云口水电站重要工程地质问题及对策

董忠萍, 陈汉宝, 黄定强, 叶运华

(湖北省水利水电规划勘测设计院,湖北 武汉 430064)

云口水电站重要工程地质问题及对策

董忠萍, 陈汉宝, 黄定强, 叶运华

(湖北省水利水电规划勘测设计院,湖北 武汉 430064)

云口水电站左岸河间地块的岩溶渗漏问题和左坝肩边坡稳定问题是本工程最重要的地质问题,前者直接关系到成库条件及工程的成败。通过岩溶水文地质调查、勘探试验工作,查明库区的岩溶发育特征,为水库的蓄水方案提供地质依据。根据岩溶水文地质在平面上分区、垂向上分层的特点,对库区岩溶渗漏问题进行分析计算,并确定大坝防渗帷幕方案。坝址边坡陡峭,左坝肩为顺向斜向坡,岩层产状及裂隙发育特征对边坡稳定极为不利,开挖边坡的稳定性较差,施工难度也相当大。针对不利的地质条件,左坝肩施工开挖采取窑洞式开挖方式,并控制梯段开挖规模,尽量避免扰动岩体,同时对裂隙岩体采取锚索、系统锚杆、挂钢筋网喷护的组合支护措施。实践证明,支护工作取得了良好的效果。

岩溶渗漏;岩溶水文地质分带;边坡稳定;工程处理;云口水电站

云口水电站位于湖北省利川市境内,属乌江水系郁江流域。电站枢纽位于郁江上游左岸的一级支流乌泥河河口。水电站由碾压混凝土拱坝、左岸洞式溢洪道、右岸发电引水系统及岸边式地面厂房等建筑物组成。水库正常蓄水位695 m,总库容3 505万m3,电站总装机容量30.0 MW,混凝土拱坝坝顶高程700.0 m,最大设计坝高119 m。工程属Ⅲ等中型工程。云口水电站于2006年底开工建设,2009年9月第1台机组发电,至今运行情况良好。

1 工程地质条件[1-2]及重要地质问题

工程区内山峦叠翠,山势陡峻。在燕山造山运动之后该区又经过了多次大面积间歇性抬升,地貌成因受地层岩性和构造的控制。区内岩溶发育,分布有溶洞、落水洞、石芽、洼地和溶槽等多种岩溶地貌;碎屑岩区以侵蚀、剥蚀为主,沟谷纵横交错,地形相对平缓;二者相间分布造就了区内多级夷平面与侵蚀沟谷相结合的地貌景观。

库区碳酸盐岩分布广泛,岩溶发育。库区右岸河间地块巴东组砂页岩分布稳定,为相对隔水层,其隔水性良好,不存在大的渗漏问题。左岸河间地块出露地层几乎全为浅海相碳酸盐岩系列,特别是三叠系嘉陵江组中厚—厚层状灰岩,岩溶非常发育,其岩溶发育特征、管道型岩溶发育的下限深度决定了本工程可行性以及规划方案的选择。

左坝肩坡高达380 m,边坡陡峭,为顺向斜向坡。坝肩岩体为三叠系下统嘉陵江组T1j3-3灰色、紫红色薄—中厚层微晶灰岩,岩层产状315°～320°∠45°～50°,层间剪切带发育。层间剪切带及夹层、裂隙、溶隙等结构面将岩体切割成不稳定的块体,特别是表层卸荷松动带、强风化带,岩体呈碎裂状,边坡稳定性差。坝肩开挖之后,拱座上游壁为顺向坡,在坡脚被挖除之后,上部裂隙岩体常发生掉块、崩塌现象,为确保工程安全,需要进行系统锚喷支护处理。边坡的锚固方案制约了工程施工进度,增加了工程造价。

左岸河间地块的岩溶渗漏问题直接关系到成库条件及工程的成败;左坝肩边坡稳定问题决定工程施工安全,并影响工程投资。这2个问题是本工程最重要的地质问题。

2 左岸河间地块岩溶渗漏问题及对策

库区左岸河间地块碳酸盐岩分布广泛,岩溶非常发育,其岩溶发育特征及是否存在岩溶管道式渗漏通道是决定水库渗漏的重要条件,直接关系到工程的成败。根据规划方案,云口电站正常蓄水位有三种比较方案:750 m、720 m和700 m。地质勘察工作对三种方案的成库条件进行论证。

2.1 岩溶水文地质条件

左岸河间地块地表峰丛叠起,高程多为950～1 100 m,与区域第四级夷平面相对应,地文期为山原期。夷平面上岩溶发育,溶沟、溶芽、溶槽、岩溶洼地、漏斗、落水洞几乎随处可见,夷平面上遗留有早期发育的大型水平溶洞,部分保存完好,部分已被剥蚀破坏。现代河床高程600 m左右,相当于区域第六级夷平面,地文期属云盆期。沿山谷发育小型的岩溶管道、岩溶泉。

河间地块依次出露二叠系茅口组、吴家坪组、长兴组及三叠系大冶组、嘉陵江组地层。岩性以可溶的碳酸盐岩为主,其中间夹少量的页岩及硅质岩、白云岩等相对隔水岩组。相对隔水岩组有4段:①二叠系上统吴家坪组黑色页岩夹煤层、白云质灰岩、泥灰岩、燧石层,厚约105 m;②三叠系下统大冶组第一段T1d1,灰色、紫红色页岩,厚20～30 m;③三叠系下统大冶组第四段T1d4，紫红色泥质白云岩、灰质白云岩、白云岩,厚30～35 m;④三叠系下统嘉陵江组第二段 T1j2,灰、灰白色、略带紫红色中—巨厚层状白云岩、灰质白云岩,厚100～120 m。沿相对隔水层,泉水呈带状分布。

由于受溶蚀及构造裂隙的切割,不同层位、不同地段隔水层的隔水性差异较大。P2w和T1d1这2层在整个区域内都是良好的隔水层。据地表调查及连通试验成果,T1d4层的隔水效果较差,使得分布其上的T1j1含水层与其下的T1d2+3含水层成为一个统一的岩溶水系统。

2.2 岩溶发育特征及渗漏分析

根据岩性组合,左岸河间地块可分为3个岩溶水含水层系统:Ⅰ嘉陵江组、大冶组第二段、第三段地层岩溶水系统;Ⅱ长兴组地层岩溶水系统;Ⅲ茅口组地层岩溶水系统。

上述3个岩溶水含水层系统呈条带状沿库区左岸纵向展布(图1-图3),地表岩溶较为发育,上游(北东侧)被库区堰水河切割,下游(南西侧)被郁江切割,条带状展布的岩溶含水层系统在水库蓄水后存在可疑渗漏通道。

由Ⅲ岩溶水含水层系统构成的可疑渗漏通道,地层为二叠系下统茅口组灰岩;由Ⅱ岩溶水含水层系统构成的可疑渗漏通道,地层为二叠系上统长兴组、吴家坪上统灰岩,在库尾堰水河段(即渗漏带上游段)岩溶发育较弱,可见的岩溶发育高程>730 m。因此,对于700 m和720 m方案,这2个可疑渗漏带不存在岩溶渗漏问题,但对于750 m方案,则可能存在岩溶渗漏问题。

图1 左岸河间地块岩溶水文地质平面图Fig.1 The karst hydrogeology plan in the interstream area on the left bank1.溶洞及编号;2.暗河出口编号及流量;3.上升泉编号(水面高程);4.下坝址方案可疑渗漏途径;5.岩溶水系统带及编号;6.剖面线及编号;7.暗河进口及流向;8.下降泉编号上坝址方案可疑渗漏途径;10.钻孔及编号;11.拟建坝址。

图2 左岸河间地块岩溶水文地质纵剖面图Fig.2 Longitudinal section of karst hydrogeology diagram in the interstream area on the left bank1.灰岩;2.白云岩;3.地下水流方向;4.溶洞;5.页岩;6.地下水位落水洞及编号。

图3 左岸河间地块岩溶水文地质横剖面图Fig.3 Cross section of karst hydrogeology diagram in the interstream area on the left bank1.灰岩;2.白云岩;3.下降泉编号溶洞;5.岩溶水系统分区界线;6.地下水位落水洞及编号;8.地下水流方向。

由Ⅰ岩溶水含水层系统构成的可疑渗漏通道,地层为T1d2、T1d3、T1d4、T1j1的灰岩夹白云岩,该可疑渗漏带在堰水河段出露高程位于670 m以下,水库蓄水后水位抬高较多,极大地改变了该岩溶水含水层系统的水文地质条件,是水库岩溶渗漏的重点地带(图2)。

根据野外调查,在该可疑岩溶渗漏带的上、下游河床或岸坡部位均有岩溶泉出露,显示带内存在地下分水岭。为了查明该可疑渗漏带的岩溶发育规律及地下分水岭的情况,在水文地质测绘、调查的基础上,布置了2个水文地质钻孔(ZKS1和ZKS2),并在钻孔中进行了连通试验,及对地下水位长期动态观测。ZKS1水文地质钻孔,地下水位为673～690 m;ZKS2钻孔中地下水位为700 m左右。

河间地块的岩溶发育现象普遍,面积岩溶率较高,约为15%～20%。河间地块发育有两层水平岩溶管道,与区域夷平面相一致,高程分别为950～1 050和600 m左右。其中以950～1 050 m高程的水平溶洞发育充分,其规模较大,多呈厅堂型,但大多被风化剥蚀,仅局部残存;高程600 m左右接近河床的一层水平管道,发育时间较短,长度有限,规模较小,连通性稍差,以泉水或暗河的形式出现。岩溶发育受主干构造线方向的控制,与区域构造线方向一致,主要呈NE向展布。只是在局部地段,岩溶发育受控于构造裂隙,但发育规模相对较小。由于地壳持续抬升,而且速度较快,在高程600～900 m之间,河间地块的岩溶以垂向和斜向发育为主,局部段发育规模较小、连通性较差的水平岩溶管道,显示地壳抬升在这一时期略有停顿,但停顿的时间较短。

河间地块落水洞的发育规模较小,其发育的下限深度远远小于河流的下切深度。据溶洞调查结果,落水洞总体上沿构造线方向呈串珠状分布,主要沿岩层倾向倾斜发育,少部分垂直发育。落水洞一般在深度>20 m(高程850～900 m)之后,以狭缝式(宽度<0.1 m)沿岩层倾向方向斜向下延伸,底部为泥质充填,雨季消水能力一般较差。规模相对较大的落水洞可见2～3层,单层深度一般<10 m,地表负地形及落水洞之间的连通性较差。

据钻孔揭示:高程950～815 m,岩溶强烈发育,溶蚀现象普遍,溶洞较发育且规模较大;高程815～710 m,岩溶中等发育,溶洞规模较小,溶隙发育;高程710～630 m,岩溶较不发育,溶蚀现象较少,以溶隙发育为主;高程630 m以下,岩溶不发育,偶见溶蚀现象,岩石呈微风化。

据连通试验成果显示:ZKS1、ZKS2钻孔处地下水均沿西偏北方向向下游渗流,最后都经W46号泉水点汇入郁江,表明地下水分水岭位于ZKS2钻孔的北东地带,即在ZKS2钻孔与堰水河之间;从地形地貌、地表岩溶洼地分布、水文地质条件及ZKS2钻孔与堰水河的距离来分析,地下水分水岭的位置与ZKS2号钻孔相距不远,可以近似地认为ZKS2号钻孔处的地下水位为地下水分水岭高程,即为700 m左右。

因此,左岸河间地块存在地下水分水岭,地下水分水岭高程≥700 m,库水位710 m高程以下,不存在纵向管道性岩溶渗漏通道。库区最可疑的渗漏方式为绕坝渗漏,其可疑的渗漏途径见图1。库水位超过710 m,则有可能存在岩溶管道渗漏问题。

2.3 水库蓄水方案选择

岩溶水文地质勘察成果表明,在710 m高程以下,成库条件是好的,不存在纵向管道式岩溶渗漏通道,水库渗漏以裂隙、溶隙性渗漏为主。根据地质结论,结合征地移民投资、工程造价等情况,综合确定本工程正常蓄水位为695 m,坝顶高程为700 m。

2.4 渗漏量计算及防渗帷幕方案确定

左坝肩帷幕钻孔ZK08地下水位为694 m左右,ZKS1号钻孔的地下水位为673～690 m,在ZK08号孔与T1d1隔水层之间,形成地下水位凹槽(图3)。水库正常蓄水位(695 m)将高出凹槽的地下水位5～22 m,从而在左岸近坝库段(乌泥河段)与下游郁江之间形成渗漏带,渗漏型式为裂隙、溶隙性渗漏。该带宽500～600 m,考虑到水库蓄水后河间地块地下水位将有不同程度的壅高,实际可能发生渗漏带的宽度估计为300 m左右。

根据地下水渗流原理,运用数值法对695 m高程蓄水位时最大渗漏量进行估算。

模型概化:①含水层按渗透系数的不同分为两层,每层均质各向同性,底部隔水层水平,上部入渗强度W为常数;②河流基本平行,潜水流可视为一维流;③潜水流是渐变流并趋于稳定。地质概念模型见图4。

图4 水文地质概念模型Fig.4 The conceptual model of karst hydrogeology

根据上述假设,取垂直于河流的单位宽度来分析,其数学模型[3]为:

当库水位为695 m时,可疑渗漏带的分水岭消失,则可用Dupuit公式来计算单宽流量。考虑到可疑渗漏带在673 m高程上下的渗透系数不同,可将地下水流分为两层,各层为均质同向。其单宽流量的计算公式❶如下:

❶ 此算法忽略了673 m水位高程下游的渗流路径,结果偏大。

据压水试验成果,K1值取0.1 m/d;据连通试验结果,K2取100 m/d;渗漏宽度B取300 m。

经计算,渗漏量为0.094 m3/s,占乌泥河多年平均径流量的0.87%。其渗漏量不大,在规范[4]允许范围之内。

针对左岸裂隙、溶隙性渗漏问题,坝肩防渗帷幕方案有短帷幕线方案和长帷幕线方案2种。短帷幕线方案忽略河间地块地下水位凹槽的渗漏影响,以T1j2白云岩、灰质白云岩相对隔水层为防渗依托,帷幕线长300 m;长帷幕线方案截断河间地块地下水位凹槽的渗漏带,以T1d1页岩为防渗依托,帷幕线长1 050 m。由于河间地块地下水位凹槽渗漏带渗漏量有限,对电站效益影响较小,根据云口电站投资规模,选择短帷幕方案进行防渗处理。

水库蓄水后,实际观测证实水库渗漏形式及渗漏量与本分析计算结果是吻合的。

3 左坝肩边坡稳定问题及工程处理措施

坝区河段河谷狭窄,呈对称的“V”型谷,岸坡陡峻,坡度一般为55°～77°。

左坝肩岩体为三叠系下统T1j3-3灰色、紫红色薄—中厚层微晶灰岩,为单斜构造,岩层产状315°～320°∠45°～50°,层间剪切带发育。左坝肩为顺向斜向坡,裂隙发育,主要发育3组裂隙,其中以第一组顺河向、反坡向裂隙(产状205°～220°∠52°～75°)最为发育,该组裂隙规模大、切割深,隙宽多为0.5～5 cm,最宽达20 cm。第一组裂隙与岩层层面(层间剪切带)组合,加上第二组裂隙(走向320°～340°,倾向NE,倾角50°～70°)的切割,将岩体切割成不稳定的三角形柱体、楔体或板状块体,坝肩边坡稳定性较差(左坝肩结构面赤平投影见图5)。为尽可能避免对边坡岩体的扰动,施工开挖采用窑洞式开挖方式,窑洞顶拱形成后,坝肩开挖按10～15 m一个梯段从上至下分级开挖,开挖面坡比1∶0.3。开挖之后,拱槽上游壁为顺向坡,拱座为横向坡,拱槽下游壁为逆向坡。

坝肩开挖打破了原有的平衡状态,左拱槽上游侧壁表现为顺向坡,坡脚被挖除之后,形成临空面,再加上爆破震动的影响,上游侧壁裂隙岩体掉块、崩落现象严重。为确保工程安全,对左坝肩720 m高程以下、开挖范围内的裂隙岩体采取了系统支护措施。

边坡支护思路和方案为:①拱槽上游侧壁岩体为顺向坡,稳定性差,采取锚喷系统支护处理。主要是采用4.5 m长的系统锚杆,结合9 m、15 m、18 m的钢筋桩和张拉锚杆组合支护,并挂钢筋网喷护,混凝土喷护厚度一般为10 cm。每开挖一个梯段,支护一个梯段,支护完成后再进行下一个梯段的开挖。②拱槽下游侧壁岩体为逆向坡,卸荷带岩体较破碎,一般只发生小规模掉块现象。根据实际情况,采用混凝土素喷或挂铁丝网喷护或清理危石的方法进行处理。③拱座为横向坡,开挖至弱风化或微风化岩体,稳定性较好。

图5 左坝肩结构面赤平投影图Fig.5 Stereographic projection of structural planes on the left bank

“窑洞”及洞顶上部(700～750 m高程),由于开挖卸荷及爆破震动的影响,部分岩体有变形现象,采用15根锚索对变形岩体进行锚固处理。锚索穿过第一组顺河向、反坡向裂隙,深入稳定岩体。

左坝肩坡高达380 m,边坡陡峭,层间剪切带及夹层、裂隙、溶隙等结构面将岩体切割成不稳定块体,特别是表层卸荷松动带、强风化带,岩体呈碎裂状,在爆破、雨后地表径流、地下水等各种不良荷载作用下,不稳定块体极有可能产生崩滑、掉块。在施工过程中也证实了这一点。针对不良的地质条件,左坝肩施工开挖采取窑洞式开挖方式,控制梯段开挖规模及装药量,尽量避免扰动岩体。并对左坝肩裂隙岩体采用了锚索、系统锚杆、挂钢筋网喷护的组合支护措施。实践证明,支护工作取得了良好的效果,保证了施工开挖的安全、有序进行。

4 结语

三叠系嘉陵江组中厚层、厚层状灰岩为鄂西地区岩溶化程度最高的地层[5],鄂西山区规模宏大的溶洞往往发育在该地层中。云口水电站左岸河间地块的嘉陵江组灰岩也是如此,岩溶非常发育,其岩溶发育规模及特征决定了成库条件。库区岩溶水文地质勘察成果表明,在710 m高程以下,成库条件是好的,不存在纵向管道式岩溶渗漏通道,水库渗漏以裂隙、溶隙性渗漏为主。并结合征地移民投资、工程造价等情况,综合确定本工程正常蓄水位方案。

左岸河间地块的岩溶水文地质在平面上分为3个区(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ岩溶含水层系统),在垂向上分为3层(管道型岩溶含水层、溶隙型岩溶含水层和裂隙性含水层),由此建立岩溶水文地质模型,利用Dupuit公式计算水库渗漏量。水库蓄水后,水库渗漏形式及渗漏量与本分析计算结果是吻合的。

云口水电站工程地质条件复杂,两岸均为高陡边坡,特别是左坝肩,主要为顺向坡,岩层产状及裂隙发育特征对边坡稳定极为不利,施工难度也相当大,左坝肩的高边坡稳定问题是施工阶段最重要的工程地质问题。施工过程中需要及时进行地质预报,指出开挖过程中可能碰到的各种影响工程安全的地质问题,并采取相应的支护处理措施。云口水电站工程从开工建设到正常运行发电,未出现大的安全问题,至今运行情况良好,表明对地质缺陷的认识和工程处理是成功的。

[1] 叶运华,董忠萍,郑颖.湖北省利川市云口水电站初步设计阶段工程地质勘察报告[R].武汉:湖北省水利水电规划勘测设计院,2006.

[2] 董忠萍.湖北省利川市云口水电站工程蓄水安全设计自检报告(地质部分)[R].武汉:湖北省水利水电规划勘测设计院,2009.

[3] 薛禹群.地下水动力学[M].第二版.北京:地质出版社,1997.

[4] 中华人民共和国建设部.水力发电工程地质勘察规范:GB50287—2006[S].北京:中国计划出版社,2008.

[5] 曹安俊,伍法权,刘世凯,等.西部水利水电开发与岩溶水文地质论文选集[C].武汉:中国地质大学出版社,2004.

(责任编辑：于继红)

Key Engineering Geological Problems and Countermeasuresof Yunkou Hydropower Station

DONG Zhongping, CHENG Hanbao, HUANG Dingqiang, YE Yunhua

(HubeiProvincialWaterResourcesandHydropowerPlanningSurveyandDesignInstitute,Wuhan,Hubei430064)

Karst leakage in the interstream area on the left bank and slope stabilization on the left abutment of Yunkou hydropower station are the most salient geological problems,and the former is of vital important to the forming condition for the reservoir and the success or failure of whole project. Through the investigation and survey on the karst hydrogeology,the features of karst development are detected,which provides geological evidences for selecting the reservoir storage scheme. According to the characteristics of plane divisional and vertical stratification for the karst hydrogeology,the reservoir leakage problems are analyzed and calculated,and then the anti-seepage curtain for the dam is determined.The geological claim is that the steep slope at dam sites,the left abutment with consequent slope structure,and the characteristics of the attitude of rock formation and fracture development place the slope stability at a significant disadvantage. These results go against the excavation slope and increase the difficulty for practical construction. Aiming at disadvantageous geologic conditions,the excavation of the left abutment is conducted by the method of cave-dwelling and controlling the bench dimension to reduce disturbance on rock mass. At the same time,the combination of anchor lines,system bolts and steel mess shotcrete is applied for the fractured rock mass as support measures,which proved to be effective.

karst leakage; karst hydrogeological zonation; slope stabilization; engineering treatment; Yunkou Hydropower Station

2017-06-09;改回日期:2017-06-19

董忠萍(1972-),男,教授级高级工程师,硕士,水文地质与工程地质专业,从事水文地质、工程地质研究工作。E-mail:409488399@qq.com

P642.25

A

1671-1211(2017)04-0371-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.003

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1344.028.html 数字出版日期:2017-06-20 13:44