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水利工程.docx
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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水利工程
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
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16.54亿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
1.1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N45°E转至S65°E,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。
1.2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。
各层简述如下:
二叠系下统(P1)
栖霞、茅口组(P1q、P1m):
为厚、巨厚层灰岩,含燧石结核。
吴家坪组(P2w):
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(P2c):
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(T1y),分三段:
第一段(T1y1),为薄-极薄层粘土岩夹泥质灰岩。
第二段(T1y2),分三层:
第一层(T1y2-1)为薄-极薄层泥晶灰岩。
第二层(T1y2-2)为中厚-厚层泥晶灰岩、白云岩等。
第三层(T1y2-3)为极薄-中厚层泥质灰岩、泥晶灰岩等。
第三段(T1y3),为紫红色薄-中厚层粘土岩夹灰岩。
永宁镇组(T1yn),分两段:
第一段(T1yn1),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(T1yn2),分为两层:
第一层(T1yn2-1)角砾状白云岩夹灰色极薄层白云岩,第二层(T1yn2-2)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(Qal)亚粘土和卵砾石层,分布于山脚的多为崩积(Qcol)块碎石夹粘土,分布于较平缓岸坡的多为残坡积(Qedl)粘土夹碎块石。
1.3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,NW∠70;F4断层为一区域性断层,产状N43E,NW∠60。
裂隙发育多组。
1.4物理地质现象
主要物理地质现象主要有卸荷、崩塌、岩石(体)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
2.1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0.5%。
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(S66)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1.5km,出口高程高于枯期河面10m左右,洞内有砂卵砾石分布。
K-11(S66)岩溶管道(泉):
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(泉):
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1.98km2,一般流量9~140L/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(泉):
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2.0km2,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0.5~80L/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。
2.2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:
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)左岸岩溶的发育强度和规模大于右岸。
如左岸发育有K-12(P1q内)暗河、K-30(P2c)、K-31(T1y2)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(T1y2)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。
(5)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,
(6)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291.77~298.11m亦发育溶洞,比T1y2层河床强岩溶下限320m高程低30m。
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3.1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:
(1)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。
(2)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。
(3)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。
3.2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:
(1)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。
(2)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15~20m,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。
(3)局部围岩稳定性。
地下洞室埋深70-140m,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。
3.3对导流洞的影响
左岸导流洞,沿线穿越P1m~T1yn2层。
岩溶对导流洞造成的不利影响主要有:
(1)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2.0km2,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。
(2)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。
(3)局部围岩稳定性。
岩溶发育段将降低围岩稳定性。
3.4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。
3.5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。
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)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。
(5)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。
(6)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。
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