坪头水电站工程区工程地质特征分析

史 红 光

(四川美姑河水电开发有限公司,四川 成都 610072)

1 前 言

坪头水电站位于四川省凉山彝族自治州美姑、昭觉、雷波三县交界处,是美姑河流域梯级水电开发的最下游一个梯级水电站。电站采用闸坝引水式开发,正常蓄水位 913m,总库容 62.09万 m3,电站装机容量 180MW,多年平均发电量 8.61亿 kW·h。枢纽建筑物由进水口、引水隧洞、调压井、压力管道及地下厂房等组成,主要布置于左岸。引水隧洞全长 12.761km,线路需穿越寒武系白云质灰岩、砂岩、泥质灰岩、震旦系灰白色细晶白云岩、灰黑色含磷灰岩及第四系堆积物等地层。

坪头水电站工程区在地质构造上属凉山拗褶带东亚区,区内无区域性断裂分布,地形陡峻,岸坡风化、卸荷作用强烈。工程河段处于美姑河汇入金沙江干流的出口峡谷段内,受美姑河水流切割,河谷呈不对称深切“V”形谷,左岸为顺向坡,坡形相对宽缓,右岸为反向坡,岸坡较为陡峻。

在深切峡谷型地貌条件下,岸坡崩塌破坏和地下水不均匀渗漏是较为普遍的地质现象,因此,结合坪头水电站工程的设计资料及工程枢纽布置对工程区内地质现象进行针对性调查和分析是十分必要的。

2 工程地质调查

2.1 物理地质现象

根据地质调查,坪头水电站工程区内不良地质现象较为发育,主要表现为卸荷、崩塌、滑坡和泥石流等。据初步统计,电站工程区内共有 11条规模性天然冲沟,在工程建设期,已发生泥石流和岸坡崩塌5起,其中规模最大的一次发生于 2005年 7月,泥石流造成美姑河断流近 1h。

受地层发育条件影响,不良地质现象在不同区段具有不同的表现,与岸坡地表形态、堆积物、出露岩体的结构及风化卸荷状况等相关。经过地质分析和对比发现,坪头水电站工程区内岸坡地质条件具有较明显的分区性,大致可划分为两个区段:

(1)闸址区～引水隧洞前段(4号支洞以上)。受岩体产状控制,该区段河道是右岸为凹岸、左岸为凸岸的河湾,两岸山体雄厚,一般海拔高程为 900～1400m,相对高差 400～500m。

该工程区段地层岩性主要为寒武系白云质灰岩、砂岩、页岩夹泥质灰岩。白云质灰岩呈薄至中厚层状,岩质坚硬,属Ⅲ类围岩;泥质灰岩呈薄层状结构,岩质软,风化、溶蚀作用相对较强,属Ⅳ类围岩,成洞条件较差。根据地质调查和分析,区内未见规模较大的断层,局部发育规模较小的层间挤压破碎带。因此,控制该段岩体地质条件的主要因素是浅表层强风化卸荷及冲沟切割影响。受其作用和影响,在浅埋洞深地段围岩完整性较差,裂隙较为发育,施工过程中围岩稳定性程度低,易发生局部坍塌。

(2)引水隧洞后段(4号支洞以下)～厂址区。岸坡达 600m以上,为斜向顺层状岸坡,岩层倾角30°左右。岩体中裂隙较为发育,垂直层面的“X”节理、平行岸坡的陡倾卸荷裂隙和层理组合,使岸坡卸荷表现得更为强烈,出露的岩体大多破碎松弛,中小规模的塌滑体较为常见,局部可见残留的滑移拉裂岩体。

坪头水电站工程区典型地质条件分析剖面示意见图1。

2.2 水文地质条件

在工程设计中,根据坪头水电站工程区出露的地层岩性、裂隙及岩溶的发育状况,岩体渗透类型分为:(1)厚层状白云岩溶隙～小型岩溶管道类型;(2)薄～中厚层白云岩溶隙～裂隙类型;(3)薄层灰岩及粉砂岩,坡面为裂隙强透水层、深部为隔水层类型。

图1 坪头水电站工程区典型地质条件分析剖面示意

上述划分有助于判断枢纽所在区域的地下水赋存程度,从而根据工程区水力运动状况评价施工过程中的围岩稳定性。地质调查和分析表明,坪头水电站工程区地下水在横向上接受岸坡补给,在纵向上接受美姑河河水补给。地表水流下渗到碳酸盐岩体后,通过白云岩和岩体中的层理、裂隙顺河向汇集形成径流,最后在美姑河边集中排泄,排泄点位于地下厂房附近的河边基岩带,出露带宽度约 90m,共有7个泉点。

3 工程区地质条件特征分析及建议

3.1 闸址区～引水隧洞前段工程地质特征分析

对该区段地质条件进行归纳和分析发现,闸址区及引水隧洞前段无大型软弱地质构造发育,岩体结构较为简单,岩性主要为寒武系白云质灰岩夹泥质灰岩,岩石抗风化能力较强,风化作用主要沿结构面扩展,以裂隙式或层状风化为主,在空间上分布不均一,风化程度随深度变化较明显。节理裂隙总体表现为“二陡一缓”模式,第①组层面裂隙 N 30°～40°W/SW∠5°～15°,延伸长度一般大于 10m;第②组裂隙走向垂直于岸坡 N 15°～ 20°W/NE∠80°～ 85°,延伸长度 5m左右;第③组顺坡向卸荷裂隙 N 60°～70°E/NW∠80°～85°,延伸长度一般大于 10m。

因此,该区段岩体具有良好的力学性能,控制工程枢纽围岩稳定的主要地质因素是地下水和裂隙切割作用。而从裂隙发育特征分析,裂隙延伸长度一般为 10m左右,对围岩的切割作用有限。其贯通性限制了地下水的远距离运动,使区段内水文地质条件较为简单;地下水类型主要为基岩裂隙水及覆盖层孔隙水,为枢纽围岩稳定提供了良好的地质条件。当然,对于浅表层岩体来讲,一方面由于受裂隙较强切割和强烈风化作用,岩体完整性相对降低,块体嵌合作用受到削弱,跨沟谷洞段应该注意围岩稳定问题,及时进行地质观察预报和超前处理措施,使围岩局部失稳得到尽可能的约束;另一方面受河谷深切作用影响,岸坡岩体大都处于临空卸荷状态,应特别注意对坡面崩塌体失稳现象的及时判断和处理,以免造成不必要的工程损失。

3.2 引水隧洞后段～厂址区工程地质特征分析

该工程区段岩层大致呈顺坡向展布,裂隙较为发育,岩体结构破碎,客观上为地下水提供了较好的运动通道,水文地质条件为可溶岩的岩溶发育提供了较好的物理条件。该工程区段内岩溶作用较为明显,经过开挖揭露和验证,在白云岩带内沿结构面可见直径 8～500cm的溶洞及溶隙,部分结构面两侧因地下水淋滤、溶蚀形成厚 1～2m的溶蚀带。在细晶白云岩较为发育的岩体中,岩石性状极不均一,岩体多呈“砂包石”或“沙糖”状。

结合工程区内水文地质条件分析判断,坪头水电站引水隧洞后段及厂址区在地质构造上处于背斜构造核部,且两翼岩体中结构面较为发育,有利于地表水下渗。而细晶白云岩为过渡类岩石,在白云岩化过程中,岩石体积减小,岩石空隙比增大,受地下水的溶蚀、淋滤作用,岩石内易溶解的方解石被地下水带走,相对较难溶解的白云石被保留下来,因此在岩溶沿岩体中的结构面进行并向两侧扩展中,细晶白云岩出现整体溶蚀。受其影响,岩石强度大部分丧失,形成“砂包石”。该现象随着高程的降低和埋深的增加逐渐减弱,亦说明水流下渗的关键作用。

可见,该工程区段岩体强度受到较大削弱,围岩稳定性降低,枢纽开挖成洞条件较差。对此,应加强施工临时支护措施,并关注局部孤石失稳塌落对施工造成损失。

4 工程建设中应重视的主要问题

针对坪头水电站两岸平行岸坡岩体缓倾角卸荷裂隙较发育的特点,可以推测两岸一定深度范围内岩体透水性较强,因此,施工过程中应结合岩体地质构造、岩性、地下水等因素,分析综合因素作用下的地质演变趋势,采取相应施工防范措施,确保工程安全。总体来讲,应特别重视以下问题:

4.1 闸基和隧洞、厂房渗漏

在闸基、进水口等浅表部位以及岩溶发育程度较高的厂基等工程区域,地下水活动较强、补给稳定,地下水径流较为活跃,推测岩体具中等～强透水性,地下水流量大,且有一定流速,因此施工排水措施和建筑隔水措施较为关键,应研究和论证防渗帷幕形成效果,必要时可采取联合防渗手段。同时,对于建筑物穿越冲沟的地段,应在施工过程中密切观察围岩和地下水变化,及时采取防渗和支护措施,防止地质条件向恶化方向发展。

4.2 岸坡稳定问题

坪头水电站引水及发电系统布置于左岸,工程区为顺向坡,岸坡主要受滑移—拉裂型破坏模式所控制。早期的河谷下切使得斜坡前缘产生临空,在重力作用下,斜坡表层部分岩体容易以岩层面作为主滑面产生滑动变形。同时,位于滑面下一定范围内的岩体受压碎和扰动变得较为破碎。因此,局部拉裂变形和崩塌破坏将较为常见,施工过程中应针对建筑物布置采取适当的加固和防护处理措施。

厂址区工程地质剖面示意见图2。

4.3 针对细晶白云岩的防渗措施

细晶白云岩整体“砂化”是坪头水电站厂址区较为普遍的地质现象,在已经开挖揭露的洞段,细晶白云岩普遍强风化,溶蚀作用较强烈,溶蚀夹层普遍发育,多呈“土夹石”,岩块间嵌合力减弱,围岩强度低,多为Ⅳ类围岩,因此其主要工程地质问题是块体稳定和地下水防渗问题。由于厂房垂直埋深 110～135m,调压井、压力管道等枢纽最小埋深仅 75m,岩体的风化卸荷及沿结构面的溶蚀程度随埋深有所变化,越往上部块体稳定问题更加突出。因此,应注意施工方法,加强工程支护措施。同时,应提高过水断面建筑物防渗设计标准,防止电站运行期内水外渗而加剧细晶白云岩的“淋滤”作用。

5 结束语

在山地河谷条件下,河流深切侵蚀较为显著,致使河床覆盖层变薄,岩体风化卸荷强烈,地下水活动较为活跃,在工程建设过程中,往往容易发生岸坡崩塌、围岩失稳等地质灾害现象,因此工程建设各方必须充分调查和研究建筑物布置区域内的地质构造条件,针对岩体发育特征,结合岩层产状、岩性、硬度以及岩体完整性分析工程区内岩体的水力和化学作用,及时采取针对性处理措施,防止由此造成岩体稳定条件恶化,进而引发工程地质危害。

图2 厂址区工程地质剖面示意