構(gòu)皮灘水電站巖溶系統(tǒng)發(fā)育特征及堵排處理

構(gòu)皮灘水電站巖溶系統(tǒng)發(fā)育特征及堵排處理

吳江皮灘水庫(kù)位于貴州省玉慶縣。水庫(kù)最大洪峰高23.5m，正常蓄水位630m，總蓄水64.65億3m，裝水量3000m。這是烏江干洪泛集中發(fā)展的主要工程。該電站初期導(dǎo)流采用圍堰擋水方案,其導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)按10a一遇洪水流量13500m3/s考慮,為了減少施工導(dǎo)流的工程量,設(shè)計(jì)考慮了上游水庫(kù)調(diào)節(jié)問(wèn)題,最后確定導(dǎo)流流量為10990m3/s。構(gòu)皮灘水電站壩址區(qū)河道狹窄,兩岸山體雄厚,岸坡陡峻,只能采用隧洞導(dǎo)流方案。綜合考慮導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)及地形、地質(zhì)條件等因素,最終布置了3條導(dǎo)流隧洞,其中左岸布置兩條(1、2號(hào)),右岸布置1條(3號(hào))。1、3號(hào)導(dǎo)流隧洞為低洞,進(jìn)、出口底板高程分別為430、429m;2號(hào)為高洞,進(jìn)、出口底板高程分別為450、448m。隧洞斷面均采用平底馬蹄形,凈寬15.6m、高17.7m,1、2、3號(hào)導(dǎo)流隧洞長(zhǎng)度分別為888、673、918m,總工期730d。區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖廣布,巖溶成為壩址主要地質(zhì)問(wèn)題之一。5、6號(hào)巖溶系統(tǒng)是壩址區(qū)規(guī)模最大的巖溶系統(tǒng),地下暗河水水量豐富,長(zhǎng)年不斷,兩岸導(dǎo)流隧洞(低洞)分別穿過(guò)這兩巖溶系統(tǒng)的主通道。為避免暗河水向?qū)Я魉矶从咳攵绊懝こ痰氖┕みM(jìn)度與安全,在導(dǎo)流隧洞揭穿巖溶系統(tǒng)的主管道之前,對(duì)上述兩巖溶系統(tǒng)的暗河水進(jìn)行了有效的引排,為工程的順利施工創(chuàng)造了有利條件。1工程地質(zhì)和水文地質(zhì)烏江由北西至南東流經(jīng)壩址,與巖層走向近于正交,為橫向河谷。河谷兩岸山體雄厚,臨江峰頂相對(duì)高差達(dá)300～400m,河谷呈“V”形峽谷,兩岸岸坡陡峻,部分岸坡近直立。枯水位430～435m,水面寬35～80m,水深6～10m。壩址主要出露二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)與茅口組(P1m)及上統(tǒng)吳家坪組(P2w),其中P1q為灰、深灰色中至厚層生屑灰?guī)r,厚度145.3～153m;P1m為灰、淺灰色中厚層至厚層塊狀灰?guī)r夾燧石灰?guī)r、硅質(zhì)巖,厚度220.6～221.6m;P2w為深灰色灰?guī)r夾粘土質(zhì)灰?guī)r、底部為厚度3～5m的粘土巖及一劣煤層,厚106.6m。巖層走向NE30°～35°,傾NW,傾角45°～55°。壩址區(qū)共發(fā)現(xiàn)斷層77條,其發(fā)育方向主要有4組:285°～315°、10°～45°、60°～90°、330°～360°,分別占斷層總數(shù)的53%、21%、18%、8%,斷層規(guī)模一般不大,寬為10～30cm,長(zhǎng)以小于100m為主。層間錯(cuò)動(dòng)較為普遍,規(guī)模較大的層間錯(cuò)動(dòng)共有18條,其中發(fā)育于P1m層的Fb92、Fb112等發(fā)育于灰?guī)r中的層間錯(cuò)動(dòng)對(duì)巖體溶蝕具一定的控制作用。裂隙的發(fā)育方向有4組:275°～300°、301°～330°、331°～350°、20°～40°,以陡傾角為主,緩傾角裂隙不發(fā)育;裂隙長(zhǎng)以小于2m為主,規(guī)模較大的裂隙多分布在卸荷帶及斷層附近。壩址以碳酸鹽巖為主,巖溶發(fā)育,主要的巖溶形態(tài)地表有溶溝、溶槽等,地下有溶洞、豎(斜)井及溶縫等。巖溶的發(fā)育程度受巖性、構(gòu)造控制比較明顯。巖溶在平面分布上具分區(qū)、分帶特征,總體上兩岸巖溶比河床發(fā)育,右岸巖溶比左岸發(fā)育。分帶性表現(xiàn)在壩址巖溶洞穴多沿一定的層位和斷裂呈帶狀分布,如P2-11m2?11m層中、上部及P1-21m1?21m層底部的順層風(fēng)化—溶蝕帶、P2-31m2?31m層上部寬12～15m范圍的古侵蝕—強(qiáng)溶蝕帶及沿層間錯(cuò)動(dòng)、斷裂發(fā)育的溶洞、暗河等。巖溶的垂向分布具成層性,大型水平溶洞主要分布于河床高漫灘、Ⅰ～Ⅱ級(jí)階地相對(duì)應(yīng)的高程,各水平溶洞常以豎井、斜井及溶縫等相連通,高程410m以下深巖溶發(fā)育較弱,并具隨深度增加而減弱的特征。壩址區(qū)巖溶巖組間夾有非巖溶或弱巖溶巖組,阻隔了巖溶組間的水力聯(lián)系,構(gòu)成了單斜層狀水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)。地下水靠大氣降水補(bǔ)給,依各自獨(dú)立的巖溶管道和裂隙網(wǎng)絡(luò)運(yùn)移,以暗河或巖溶泉的形式由兩岸向?yàn)踅判埂?5、6工程地質(zhì)及巖相特征壩址各可溶巖組在巖溶發(fā)育過(guò)程中,由于受到隔水巖組和相對(duì)隔水巖組的阻隔,形成了具有各自相對(duì)獨(dú)立的巖溶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)—巖溶系統(tǒng)。壩址區(qū)在P12w12w和P1m層灰?guī)r中,存在5、6、7、8共4個(gè)巖溶系統(tǒng),在右岸P1q層灰?guī)r中發(fā)育W24巖溶系統(tǒng),此外在O2sh+b及O21m等層的灰?guī)r中發(fā)育有W2、W3、W4等巖溶系統(tǒng),其中以5、6號(hào)巖溶系統(tǒng)規(guī)模最大,在前期勘察過(guò)程中,采用了平硐追蹤、鉆孔、物探及連通試驗(yàn)等勘探手段及地質(zhì)綜合分析的方法查明了其發(fā)育特征。2.15暗河通道概況5號(hào)巖溶系統(tǒng)發(fā)育于壩線上游左岸吳家坪組下段(P12w)和茅口組上段(P21m)灰?guī)r中,由Kw19暗河、K101、K104、K27、KD21-2以及左岸鉆孔和平硐在P12w、P21m層中所揭露的溶洞組成(圖1)。該系統(tǒng)以Kw19暗河為主干通道,規(guī)模較大。據(jù)D11平硐追索,暗河主通道位于P2-31m層中,其出口段沿Fb91層間錯(cuò)動(dòng)發(fā)育,呈縫狀,出口高程445.10m;在出口至平硐深約100m之間,暗河在Fb91、Fb92層間錯(cuò)動(dòng)之間及附近發(fā)育,局部沿NW、NWW向斷裂發(fā)育,成虹吸式上涌,并形成充水暗潭,如平硐深約100m處的充水暗潭;在硐深約100m處至250m左右,暗河沿Fb92及其上部層間錯(cuò)動(dòng)發(fā)育,暗河通道呈向上游傾斜寬縫狀,寬1.5～3.5m,高可達(dá)20余米。另?yè)?jù)KD11-2溶洞充填物中含有大量P12w層灰?guī)r礫石分析,在暗河上游的P12w層中有系統(tǒng)的分支管道發(fā)育,并溝通了P12w與P2-31m層的水力聯(lián)系。暗河平均水力坡降2%,枯水期流量約25L/s,洪水期出口被江水淹沒(méi),流量較大。2.26暗河上游上分層開(kāi)采6號(hào)巖溶系統(tǒng)發(fā)育于壩線上游右岸吳家坪組下段(P12w)和茅口組上段(P21m)灰?guī)r中,由Kw90暗河、K90、K94、K201、K207、K210以及右岸鉆孔和平硐在P12w、P21m層中所揭露的溶洞組成(圖2)。該系統(tǒng)是壩址區(qū)規(guī)模最大的巖溶系統(tǒng),由Kw90暗河及K90溶洞構(gòu)成系統(tǒng)的主體。K90溶洞為一巨型溶洞,洞口高程538.8m。洞口至高程約465m之間的洞段發(fā)育于P12w層中,洞口段為斜井狀,在高程504m和465～480m間各發(fā)育一層水平溶洞,它是P12w層早期地下水主徑流通道。在高程468m左右,由于P12w層底部粘土巖層被溶塌,形成一巖溶大廳,并通過(guò)豎井與發(fā)育于P2-31m層中的洞段相連。發(fā)育于P2-31m層中的洞段,為大型水平溶洞,高程465m左右。據(jù)D30平硐揭露,溶洞沿Fb92層間錯(cuò)動(dòng)發(fā)育長(zhǎng)達(dá)30余米后,經(jīng)東西向溶縫與D2平硐揭露的Kw90暗河通道相連。Kw90暗河是系統(tǒng)現(xiàn)今地下水徑流和排泄的主要通道,實(shí)測(cè)最枯流量5L/s,洪水期流量大于120L/s,平均水力坡降4%左右。暗河上游在P2-31m層上部大體上順Fb92層間錯(cuò)動(dòng)及巖層走向發(fā)育;下游從沿東西向斷裂發(fā)育的溶縫下潛,并向P2-21m層延伸,流經(jīng)D2平硐硐深71.4m處沿NW、NWW向斷裂發(fā)育的水平溶洞(長(zhǎng)30m左右、底板高程445m左右),然后沿順層方向或NW、NWW向斷裂呈折線狀向岸邊偏下游繼續(xù)下潛,在F44斷層附近呈虹吸式向?yàn)踅判?圖2)。在大暴雨時(shí),由于排水不暢,有大股水流從沿F44斷層發(fā)育的溶縫(高程441m左右)涌出。35、6i-溶解系統(tǒng)與導(dǎo)波孔的關(guān)系和處理3.15、導(dǎo)流洞及阻礙生物處理的工程措施構(gòu)皮灘水電站兩岸低高程導(dǎo)流洞的布置無(wú)法避開(kāi)5、6號(hào)巖溶系統(tǒng),其平面關(guān)系如圖3所示。由圖3可見(jiàn),左岸1號(hào)導(dǎo)流洞在進(jìn)口段將揭穿5號(hào)巖溶系統(tǒng)的主管道,右岸導(dǎo)流洞在近進(jìn)口段將揭穿6號(hào)巖溶系統(tǒng)的主管道。如果不預(yù)先采取工程措施對(duì)兩巖溶系統(tǒng)進(jìn)行處理,對(duì)導(dǎo)流隧洞主要有如下影響:①揭穿巖溶系統(tǒng)的管道后,暗河水會(huì)涌入導(dǎo)流洞;②汛期江水上漲,江水會(huì)沿臨江側(cè)的巖溶管道或溶隙向?qū)Я鞫吹构?。上述現(xiàn)象均會(huì)水淹導(dǎo)流洞,影響施工進(jìn)度與安全。3.25、擋水封閉點(diǎn)設(shè)置為保證導(dǎo)流隧洞的施工進(jìn)度與安全,必須預(yù)先對(duì)5、6號(hào)巖溶系統(tǒng)進(jìn)行工程處理。通過(guò)對(duì)巖溶系統(tǒng)的發(fā)育特征及分布高程分析,確定了處理的最優(yōu)方案為堵排結(jié)合的方案。堵主要是在導(dǎo)流隧洞山里側(cè)適當(dāng)位置堵截巖溶暗河水,此外,在導(dǎo)流洞臨江側(cè)巖溶系統(tǒng)發(fā)育的區(qū)域或?qū)游徊贾脫跛∧?堵截臨江側(cè)江水沿巖溶管道與溶隙的滲漏通道,避免汛期產(chǎn)生江水倒灌。排主要是采取了專設(shè)排水洞的方式將堵截后的暗河水排入安全地帶。6號(hào)巖溶系統(tǒng)的管道發(fā)育較復(fù)雜,對(duì)其處理的工程量亦多一些,除排水洞外,在臨江側(cè)設(shè)置了兩條帷幕,即6PS灌漿平洞與導(dǎo)流洞進(jìn)口圍堰部位及其延伸段兩道灌漿帷幕。其中6PS灌漿帷幕主要封堵臨江側(cè)467m高程以下的巖溶管道,避免汛期高洪水位時(shí)江水沿巖溶管道向?qū)Я鞫吹构?進(jìn)口圍堰部位的灌漿帷幕主要封堵臨江側(cè)450m高程以下的巖溶管道,避免低洪水位時(shí)江水向?qū)Я鞫吹构唷?號(hào)巖溶系統(tǒng)的管道相對(duì)較單一,除排水洞外,在臨江側(cè)亦設(shè)置了兩條帷幕(圖3),但帷幕施工均在地表進(jìn)行,且帷幕的工程量較少。本工程設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)是確定合適的對(duì)暗河管道封堵的位置與高程,以便確定排水洞的布置方案,這就需要有準(zhǔn)確可靠的地質(zhì)資料。通過(guò)前期及施工期復(fù)核的地質(zhì)資料,地質(zhì)工作者準(zhǔn)確提出了對(duì)兩個(gè)巖溶系統(tǒng)封堵點(diǎn)的位置與高程,并且提出了臨江側(cè)擋水帷幕的位置與深度的地質(zhì)建議,具體布置方案如圖3所示。具體建議如下:(1)選擇對(duì)暗河管道封堵的位置,截?cái)嗖⒁派嚼飦?lái)水。封堵點(diǎn)的選擇原則主要有3點(diǎn):①封堵點(diǎn)應(yīng)在導(dǎo)流洞遠(yuǎn)離河床一側(cè);②盡量選擇分支管道較集中或較少的部位,最大限度地截?cái)嗌嚼飦?lái)水;③處理工程量要盡可能少。根據(jù)上述原則,對(duì)6號(hào)巖溶系統(tǒng)的封堵點(diǎn)選擇在A點(diǎn)(圖3),該點(diǎn)位于暗河主管道上,且位于導(dǎo)流洞遠(yuǎn)離河床一側(cè);該部位分支管道較少,是山體來(lái)水的最主要通道,此外該部位布置排水洞穿越A點(diǎn)巖溶大廳的距離較短,減少了巖溶大廳底部溶塌體的清理工程量,故選擇A點(diǎn)作為封堵引排點(diǎn)是最適合的。排水洞在該點(diǎn)的高程為462.25m,進(jìn)口高程為460m左右,排水洞穿越的地層主要為P2w層灰?guī)r,穩(wěn)定條件較好。對(duì)5號(hào)巖溶系統(tǒng)的封堵點(diǎn)選擇在B點(diǎn)(圖3),同樣滿足上述3個(gè)選擇原則,該部位為一充水暗潭,B點(diǎn)烏江一側(cè)管道較單一,封堵工程量較少,排水洞的高程460m左右,圍巖主要為P2w層灰?guī)r,穩(wěn)定條件較好。(2)選擇臨江側(cè)擋水帷幕的位置及處理深度,截?cái)嘟貛r溶管道向?qū)Я鞫吹构嗟耐ǖ馈Ｈ缭庥?0a一遇洪水,上游圍堰的水位大約為483m,導(dǎo)流洞臨江側(cè)該水位以下如存在有與江水連通的巖溶管道,將存在江水向?qū)Я鞫吹构嗟膯?wèn)題。6號(hào)巖溶系統(tǒng)臨江側(cè)管道發(fā)育復(fù)雜,但大部分位于467m高程以下,在近岸相對(duì)平緩地帶地面高程約450m,如僅在近岸地帶布置擋水帷幕,將無(wú)法截?cái)?67～450m高程之間的巖溶管道,地質(zhì)建議在合適的部位通過(guò)灌漿平硐、鉆孔灌漿形成擋水帷幕,其位置如圖3所示。該部位可以利用6號(hào)排水洞及D30號(hào)勘探平硐施工,大大減少了輔助工程洞挖的工程量。根據(jù)該部位巖溶發(fā)育特征,建議帷幕底限高程在410m左右。此外在進(jìn)口閘室及導(dǎo)流洞進(jìn)口段受岸坡卸荷等因素的影響,巖體透水率大,局部存在暢通性的巖溶管道,故地質(zhì)建議在臨江側(cè)450m高程左右再布置一道擋水帷幕,徹底解決江水倒灌問(wèn)題。5號(hào)巖溶系統(tǒng)臨江側(cè)巖溶管道較單一,地質(zhì)建議僅在臨江側(cè)450、457m兩高程左右布置了兩條較短的擋水帷幕(圖3),且均在地表施工,處理工程量較少。最終實(shí)施方案基本上采用了上述地質(zhì)建議。由于采取有效的工程措施對(duì)5、6號(hào)巖溶系統(tǒng)預(yù)先進(jìn)行了處理,在導(dǎo)流洞揭露兩巖溶系統(tǒng)的主管道時(shí),沒(méi)有發(fā)生巖溶暗河水涌入及江水倒灌現(xiàn)象,確保了工程的正常施工與安全,亦確保工程按期完成了大江截流。4處理巖溶的地質(zhì)條件和手段(1)在巖溶地區(qū)進(jìn)行水電工程地質(zhì)勘測(cè)工作,除應(yīng)了解區(qū)域及壩址范圍內(nèi)的巖溶水文地質(zhì)環(huán)境及巖溶發(fā)育規(guī)律外,更重要的是對(duì)建筑物區(qū)通過(guò)綜合勘探與地質(zhì)分析充分了解巖體中的巖溶分布情況,掌握巖溶的發(fā)育特征與規(guī)模、空間分布狀況等,才能為設(shè)計(jì)提出可靠的依據(jù)。通過(guò)多年的地質(zhì)勘察,地質(zhì)工作者