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复杂岩溶地区火成岩对建坝成库的影响

2024-12-31余加松伍登浩顾兴华

人民长江 2024年7期
关键词:侵入体辉绿岩坝址

摘要:

张家寨水库地处岩溶发育区,火成岩的存在形成了新的构造界面并切割了原有的地层分布,进而改变了地下水文地质条件。因此,查明该水库的地质构造特征、不同岩性的差异风化及火成岩分布对岩溶发育的影响,成为工程建设成功的关键。以张家寨水库工程区为研究对象,综合分析了该区域岩溶与火成岩复合物质条件下的建库难题,并提出了针对性措施。研究发现:该地区玄武岩分布区风化深度普遍较深,这直接影响了坝址的选择;辉绿岩侵入体与薄层灰岩的接触带差异风化明显,部分接触带闭合完整,可作为坝基持力层和地下水位低槽区帷幕灌浆下限;而局部接触带形成风化深槽,降低了岩体工程地质参数,不能满足建坝地基要求,需采取专门工程措施进行处理;此外,辉绿岩侵入灰岩料场中部,导致料场储量大为减少,对水库建设材料供应造成不利影响。研究成果可供类似工程借鉴。

关" 键" 词:

岩溶地区; 火成岩; 建坝成库; 茅口组灰岩; 侵入体; 张家寨水库

中图法分类号: TV221.2

文献标志码: A

DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.016

收稿日期:

2023-11-13

;接受日期:

2024-04-19

基金项目:

中国电建集团贵阳院科技项目“水电工程地质评价标准化及平台开发研究”(YJZD2023-03)

作者简介:

余加松,男,高级工程师,硕士,主要从事工程地质、水文地质方面的工作。E-mail:yujiasong200601@126.com

通信作者:

伍登浩,男,高级工程师,硕士,主要从事工程地质、水文地质方面的工作。E-mail:390850142@qq.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号:1001-4179(2024) 07-0123-07

引用本文:

余加松,伍登浩,顾兴华.

复杂岩溶地区火成岩对建坝成库的影响:以张家寨水库为例

[J].人民长江,2024,55(7):123-129.

0" 引 言

中国岩溶分布面积约为344万km2,占国土面积的1/3左右[1],开展岩溶研究对岩溶地质学科的发展和工程实践具有十分重要的意义。袁道先从地球系统科学方面开展了岩溶研究,奠定了现代岩溶地质学科的发展基础[2-3]。近30 a来,中国在岩溶地区开发了一大批水利水电工程,也有不少学者对在岩溶地区建坝成库面临的一系列工程地质问题进行了研究,例如,卢晓鹏研究了岩溶通道对水库渗漏的影响[4],陈贻祥等研究了不同物探方法对岩溶塌陷的探测和识别[5],郭果等开展了岩溶地区塌陷的定量评价[6],张丙先等认为溶蚀不均匀是坝址岩体质量的关键因素[7],陈长生等开展了岩溶地区地下水疏干对环境影响方面的研究[8]。大量工程实践表明,在岩溶地区建坝成库技术已十分成熟[9],特别是帷幕灌浆处理技术的提高,成为岩溶地区建库成功的关键[10]。

然而,尽管岩溶地区建库技术日臻完善,但在火成岩侵入体影响下的复杂岩溶地质环境中建设水库,依然是一个亟待解决的科学与工程难题。目前,未查阅到火成岩影响下的岩溶地区建坝成库相关案例,但国内外有大量学者对火山岩工程地质特性开展了较为系统的研究工作,可为火成岩地区的水库建设提供理论支撑,例如:周祖杰对火山岩体的展布规律及对成库影响方面总结了经验[10];苗朝等针对花岗岩和辉绿岩侵入体的工程地质特性及其对坝区工程地质的影响进行了研究[11];徐敬武等研究了辉绿岩脉对大岗山水电站坝基的切割、破坏及工程处理方案[12];江国勇等分析了花岗岩岩脉蚀变强烈的原因及对危岩稳定性的影响等[13]。在此背景下,本文旨在以贵州省纳雍县张家寨水库工程区为研究对象,综合分析该区域岩溶与火成岩复合地质条件下的建库难题,并据此提出针对性的解决方案,以期为类似工程提供参考。

1" 工程概况

张家寨水库(现处于蓄水验收阶段)位于云贵高原向黔中山原的过渡地带,地势西北东南高、东北西南低,区内碳酸盐岩与碎屑岩相间呈条带状分布,以碳酸盐岩为主,岩溶地貌约占80%。

大坝坝型为埋石混凝土重力坝,最大坝高40.5 m,坝顶总长107.87 m,总库容46.3万 m3。左岸非溢流坝段布置放空底孔进口,出坝后接放空管及取水管。该水库规模虽不大,仅为小(2)型规模,但工程区构造较为复杂,岩性、岩相变化大,地处复杂岩溶地区并伴随火山喷出岩和侵入体的影响,有较大的研究价值。工程区火成岩侵入体的存在改变了原有的地质构造特征,同时,分割了灰岩地层的展布,影响了岩溶通道的进一步发展。因此,查明工程区构造特征、岩层展布、不同岩性的风化特征以及对岩溶水文地质的影响,是水库工程建设成功的关键。

1.1" 构造特征

工程区构造上位于马场东西向构造带与毕节南北向构造带的交汇部位,断裂及褶皱构造均较为发育。距工程较近的构造有九牛寨向斜、断层F6及断层F7,工程区构造纲要图见图1。拟建水库位于九牛寨弧形向斜的北翼,向斜核部距上坝址(上坝址为推荐坝址,以下除特殊注明外,坝址均为上坝址,上下坝址综合地质图见图2)最近距离约1.5 km。

断层F7位于上坝址库区,距坝轴线最近处仅40 m,断层产状N65°~81°W/SW∠70°,与河床近于垂直,为正断层,延伸长度近1.5 km,破碎带宽3.0~8.5 m,断层影响带宽10~20 m;据左岸垭口钻遇断层的钻孔zk1资料,该孔揭露地下水位较高,说明断层导水性较差。同时,在坝址右岸可见断层切割辉绿岩岩脉,岩脉宽约5 m,侵入体平面分布见上坝址区工程地质图(图3)。

断层F6位于下坝址库尾,为逆断层,延伸长度近2.5 km,断层下盘有相对隔水层P3β、P3l地层分布,断层导水性差,岩层总体走向N-NNE,倾向W-NNW(左岸),倾角7°~22°。

受断层发育及火山侵入影响,库坝区岩体节理、裂隙等小规模构造较为发育,可能产生裂隙性绕坝渗漏问题。由于工程区与邻谷相连的断层导水性均较差,水库无通过断层向邻谷渗漏之忧,绕坝渗漏问题可通过帷幕灌浆予以解决。因此,该水库成库条件主要受岩溶水文地质的影响,查明工程区各类岩体的分界及岩溶水文地质条件,特别是玄武岩及辉绿岩侵入体的分布及对岩溶的影响,将是工程建设的关键。

1.2" 地层分布

各类地层的空间展布决定了场区工程地质及水文地质条件的基础,特别是侵入体的存在分割了灰岩地层空间展布,进而影响了灰岩岩溶发育的程度和方向,因此,查明场地各类地层的分布至关重要。工程区出露地层分述如下:

(1) 茅口组第二段(P2m2)。深灰色薄层生物灰岩,厚0~300 m,主要出露于上坝址附近及下坝址库区右岸。可见海西期二叠系纪辉绿岩(βμ34)侵入于茅口组灰岩地层中,钻孔(zk2、zk6、zk7、zk8)中亦有所揭露。

(2) 峨眉山玄武岩(P3β)。深灰色块状玄武岩、杏仁状玄武岩,厚0~194 m,主要分布于上坝址右邻谷及下坝址左右两岸。

(3) 龙潭组(P3l)。灰色薄至中厚层砂岩、泥质粉砂岩夹泥岩、炭质泥岩、灰岩,含煤层9~82层。厚度94~458 m,主要分布于上坝址库区方向。

2" 岩溶及水文地质条件

2.1" 岩溶发育情况

区内碳酸盐岩广泛分布,受地貌、岩性、构造裂隙、地壳间隙抬升以及湿润多雨等气候条件的影响,岩溶较为发育,发育方向与岩层走向及构造线方向基本一致。岩溶类型众多,主要分布在库区下游,其中以洼地最为发育,溶洞、落水洞、岩溶泉、岩溶管道、岩溶槽谷及溶隙均有发育,岩溶洼地发育率为1~3个/km2。

坝址区两岸坡分布有茅口组第二段(P2m2)薄层灰岩,为可溶岩组,裂隙发育带透水性较强,岩溶集中发育在该岩组中。受区域构造及火山侵入影响,坝址区附近断裂、小型褶皱及裂隙较为发育;节理面多较平直、倾角较陡,少数切层强烈,延伸长度可达6 m以上。据地表地质调查、坑槽探、物探、钻孔资料及坝基开挖揭露情况,坝址区有一定规模的岩溶地质体有42处,具体情况如下:

(1) 地表出露溶洞2处。右岸坡发育的KR1溶洞及左岸坡发育有KR2溶洞,均受顺河向(近南北向)裂隙控制,形态不规则,向内部逐渐变窄尖灭,内部有少量淤泥等充填物,常年处于无水状态。

(2) 物探解译成果7处。左岸物探解译溶洞5处及溶槽2处,经钻孔及后期帷幕灌浆孔所证实,溶洞大小不一,长宽1~9 m不等,发育下限高程1 585 m;1号溶槽推测深约15 m,宽度由上至下逐渐变小,上部宽约5.5 m,下部宽约2 m;2号溶槽经钻孔zk6验证,深度约27.5 m,上部宽约8 m,下部宽约1.5 m,向下逐渐尖灭,溶槽中为黏土、碎石所充填。

(3) 坝基开挖揭露33处。开挖揭露岩溶缺陷主要有溶隙11处,小型溶洞3处,溶槽19处,见坝基工程素描图(图4)。各缺陷规模均不大,孤立发育,其中有24处溶沟溶槽沿顺河向裂隙发育,多沿裂隙溶蚀扩大形成,宽度多在0.2~3.0 m,深多小于2 m,长度变化较大,其中有26处延伸小于10 m,占比78.8%。

受辉绿岩侵入的影响,薄层灰岩陡倾角裂隙发育,岩溶通道主要以垂向发育为主,水平延展性较差,各溶洞、溶沟、溶槽独立发育,连通性差,但局部受辉绿岩岩溶不发育影响,岩溶通道垂向发育受阻,沿侵入界面转为水平向延伸发育,是坝址左岸形成地下水位低槽区的主要原因。

2.2" 水文地质条件

区内地表水系发育,河流、溪沟呈羽毛状分布,主要河流为东北部的六冲河(乌江上游,此处为著名岩溶景观九洞天风景区,距水库坝址最近6.7 km)。工程所在河流属于董地河右岸支流,董地河为六冲河的右岸一级支流,六冲河为该区的最低排泄基准面。

坝址区基岩主要为茅口组第二段(P2m2)薄层灰岩及辉绿岩侵入体,其中,薄层灰岩属岩溶含水岩组,辉绿岩属裂隙含水岩组。灰岩强风带岩体发育溶洞、溶隙、溶孔、溶沟、溶槽等岩溶现象,岩溶发育区为相对透水层;而辉绿岩弱风化带及以下可视为相对隔水层。

坝址水文地质结构较复杂,两坝肩有灰岩透水层分布,灰岩下部有辉绿岩侵入体,两岸的岩体结构、岩溶水文地质现象差异较大。左岸出露岩性主要为灰岩,具有岩溶发育、地下水埋深相对较深特点,最深处低于河水位22.2 m,在左岸形成地下水位低槽区(图5),左岸地下水沿低槽带向下游的泉水S1及其附近的第四系覆盖层排泄;右岸坡靠近山体一侧有辉绿岩侵入灰岩地层中,加上右岸山体较左岸高而宽厚,钻孔zk8显示右岸地下水位明显高于河水位。此外,布置于左右1号、2号垭口处的钻孔zk1、zk3揭露的地下水位高程均较高,因此,除库首左岸局部地段外,整个库区属地下水补给河水型。

3" 火成岩分布及特征

3.1" 玄武岩的分布及特征

由于玄武岩抗风化能力较灰岩弱,工程区玄武岩分布范围内多覆盖层深厚,风化深度较深,玄武岩仅在部分陡坎或人工开挖剖面上零星出露。下坝址左岸经

钻孔ZK4揭露,覆盖层厚度为13.2 m,基岩玄武岩强风化带法向厚度24.2 m,受两岸玄武岩风化堆积影响,河床覆盖层厚度达21.8 m,河床右岸基岩为茅口组第二段(P2m2)薄层灰岩,强风化带法向厚度2.3~5.0 m。两种岩性的风化深度差异巨大,反映了不同岩性的抗风化能力的差异。

3.2" 辉绿岩侵入体分布及特征

辉绿岩侵入体主要出露于上坝址右岸,可见辉绿岩脉,此外,探槽TC2在料场(坝址右岸下游约150 m)坡顶亦有揭露,钻孔(zk2、zk6、zk7、zk8)中均可见辉绿岩(βμ34)侵入于茅口组灰岩地层中,分布于河床右侧及左岸坡灰岩层之下。由于辉绿岩属基性侵入岩,坝区主要地层薄层灰岩属沉积岩中的碳酸盐岩类,辉绿岩具有强度高、抗风化能力较弱等特点,而灰岩具有强度高、岩溶发育、抗风化能力强特点,两者接触面的分布及性状是张家寨水库工程建设成功的关键。

(1) 加速岩体风化,形成局部风化深槽,降低岩体工程地质参数。右坝肩开挖揭露辉绿岩与灰岩的分界线顺河流方向长约50 m,分界线与初设阶段推测界线基本一致,但上下游方向表现出两种完全不同的风化状况,辉绿岩侵入体与灰岩接触带剖面图见图6,靠下游侧接触带灰岩多见大理岩化,接触面多闭合完整,辉绿岩无明显变化,可见冷凝边(辉绿岩结晶颗粒变细)和赤红色烘烤边(深灰色灰岩在接触面呈现赤红色烘烤色逐步渐变为白色)现象。而上游方向发育一水平向风化深槽,见图6,该深槽宽约15 m,深约5~14 m(从原设计开挖面起算,若从原始地面起算最深达21.0 m),高约2~4 m,沿近水平向山体深部发育,向下游方向逐渐尖灭。泥槽中充填物主要为灰岩溶蚀风化和辉绿岩全、强风化残积物,灰岩残积物中灰岩层理纹路仍清晰可见,而辉绿岩岩体在接触带附近多已全风化呈黏土状,以下逐渐渐变为强风化岩体、弱风化岩体及新鲜基岩。

(2) 辉绿岩侵入体与灰岩接触带灰岩蚀变重结晶,提高岩体完整性。该类型的接触带使完整灰岩与下部完整的辉绿岩体一同形成相对隔水层,可作为帷幕灌浆的可靠底界。左岸辉绿岩埋深多在50 m以上,由于接触带产状不规则,前期依靠物探资料推测的分布位置与先导孔揭露的高程有所差异,导致左岸并非所有帷幕灌浆孔都深入辉绿岩相对隔水层。

坝基范围辉绿岩体主要分布在桩号坝横0+52.3~0+93.3之间,面积占坝基面积24.8%,辉绿岩为深黑绿色块状结构,局部受裂隙和风化影响较破碎。据声波检测结果显示,单孔声波检测值多在4 000 m/s以上,局部为3 200 m/s左右,跨孔声波值均在4 500 m/s以上。坝基岩体整体属较完整—完整,局部为较破碎,经固结灌浆处理后,弱风化辉绿岩工程岩体分类为BⅢ1,其工程地质条件满足工程建设要求,可作为重力坝持力层。

(3) 辉绿岩侵入石料场中部,且隐蔽性较强,导致料场储量不足。本工程骨料推荐石料场位于坝址下游右岸约150 m,地形坡度介于20°~90°之间,局部为陡崖。第四系覆盖层零星分布,主要成分为残坡积的黏土夹碎石,覆盖层厚0~1.5 m。下伏基岩为二叠系中统茅口组第二段(P2m2)灰色薄层灰岩,基岩大部裸露,岩层产状282°~303°∠5~18°,岩层呈单斜构造,单层厚5~15 cm;岩体完整、质纯,岩体强度较高,但溶蚀裂隙较为发育,局部见溶沟、溶槽及溶洞发育,在料场下方的溶洞KR4中发现辉绿岩侵入体(图7),同时,在坡顶探槽TC2亦揭露侵入体,由于该侵入体呈锥形,虽出露面积小,但下部体积较推测规模大,导致主料场储量不能满足工程需求。

4" 处理措施研究

4.1" 玄武岩深厚覆盖层处理

受限于下坝址玄武岩风化深度过深,形成的全、强风化岩土体结构松散,岩体破碎,其工程地质条件及水文地质条件均较差,虽在玄武岩坝基上筑坝成库无岩溶渗漏之忧,但坝基开挖工程量及坝体填筑量过大,从而影响了坝址的选择。因此,可研阶段建坝成库方案推荐了上坝址,选择了避让处理。

4.2" 风化深槽处理

由于风化深槽内部填充物为灰岩溶蚀风化黏土和辉绿岩全、强风化残积物,强度低,压缩模量小,且抗渗透性能差,需予以清除。因薄层灰岩在长期的河流侧蚀作用下,泥槽底部上游山体已形成凹岩腔,加上顺河向节理对岩体的切割,若采取局部洞挖处理方式,易出现上部岩体失稳。因此建议采取重新放坡,自上而下开挖。

该风化深槽在前期勘探中未能发现,在附近不足20 m的钻孔zk2揭露的辉绿岩并未出现风化异常现象,其余钻孔揭露的灰岩与辉绿岩分界线附近风化亦未见异常,具有较强的隐蔽性。风化深槽的处理造成坝基二次开挖,增加了施工难度,对工期造成一定的影响。也说明了前期勘探时应充分认识到各类岩土界面分布及性状的重要性,特别是火山侵入体分布的不规律性,很难依靠地质理论知识推测其展布方式,但其电磁特性和沉积岩存在一定的差异,充分利用物探的探测广度,结合钻孔资料验证是行之有效的勘探方法。

4.3" 帷幕灌浆方案调整

根据左岸下游出水点高程及帷幕灌浆先导孔揭露的岩溶发育下限,在左岸地下水位低槽区,需将帷幕灌浆下限深入辉绿岩相对隔水层,而地下水位较高区域则将帷幕灌浆下限设置于下游出水点以下10 m(下限仍处于灰岩层中)。同时,在岩溶发育部位采取加强、加密灌浆处理,设置3排帷幕灌浆,排距为2 m,各排孔距均为1 m,梅花形布置。灌浆施工时须按下游排、上游排、中间排的顺序施工帷幕钻孔。对于较大规模的溶槽、溶洞,则采取扩孔高压冲洗置换后灌注混凝土,加压灌浆;同时,在灌浆过程中采取调整浆液浓度、间歇式灌浆、加速凝剂及掺细沙或粉煤灰等综合措施,最终形成完整的地下防渗墙。灌浆过程中,下游左岸出水点流量逐渐减少,最后在加密孔全部实施后,该泉水点彻底干枯,表明灌浆处理方案是合适的。

4.4" 天然建筑材料影响处理

由于最终坝体浇筑所需骨料缺口仅为0.7万m3,不再启用备用料场,不足的骨料与块石料一并外购(由于本料场为薄层灰岩,块石料不能满足要求,初设时该料场定为骨料料场,块石料采取外购处理),由此引起的工程投资增量较少。

前期勘察中虽发现辉绿岩侵入体,但并未引起警觉和重视,由于未开展系统性物探,加上侵入体分布的不规则,导致辉绿岩岩脉规模较前期推测偏大,推荐料场储量较前期推测储量少,所幸引起的工程投资增加不多。

5" 结 论

工程所在地岩溶较为发育,火成岩分布及特征对建坝成库有着重要的控制性影响。玄武岩深厚覆盖层地区影响了坝址的选择;而侵入接触带形成的风化深槽导致了坝基二次开挖,对工期和投资造成了一定的影响;同时,在防渗帷幕设计方案中,充分利用了辉绿岩的相对隔水条件;最后,因辉绿岩侵入石料场中部,导致料场储量大为减少。显然,在工程区火成岩的分布对坝址选择、地基处理、帷幕防渗、料场储量等具有控制性影响。由于岩浆侵入的分布多无明显规律可循,在前期勘探中需充分利用物探、长槽探并结合钻孔验证等多手段查明其分布及形状,以确保工程顺利实施。本文通过对工程前期勘察中存在的问题进行分析,初步总结了复杂岩溶地区火成岩勘察工作的经验及教训,以期为类似工程提供参考。

由于辉绿岩的相对阻水性质,地下水渗流溶蚀通道在遇岩脉所阻后必然发生改变,进而影响溶蚀作用的进一步发展。区内岩溶通道多沿陡倾裂隙溶蚀扩大,但水平向延伸有限,溶蚀通道水平向连通性差,但局部受下伏辉绿岩岩脉影响,接触带上方溶蚀通道则表现为向水平方向延伸发育,导致左岸地下水通过此通道向下游泉水点排泄。此外,灰岩溶蚀通道揭露辉绿岩岩脉后,导致辉绿岩岩体暴露于空气中,其抗风化能力较弱,常形成垂向囊状风化或水平向风化深槽,两种截然不同的岩类之间的相互影响改变了原有的工程地质条件和水文地质特征,但目前在火山侵入体与岩溶的耦合作用方面的研究较少,尚有较多的问题需要进一步探索和研究。

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(编辑:刘 媛)

Influence of igneous rocks on dam and reservoir construction in complex karst areas:case of Zhangjiazhai Reservoir

YU Jiasong1,WU Denghao2,GU Xinghua2

(1.PowerChina Guiyang Engineering Corporation Limited,Guiyang 550081,China;" 2.GuiZhou Water amp; Power Survey-Design Institute Co.,Ltd.,Guiyang 550002,China)

Abstract:

The Zhangjiazhai Reservoir is located in a karst developed area,where the igneous rocks have formed new structural interfaces and cut across the distribution of original rock layers,thereby altering the hydrogeological conditions.Therefore,a thorough investigation of the geological structural features of the reservoir,the differential weathering processes of diverse lithologies,and the repercussions of igneous rock distribution on karst development are imperative for the successful execution of engineering projects.Research findings have unveiled that: regions dominated by basalt have notable levels of weathering depth,playing a critical role in site selection for dam construction.Moreover,the interface between diabase intrusions and thin limestone layers exhibits differential weathering,with certain sections demonstrating cohesive closures,which is suitable for foundational support layers and the lower boundary of grouting curtains within the low-flow zone of the subsurface aquifer.Conversely,localized regions at these interfaces have spawned deep weathering troughs,leading to a reduction in the engineering geological parameters of the rock mass,which can not meet the requirements of dam foundation construction,and it is necessary to adopt specialized engineering measures.Furthermore,the intrusion of diabase into the central region of the limestone quarry has resulted in a substantial reduction in material reserves,posing challenges to the procurement of construction materials for the reservoir project.The research findings can provide valuable references for similar engineering projects.

Key words:

karst area; igneous rock; dam and reservoir construction; Maokou formation limestone; intrusion body; Zhangjiazhai Reservoir

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