思林水电站坝区岩溶水文地质特点及其对工程建设之影响水利工程.docx

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思林水电站坝区岩溶水文地质特点及其对工程建设之影响水利工程

思林水电站坝区岩溶水文地质特点及其对工程建设之影响

摘要：

思林水电站坝址区岩溶强烈发育，大坝、地下厂房、导流洞等主要建筑物均遭遇岩溶。

岩溶对工程建设带来了诸多不利影响，如岩溶涌水、河水倒灌、围岩稳定等。

本文通过对其岩溶发育特征的介绍，便于针对各建筑物特点，采取不同的工程处理措施。

关键词：

思林水电站岩溶水文地质工程影响工程处理

思林水电站位于贵州乌江中游河段，距下游的思南县城23km。

是一个以发电为主，兼顾航运、防洪和灌溉综合效益的水利枢纽。

水库设计正常蓄水位440m，上游接构皮滩水电站厂房尾水，总库容16.54亿m3。

最大坝高117m，装机容量1000MW。

经1995年可研论证，思林水电站的原推荐方案枢纽布置为：

玉龙山坝线、碾压混凝土重力坝、右岸地下厂房、左岸垂直升船机，施工导流方案为左岸2条导流洞。

该电站坝址区以可溶岩为主，岩溶发育，规模较大，特别是左岸发育多个大规模的岩溶管道系统，为工程建设的主要不利因素之一。

本文将对其岩溶水文地质特点及对工程建设的不利影响作简要介绍。

1基本地质条件

1.1地形地貌

坝址位于思林粮站至F4断层间的两扇岩附近。

自思林粮站起河流走向由N45°E转至S65°E，至下游4km乌江与龙底江汇合后转向北，形成河间及河湾地块。

坝址区河段山体雄厚，除500-525m为乌江宽谷期岩溶台面缓坡地形较开阔外，上下均为45-70°陡坡，基本呈对称“V”型，枯水期河面高程364m左右，水面宽70-120m，水深20-30m，汛期涨幅可达25m，440m高程时谷宽265m。

1.2地层岩性

从上游至下游，涉及的地层主要为二叠系下统至三叠系下统之灰岩和泥页岩，第四系堆积物分布零星。

各层简述如下：

二叠系下统（P1）

栖霞、茅口组（P1q、P1m）：

为厚、巨厚层灰岩，含燧石结核。

吴家坪组（P2w）：

分P2w1、P2w2、P2w3、P2w4、P2w5共5段。

其总体为含燧石结核灰岩、硅质岩、硅质灰岩夹泥页岩、炭质页岩、煤层等。

其中P2w1夹劣质煤层、P2w3、P2w5泥页岩与硅质岩、硅质灰岩呈互层状。

长兴组（P2c）：

深灰色中厚-厚层含燧石结核生物碎屑灰岩。

三叠系下统夜郎组（T1y），分三段：

第一段（T1y1），为薄-极薄层粘土岩夹泥质灰岩。

第二段（T1y2），分三层：

第一层（T1y2-1）为薄-极薄层泥晶灰岩。

第二层（T1y2-2）为中厚-厚层泥晶灰岩、白云岩等。

第三层（T1y2-3）为极薄-中厚层泥质灰岩、泥晶灰岩等。

第三段（T1y3），为紫红色薄-中厚层粘土岩夹灰岩。

永宁镇组（T1yn），分两段：

第一段（T1yn1），上部极薄-中厚层粉晶灰岩、灰质白云岩，下部中厚-厚层。

第二段（T1yn2），分为两层：

第一层（T1yn2-1）角砾状白云岩夹灰色极薄层白云岩，第二层（T1yn2-2）薄、中厚层白云质灰岩、灰岩夹多层角砾状白云岩透镜体。

第四系主要有分布于两岸阶地及河床的冲积（Qal）亚粘土和卵砾石层，分布于山脚的多为崩积（Qcol）块碎石夹粘土，分布于较平缓岸坡的多为残坡积（Qedl）粘土夹碎块石。

1.3地质构造

主要地质构造有塘头向斜、F4断层。

塘头向斜轴在F4断层下游120m横穿乌江两岸。

坝址主要位于塘头向斜NW翼，该翼在F4上游地层发生倒转，岩层产状N40E，NW∠70；F4断层为一区域性断层，产状N43E，NW∠60。

裂隙发育多组。

1.4物理地质现象

主要物理地质现象主要有卸荷、崩塌、岩石（体）风化及夹层夹泥。

卸荷多见于岸坡，主要沿NW向裂隙扩展，平行河流。

崩塌见于陡壁岸坡，下多有崩塌堆积物。

泥页岩、粉砂岩含量较多的地层如P2w1、、P2w3、P2w5、T1y1、、T1y3层，物理风化强烈，分级明显，可分为强、弱、微三级；灰岩以化学风化为主，分级不明显，大致分为弱、微二级。

2岩溶、水文地质特点

2.1概况

坝址区两岸岩溶泉点发育，钻孔地下水位长观高于河水位，乌江属地下水补给河水类型。

地下水横向径流带发育，两岸300m范围内属地下水低平带，水力坡降约0.5%。

根据地表调查、平硐、钻孔等揭示，坝址区对建筑物区有较大影响的岩溶系统或管道共有10余个。

如图2-1所示。

左岸：

P1q中有K-12暗河，P1m中有K-11（S66）岩溶泉、Sj-5季节性岩溶泉；P2c内有K-30岩溶管道系统；T1y2内有K-31岩溶管道系统，T1yn1中有Sj-3、Sj-20季节性岩泉溶。

发育规模较大的有：

K-12暗河：

发育于P1q灰岩内，沿层面发育，常年有水，为一暗河通道，流量变化大，汛期可达13m3/s。

源头在符家沟盲谷，总长1.5km，出口高程高于枯期河面10m左右，洞内有砂卵砾石分布。

K-11（S66）岩溶管道（泉）：

发育于P1m灰岩内，沿层间褶曲顺层发育水平溶洞，洞口分布高程高于河面10余m，可见洞长14m，宽13m，高8m，枯期流量为2-3L/s，有冷风吹出，推测内部有较大溶洞。

K-30岩溶管道（泉）：

发育于左岸P2c灰岩中部，沿层面发育，常年有水流。

其汇水面积1.98km2,一般流量9~140L/s，汛期洪峰流量大。

有分支溶洞与S2连通，内有多层岩溶管道及倒虹吸管道。

K-31岩溶管道（泉）：

发育于T1y2-2，沿层面及NW向横张裂隙发育。

出口高程高于河面10余m，由洞口向山内呈阶梯状下降至366m高程后顺层发育水平溶洞，据平硐揭露其在深部形成多个岩溶潭，在河水面以下尚有出口。

其汇水面积2.0km2,多年平均流量51L/s，汛期洪峰流量大，见由PD-23平硐内溢流。

右岸：

P1m中有K-28岩溶管道，P2c内有S-65岩溶管道系统；T1y2内有K-29落水洞系统、S-64岩溶泉、Sj-2、Sj-4岩溶泉等。

发育规模较大的有：

K29落水洞系统：

位于右岸地下厂房地表500m岩溶台面上，发育于T1y2-2中厚-厚层灰岩中，深大于7m，下为溶蚀裂隙，洞口上方为一顺层发育的溶蚀沟槽，距K29约432m处为K90落水洞，其后尚有K91落水洞。

该沟槽平时干涸，大雨时汇聚谷坡地表水注入落水洞，后排向乌江。

其与河边S64连通。

S-64：

出口发育于右岸T1y2-2灰岩河边，一般流量0.5~80L/s，其与K29连通，河水面下尚有出口。

汛期洪峰流量大。

Sj-2岩溶管道：

出口发育于右岸两扇岩下游T1y2-3-2灰岩中，一般流量5-20L/s，河水面下尚有出口，平硐内揭示长80m，宽高3-5m。

汛期洪峰流量较大。

2.2岩溶、水文地质特点

对地表调查的洼地、落水洞、岩溶泉及钻孔、平硐揭示的溶洞等进行分析，思林坝址区岩溶发育有如下特点：

（1）地层的岩性、构造对岩溶作用控制明显。

P1q、P1m、P2c、T1y2-2地层，灰岩、白云质灰岩，质地纯，岩性均一，发育大型溶洞、暗河，如K-12、K-30、K-31、K-29、S-64等，属强岩溶、强透水层，；T1y2-1-2、T1y2-3、T1yn地层为薄-中厚层灰岩、白云质灰岩，夹较多薄层泥页岩，岩溶化较弱，主要发育中小型溶洞、裂隙型管道，如Sj-2、Sj-3、Sj-4、Sj-20等，属中等岩溶层，中等透水岩组；T1y2-1-1、P2w为极薄层灰岩或富含硅质，并有较多的泥页岩夹层，岩溶化微弱，仅有少量小型岩溶发育，属弱透水岩组，可作为相对隔水层；T1y1、T1y3等泥页岩地层，为裂隙水，属隔水岩组。

岩溶在深部多沿层面发育，近岸边沿层面及裂隙发育。

（2）岩溶层与非岩溶层相间呈带状分布，各岩溶层的溶洞互不连通，地下水相互独立，无水力联系。

如P1q+m、P2c、T1y2、T1yn各岩溶层之间分别有P2w，T1y1、T1y3等隔水层或相对隔水层。

水化学分析各层间地下水差异较大。

（3）受喜山期间歇性隆升运动的控制，在铅直剖面上各岩溶层溶洞成层发育。

根据统计，在铅直方向上此区带的溶洞大致可分为四层，高程分别为450、425、400、380m，下三层与河流三级阶地有较好的对应关系；水平方向上从分水岭至河边，溶洞的发育有随高程呈阶梯状下降、岩溶发育程度逐渐增加之特点。

（4）左岸岩溶的发育强度和规模大于右岸。

如左岸发育有K-12（P1q内）暗河、K-30（P2c）、K-31（T1y2）等，形成暗河或岩溶潭，长年有水，最大流量达10余m3/s。

而右岸发育的S-64、Sj-2（T1y2）及平内揭露的溶洞流量均较小。

原因主要受构造、地形控制，左岸补给区面积大于右岸。

左岸从地形分水岭到河边，未受断层影响，岩层连续；而右岸在麻坨

图2-1思林水电站坝址区地质略图

一带受F9、F4切割，隔水层受到切错，使铜鼓坨-麻坨一带的地表水下渗后沿构造缺口向龙清湾一带排泄，减少了向坝址河侧的汇水。

（5）河床深部岩溶发育微弱。

因受多层非可溶岩或微弱透水层的阻隔，及河流岸坡卸荷裂隙发育，地下水向河床深部的循环条件差，河床深部岩溶发育微弱。

根据地下水化学成份分析，大致以330m高程为界，330m高程以上为地下水循环相对较强地带，以下为地下水位弱循环带，其同勘探的岩溶发育深度有较好的对应关系。

接合物探综合判定岩溶发育深度在320m高程，透水率小于1Lu的在300-320m高程以下，

（6）P2c与T1y2相比，因汇水面积相等，厚度较小，岸坡岩溶排泄能力有限，两岸的倒虹吸管道深度较深，相对应河床强岩溶发育深度亦较深，据河心钻孔揭示，其中291.77~298.11m亦发育溶洞，比T1y2层河床强岩溶下限320m高程低30m。

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3.1对大坝的影响

思林水电站大坝坝基及两坝肩均位于T1y2灰岩中，其岩质坚硬，整体完整性尚属良好。

但其属强岩溶层，岩溶发育，左岸有K-31岩溶管道系统、右岸有S-64、Sj-2岩溶管道。

其对大坝的不利影响主要表现在如下几个方面：

（1）对大坝建基面及坝基岩体质量的影响。

坝基开挖一般因工程量的限制不宜太深，建基面一般选择于微风化岩体内，但由于受地下水循环影响，在微风化岩体与新鲜岩体界面附近地下水活动和岩溶作用尚较强烈，并有溶洞发育。

坝基局部地段将遭遇S-64岩溶管道和其它溶洞、溶蚀带，对局部岩体完整性、稳定性有较大影响，需作特殊处理。

（2）对大坝防渗的影响。

大坝左岸有K-31岩溶管道水构成的横向地下水径流凹槽，右岸又有S-64、Sj-2岩溶管道水构成横向地下水径流凹槽。

槽向径流内溶洞发育，地下水活动强烈，地下水位低平，成为两岸坝肩地基绕坝渗漏流向下游排泄的通道，对坝址防渗不利。

向河床深部，受岩溶发育深度影响，坝基透水性小于1Lu的高程在300m左右，悬帷幕下限较深。

（3）对大坝基坑施工影响

河床大坝基坑开挖时，K-30、K-31、S-64、Sj-2等岩溶管道均包括在上、下游围堰之间的河段，由上述管道水形成的基坑涌水量推测枯期100L/s，汛期2500L/s。

3.2对地下厂房的影响

地下厂房位于右岸山体T1y2灰岩、白云岩中，其地表为一较宽缓的岩溶台地。

地下厂房处于K29落水洞岩溶系统之下，并发育有S-64及Sj-2等岩溶管道，岩溶对地下厂房的不利影响主要有：

（1）岩溶涌水、涌泥。

由于地下厂房位于K29落水洞岩溶系统之下，平硐内揭示竖直型岩溶、溶蚀裂隙水在主变洞、主厂房顶拱较为发育，枯期一般仅为滴水，但汛期涌水、涌泥严重。

据汛期观测特大暴雨时，平硐溢流涌水量1000L/s。

（2）河水倒灌。

地下厂房底板高程在347m高程左右，低于枯期河水位以下15~20m，施工及运行期河水将沿S-64、Sj-2岩溶管道、裂隙等倒灌，其倒灌涌水量可达500L/s。

（3）局部围岩稳定性。

地下洞室埋深70-140m，围岩主要为T1y2-2中厚-厚层灰岩，整体稳定性好。

但由于岩溶的溶蚀影响及溶蚀裂隙的切割影响，大大降低了局部围岩完整性、稳定性。

3.3对导流洞的影响

左岸导流洞，沿线穿越P1m~T1yn2层。

岩溶对导流洞造成的不利影响主要有：

（1）岩溶涌水。

隧洞通过地段，除P2c层和T1y2层部分洞段通过地下水季节变动带外，其余洞段均在地下水位以下，并处岸坡地下水缓坡降地带，岩溶发育：

进口洞段P1m灰岩有sj-5岩溶季节泉；P2w与P1m层界面处岩溶较发育；P2c和T1y2-2洞段横穿K-30、K-31岩溶管道水径流带，其间溶洞发育，水面以下尚有虹吸管道通向河床；T1y2-1、T1y2-3、T1yn岩溶较发育，出水点分散，以季节性岩溶泉、中小型溶洞为主，如Sj2、Sj4等。

对左岸导流洞影响最大的是K30、K31。

据平硐揭示K31在山体内有多个岩溶潭，如PD-23、PD-47平硐追踪揭露的Kp-3、Kp-1、Kp-2等，长10-15m，宽3-10m，水深20-24m，其上溶洞净空高达50m左右。

其汇水面积2.0km2,多年平均流量51L/s，汛期流量将1000L/s以上。

K30汇水面积与K31相等，流量为同一规模，倒虹吸管道尚深于K31。

（2）较高外水压力。

岩溶管道内地下水畅通，导流洞通过岩溶管道部位将部分或全部堵塞地下水通道，地下水将涌高形成较高的外水压力。

另在电站建设后期，封堵导流洞时库水在短时期内上升，亦会在岩溶管道部位形成较高的外水压力。

（3）局部围岩稳定性。

岩溶发育段将降低围岩稳定性。

3.4对上游围堰的影响

上游围堰心墙下游左岸分布有K30岩溶系统，其汛期涌水量大，且具承压性，可能会给堰体稳定性带来不良影响。

3.5对水库蓄水时的影响

水库蓄水后，近坝地段的K12、K30、K31等较大规模的岩溶管道均为口小肚大，蓄水后水位上升较快，内部空气难以快速排出，有气爆可能。

4工程处理建议

由于岩溶对工程建设有诸多的不利影响，需予以高度重视，并根据各建筑物特点及岩溶发育特征，采取不同的工程处理措施。

（1）坝基岩溶：

坝基开挖到位后对已揭露的岩溶管道、溶洞、岩溶带进行深挖后进行混凝土回填处理；对坝基、坝肩一定深度内未揭露的隐伏岩溶，先利用钻探与物探结合探明位置、规模后，再视情况进行挖填或灌浆处理。

（2）绕坝渗漏处理：

针对坝基及两坝肩岩溶

管道渗漏，进行防渗处理。

两坝肩防渗线向上游偏折，接T1y1泥页岩进行封闭；坝基下无隔水层，只能为悬帷幕，帷幕下限至透水率小于1Lu岩体。

（3）地下厂房岩溶处理：

先对地表K29落水洞及附近强岩溶裂隙带进行封闭，并设排水沟后，堵截近厂房区地表水流；封堵S-64、Sj-2岩溶管道及设阻水帷幕，防止河水倒灌；设封闭式防渗帷幕及多层排水洞、排水幕及排水设施，加强地下水堵排；岩溶破碎段，封堵空洞并加强支护。

（4）导流洞岩溶处理：

隧洞尽量缩短，减少遭遇岩溶管道机率；将2号导流洞调整布置于右岸，并尽可能在枯水期施工；隧洞通过K31岩溶管道水凹槽带时，避开Kp1、Kp2、Kp3岩溶潭；K30、K31发育段，河边设阻水帷幕，内侧设截水帷幕及排水洞；岩溶管道水发育处考虑排水，以避免增加外水压力；加强衬砌。

（5）上游围堰K30岩溶的处理：

结合导流洞内K30处理进行，在K30岩溶管道出口设置集水槽及排水孔，将岩溶水及承压水排泄出堰体外。

（6）经左岸导流洞K30、K31处理后，岩溶气爆将会消除，K12因离大坝较远，岩溶气爆对建筑物影响甚微，可不作特殊处理。

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