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文檔簡介
構皮灘水電站巖溶系統(tǒng)發(fā)育特征及堵排處理
吳江皮灘水庫位于貴州省玉慶縣。水庫最大洪峰高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。該電站初期導流采用圍堰擋水方案,其導流標準按10a一遇洪水流量13500m3/s考慮,為了減少施工導流的工程量,設計考慮了上游水庫調節(jié)問題,最后確定導流流量為10990m3/s。構皮灘水電站壩址區(qū)河道狹窄,兩岸山體雄厚,岸坡陡峻,只能采用隧洞導流方案。綜合考慮導流標準及地形、地質條件等因素,最終布置了3條導流隧洞,其中左岸布置兩條(1、2號),右岸布置1條(3號)。1、3號導流隧洞為低洞,進、出口底板高程分別為430、429m;2號為高洞,進、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號導流隧洞長度分別為888、673、918m,總工期730d。區(qū)內碳酸鹽巖廣布,巖溶成為壩址主要地質問題之一。5、6號巖溶系統(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,長年不斷,兩岸導流隧洞(低洞)分別穿過這兩巖溶系統(tǒng)的主通道。為避免暗河水向導流隧洞涌入而影響工程的施工進度與安全,在導流隧洞揭穿巖溶系統(tǒng)的主管道之前,對上述兩巖溶系統(tǒng)的暗河水進行了有效的引排,為工程的順利施工創(chuàng)造了有利條件。1工程地質和水文地質烏江由北西至南東流經壩址,與巖層走向近于正交,為橫向河谷。河谷兩岸山體雄厚,臨江峰頂相對高差達300~400m,河谷呈“V”形峽谷,兩岸岸坡陡峻,部分岸坡近直立??菟?30~435m,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、硅質巖,厚度220.6~221.6m;P2w為深灰色灰?guī)r夾粘土質灰?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,長以小于100m為主。層間錯動較為普遍,規(guī)模較大的層間錯動共有18條,其中發(fā)育于P1m層的Fb92、Fb112等發(fā)育于灰?guī)r中的層間錯動對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層底部的順層風化—溶蝕帶、P2-31m2?31m層上部寬12~15m范圍的古侵蝕—強溶蝕帶及沿層間錯動、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級階地相對應的高程,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,構成了單斜層狀水文地質結構。地下水靠大氣降水補給,依各自獨立的巖溶管道和裂隙網絡運移,以暗河或巖溶泉的形式由兩岸向烏江排泄。25、6工程地質及巖相特征壩址各可溶巖組在巖溶發(fā)育過程中,由于受到隔水巖組和相對隔水巖組的阻隔,形成了具有各自相對獨立的巖溶網絡系統(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號巖溶系統(tǒng)規(guī)模最大,在前期勘察過程中,采用了平硐追蹤、鉆孔、物探及連通試驗等勘探手段及地質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層間錯動發(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層間錯動之間及附近發(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及其上部層間錯動發(fā)育,暗河通道呈向上游傾斜寬縫狀,寬1.5~3.5m,高可達20余米。另據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,流量較大。2.26暗河上游上分層開采6號巖溶系統(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D30平硐揭露,溶洞沿Fb92層間錯動發(fā)育長達30余米后,經東西向溶縫與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,實測最枯流量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層間錯動及巖層走向發(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D2平硐硐深71.4m處沿NW、NWW向斷裂發(fā)育的水平溶洞(長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烏江排泄(圖2)。在大暴雨時,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)與導波孔的關系和處理3.15、導流洞及阻礙生物處理的工程措施構皮灘水電站兩岸低高程導流洞的布置無法避開5、6號巖溶系統(tǒng),其平面關系如圖3所示。由圖3可見,左岸1號導流洞在進口段將揭穿5號巖溶系統(tǒng)的主管道,右岸導流洞在近進口段將揭穿6號巖溶系統(tǒng)的主管道。如果不預先采取工程措施對兩巖溶系統(tǒng)進行處理,對導流隧洞主要有如下影響:①揭穿巖溶系統(tǒng)的管道后,暗河水會涌入導流洞;②汛期江水上漲,江水會沿臨江側的巖溶管道或溶隙向導流洞倒灌。上述現(xiàn)象均會水淹導流洞,影響施工進度與安全。3.25、擋水封閉點設置為保證導流隧洞的施工進度與安全,必須預先對5、6號巖溶系統(tǒng)進行工程處理。通過對巖溶系統(tǒng)的發(fā)育特征及分布高程分析,確定了處理的最優(yōu)方案為堵排結合的方案。堵主要是在導流隧洞山里側適當位置堵截巖溶暗河水,此外,在導流洞臨江側巖溶系統(tǒng)發(fā)育的區(qū)域或層位布置擋水帷幕,堵截臨江側江水沿巖溶管道與溶隙的滲漏通道,避免汛期產生江水倒灌。排主要是采取了專設排水洞的方式將堵截后的暗河水排入安全地帶。6號巖溶系統(tǒng)的管道發(fā)育較復雜,對其處理的工程量亦多一些,除排水洞外,在臨江側設置了兩條帷幕,即6PS灌漿平洞與導流洞進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467m高程以下的巖溶管道,避免汛期高洪水位時江水沿巖溶管道向導流洞倒灌;進口圍堰部位的灌漿帷幕主要封堵臨江側450m高程以下的巖溶管道,避免低洪水位時江水向導流洞倒灌。5號巖溶系統(tǒng)的管道相對較單一,除排水洞外,在臨江側亦設置了兩條帷幕(圖3),但帷幕施工均在地表進行,且帷幕的工程量較少。本工程設計方案的重點是確定合適的對暗河管道封堵的位置與高程,以便確定排水洞的布置方案,這就需要有準確可靠的地質資料。通過前期及施工期復核的地質資料,地質工作者準確提出了對兩個巖溶系統(tǒng)封堵點的位置與高程,并且提出了臨江側擋水帷幕的位置與深度的地質建議,具體布置方案如圖3所示。具體建議如下:(1)選擇對暗河管道封堵的位置,截斷并引排山里來水。封堵點的選擇原則主要有3點:①封堵點應在導流洞遠離河床一側;②盡量選擇分支管道較集中或較少的部位,最大限度地截斷山里來水;③處理工程量要盡可能少。根據上述原則,對6號巖溶系統(tǒng)的封堵點選擇在A點(圖3),該點位于暗河主管道上,且位于導流洞遠離河床一側;該部位分支管道較少,是山體來水的最主要通道,此外該部位布置排水洞穿越A點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點作為封堵引排點是最適合的。排水洞在該點的高程為462.25m,進口高程為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5號巖溶系統(tǒng)的封堵點選擇在B點(圖3),同樣滿足上述3個選擇原則,該部位為一充水暗潭,B點烏江一側管道較單一,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)選擇臨江側擋水帷幕的位置及處理深度,截斷江水沿巖溶管道向導流洞倒灌的通道。如遭遇10a一遇洪水,上游圍堰的水位大約為483m,導流洞臨江側該水位以下如存在有與江水連通的巖溶管道,將存在江水向導流洞倒灌的問題。6號巖溶系統(tǒng)臨江側管道發(fā)育復雜,但大部分位于467m高程以下,在近岸相對平緩地帶地面高程約450m,如僅在近岸地帶布置擋水帷幕,將無法截斷467~450m高程之間的巖溶管道,地質建議在合適的部位通過灌漿平硐、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號排水洞及D30號勘探平硐施工,大大減少了輔助工程洞挖的工程量。根據該部位巖溶發(fā)育特征,建議帷幕底限高程在410m左右。此外在進口閘室及導流洞進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,故地質建議在臨江側450m高程左右再布置一道擋水帷幕,徹底解決江水倒灌問題。5號巖溶系統(tǒng)臨江側巖溶管道較單一,地質建議僅在臨江側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。最終實施方案基本上采用了上述地質建議。由于采取有效的工程措施對5、6號巖溶系統(tǒng)預先進行了處理,在導流洞揭露兩巖溶系統(tǒng)的主管道時,沒有發(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處理巖溶的地質條件和手段(1)在巖溶地區(qū)進行水電工程地質勘測工作,除應了解區(qū)域及壩址范圍內的巖溶水文地質環(huán)境及巖溶發(fā)育規(guī)律外,更重要的是對建筑物區(qū)通過綜合勘探與地質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,才能為設計提出可靠的依據。通過多年的地質勘察,地質工作者
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