构皮滩水电站岩溶系统发育特征及堵排处理

构皮滩水电站岩溶系统发育特征及堵排处理

吴江皮滩水库位于贵州省玉庆县。水库最大洪峰高23.5m，正常蓄水位630m，总蓄水64.65亿3m，装水量3000m。这是乌江干洪泛集中发展的主要工程。该电站初期导流采用围堰挡水方案,其导流标准按10a一遇洪水流量13500m3/s考虑,为了减少施工导流的工程量,设计考虑了上游水库调节问题,最后确定导流流量为10990m3/s。构皮滩水电站坝址区河道狭窄,两岸山体雄厚,岸坡陡峻,只能采用隧洞导流方案。综合考虑导流标准及地形、地质条件等因素,最终布置了3条导流隧洞,其中左岸布置两条(1、2号),右岸布置1条(3号)。1、3号导流隧洞为低洞,进、出口底板高程分别为430、429m;2号为高洞,进、出口底板高程分别为450、448m。隧洞断面均采用平底马蹄形,净宽15.6m、高17.7m,1、2、3号导流隧洞长度分别为888、673、918m,总工期730d。区内碳酸盐岩广布,岩溶成为坝址主要地质问题之一。5、6号岩溶系统是坝址区规模最大的岩溶系统,地下暗河水水量丰富,长年不断,两岸导流隧洞(低洞)分别穿过这两岩溶系统的主通道。为避免暗河水向导流隧洞涌入而影响工程的施工进度与安全,在导流隧洞揭穿岩溶系统的主管道之前,对上述两岩溶系统的暗河水进行了有效的引排,为工程的顺利施工创造了有利条件。1工程地质和水文地质乌江由北西至南东流经坝址,与岩层走向近于正交,为横向河谷。河谷两岸山体雄厚,临江峰顶相对高差达300～400m,河谷呈“V”形峡谷,两岸岸坡陡峻,部分岸坡近直立。枯水位430～435m,水面宽35～80m,水深6～10m。坝址主要出露二叠系下统栖霞组(P1q)与茅口组(P1m)及上统吴家坪组(P2w),其中P1q为灰、深灰色中至厚层生屑灰岩,厚度145.3～153m;P1m为灰、浅灰色中厚层至厚层块状灰岩夹燧石灰岩、硅质岩,厚度220.6～221.6m;P2w为深灰色灰岩夹粘土质灰岩、底部为厚度3～5m的粘土岩及一劣煤层,厚106.6m。岩层走向NE30°～35°,倾NW,倾角45°～55°。坝址区共发现断层77条,其发育方向主要有4组:285°～315°、10°～45°、60°～90°、330°～360°,分别占断层总数的53%、21%、18%、8%,断层规模一般不大,宽为10～30cm,长以小于100m为主。层间错动较为普遍,规模较大的层间错动共有18条,其中发育于P1m层的Fb92、Fb112等发育于灰岩中的层间错动对岩体溶蚀具一定的控制作用。裂隙的发育方向有4组:275°～300°、301°～330°、331°～350°、20°～40°,以陡倾角为主,缓倾角裂隙不发育;裂隙长以小于2m为主,规模较大的裂隙多分布在卸荷带及断层附近。坝址以碳酸盐岩为主,岩溶发育,主要的岩溶形态地表有溶沟、溶槽等,地下有溶洞、竖(斜)井及溶缝等。岩溶的发育程度受岩性、构造控制比较明显。岩溶在平面分布上具分区、分带特征,总体上两岸岩溶比河床发育,右岸岩溶比左岸发育。分带性表现在坝址岩溶洞穴多沿一定的层位和断裂呈带状分布,如P2-11m2−11m层中、上部及P1-21m1−21m层底部的顺层风化—溶蚀带、P2-31m2−31m层上部宽12～15m范围的古侵蚀—强溶蚀带及沿层间错动、断裂发育的溶洞、暗河等。岩溶的垂向分布具成层性,大型水平溶洞主要分布于河床高漫滩、Ⅰ～Ⅱ级阶地相对应的高程,各水平溶洞常以竖井、斜井及溶缝等相连通,高程410m以下深岩溶发育较弱,并具随深度增加而减弱的特征。坝址区岩溶岩组间夹有非岩溶或弱岩溶岩组,阻隔了岩溶组间的水力联系,构成了单斜层状水文地质结构。地下水靠大气降水补给,依各自独立的岩溶管道和裂隙网络运移,以暗河或岩溶泉的形式由两岸向乌江排泄。25、6工程地质及岩相特征坝址各可溶岩组在岩溶发育过程中,由于受到隔水岩组和相对隔水岩组的阻隔,形成了具有各自相对独立的岩溶网络系统—岩溶系统。坝址区在P12w12w和P1m层灰岩中,存在5、6、7、8共4个岩溶系统,在右岸P1q层灰岩中发育W24岩溶系统,此外在O2sh+b及O21m等层的灰岩中发育有W2、W3、W4等岩溶系统,其中以5、6号岩溶系统规模最大,在前期勘察过程中,采用了平硐追踪、钻孔、物探及连通试验等勘探手段及地质综合分析的方法查明了其发育特征。2.15暗河通道概况5号岩溶系统发育于坝线上游左岸吴家坪组下段(P12w)和茅口组上段(P21m)灰岩中,由Kw19暗河、K101、K104、K27、KD21-2以及左岸钻孔和平硐在P12w、P21m层中所揭露的溶洞组成(图1)。该系统以Kw19暗河为主干通道,规模较大。据D11平硐追索,暗河主通道位于P2-31m层中,其出口段沿Fb91层间错动发育,呈缝状,出口高程445.10m;在出口至平硐深约100m之间,暗河在Fb91、Fb92层间错动之间及附近发育,局部沿NW、NWW向断裂发育,成虹吸式上涌,并形成充水暗潭,如平硐深约100m处的充水暗潭;在硐深约100m处至250m左右,暗河沿Fb92及其上部层间错动发育,暗河通道呈向上游倾斜宽缝状,宽1.5～3.5m,高可达20余米。另据KD11-2溶洞充填物中含有大量P12w层灰岩砾石分析,在暗河上游的P12w层中有系统的分支管道发育,并沟通了P12w与P2-31m层的水力联系。暗河平均水力坡降2%,枯水期流量约25L/s,洪水期出口被江水淹没,流量较大。2.26暗河上游上分层开采6号岩溶系统发育于坝线上游右岸吴家坪组下段(P12w)和茅口组上段(P21m)灰岩中,由Kw90暗河、K90、K94、K201、K207、K210以及右岸钻孔和平硐在P12w、P21m层中所揭露的溶洞组成(图2)。该系统是坝址区规模最大的岩溶系统,由Kw90暗河及K90溶洞构成系统的主体。K90溶洞为一巨型溶洞,洞口高程538.8m。洞口至高程约465m之间的洞段发育于P12w层中,洞口段为斜井状,在高程504m和465～480m间各发育一层水平溶洞,它是P12w层早期地下水主径流通道。在高程468m左右,由于P12w层底部粘土岩层被溶塌,形成一岩溶大厅,并通过竖井与发育于P2-31m层中的洞段相连。发育于P2-31m层中的洞段,为大型水平溶洞,高程465m左右。据D30平硐揭露,溶洞沿Fb92层间错动发育长达30余米后,经东西向溶缝与D2平硐揭露的Kw90暗河通道相连。Kw90暗河是系统现今地下水径流和排泄的主要通道,实测最枯流量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层上部大体上顺Fb92层间错动及岩层走向发育;下游从沿东西向断裂发育的溶缝下潜,并向P2-21m层延伸,流经D2平硐硐深71.4m处沿NW、NWW向断裂发育的水平溶洞(长30m左右、底板高程445m左右),然后沿顺层方向或NW、NWW向断裂呈折线状向岸边偏下游继续下潜,在F44断层附近呈虹吸式向乌江排泄(图2)。在大暴雨时,由于排水不畅,有大股水流从沿F44断层发育的溶缝(高程441m左右)涌出。35、6i-溶解系统与导波孔的关系和处理3.15、导流洞及阻碍生物处理的工程措施构皮滩水电站两岸低高程导流洞的布置无法避开5、6号岩溶系统,其平面关系如图3所示。由图3可见,左岸1号导流洞在进口段将揭穿5号岩溶系统的主管道,右岸导流洞在近进口段将揭穿6号岩溶系统的主管道。如果不预先采取工程措施对两岩溶系统进行处理,对导流隧洞主要有如下影响:①揭穿岩溶系统的管道后,暗河水会涌入导流洞;②汛期江水上涨,江水会沿临江侧的岩溶管道或溶隙向导流洞倒灌。上述现象均会水淹导流洞,影响施工进度与安全。3.25、挡水封闭点设置为保证导流隧洞的施工进度与安全,必须预先对5、6号岩溶系统进行工程处理。通过对岩溶系统的发育特征及分布高程分析,确定了处理的最优方案为堵排结合的方案。堵主要是在导流隧洞山里侧适当位置堵截岩溶暗河水,此外,在导流洞临江侧岩溶系统发育的区域或层位布置挡水帷幕,堵截临江侧江水沿岩溶管道与溶隙的渗漏通道,避免汛期产生江水倒灌。排主要是采取了专设排水洞的方式将堵截后的暗河水排入安全地带。6号岩溶系统的管道发育较复杂,对其处理的工程量亦多一些,除排水洞外,在临江侧设置了两条帷幕,即6PS灌浆平洞与导流洞进口围堰部位及其延伸段两道灌浆帷幕。其中6PS灌浆帷幕主要封堵临江侧467m高程以下的岩溶管道,避免汛期高洪水位时江水沿岩溶管道向导流洞倒灌;进口围堰部位的灌浆帷幕主要封堵临江侧450m高程以下的岩溶管道,避免低洪水位时江水向导流洞倒灌。5号岩溶系统的管道相对较单一,除排水洞外,在临江侧亦设置了两条帷幕(图3),但帷幕施工均在地表进行,且帷幕的工程量较少。本工程设计方案的重点是确定合适的对暗河管道封堵的位置与高程,以便确定排水洞的布置方案,这就需要有准确可靠的地质资料。通过前期及施工期复核的地质资料,地质工作者准确提出了对两个岩溶系统封堵点的位置与高程,并且提出了临江侧挡水帷幕的位置与深度的地质建议,具体布置方案如图3所示。具体建议如下:(1)选择对暗河管道封堵的位置,截断并引排山里来水。封堵点的选择原则主要有3点:①封堵点应在导流洞远离河床一侧;②尽量选择分支管道较集中或较少的部位,最大限度地截断山里来水;③处理工程量要尽可能少。根据上述原则,对6号岩溶系统的封堵点选择在A点(图3),该点位于暗河主管道上,且位于导流洞远离河床一侧;该部位分支管道较少,是山体来水的最主要通道,此外该部位布置排水洞穿越A点岩溶大厅的距离较短,减少了岩溶大厅底部溶塌体的清理工程量,故选择A点作为封堵引排点是最适合的。排水洞在该点的高程为462.25m,进口高程为460m左右,排水洞穿越的地层主要为P2w层灰岩,稳定条件较好。对5号岩溶系统的封堵点选择在B点(图3),同样满足上述3个选择原则,该部位为一充水暗潭,B点乌江一侧管道较单一,封堵工程量较少,排水洞的高程460m左右,围岩主要为P2w层灰岩,稳定条件较好。(2)选择临江侧挡水帷幕的位置及处理深度,截断江水沿岩溶管道向导流洞倒灌的通道。如遭遇10a一遇洪水,上游围堰的水位大约为483m,导流洞临江侧该水位以下如存在有与江水连通的岩溶管道,将存在江水向导流洞倒灌的问题。6号岩溶系统临江侧管道发育复杂,但大部分位于467m高程以下,在近岸相对平缓地带地面高程约450m,如仅在近岸地带布置挡水帷幕,将无法截断467～450m高程之间的岩溶管道,地质建议在合适的部位通过灌浆平硐、钻孔灌浆形成挡水帷幕,其位置如图3所示。该部位可以利用6号排水洞及D30号勘探平硐施工,大大减少了辅助工程洞挖的工程量。根据该部位岩溶发育特征,建议帷幕底限高程在410m左右。此外在进口闸室及导流洞进口段受岸坡卸荷等因素的影响,岩体透水率大,局部存在畅通性的岩溶管道,故地质建议在临江侧450m高程左右再布置一道挡水帷幕,彻底解决江水倒灌问题。5号岩溶系统临江侧岩溶管道较单一,地质建议仅在临江侧450、457m两高程左右布置了两条较短的挡水帷幕(图3),且均在地表施工,处理工程量较少。最终实施方案基本上采用了上述地质建议。由于采取有效的工程措施对5、6号岩溶系统预先进行了处理,在导流洞揭露两岩溶系统的主管道时,没有发生岩溶暗河水涌入及江水倒灌现象,确保了工程的正常施工与安全,亦确保工程按期完成了大江截流。4处理岩溶的地质条件和手段(1)在岩溶地区进行水电工程地质勘测工作,除应了解区域及坝址范围内的岩溶水文地质环境及岩溶发育规律外,更重要的是对建筑物区通过综合勘探与地质分析充分了解岩体中的岩溶分布情况,掌握岩溶的发育特征与规模、空间分布状况等,才能为设计提出可靠的依据。通过多年的地质勘察,地质工作者