构皮滩水电站W24岩溶系统发育特征及对厂房区建筑物的影响分析

刘高峰,尹春明,强鲁斌,侯钦礼

(长江岩土工程总公司,湖北武汉 430010)

构皮滩水电站W24岩溶系统发育特征及对厂房区建筑物的影响分析

刘高峰,尹春明,强鲁斌,侯钦礼

(长江岩土工程总公司,湖北武汉 430010)

构皮滩水电站W24岩溶系统主管道斜穿地下厂房区,前期勘察和施工期对其进行了大量的工程地质研究工作,基本查明了该系统的发育特征,为厂房区建筑物的布置和溶洞的处理提供了强有力的地质依据。通过阐述W24岩溶系统发育特征,初步分析其对厂房区主要建筑物在地基承载性能、围岩稳定、防渗帷幕、施工期等方面产生的不利影响,对于指导类似工程实施具有重要意义。

岩溶系统;发育特征;厂房区建筑物;构皮滩水电站

0 引言

乌江构皮滩水电站位于乌江中游贵州省余庆县境内,控制流域面积43 250 km2。电站主要永久建筑物有混凝土抛物线型双曲拱坝、地下电站厂房、三级垂直升船机等。设计最大坝高232.5 m,水库总库容64.65亿m3,电站装机容量3 000 MW,是乌江干流梯级开发中的大型骨干工程❶水利部长江水利委员会,乌江构皮滩水电站可行性研究报告(等同原初步设计报告),2001。。

地下厂房布置在右岸,厂房区主要建筑物包括主厂房、主变洞、尾水调压室、引水及尾水隧洞及其它洞室,形成了一个大的地下洞室群。

1 基本地质条件

(1)地形地貌:工程区属构造侵蚀高中山峡谷地貌。厂房区总体为向乌江突出的山脊,地面高程700～820 m,洞室埋深237～335 m,主厂房距乌江岸坡最短距离约250 m,河床高程420～425 m。

(2)地层岩性:坝址出露地层自下游至上游依次为寒武系—二叠系,其中泥盆系、石炭系、志留系上统及奥陶系上统缺失。除湄潭组(O1m)上、下段、韩家店组(S2h)及梁山组(P1l)地层为相对隔水层组外,其它各层主要以碳酸盐岩为主,属中等—强岩溶层组,其分布面积占坝区总面积的70%以上,为岩溶作用提供了物质基础。地下厂房围岩主要为茅口组下段(P1m1)及栖霞组(P1q),岩性主要为中厚—厚层灰岩,夹含炭、泥质灰岩。

(3)地质构造:坝址处于琊川复向斜南段—中寨向斜东翼,金豆湾断层与通木坪冲断带之间的单斜构造部位。岩层走向一般为NE30°～35°,右岸向东偏转为NE40°～50°,倾向NW(上游),倾角45°～55°。沿NW和NWW向展布的断层、层间错动、裂隙是坝址主要构造形迹。厂房区揭露断层242条,规模较大的层间错动18条,长度>3 m的裂隙6 978条,其中溶蚀裂隙占裂隙总数的56%。断裂构造发育在一定程度上控制了岩溶系统的总体发育方向和在不同方向的延伸。

(4)岩溶水文地质:坝址可溶岩组的岩溶发育程度、规模以及分布等,均与各自的地质环境和水动力条件密切相关。岩溶发育特征由一系列的岩溶谷地、洼地、溶沟槽、漏斗、落水洞、溶洞及暗河组成,常成串、成片出露,且联通性较好,具明显的呈层性和继承发育特征,往往形成多个相对独立的岩溶系统。经对库、坝区1 096 km2进行统计,茅口组(P1m)、栖霞组(P1q)灰岩段共揭露泉水点178个,不同流量分级的暗河36条。厂房区W24岩溶系统即为其中较大的相对独立的岩溶系统之一。

厂房区地下水主要为岩溶水,为总体单斜(局部虹吸)、中倾的中等—强岩溶岩组层状水文地质结构。岩溶地下水具有各自独立的运移系统,多种地下水运移形式、流态和流速具多变性、阶梯状运移等特征。地下水靠大气降水补给,以岩溶洼地、漏斗、落水洞及岩溶断裂等为其渗入补给通道,以岩溶泉的形式向乌江排泄。

2 W24岩溶系统发育特征

前期勘察及施工期通过钻探、溶洞追索实测、地下水连通试验、地质雷达探测等手段,基本查明了厂房区W24岩溶系统的发育特征。

经调查及分析W24岩溶系统的总体走向,初步认为W24岩溶系统发源于乌江右岸距坝址约3 km处的三星一带山间谷地中,地表相间分布溶蚀洼地和落水洞。系统出口位于右岸江边D8平硐口处,为一悬挂式岩溶裂隙泉(W24),出口高程456.14 m,是该系统地下水主要排泄口,暴雨后由于排泄不畅,部分水流从W24南侧约30 m处的小溶洞涌出,实测枯水期流量0.5～1.0 L/s,最大流量25.0 L/s。

W24岩溶系统总体呈S W-NE向穿越厂房区,其发育规模较大(图1),主管道沿层间错动(Fb93及Fb93′)及NW、NWW向断层发育,空间形态主要为不规则廊道状,局部在层间错动与NW、NWW向断裂交汇部位呈厅状,主管道起伏曲折,分支管道发育。厂房区该岩溶系统主管道的形态特征、充填情况及地下水分布特征分述如下:

图1 厂房区W24岩溶系统平面分布示意图Fig.1 Schematic diagram of plane distribution ofW24karst system in underground powerhouse area

(1)形态特征:厂房区沿Fb93及Fb93′发育的W24岩溶系统主管道为不规则廊道(图2),高多3～5 m,局部高在1 m以内或达5～8 m,宽一般<3 m,局部宽4～6 m。沿Fb93及Fb93′与NW、NWW断裂交汇部位局部形成不规则岩溶大厅,主要有两处:一处分布于主厂房上游侧(D52平硐揭露),可见部分高10～16 m,宽3～5 m;另一处分布于主厂房下游侧主变洞顶约35 m以上(主厂房开挖揭露),可见部分高8～12 m,宽5～16 m(图3)。沿NW、NWW断裂发育上扬或下潜分支岩溶管道或溶缝。厂房区W24主岩溶管道分布高程起伏较大,自NE至S W,主厂房上游侧底板高程为485～477 m,主厂房顶拱部位管道顶板高程为465 m,主厂房下游侧墙处底板高程为453 m,至主变洞顶拱以上底板高程上扬到499 m,该段管道平均坡降达143%(坡度约55°),靠近调压室上游侧底板高程又降至485 m。

图2 廊道状岩溶管道Fig.2 Karst conduits shaped like a corridor

图3 大厅状岩溶管道Fig.3 Karst conduits shaped like a hall

(2)充填情况:厂房区W24岩溶系统主管道大部分底部见有充填,充填物厚度不等,从主厂房上游侧溶洞充填物清理表明,其厚度局部可达10 m以上。充填物具倾斜层理,上部主要以粘土为主夹少量薄层粉细砂,中部一般呈互层状,下部主要为中粗砂夹细砾及块石局部夹少量粘土,大厅部位底部见有溶塌堆积的大块石。

(3)地下水分布:厂房区D52平硐揭露W24岩溶系统管道长年有地下水流出,根据江边W24岩溶泉因D52平硐截流而干涸,且洪水期亦未见有水流等情况分析,D52平硐揭露到的岩溶管道为岩溶系统主干管道。据观测洪水期W24岩溶泉流量可达60～80 L/s,丰水年可能达120 L/s左右,枯水期流量仅1 L/s左右。厂房区地下水位一般为480～490 m,且向山里逐渐抬升,系统地下水局部呈虹吸式上涌。在主厂房中导洞揭穿系统主管道后,地下水全部由桩号Xcf0+153中导洞上游侧壁涌出并夹带大量泥沙涌入中导洞内;主变洞开挖至桩号Xcf0+60附近沿NW向溶缝及桩号Xcf0+32附近溶洞,在2004年汛期大雨后曾产生大量涌水涌砂,且涌出的泥砂与W24溶洞充填物相近,主厂房W24管道地下水因被截断则基本无水出流,仅在暴雨后有少量地下水出流。汛期地下水涌水量对近距离集中降雨较为敏感,对较大范围降雨则表现出一定的滞后性,且具有短时突变的特点;枯水期地下水清澈,汛期多浑浊,携带有泥砂、砾石等。

3 W24岩溶系统对厂房区建筑物的影响分析

W24岩溶系统斜穿厂房区,系统与厂房主要洞室的空间位置关系见图4。根据W24岩溶系统的发育特征及其与厂房区主要建筑物之间的关系分析,其对厂房区主要建筑物地基承载性能、围岩稳定、施工期安全、防渗帷幕及幕后排水措施的选择均造成了不同程度的影响。

图4 W24岩溶系统与厂房主要洞室的空间位置关系示意图Fig.4 Schematic diagram of space position betweenW24karst system and the main cavern of underground powerhouse

3.1 对地基承载性能的影响

厂房区主要建筑物深埋,地基岩体主要为新鲜灰岩,强度及承载力高。根据坝址区地表和钻孔、平硐所揭露的溶洞分析,经过地下暗河改造的水平溶洞层主要分布在430～445 m、460～480 m、500～515 m等高程,与坝址区峡谷期河漫滩和Ⅰ、Ⅱ级阶地的地面高程相适应。在上述各层水平溶洞之间以及515 m高程以上,发育有竖井、斜井、溶缝等垂直岩溶形态,反映了地壳上升过程中相对稳定时期岩溶发育较强烈的特点,以及岩溶的继承性发育特征。钻探及物探揭露,厂房区深部岩溶不甚发育。厂房区主要建筑物除主变洞底板高程在435 m左右外,其它洞室底板高程均低于430 m,厂房区揭露W24岩溶系统主管道最低底板高程为450 m左右,高于主要建筑物底板高程。开挖揭露系统向下延伸的分支岩溶管道一般规模较小,多为溶缝,可采取清挖换填的方式进行地基加固处理。由此可见,W24岩溶系统对厂房区主要建筑物地基承载性能的影响很小。

3.2 对围岩稳定的影响

岩溶发育破坏了岩体完整性,降低了岩体结构面的力学强度,恶化了洞室围岩的工程地质条件,对围岩稳定不利,且溶洞充填物自身亦存在稳定问题。W24岩溶系统对厂房区各主要洞室围岩的影响部位及影响程度不同。

(1)主厂房:系统主管道从桩号Xcf0+130～Xcf0+190段斜穿主厂房,主管道顶板高出厂房顶拱(高程463 m)约2 m,对顶拱围岩稳定的影响较小,两侧向外分别向上延伸和局部下潜,且岩溶管道规模较大,主要影响两侧顶拱拱肩部位及边墙围岩稳定。溶洞充填物清理存在工作量大和施工安全问题,及溶洞回填和洞壁加固处理问题,对厂房开挖及围岩支护也提出了更高的技术要求。主厂房上层洞开挖至Xcf0+132桩号附近,顶拱及上游侧系统主管道与Fb93层间错动之间围岩及溶洞充填物曾产生较大规模的坍塌。

(2)主变洞:系统主管道不直接穿越主变室,主要分布在主变室顶拱(高程456 m)约35 m以上,沿断裂分布下潜分支岩溶管道或溶缝,多规模较小,施工期对顶拱围岩稳定的影响较小,下潜分支岩溶管道对边墙围岩的稳定有一定的影响,同主厂房一样存在一定范围内溶洞清理、加固及洞室围岩永久支护的问题。

(3)尾水调压室:尾水调压室顶拱在W24系统主管道以上,同时由于系统主管道及沿断裂发育分支管道的下潜,主要影响S W段边墙,尤其是上游侧边墙围岩的稳定,同样存在溶洞清理、加固及洞室围岩加强支护等问题。

(4)其它洞室,主要影响中层和上层排水廊道、电缆竖井及进厂交通洞局部围岩的稳定,此外洞室主要分布在厂房区外围或洞室深埋,围岩稳定基本无影响或影响很小。其中进厂交通洞东侧靠近主变室处揭露系统主管道,顶拱围岩及溶洞充填物曾产生较大规模坍塌,其它洞室由于规模较小,系统管道对局部围岩稳定影响有限。同样存在溶洞清理、加固及局部洞室围岩加强支护的问题,但处理措施相对简单。

对于厂房区各主要洞室开挖揭露W24系统岩溶管道的工程处理,首先是根据开挖揭露溶洞和系统主管道的发育特征,对厂房区各主要洞室围岩稳定影响范围内的岩溶管道进行追索,以及对溶洞充填物进行清理,对厅状溶洞洞壁进行锚固,主要采取锚杆支护,然后对溶洞进行混凝土回填,并加强对溶洞发育部位厂房洞室围岩的支护(如增加预应力锚索)。

3.3 对施工期的影响

W24岩溶系统对施工期的影响除上述围岩稳定问题影响较大外,主要为施工期地下水涌水,特别是携带大量溶洞充填物的突水对施工安全影响较大。在主厂房中导洞揭穿系统管道后,曾发生地下水由桩号Xcf0+153中导洞上游侧壁夹带大量泥沙涌入中导洞内;2004年7月中旬大雨过后,主变洞曾出现截断系统主管道地下水的大量涌水或涌泥砂,由于抽排水不及时,一度造成深约2 m的积水,涌泥砂最大堆积厚度亦达近2 m,对施工开挖、排水及施工安全造成了较大影响。

地下水涌水量的预测是一个复杂的问题,在这里主要采用两种方法:一是根据系统岩溶泉丰、枯水期的流量进行估算;二是应用水均衡法[1],计算公式如下:

式中:F——隧洞地区石灰岩分布地段的地表汇水面积(km2);a——入渗系数,一般采用0.3～0.6;x——降雨量(mm)。

按汇水面积约5 km2、入渗系数取0.5、丰水年降雨量1 300 mm代入式中,计算丰水年流量为103.1 L/s,大于洪水期观测流量,小于丰水年最大流量120 L/s。因此,主要洞室施工期系统地下水涌水量按洪水期流量100～120 L/s考虑是合适的。

由于系统地下水下潜,且主厂房、主变洞及中层排水廊道开挖将揭穿系统主管道,地下水涌水对其施工影响较大,而对其它洞室影响较小。施工期主要考虑抽排和通过上、中、下三层不同高程的排水廊道进行引排。

3.4 对防渗帷幕的影响

从厂房区防渗帷幕与W24岩溶系统管道的关系分析,帷幕将切断系统主管道,W24岩溶系统管道(洞穴)发育和分布及地下水渗流特征,对厂房区防渗帷幕的施工成型及幕后排水措施选择将产生不利影响,需对帷幕沿线溶洞进行处理。对于小型溶洞可采用灌浆处理,对于大型溶洞则需进行专门的追挖回填砼处理,对于局部由于系统分支岩溶管道下潜需增大帷幕深度;对于幕后岩溶地下水,通过引排支洞、竖井等引至520 m灌浆平硐,再自流排出;如果W24岩溶系统与库水连通性较好,则通过闸阀关闭该引排通道。

4 结语

在高山峡谷的岩溶地区建设水电工程,岩溶及地下水活动造成的地下工程围岩稳定、渗控措施的选择、施工安全及施工涌水的引排等问题是工程建设的重要工程地质问题之一。

构皮滩水电站前期勘察基本查明了W24岩溶系统的发育和分布规律及空间分布的总体特征,为地下厂房区建筑物的布置,特别是大跨度地下洞室顶拱如何最大限度地避开系统主管道提供了重要地质依据;施工开挖期,新揭露到一些有关地质现象,总体上印证了前期勘察成果,但鉴于前期勘察深度和手段的局限性,加之岩溶管道的分布及地下水渗流条件极其复杂,在施工期结合施工开挖,并通过辅以必要的探测手段进一步深入研究,以查明其与具体建筑物的关系及对建筑物可能带来的不利影响,为更好地指导洞室开挖与围岩支护以及防渗帷幕的施工、幕后排水措施的选择具有重要意义。

[1] 邹成杰.水利水电岩溶工程地质[M].北京:水利水电出版社,1994.

(责任编辑:于继红)

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

刘高峰(1973-),男,工程师,工程地质专业,从事水利水电工程地质勘察工作。E-mail:anqi0211@163.com