浅析诸佛寺水电站库区岩溶发育程度对成库条件的影响

郭 贵, 邓绍辉, 郑井晖

(1.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院,重庆 401120; 2.长江岩土工程总公司(武汉),湖北 武汉 430010)

浅析诸佛寺水电站库区岩溶发育程度对成库条件的影响

郭 贵1, 邓绍辉2, 郑井晖2

(1.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院,重庆 401120; 2.长江岩土工程总公司(武汉),湖北 武汉 430010)

诸佛寺水电站位于彭水县诸佛乡,现已蓄水发电,原坝址(上坝址)位于现坝址(下坝址)上游约600 m,原库区岩溶极其发育,库区岩溶发育程度决定了大坝的成库条件,通过下移坝址成功避开了右岸的岩溶管道渗漏。

岩溶;断层;渗漏;水电站

1 工程简介

诸佛寺水电站位于诸佛江中上游,为诸佛江梯级开发规划方案中的第三级电站,诸佛江为乌江右岸的一级支流,在龙门峡附近汇入乌江。电站坝址坐落在重庆市彭水县诸佛乡上游1.8 km的峡谷河段,电站为Ⅳ等小(1)型工程,主要水工建筑物有重力坝、引水隧洞、电站厂房和导流隧洞等。设计坝顶高程423.00 m,最大坝高56.2 m,坝顶长度112.1 m、宽6 m,水库正常蓄水位418.5 m,正常蓄水位时库容为777万m3,校核洪水位时总库容为933万m3,装机9.0 MW,多年平均发电量2 774万kW·h,总工期30个月,总投资约1.6亿元[1]。

2 区域地质概况

工程区位于四川盆地东部,大娄山脉北东侧、武陵山脉北西缘,山脉走向与构造线一致呈北东—南西向,区内山岭连绵、山体宽厚、沟谷深切,岩溶发育,成层特征明显,地势总体东高西低,由东南向西北倾斜,山顶海拔高程一般在1 000～1 200 m间,与乌江、诸佛江河谷相对高差600～800 m,最大可达1 000 m以上,属侵、剥蚀中—低山地貌区。

诸佛江属乌江右岸的一级支流,发源于黔江区王家湾尖峰山,经石中溪、王家岩进入彭水,在彭水境内由北东流向南西,在龙门峡氽入暗河,经短距离径流后注入乌江,全长约60.7 km,落差555.5 m,流域面积761.6 km2。该水系呈树枝状,地表溪沟发育,河水流向与区域构造线基本一致,受诸佛正断层控制明显,在可溶盐岩出露地区河谷两岸山势雄伟,峭壁林立,具有典型的岩溶地貌景观,在碎屑岩河段河谷相对较开阔,多有一—二级基座型阶地发育。

场地位于扬子准地台,扬子台褶带之黔江拱褶断束中的筲箕滩背斜内。区域上沉积岩发育,从寒武系—第四系除石炭系、侏罗系及第三系缺失外,其它各系均有出露,地层总厚度>7 000 m。

根据国家地震局1990年版《中国地震烈度区划图》(1∶400万)将诸佛江流域划定为Ⅵ度地震区,2001年版《中国地震动峰值加速度区划图》划定的诸佛江流域地震动峰值加速度<0.05g,水工建筑物按Ⅵ度设防。

3 库区岩溶水文地质条件

3.1 库区地质条件简述

库区属溶蚀—侵蚀峡谷中低山地貌,诸佛江两岸山顶高程一般为550～1 000 m,河床高程370～470 m,相对高差230～550 m。河水自北北东方向流入库区,在美羊河折转为北东东—南西西方向流经灯笼岩,纳支流干溪河后流经坝区,又在诸佛寺折转,沿南东—北西方向流出,当正常蓄水位418.5 m时,干流最大回水长度约6.6 km。亭子口上游河段以斜向谷为主,亭子口至坝区河段以纵向谷为主。两岸冲沟较发育,右岸主要有马厂沟、黄泥溪,左岸主要有美羊河、干溪河,与诸佛江垂直或近于垂直相接,多为季节性水流,呈不对称树枝状展布。库区地貌受岩性、构造控制,河谷狭窄,岸坡地势陡峻,局部地段形成的绝壁高度达120 m以上,河谷横断面多呈“V”字型或“U”字型,仅在亭子口以上一些相对宽缓的河谷发育少量漫滩和阶地。

图1 库坝区岩溶发育图Fig.1 Karst development map of reservoir area1.黑灰色页岩夹粉砂岩;2.深灰色厚—中厚层部分为巨厚层结晶灰岩,近底部夹极薄层页岩及燧石层;3.深灰色薄层结晶灰岩夹页岩及燧石层;4.第四段+第五段,深灰色—紫灰色中厚—厚层灰岩夹微晶—致密灰质白云岩;5.第二段+第三段,深灰色—紫灰色中厚—厚层白云质灰岩夹薄层页岩;6.地层分界线;7.断层及编号;8.暗河及编号;9.水平溶洞及编号;10.泉水及编号;11.岩层产状(倾角);12.坝址位置;13.水库回水位线。

库区范围内出露下古生界寒武系上统毛田组(∈3m)、奥陶系下统红花园组(O1h)、分乡组(O1f)、南津关组(O1n),志留系下统龙马溪组(S1ln)和第四系全新统地层。

库区位于筲箕滩背斜北西翼近轴部,库区地层产状走向40°～60°,倾向320°～340°∠7°～11°,除局部微有起伏外,从南东向北西方向地层倾角局部变化较大。库区主要涉及诸佛江断层F1、F2、F3和F4等,以上断层均顺走向发育。

库坝区主要发育4条规模较大的断层,其中F1断层为区域性大断裂。

诸佛江断层F1:正断层,在下坝址下游200 m横穿诸佛江,长度>31 km,断层总体倾向350°,倾角80°,在坝址区破碎带宽5～8 m,断层上盘为志留系碎屑岩地层,下盘为奥陶系下统红花园组(O1h)、分乡组(O1f)和南津关组(O1n)碳酸盐岩地层。断层在地表岩溶发育,经过处一般形成凹槽,发育岩溶洼地、落水洞、暗河(KW4、KW15)。根据对KW2暗河的追索,在地下沿断层带有岩溶管道发育,为一条强烈溶蚀的导水断层。

F2:正断层,位于下坝址上游230 m处,横穿诸佛江,其北端在石灰塘,终止于诸佛江断层上,向南与F1近平行发育,长度>3 km。断层总体倾向327°,倾角86°,坝址区右岸公路边破碎带宽约30 m,破碎带主要由方解石、角砾岩、碎裂岩构成,胶结较差,有溶蚀,并发育小溶洞。

F3:正断层,位于下坝址上游560 m,横穿诸佛江,长1.8 km,断层总体倾向313°,倾角85°,在坝址区破碎带宽15～25 m,破碎带主要由方解石、角砾岩和碎裂岩构成,胶结较差,具溶蚀现象,并发育有小溶洞。为一条溶蚀性导水断层。

F4:正断层,位于库内,横穿诸佛江,长1.4 km,断层总体倾向50°,倾角86°,破碎带宽5～10 m,破碎带主要由方解石、角砾岩和碎裂岩构成。断层上、下盘均为奥陶系下统南津关组地层。

3.2 库区主要岩溶形态

库区主要岩溶形态有:岩溶中山峡谷、落水洞、溶洞、岩溶大泉、岩溶泉。

3.3 主要岩溶系统

3.3.1 KW1毛石墩暗河岩溶系统

位于库内诸佛江右岸毛石墩—汆头坝一线,是一个溶洞及泉水发育带。

暗河出口发育在毛田组(∈3m)地层中,KW1毛石墩洞口最大宽度约3 m,高约2.7 m,呈三角形状,洞口高出河水面0.3～0.5 m。岩溶系统包括KW1(毛石墩,375 m)、KW3(仙人洞384.5 m)、K14(530.0 m)、KW4(汆头坝,433 m)、KW4-1(433.50 m)、KW4-2(433.50 m)、K14(530.0 m)等溶洞及岩溶泉,基本沿同一层顺走向及倾向发育,规模较大。其中KW4暗河进口流量250 L/min,经做连通试验和测绘可知,暗河长1 183 m,KW1暗河为KW4暗河的出水口。

3.3.2 KW2凉风洞暗河岩溶系统

因洞内向外冒凉风得名,位于库内诸佛江右岸凉风洞—石灰塘一线,是一个溶洞及泉水发育带。

暗河出口发育在南津关组(O1n4+5)地层中,KW2凉风洞洞口宽1.5～1.7 m,高>3 m,呈裂隙状,河床高程约370 m,出口高出河水面0.5～0.7 m。洞体均沿走向北东南西方向的层面延伸,经对暗河进行测绘及探洞可知,暗河全长1 028 m,岩溶系统包括KW2(凉风洞,374.45 m)、KW15(419.0 m)等溶洞及落水洞,基本沿同一层顺走向及倾向发育,规模较大。其中KW15暗河进口流量0.25 L/min,经测绘探洞,KW2暗河为KW15暗河的出水口。

3.3.3 KW11泉坝暗河岩溶系统

暗河出口发育在毛田组(∈3m)地层中,位于右岸河床边,KW11泉坝洞洞口宽0.3～0.7 m,高约1.2 m,向洞内延伸约5 m,人无法进入,洞口高程约385.5 m,出口高出河水面0.2～0.3 m,岩溶系统包括KW11,共计有7处,流量合计约6 200 L/min,泉水大量向上涌出。洞体沿F4断层走向延伸,暗河虽规模小,但泉水流量大,为可疑的原水库渗漏进口点之一。其补给区推测为平顶山以北与F1诸佛江断裂以东的狭长地带。

3.3.4 W13泉水

泉水位于库内诸佛江左岸河床边,发育在毛田组(∈3m)地层中,泉水受F4断层切割影响出露于河床边。泉口高程387.50 m,枯流量1 500 L/min。该泉水是左岸向水库一侧的最低排泄点。它们的补给区在诸佛江以南珍加乡一带。

4 水库岩溶渗漏分析

通过对库首河湾地块结构的分析,上坝址主要存在从右岸河湾地块向下游的岩溶管道渗漏。下坝址主要存在以下几处可疑的渗漏地段:水库从左岸沿F2断层带及两盘向下游的岩溶渗漏;水库从右岸沿F1断层破碎带及下盘向坝址下游的岩溶渗漏,F2断层从右岸的岩溶渗漏分析归入F1岩溶渗漏分析中。

4.1 上坝址从右岸河湾地段向下游的岩溶管道渗漏

通过勘察并结合连通试验工作分析,上坝址蓄水后库水具有通过KW11-KW14泉群入口(进口高程385 m),沿F2、F3、F4导水断裂向上坝址下游KW1、KW2(出口高程376 m)渗漏的可能性,渗漏地层属区域强岩溶地层——寒武系毛田组灰岩及白云岩,岩溶通道连通情况复杂,防渗处理的难度及工程量较大。

据枯水期观测,河水经过KW11-KW14泉群后,流量约增加一倍,分析地下水从水库右岸沿断层带发育的岩溶管道系统流出,水库蓄水后存在库水沿该岩溶系统向上坝址下游渗漏的可能性。

4.2 下坝址从左岸沿F2断层破碎带及两盘的岩溶渗漏

F2断层位于坝轴线上游275 m处,横穿诸佛江,其北端在石灰塘、终止于诸佛江断层上,长度>3 km。断层总体走向57°,倾向327°,倾角86°,坝址区右岸公路边破碎带宽约30 m,破碎带主要由方解石、角砾岩、碎裂岩构成,胶结较差,有溶蚀,并发育小溶洞。断层上盘为奥陶系下统红花园组(O1h)、分乡组(O1f)、南津关组(O1n4+5)地层,下盘为奥陶系南津关组(O1n)、寒武系上统毛田组(∈3m)地层。F2穿越诸佛江河床处高程约371 m,无横河向跌坎及深槽发育,但断层在地表一般溶蚀后形成凹槽,发育落水洞(K15、K16),通过对KW2暗河的追索,在地下沿断层带有岩溶管道发育,并与沿F1发育的岩溶管道连通。

根据地表岩溶地质调查,F2在坝址区右岸岩溶强烈发育,并与F1的岩溶管道连通,在坝址左岸岩溶不发育,除地表分布有溶槽外,沿断层带无落水洞、水平溶洞发育。以下主要分析其沿左岸的渗漏问题。

左岸F2断层上盘为奥陶系下统红花园组(O1h)+分乡组(O1f)灰岩夹少量页岩,地表在库内一侧发育K17溶洞,洞口高程378.5 m,洞内无水,洞深约10 m,在下游库外诸佛江左岸地表未见溶洞及泉水发育。据左岸防渗钻孔ZK2揭示,全孔未见溶洞发育,仅见少量溶蚀裂隙及长大直立裂隙发育,钻进过程中孔内循环水一直从孔口返出,终孔30天后稳定水位455.71 m(观测日期2011年8月1日),高于设计正常蓄水位。因此蓄水后库水不会沿F2断层上盘向左岸诸佛江下游发生岩溶管道渗漏。

F2断层破碎带在左岸分水岭最低处高程489.0 m,地表形成一凹槽,宽25～30 m,被粘土夹块石覆盖。破碎带在库内左岸诸佛江河边未见泉水和溶洞发育。在库外破碎带内未见泉水及溶洞发育。补充勘察在凹槽内F2断层上盘布置钻孔HK3,通过钻孔揭示破碎带内发育9段方解石充填的溶蚀裂隙并形成小的溶洞,一般高0.2～0.8 m,钻孔揭示溶蚀裂隙底界高程392.30 m,终孔30天后稳定水位389.10 m,低于设计正常蓄水位。分析认为F2断层破碎带在左岸河间地块附近岩溶较发育;F2断层破碎带蓄水后库水会沿F2断层破碎带存在从左岸向诸佛江下游发生岩溶管道渗漏的可能性,可作为蓄水后二期防渗考虑。

左岸F2断层下盘为奥陶系南津关组(O1n)、寒武系上统毛田组(∈3m)地层,为灰岩夹灰质白云岩、白云岩,在库内一侧诸佛江左岸未见泉水和溶洞发育,河间地块宽3～5 km,高程在550 m以上,山体宽厚,分析认为蓄水后库水不会从F2断层下盘发生岩溶渗漏。

综合以上分析认为,蓄水后库水沿F2断层破碎带发生岩溶管道渗漏的可能性存在,考虑到岩溶发育的复杂性,左岸防渗线F2断层可作为蓄水后二期防渗考虑。

4.3 下坝址库水从F1断层破碎带、下盘向下游河湾的岩溶渗漏

诸佛江断层——F1为区域性大断层,在大坝下游200 m横穿诸佛江,总长度>31 km,断层总体走向80°,倾向350°,倾角80°,在坝址区破碎带宽5～8 m。断层上盘为志留系碎屑岩地层,下盘为奥陶系下统红花园组(O1h)、分乡组(O1f)和南津关组(O1n)碳酸盐岩地层。断层穿越诸佛江处河床高程约369 m,无横河向跌坎及深槽发育。断层在地表岩溶发育,经过处一般形成凹槽,发育岩溶洼地、落水洞、暗河(KW4、KW15),根据对KW2暗河的追索,在地下沿断层带有岩溶管道发育,说明F1为一条强烈溶蚀的导水断层。

F1断层下盘为奥陶系下统红花园组(O1h)、分乡组(O1f)和南津关组(O1n)碳酸盐岩地层。地表发育一泉水W18,高程428.1 m,枯流量5 L/min,地表未见溶洞发育,据右岸防渗钻孔ZK4揭示,孔深29.0～31.7 m(高程453.49～450.79 m)发育一溶洞,无充填,在正常蓄水位以下未见溶洞及溶蚀裂隙,钻进至该溶洞时孔口不返水,经调查W18岩溶泉流量略有增大,泉水携带少量岩粉流出,可以断定钻孔与W18岩溶泉相连通。终孔30天后对钻孔水位进行稳定观测,水位高程450.55 m(观测日期2011年8月1日),高于正常蓄水位,因此库水不会从F1断层下盘发生向下游的岩溶管道渗漏。

F1断层破碎带在地表形成槽谷,上盘为志留系页岩形成的陡崖,下盘为灰岩顺层斜坡。断层带地表被覆盖,未见有溶洞、落水洞发育,在块石缝中发育2个泉水W17、W19,高程分别为383.5 m、394.5 m,流量8 L/min、15 L/min,分析泉水补给区为断层带及后缘斜坡。两泉水受季节性影响明显,特别是W17泉水在大雨后才流出。本次勘察在F1断层破碎带上布置了一个钻孔以了解F1断层破碎带的岩性、透水性及地下水位,孔口高程433.0 m,钻进至孔深3.1 m(高程429.9 m)时孔口不返水,经调查W19岩溶泉流量明显增大,泉水携带大量岩粉流出,可以断定钻孔与W19岩溶泉相连通。钻孔终孔5天后对水位进行观测,水位高程419.40 m,略高于正常蓄水位。F1断层带在坝下游地表无岩溶管道出露,因此发生岩溶管道渗漏可能性较小,存在发生裂隙性渗漏的可能性,但即使发生裂隙性渗漏,也可通过常规灌浆进行防渗。防渗线路为一端接大坝帷幕,另一端接断层上盘志留系页岩。

鉴于本次勘察F1断层带无溶洞,地下水位较高,因此建议暂不考虑工程防渗处理措施,可作为蓄水后二期防渗考虑。

5 结束语

本文简要对诸佛寺水电站库区岩溶发育的成因、规模及对大坝成库的影响进行了评述,上坝址建库存在沿右岸发生岩溶管道渗漏的风险,防渗处理的难度及工程量大。坝址下移后,将可能发生渗漏的岩溶管道进、出口均放入库内,库水向库外发生岩溶管道渗漏的可能性较小,存在裂隙性渗漏可能,现已通过蓄水证明以上分析符合实际。

[1] 郭贵，罗兴建，王兴峰，等.重庆市彭水县诸佛寺水电站工程地质勘察报告(初步设计(代可研)阶段)[R].重庆:重庆市水利电力建筑勘测设计研究院,2012.

(责任编辑：于继红)

Analysis of the Effect of Karst Development Degree of the Buddhist TempleHydropower Station Area on Reservoir Conditions

GUO Gui1, DENG Shaohui2, ZHENG Jinghui2

(1.ChongqingSurveyingandDesignInstituteofWaterResources,ElectricPowerandArchitecture,Chongqing401120;2.ChangjiangGeotechnicalEngineeringCorporation(Wuhan),Wuhan,Hubei430010)

Buddhist temple hydropower station is located in Pengshui County Buddha Township,has impoundment power station,the original dam is located in the upstream of the present dam about 600 m,original reservoir karst development is extremely,development degree of karst reservoir area determines the dam reservoir conditions.The down dam successfully avoided the karst leakage on the right bank.

karst; fault; leakage; hydropower station

2016-04-15;改回日期:2016-04-20

郭贵(1980-),男,工程师,水文地质与工程地质专业,从事水利水电勘察工作。E-mail:51094516@qq.com

P642.25

A

1671-1211(2016)03-0348-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.024

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.024.html 数字出版日期:2016-05-04 09:24