構皮灘水電站W24巖溶系統發育特征及對廠房區建筑物的影響分析

劉高峰,尹春明,強魯斌,侯欽禮

(長江巖土工程總公司,湖北武漢 430010)

構皮灘水電站W24巖溶系統發育特征及對廠房區建筑物的影響分析

劉高峰,尹春明,強魯斌,侯欽禮

(長江巖土工程總公司,湖北武漢 430010)

構皮灘水電站W24巖溶系統主管道斜穿地下廠房區,前期勘察和施工期對其進行了大量的工程地質研究工作,基本查明了該系統的發育特征,為廠房區建筑物的布置和溶洞的處理提供了強有力的地質依據。通過闡述W24巖溶系統發育特征,初步分析其對廠房區主要建筑物在地基承載性能、圍巖穩定、防滲帷幕、施工期等方面產生的不利影響,對于指導類似工程實施具有重要意義。

巖溶系統;發育特征;廠房區建筑物;構皮灘水電站

0 引言

烏江構皮灘水電站位于烏江中游貴州省余慶縣境內,控制流域面積43 250 km2。電站主要永久建筑物有混凝土拋物線型雙曲拱壩、地下電站廠房、三級垂直升船機等。設計最大壩高232.5 m,水庫總庫容64.65億m3,電站裝機容量3 000 MW,是烏江干流梯級開發中的大型骨干工程?水利部長江水利委員會,烏江構皮灘水電站可行性研究報告(等同原初步設計報告),2001。。

地下廠房布置在右岸,廠房區主要建筑物包括主廠房、主變洞、尾水調壓室、引水及尾水隧洞及其它洞室,形成了一個大的地下洞室群。

1 基本地質條件

(1)地形地貌:工程區屬構造侵蝕高中山峽谷地貌。廠房區總體為向烏江突出的山脊,地面高程700～820 m,洞室埋深237～335 m,主廠房距烏江岸坡最短距離約250 m,河床高程420～425 m。

(2)地層巖性:壩址出露地層自下游至上游依次為寒武系—二疊系,其中泥盆系、石炭系、志留系上統及奧陶系上統缺失。除湄潭組(O1m)上、下段、韓家店組(S2h)及梁山組(P1l)地層為相對隔水層組外,其它各層主要以碳酸鹽巖為主,屬中等—強巖溶層組,其分布面積占壩區總面積的70%以上,為巖溶作用提供了物質基礎。地下廠房圍巖主要為茅口組下段(P1m1)及棲霞組(P1q),巖性主要為中厚—厚層灰巖,夾含炭、泥質灰巖。

(3)地質構造:壩址處于琊川復向斜南段—中寨向斜東翼,金豆灣斷層與通木坪沖斷帶之間的單斜構造部位。巖層走向一般為NE30°～35°,右岸向東偏轉為NE40°～50°,傾向NW(上游),傾角45°～55°。沿NW和NWW向展布的斷層、層間錯動、裂隙是壩址主要構造形跡。廠房區揭露斷層242條,規模較大的層間錯動18條,長度>3 m的裂隙6 978條,其中溶蝕裂隙占裂隙總數的56%。斷裂構造發育在一定程度上控制了巖溶系統的總體發育方向和在不同方向的延伸。

(4)巖溶水文地質:壩址可溶巖組的巖溶發育程度、規模以及分布等,均與各自的地質環境和水動力條件密切相關。巖溶發育特征由一系列的巖溶谷地、洼地、溶溝槽、漏斗、落水洞、溶洞及暗河組成,常成串、成片出露,且聯通性較好,具明顯的呈層性和繼承發育特征,往往形成多個相對獨立的巖溶系統。經對庫、壩區1 096 km2進行統計,茅口組(P1m)、棲霞組(P1q)灰巖段共揭露泉水點178個,不同流量分級的暗河36條。廠房區W24巖溶系統即為其中較大的相對獨立的巖溶系統之一。

廠房區地下水主要為巖溶水,為總體單斜(局部虹吸)、中傾的中等—強巖溶巖組層狀水文地質結構。巖溶地下水具有各自獨立的運移系統,多種地下水運移形式、流態和流速具多變性、階梯狀運移等特征。地下水靠大氣降水補給,以巖溶洼地、漏斗、落水洞及巖溶斷裂等為其滲入補給通道,以巖溶泉的形式向烏江排泄。

2 W24巖溶系統發育特征

前期勘察及施工期通過鉆探、溶洞追索實測、地下水連通試驗、地質雷達探測等手段,基本查明了廠房區W24巖溶系統的發育特征。

經調查及分析W24巖溶系統的總體走向,初步認為W24巖溶系統發源于烏江右岸距壩址約3 km處的三星一帶山間谷地中,地表相間分布溶蝕洼地和落水洞。系統出口位于右岸江邊D8平硐口處,為一懸掛式巖溶裂隙泉(W24),出口高程456.14 m,是該系統地下水主要排泄口,暴雨后由于排泄不暢,部分水流從W24南側約30 m處的小溶洞涌出,實測枯水期流量0.5～1.0 L/s,最大流量25.0 L/s。

W24巖溶系統總體呈S W-NE向穿越廠房區,其發育規模較大(圖1),主管道沿層間錯動(Fb93及Fb93′)及NW、NWW向斷層發育,空間形態主要為不規則廊道狀,局部在層間錯動與NW、NWW向斷裂交匯部位呈廳狀,主管道起伏曲折,分支管道發育。廠房區該巖溶系統主管道的形態特征、充填情況及地下水分布特征分述如下:

圖1 廠房區W24巖溶系統平面分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of plane distribution ofW24karst system in underground powerhouse area

(1)形態特征:廠房區沿Fb93及Fb93′發育的W24巖溶系統主管道為不規則廊道(圖2),高多3～5 m,局部高在1 m以內或達5～8 m,寬一般<3 m,局部寬4～6 m。沿Fb93及Fb93′與NW、NWW斷裂交匯部位局部形成不規則巖溶大廳,主要有兩處:一處分布于主廠房上游側(D52平硐揭露),可見部分高10～16 m,寬3～5 m;另一處分布于主廠房下游側主變洞頂約35 m以上(主廠房開挖揭露),可見部分高8～12 m,寬5～16 m(圖3)。沿NW、NWW斷裂發育上揚或下潛分支巖溶管道或溶縫。廠房區W24主巖溶管道分布高程起伏較大,自NE至S W,主廠房上游側底板高程為485～477 m,主廠房頂拱部位管道頂板高程為465 m,主廠房下游側墻處底板高程為453 m,至主變洞頂拱以上底板高程上揚到499 m,該段管道平均坡降達143%(坡度約55°),靠近調壓室上游側底板高程又降至485 m。

圖2 廊道狀巖溶管道Fig.2 Karst conduits shaped like a corridor

圖3 大廳狀巖溶管道Fig.3 Karst conduits shaped like a hall

(2)充填情況:廠房區W24巖溶系統主管道大部分底部見有充填,充填物厚度不等,從主廠房上游側溶洞充填物清理表明,其厚度局部可達10 m以上。充填物具傾斜層理,上部主要以粘土為主夾少量薄層粉細砂,中部一般呈互層狀,下部主要為中粗砂夾細礫及塊石局部夾少量粘土,大廳部位底部見有溶塌堆積的大塊石。

(3)地下水分布:廠房區D52平硐揭露W24巖溶系統管道長年有地下水流出,根據江邊W24巖溶泉因D52平硐截流而干涸,且洪水期亦未見有水流等情況分析,D52平硐揭露到的巖溶管道為巖溶系統主干管道。據觀測洪水期W24巖溶泉流量可達60～80 L/s,豐水年可能達120 L/s左右,枯水期流量僅1 L/s左右。廠房區地下水位一般為480～490 m,且向山里逐漸抬升,系統地下水局部呈虹吸式上涌。在主廠房中導洞揭穿系統主管道后,地下水全部由樁號Xcf0+153中導洞上游側壁涌出并夾帶大量泥沙涌入中導洞內;主變洞開挖至樁號Xcf0+60附近沿NW向溶縫及樁號Xcf0+32附近溶洞,在2004年汛期大雨后曾產生大量涌水涌砂,且涌出的泥砂與W24溶洞充填物相近,主廠房W24管道地下水因被截斷則基本無水出流,僅在暴雨后有少量地下水出流。汛期地下水涌水量對近距離集中降雨較為敏感,對較大范圍降雨則表現出一定的滯后性,且具有短時突變的特點;枯水期地下水清澈,汛期多渾濁,攜帶有泥砂、礫石等。

3 W24巖溶系統對廠房區建筑物的影響分析

W24巖溶系統斜穿廠房區,系統與廠房主要洞室的空間位置關系見圖4。根據W24巖溶系統的發育特征及其與廠房區主要建筑物之間的關系分析,其對廠房區主要建筑物地基承載性能、圍巖穩定、施工期安全、防滲帷幕及幕后排水措施的選擇均造成了不同程度的影響。

圖4 W24巖溶系統與廠房主要洞室的空間位置關系示意圖Fig.4 Schematic diagram of space position betweenW24karst system and the main cavern of underground powerhouse

3.1 對地基承載性能的影響

廠房區主要建筑物深埋,地基巖體主要為新鮮灰巖,強度及承載力高。根據壩址區地表和鉆孔、平硐所揭露的溶洞分析,經過地下暗河改造的水平溶洞層主要分布在430～445 m、460～480 m、500～515 m等高程,與壩址區峽谷期河漫灘和Ⅰ、Ⅱ級階地的地面高程相適應。在上述各層水平溶洞之間以及515 m高程以上,發育有豎井、斜井、溶縫等垂直巖溶形態,反映了地殼上升過程中相對穩定時期巖溶發育較強烈的特點,以及巖溶的繼承性發育特征。鉆探及物探揭露,廠房區深部巖溶不甚發育。廠房區主要建筑物除主變洞底板高程在435 m左右外,其它洞室底板高程均低于430 m,廠房區揭露W24巖溶系統主管道最低底板高程為450 m左右,高于主要建筑物底板高程。開挖揭露系統向下延伸的分支巖溶管道一般規模較小,多為溶縫,可采取清挖換填的方式進行地基加固處理。由此可見,W24巖溶系統對廠房區主要建筑物地基承載性能的影響很小。

3.2 對圍巖穩定的影響

巖溶發育破壞了巖體完整性,降低了巖體結構面的力學強度,惡化了洞室圍巖的工程地質條件,對圍巖穩定不利,且溶洞充填物自身亦存在穩定問題。W24巖溶系統對廠房區各主要洞室圍巖的影響部位及影響程度不同。

(1)主廠房:系統主管道從樁號Xcf0+130～Xcf0+190段斜穿主廠房,主管道頂板高出廠房頂拱(高程463 m)約2 m,對頂拱圍巖穩定的影響較小,兩側向外分別向上延伸和局部下潛,且巖溶管道規模較大,主要影響兩側頂拱拱肩部位及邊墻圍巖穩定。溶洞充填物清理存在工作量大和施工安全問題,及溶洞回填和洞壁加固處理問題,對廠房開挖及圍巖支護也提出了更高的技術要求。主廠房上層洞開挖至Xcf0+132樁號附近,頂拱及上游側系統主管道與Fb93層間錯動之間圍巖及溶洞充填物曾產生較大規模的坍塌。

(2)主變洞:系統主管道不直接穿越主變室,主要分布在主變室頂拱(高程456 m)約35 m以上,沿斷裂分布下潛分支巖溶管道或溶縫,多規模較小,施工期對頂拱圍巖穩定的影響較小,下潛分支巖溶管道對邊墻圍巖的穩定有一定的影響,同主廠房一樣存在一定范圍內溶洞清理、加固及洞室圍巖永久支護的問題。

(3)尾水調壓室:尾水調壓室頂拱在W24系統主管道以上,同時由于系統主管道及沿斷裂發育分支管道的下潛,主要影響S W段邊墻,尤其是上游側邊墻圍巖的穩定,同樣存在溶洞清理、加固及洞室圍巖加強支護等問題。

(4)其它洞室,主要影響中層和上層排水廊道、電纜豎井及進廠交通洞局部圍巖的穩定,此外洞室主要分布在廠房區外圍或洞室深埋,圍巖穩定基本無影響或影響很小。其中進廠交通洞東側靠近主變室處揭露系統主管道,頂拱圍巖及溶洞充填物曾產生較大規模坍塌,其它洞室由于規模較小,系統管道對局部圍巖穩定影響有限。同樣存在溶洞清理、加固及局部洞室圍巖加強支護的問題,但處理措施相對簡單。

對于廠房區各主要洞室開挖揭露W24系統巖溶管道的工程處理,首先是根據開挖揭露溶洞和系統主管道的發育特征,對廠房區各主要洞室圍巖穩定影響范圍內的巖溶管道進行追索,以及對溶洞充填物進行清理,對廳狀溶洞洞壁進行錨固,主要采取錨桿支護,然后對溶洞進行混凝土回填,并加強對溶洞發育部位廠房洞室圍巖的支護(如增加預應力錨索)。

3.3 對施工期的影響

W24巖溶系統對施工期的影響除上述圍巖穩定問題影響較大外,主要為施工期地下水涌水,特別是攜帶大量溶洞充填物的突水對施工安全影響較大。在主廠房中導洞揭穿系統管道后,曾發生地下水由樁號Xcf0+153中導洞上游側壁夾帶大量泥沙涌入中導洞內;2004年7月中旬大雨過后,主變洞曾出現截斷系統主管道地下水的大量涌水或涌泥砂,由于抽排水不及時,一度造成深約2 m的積水,涌泥砂最大堆積厚度亦達近2 m,對施工開挖、排水及施工安全造成了較大影響。

地下水涌水量的預測是一個復雜的問題,在這里主要采用兩種方法:一是根據系統巖溶泉豐、枯水期的流量進行估算;二是應用水均衡法[1],計算公式如下:

式中:F——隧洞地區石灰巖分布地段的地表匯水面積(km2);a——入滲系數,一般采用0.3～0.6;x——降雨量(mm)。

按匯水面積約5 km2、入滲系數取0.5、豐水年降雨量1 300 mm代入式中,計算豐水年流量為103.1 L/s,大于洪水期觀測流量,小于豐水年最大流量120 L/s。因此,主要洞室施工期系統地下水涌水量按洪水期流量100～120 L/s考慮是合適的。

由于系統地下水下潛,且主廠房、主變洞及中層排水廊道開挖將揭穿系統主管道,地下水涌水對其施工影響較大,而對其它洞室影響較小。施工期主要考慮抽排和通過上、中、下三層不同高程的排水廊道進行引排。

3.4 對防滲帷幕的影響

從廠房區防滲帷幕與W24巖溶系統管道的關系分析,帷幕將切斷系統主管道,W24巖溶系統管道(洞穴)發育和分布及地下水滲流特征,對廠房區防滲帷幕的施工成型及幕后排水措施選擇將產生不利影響,需對帷幕沿線溶洞進行處理。對于小型溶洞可采用灌漿處理,對于大型溶洞則需進行專門的追挖回填砼處理,對于局部由于系統分支巖溶管道下潛需增大帷幕深度;對于幕后巖溶地下水,通過引排支洞、豎井等引至520 m灌漿平硐,再自流排出;如果W24巖溶系統與庫水連通性較好,則通過閘閥關閉該引排通道。

4 結語

在高山峽谷的巖溶地區建設水電工程,巖溶及地下水活動造成的地下工程圍巖穩定、滲控措施的選擇、施工安全及施工涌水的引排等問題是工程建設的重要工程地質問題之一。

構皮灘水電站前期勘察基本查明了W24巖溶系統的發育和分布規律及空間分布的總體特征,為地下廠房區建筑物的布置,特別是大跨度地下洞室頂拱如何最大限度地避開系統主管道提供了重要地質依據;施工開挖期,新揭露到一些有關地質現象,總體上印證了前期勘察成果,但鑒于前期勘察深度和手段的局限性,加之巖溶管道的分布及地下水滲流條件極其復雜,在施工期結合施工開挖,并通過輔以必要的探測手段進一步深入研究,以查明其與具體建筑物的關系及對建筑物可能帶來的不利影響,為更好地指導洞室開挖與圍巖支護以及防滲帷幕的施工、幕后排水措施的選擇具有重要意義。

[1] 鄒成杰.水利水電巖溶工程地質[M].北京:水利水電出版社,1994.

(責任編輯:于繼紅)

Development Characteristics ofW24Karst System and Its Impact on Building in Powerhouse Area in Goupitan Hydropower Station

LIU Gaofeng,YIN Chunming,QIANG Lubin,HOU Qinli
(Changjiang Geotechnical Engineering Corporation,Wuhan,Hubei430010)

Themain pipeline ofW24karst system obliquely crosses underground powerhouse area in Goupitan Hydropower Station,development characteristics of the karst system have been find out by a lot of engineering geological research in previous exploration and construction period,which provided basis for building arrangement and karst cave treatment.The development characteristics ofW24karst system has been described in this paper,and its impacts on bearing capacity of foundation soil,surrounding rock stability,anti-seepage curtain and construction period have been analyzed,which provide reference for the s imilar projects.

karst system;development characteristics;building in powerhouse area;Goupitan Hydropower Station

P642.25;TV731

A

1671-1211(2010)05-0477-04

2010-07-01;改回日期:2010-08-02

劉高峰(1973-),男,工程師,工程地質專業,從事水利水電工程地質勘察工作。E-mail:anqi0211@163.com