云南谷久浓水利枢纽工程坝址深厚覆盖层特性及成因分析

周 旭, 任向宇, 李保方

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021)

云南谷久浓水利枢纽工程坝址深厚覆盖层特性及成因分析

周 旭, 任向宇, 李保方

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021)

中国西南地区蕴藏着丰富的水能资源,在水能资源开发过程中,查明河谷深厚覆盖层的基本特征、分布规律及其物理力学性质,对工程建设效益起到至关重要的作用。通过谷久浓坝址工程勘察实践,概述坝址河谷覆盖层组成及分布特性,结合大量文献资料,分析探讨其坝基深厚覆盖层的成因机制,得出本地区河谷深厚覆盖层的形成与气候变化、新构造运动、冰碛作用、地质灾害等因素有很大关系。

深厚覆盖层;覆盖层特性;成因机制

1 概述

谷久浓水利枢纽工程位于云南省德钦县澜沧江支流三岔河支流上,坝址位于德钦县西各几农村上游250～650 m(图1)。大坝为沥青混凝土心墙堆石坝,是一座功能相对单一的兼具供水及灌溉任务的小(1)型水利枢纽工程,主要建筑物为4级,水库建成后是德钦县城镇生活供水及农业灌溉的可靠水源。

图1 谷久浓水利枢纽工程交通位置图Fig.1 The traffic location map of Gujiunong water conservancy project

2 地质概况

工程地处横断山北段三江(怒江、澜沧江、金沙江)并流区的雪山峡谷区,地貌形态主要受构造断裂带控制,山体陡峻雄厚,河谷深切,地形起伏,切割强烈。山顶大部基岩裸露,左岸地形坡度25°～53°,右岸地形坡度40°～50°,谷底宽度约80 m,水面宽2～5 m。

枢纽区出露地层主要为三叠系中统片理化流纹岩、轻微变质泥岩、辉长岩,上统轻微变质泥岩及第四系松散堆积物。

坝基及两岸坝肩发育3条陡倾角断层破碎带,主要由碎裂岩、断层角砾岩、碎块碎屑状破碎物组成,局部夹泥,断层宽约8～20 m。

坝址两岸坝肩地下水埋深为30～70 m。第四系松散堆积物除分布于河床部位的泥炭质土为中等透水层以外,其余均为强透水层。

3 覆盖层基本工程地质特性

根据覆盖层的物质组成和成层结构,坝址第四系松散堆积物自上而下可分为冲积层、湖积层、坡积层和冰水沉积层,覆盖层总厚度河床约35～40 m,左岸35～45 m,右岸50～60 m。坝址河谷覆盖层结构见图2。

冲积层:为级配良好砾,漂、卵石含量约为40%～60%,砾石含量约为30%～50%,其余为砂,含量少于10%,层厚5～6 m,主要分布于河床部位。

湖积层:为泥炭质土,灰—灰黑色,饱和,呈软塑状态,有机质含量为12.5%,层厚15～18 m,主要分布于河床部位。

坡积层:主要为含细粒土砾,砾石含量一般在40%～50%,呈稍密—中密状态,两岸厚度不均,左岸层厚约为5 m,右岸层厚约为35～48 m,主要分布于两岸岸坡及坡脚。

图2 坝址河谷覆盖层结构示意图Fig.2 The structure map of valley cover of dam site

冰水沉积层:主要为含细粒土砾,碎、块石含量约为25%～35%,角砾含量约为25%～40%,砂含量约为10%～20%,其余为粉、粘粒,含量约为5%～10%。主要分布于河床湖积层与左岸坡积层之下。河床段层厚约为15～20 m,左岸厚度约为30～70 m。

4 覆盖层物理力学特性

冲积级配良好砾:该层呈中密状态,动力触探锤击数N63.58～22击,压缩模量15 MPa,允许承载力280 kPa,天然密度1.85 g/cm3,粘聚力4 kPa,内摩擦角25°,渗透系数1×10-2cm/s。

湖积泥炭质土:呈软塑状态,标准贯入试验实测锤击数N63.510～15击,压缩系数为1.65,压缩模量1.5 MPa,允许承载力100 kPa,天然密度1.46 g/cm3,干密度0.76 g/cm3,孔隙比2.31,饱和状态抗剪强度建议值为粘聚力10 kPa,内摩擦角15°,渗透系数6×10-4cm/s。

坡积含细粒土砾:呈稍密—中密状态,动力触探锤击数N63.517～19击,压缩模量30 MPa,允许承载力350 kPa,天然密度1.8 g/cm3,粘聚力6 kPa,内摩擦角30°,渗透系数1×10-3cm/s。

冰积含细粒土砾:呈中密状态,分选差,压缩模量35 MPa,允许承载力280 kPa,天然密度1.7 g/cm3,粘聚力8 kPa,内摩擦角25°,渗透系数1×10-3cm/s。

上述覆盖层除泥炭质土厚度较大,性状较差,对坝基变形稳定影响较大外,其余层物理力学参数可以满足坝基承载变形及坝基稳定的要求。

5 深厚覆盖层成因分析

有资料显示,中国西南地区河谷覆盖层厚度一般都在几十甚至百米以上。据西南地区大渡河、岷江、雅砻江、金沙江、白龙江、怒江等约70座水电站资料统计,有多达60多座电站河谷覆盖层厚度超过30 m,一般在38～86 m,覆盖层厚度<30 m的仅有8座,有7座厚度达130 m,其中大渡河流域5座,金沙江流域2座,最厚为金沙江虎跳峡电站达250 m[1]。位于西藏境内拉萨河流域上的旁多水利枢纽工程坝址河谷覆盖层厚度巨大,最厚达400多米,位于大渡河支流南桠河流域上的冶勒水电站坝址河谷覆盖层厚度则≥420 m。

谷久浓坝址覆盖层厚度大,成因较为复杂。河谷上部为现代河流相冲积物,底部为冰水沉积物,中部为崩坡积、湖积等混合堆积形成的沉积层。通过对西南地区大量深厚覆盖层河谷的覆盖层基本特征和发育规律分析研究,亦可以证明西南地区深厚覆盖层的形成与构造运动、气候变化密切相关。

上世纪末—本世纪初以来,随着中国开发大西南战略的实施,众多专家学者和水电工程技术人员在西南地区水电工程勘测设计实践过程中,对深厚覆盖层的成因进行了较为深入细致的研究,提出深厚覆盖层的形成具有“构造型” 加积和“气候型”加积等形式[2],认为深厚覆盖层的形成多与新构造运动、冰川作用、活断层、地质灾害等因素有很大关系[3],并将河谷深切和覆盖层深厚堆积与全球气候变化、地壳运动及海平面升降运动等有机地联系起来,提出了冰期与间冰期海平面大幅度升降是导致河流深切成谷,形成覆盖层深厚堆积的主要原因。近年来大量勘探资料揭示,中国西部地区现代河流演化史有别于传统河流演化模式,尤其是在三级阶地形成后经历了强烈侵蚀,一次将河谷谷底下切到现今河床以下的基覆界面,然后进入堆积期(25—15 ka);15 ka以来,随着冰川消融,河流在回填堆积体基础上重新间歇性下切,分别形成二级阶地、一级阶地及现今的漫滩和河床堆积[4],河谷深厚覆盖层即为这一过程中冰(冰水)积、崩坡积、冲积以及洪积、泥石流堆积(堰塞堆积)、物理风化重力堆积等近源物质混合堆积形成的产物,故不同河段,乃至不同流域河谷覆盖层其堆积物特征纵有千差万别,却又往往大同小异。

谷久浓坝址地处青藏高原向云贵高原和四川盆地过渡地带的三江并流区,东部属三江褶皱系之澜沧江构造带白茫雪山褶断束,西部属冈底斯—念青唐古拉褶皱系之梅里石—燕门褶断束,是藏滇地质构造转折衔接的咽喉部位,也是寒温带气候向亚热带气候过渡地带,由此形成了本地区高山峡谷、江河奔流、植被鲜明的独特地貌景观。区内冰峰林立、白雪皑皑、河谷深切、地势险峻,众多流量丰沛的干流与支流水系极为发育;不但具有山体岩层变质、褶皱发育、构造复杂的区域水文、工程地质条件,而且具有高应力和高地震烈度、活跃的冰缘泥石流以及强烈的谷坡外动力地质作用等鲜明的环境特色,更具有复杂的区域构造演变、区域第四纪气候和河谷形成的演化历史,这就为形成河谷深厚覆盖层提供了良好的地质背景。可以说,适宜的地质环境是河床深厚覆盖层形成的先决条件[5]。

一般来说,河流的侵蚀、堆积与该流域的地质构造运动和气候变化有着十分密切的联系。

青藏高原及其边缘地区由于地质构造复杂,一般较大的河流都流经不同的地质构造单元,断块的差异运动(横向)和随着河流的演变历史在时间上的差异运动(纵向),对河流的侵蚀与堆积给予强烈的影响。有研究表明,受印度板块与欧亚板块碰撞的影响,三江地区新构造隆升运动大致经历了4个阶段:上新世末—早更新世时期(第四纪初期)的相对稳定时期;早更新世—晚更新世早期(第四纪中期)的快速隆升时期;晚更新世中期(第四纪中晚期)的相对稳定时期;晚更新世晚期—全新世(第四纪末期)的快速隆升时期,地壳隆升运动的阶段性表现较为明显[6]。

通过对本地区河谷层状地貌的调研可知,澜沧江、怒江河谷分布有2～3级河谷阶地,以江水面为零,一、二、三级阶地分别上升了约56 m、100 m、152 m,表明本地区第四纪以来,地壳有强烈的上升运动。地壳强烈上升不仅表现为澜沧江、怒江河谷的强烈下切,也表现在第四纪晚更新世晚末—全新世以来广泛的冰川活动及冰蚀地形在不同高度上的显示。根据冰川活动情况大致可分为4个小冰期,其对应的高程分别为3 000～3 800 m、3 800～4 200 m、4 200～5 000 m、5 000～6 740 m,近代冰川活动主要是高程5 000～6 740 m的第4小冰期。4个小冰期的活动与高程递增情况除说明地壳剧烈上升外,也说明本地区全新世以来气候变暖、雪线不断抬升。在冰期,气候寒冷,海平面大幅度下降,河流侵蚀基准面降低,河道比降变陡,河流动力作用增强,由此引发强烈的河谷溯源侵蚀下切,最终形成深切河谷。在间冰期,气候变暖,海平面上升,河流侵蚀基准面亦随之抬升,河道比降变缓,水流搬运能力减弱,溯源堆积作用增强,各种成因沉积物大量堆积,从而形成了本地区河谷的深厚覆盖层。另外,高原地区特有的冰川对高原河谷的强烈刨蚀作用也会产生大量的碎屑物质,冰碛作用使它们暂时堆积在谷地和凹地中,再通过水流搬运堆积在河谷中,亦即“气候型加积层”。

凡此种种表明,本地区现今河床底部基覆界面大约在20 ka前就已开始形成,而后河谷进入堆积期,晚更新世末期以来由于冰川作用盛行,河流剥蚀作用增强,重力堆积发育,山体滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害产物形成堰塞堆积,加之水流侵蚀与搬运能力减弱,使得河谷谷底形成了深厚堆积层。

6 小结

(1) 根据覆盖层的物质组成和成层结构,坝址覆盖层可分为冲积层、湖积层、坡积层和冰水沉积层,总厚度约40～60 m。

(2) 坝址覆盖层除泥炭质土厚度较大,性状较差,对坝基变形稳定影响较大外,其余层物理力学参数可以满足坝基承载变形及坝基稳定的要求。

(3) 坝址覆盖层成因较为复杂,河谷上部为现代河流相冲积物,底部为冰水沉积物,中部为崩坡积、湖积等混合堆积形成的加积层。

(4) 坝址河谷深厚覆盖层成因是地质构造运动和气候变化共同作用的产物。

[1] 许强,陈伟,张倬元.对我国西南地区河谷深厚覆盖层成因机理的新认识[J].地球科学进展,2008,23(5):453- 454.

[2] 石金良.大渡河河床深厚覆盖层及其工程地质问题[J].四川水力发电,1986(3):10-17.

[3] 罗守成.对深厚覆盖层地质问题的认识[J].水力发电,1995(4):21-24.

[4] 王运生,黄润秋,段海澎,等.中国西部末次冰期第一次强烈的侵蚀事件[J].成都理工大学学报(自然科学版),2006,33(1):73-76.

[5] 赵华,王运生.金沙江某水电站坝基覆盖层的成因及其渗透稳定性[J].成都理工大学学报(自然科学版),2011,38(4):443-449.

[6] 杨宝嘉,吕伟.滇西北三江地区新构造运动特征[J].成都大学学报(自然科学版),2006,25(3):214-218.

(责任编辑：于继红)

Characteristics and Genetic Analysis of Deep Overburden in Dam Site of YunnanGujiunong Water Conservancy Project

ZHOU Xu, REN Xiangyu, LI Baofang

(ChinaWaterNortheasternInvestigation,Design&ResearchCo.,Ltd,Jilin,Changchun130021)

China is rich in hydropower resources in southwest,during the development of hydropower resources,it is important to find out the basic characteristics,distribution and physical and mechanical properties of the deep overburden of deep valley covering,and it plays a crucial role in the construction efficiency. The composition and distribution characteristics of dam site valley overburden are summarized through the investigation and practice of dam site in Gujiunong. Combined with a large amount of literature,by analyzing the formation mechanism of deep overburden layer of dam foundation,it can be seen that the formation of deep overburden in the valley is closely related to climate change,neotectonic movement,moraine action and geological disasters.

deep overburden; covering layer characteristics; genetic mechanism

2017-06-15;改回日期:2017-06-19

周旭(1975-),男,工程师,注册土木工程师(岩土),矿山地质专业,从事水利水电工程地质勘察工作。E-mail:583781873@qq.com

TV223.2; TV61

A

1671-1211(2017)04-0392-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.008

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1325.010.html 数字出版日期:2017-06-20 13:25