下水补给河水类型。地下水横向径流带发育，两岸300m范围内属地下水低平带，水力坡降约%。根据地表调查、平硐、钻孔等揭示，坝址区对建筑物区有较大影响的岩溶系统或管道共有10余个。如图2-1所示。左岸P1q中有K-12暗河，P1m中有K-11岩溶泉、Sj-5季节性岩溶泉；P2c内有K-30岩溶管道系统；T1y2内有K-31岩溶管道系统，T1yn1中有Sj-3、Sj-20季节性岩泉溶。发育规模较大的有K-12暗河：发育于P1q灰岩内，沿层面发育，常年有水，为一暗河通道，流量变化大，汛期可达13m3/s。源头在符家沟盲谷，总长，出口高程高于枯期河面10m左右，洞内有砂卵砾石分布。K-11岩溶管道：发育于P1m灰岩内，沿层间褶曲顺层发育水平溶洞，洞口分布高程高于河面10余m，可见洞长14m，宽13m，高8m，枯期流量为2-3L/s，有冷风吹出，推测内部有较大溶洞。K-30岩溶管道：发育于左岸P2c灰岩中部，沿层面发育，常年有水流。其汇水面积,一般流量9140L/s，汛期洪峰流量大。有分支溶洞与S2连通，内有多层岩溶管道及倒虹吸管道。K-31岩溶管道：发育于T1y2-2，沿层面及NW向横张裂隙发育。出口高程高于河面10余m，由洞口向山内呈阶梯状下降至366m高程后顺层发育水平溶洞，据平硐揭露其在深部形成多个岩溶潭，在河水面以下尚有出口。其汇水面积,多年平均流量51L/s，汛期洪峰流量大，见由PD-23平硐内溢流。右岸P1m中有K-28岩溶管道，P2c内有S-65岩溶管道系统；T1y2内有K-29落水洞系统、S-64岩溶泉、Sj-2、Sj-4岩溶泉等。发育规模较大的有K29落水洞系统：位于右岸地下厂房地表500m岩溶台面上，发育于T1y2-2中厚-厚层灰岩中，深大于7m，下为溶蚀裂隙，洞口上方为一顺层发育的溶蚀沟槽，距K29约432m处为K90落水洞，其后尚有K91落水洞。该沟槽平时干涸，大雨时汇聚谷坡地表水注入落水洞，后排向乌江。其与河边S64连通。S-64：出口发育于右岸T1y2-2灰岩河边，一般流量80L/s，其与K29连通，河水面下尚有出口。汛期洪峰流量大。Sj-2岩溶管道：出口发育于右岸两扇岩下游T1y2-3-2灰岩中，一般流量5-20L/s，河水面下尚有出口，平硐内揭示长80m，宽高3-5m。汛期洪峰流量较大。岩溶、水文地质特点对地表调查的洼地、落水洞、岩溶泉及钻孔、平硐揭示的溶洞等进行分析，思林坝址区岩溶发育有如下特点地层的岩性、构造对岩溶作用控制明显。P1q、P1m、P2c、T1y2-2地层，灰岩、白云质灰岩，质地纯，岩性均一，发育大型溶洞、暗河，如K-12、K-30、K-31、K-29、S-64等，属强岩溶、强透水层，；T1y2-1-2、T1y2-3、T1yn地层为薄-中厚层灰岩、白云质灰岩，夹较多薄层泥页岩，岩溶化较弱，主要发育中小型溶洞、裂隙型管道，如Sj-2、Sj-3、Sj-4、Sj-20等，属中等岩溶层，中等透水岩组；T1y2-1-1、P2w为极薄层灰岩或富含硅质，并有较多的泥页岩夹层，岩溶化微弱，仅有少量小型岩溶发育，属弱透水岩组，可作为相对隔水层；T1y1、T1y3等泥页岩地层，为裂隙水，属隔水岩组。岩溶在深部多沿层面发育，近岸边沿层面及裂隙发育。岩溶层与非岩溶层相间呈带状分布，各岩溶层的溶洞互不连通，地下水相互独立，无水力联系。如P1q+m、P2c、T1y2、T1yn各岩溶层之间分别有P2w，T1y1、T1y3等隔水层或相对隔水层。水化学分析各层间地下水差异较大。受喜山期间歇性隆升运动的控制，在铅直剖面上各岩溶层溶洞成层发育。根据统计，在铅直方向上此区带的溶洞大致可分为四层，高程分别为450、425、400、380m，下三层与河流三级阶地有较好的对应关系；水平方向上从分水岭至河边，溶洞的发育有随高程呈阶梯状下降、岩溶发育程度逐渐增加之特点。左岸岩溶的发育强度和规模大于右岸。如左岸发育有K-12暗河、K-30、K-31等，形成暗河或岩溶潭，长年有水，最大流量达10余m3/s。而右岸发育的S-64、Sj-2及平内揭露的溶洞流量均较小。原因主要受构造、地形控制，左岸补给区面积大于右岸。左岸从地形分水岭到河边，未受断层影响，岩层连续；而右岸在麻坨图2-1 思林水电站坝址区地质略图一带受F9、F4切割，隔水层受到切错，使铜鼓坨-麻坨一带的地表水下渗后沿构造缺口向龙清湾一带排泄，减少了向坝址河侧的汇水。河床深部岩溶发育微弱。因受多层非可溶岩或微弱透水层的阻隔，及河流岸坡卸荷裂隙发育，地下水向河床深部的循环条件差，河床深部岩溶发育微弱。根据地下水化学成份分析，大致以330m高程为界，330m高程以上为地下水循环相对较强地带，以下为地下水位弱循环带，其同勘探的岩溶发育深度有较好的对应关系。接合物探综合判定岩溶发育深度在320m高程，透水率小于1Lu的在300-320m高程以下，P2c与T1y2相比，因汇水面积相等，厚度较小，岸坡岩溶排泄能力有限，两岸的倒虹吸管道深度较深，相对应河床强岩溶发育深度亦较深，据河心钻孔揭示，其中亦发育溶洞，比T1y2层河床强岩溶下限320m高程低30m。3岩溶对工程建设的影响对大坝的影响思林水电站大坝坝基及两坝肩均位于T1y2灰岩中，其岩质坚硬，整体完整性尚属良好。但其属强岩溶层，岩溶发育，左岸有K-31岩溶管道系统、右岸有S-64、Sj-2岩溶管道。其对大坝的不利影响主要表现在如下几个方面对大坝建基面及坝基岩体质量的影响。坝基开挖一般因工程量的限制不宜太深，建基面一般选择于微风化岩体内，但由于受地下水循环影响，在微风化岩体与新鲜岩体界面附近地下水活动和岩溶作用尚较强烈，并有溶洞发育。坝基局部地段将遭遇S-64岩溶管道和其它溶洞、溶蚀带，对局部岩体完整性、稳定性有较大影响，需作特殊处理。对大坝防渗的影响。大坝左岸有K-31岩溶管道水构成的横向地下水径流凹槽，右岸又有S-64、Sj-2岩溶管道水构成横向地下水径流凹槽。槽向径流内溶洞发育，地下水活动强烈，地下水位低平，成为两岸坝肩地基绕坝渗漏流向下游排泄的通道，对坝址防渗不利。向河床深部，受岩溶发育深度影响，坝基透水性小于1Lu的高程在300m左右，悬帷幕下限较深。对大坝基坑施工影响河床大坝基坑开挖时，K-30、K-31、S-64、Sj-2等岩溶管道均包括在上、下游围堰之间的河段，由上述管道水形成的基坑涌水量推测枯期100L/s，汛期2500L/s。对地下厂房的影响地下厂房位于右岸山体T1y2灰岩、白云岩中，其地表为一较宽缓的岩溶台地。地下厂房处于K29落水洞岩溶系统之下，并发育有S-64及Sj-2等岩溶管道，岩溶对地下厂房的不利影响主要有岩溶涌水、涌泥。由于地下厂房位于K29落水洞岩溶系统之下，平硐内揭示竖直型岩溶、溶蚀裂隙水在主变洞、主厂房顶拱较为发育，枯期一般仅为滴水，但汛期涌水、涌泥严重。据汛期观测特大暴雨时，平硐溢流涌水量1000L/s。河水倒灌。地下厂房底板高程在347m高程左右，低于枯期河水位以下1520m，施工及运行期河水将沿S-64、Sj-2岩溶管道、裂隙等倒灌，其倒灌涌水量可达500L/s。局部围岩稳定性。地下洞室埋深70-140 m，围岩主要为T1y2-2中厚-厚层灰岩，整体稳定性好。但由于岩溶的溶蚀影响及溶蚀裂隙的切割影响，大大降低了局部围岩完整性、稳定性。对导流洞的影响左岸导流洞，沿线穿越P1mT1yn2层。岩溶对导流洞造成的不利影响主要有岩溶涌水。隧洞通过地段，除P2c层和T1y2层部分洞段通过地下水季节变动带外，其余洞段均在地下水位以下，并处岸坡地下水缓坡降地带，岩溶发育：进口洞段P1m灰岩有sj-5岩溶季节泉；P2w与P1m层界面处岩溶较发育；P2c和T1y2-2洞段横穿K-30、K-31岩溶管道水径流带，其间溶洞发育，水面以下尚有虹吸管道通向河床；T1y2-1、T1y2-3、T1yn岩溶较发育，出水点分散，以季节性岩溶泉、中小型溶洞为主，如Sj2、Sj4等。对左岸导流洞影响最大的是K30、K31。据平硐揭示K31在山体内有多个岩溶潭，如PD-23、PD-47平硐追踪揭露的Kp-3、Kp-1、Kp-2等，长10-15m，宽3-10m，水深20-24m，其上溶洞净空高达50m左右。其汇水面积,多年平均流量51L/s，汛期流量将1000L/s以上。K30汇水面积与K31相等，流量为同一规模，倒虹吸管道尚深于K31。较高外水压力。岩溶管道内地下水畅通，导流洞通过岩溶管道部位将部分或全部堵塞地下水通道，地下水将涌高形成较高的外水压力。另在电站建设后期，封堵导流洞时库水在短时期内上升，亦会在岩溶管道部位形成较高的外水压力。局部围岩稳定性。岩溶发育段将降低围岩稳定性。对上游围堰的影响 上游围堰心墙下游左岸分布有K30岩溶系统，其汛期涌水量大，且具承压性，可能会给堰体稳定性带来不良影响。对水库蓄水时的影响水库蓄水后，近坝地段的K12、K30、K31等较大规模的岩溶管道均为口小肚大，蓄水后水位上升较快，内部空气难以快速排出，有气爆可能。4工程处理建议 由于岩溶对工程建设有诸多的不利影响，需予以高度重视，并根据各建筑物特点及岩溶发育特征，采取不同的工程处理措施。坝基岩溶：坝基开挖到位后对已揭露的岩溶管道、溶洞、岩溶带进行深挖后进行混凝土回填处理；对坝基、坝肩一定深度内未揭露的隐伏岩溶，先利用钻探与物探结合探明位置、规模后，再视情况进行挖填或灌浆处理。绕坝渗漏处理：针对坝基及两坝肩岩溶管道渗漏，进行防渗处理。两坝肩防渗线向上游偏折，接T1y1泥页岩进行封闭；坝基下无隔水层，只能为悬帷幕，帷幕下限至透水率小于1Lu岩体。地下厂房岩溶处理：先对地表K29落水洞及附近强岩溶裂隙带进行封闭，并设排水沟后，堵截近厂房区地表水流；封堵S-64、Sj-2岩溶管道及设阻水帷幕，防止河水倒灌；设封闭式防渗帷幕及多层排水洞、排水幕及排水设施，加强地下水堵排；岩溶破碎段，封堵空洞并加强支护。导流洞岩溶处理：隧洞尽量缩短，减少遭遇岩溶管道机率；将2号导流洞调整布置于右岸，并尽可能在枯水期施工；隧洞通过K31岩溶管道水凹槽带时，避开Kp1、Kp2、Kp3岩溶潭；K30、K31发育段，河边设阻水帷幕，内侧设截水帷幕及排水洞；岩溶管道水发育处考虑排水，以避免增加外水压力；加强衬砌。上游围堰K30岩溶的处理：结合导流洞内K30处理进行，在K30岩溶管道出口设置集水槽及排水孔，将岩溶水及承压水排泄出堰体外。经左岸导流洞K30、K31处理后，岩溶气爆将会消除，K12因离大坝较远，岩溶气爆对建筑物影响甚微，可不作特殊处理。