王 亮,羅崇宏,梁承運(yùn),李學(xué)政,胡大可
(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410014)
江坪河水電站壩址位于溇水干流上游河段湖北省鶴峰縣走馬鎮(zhèn)境內(nèi),水庫(kù)正常蓄水位470 m,總庫(kù)容13.66億m3,裝機(jī)容量450 MW。樞紐布置方案為:河床布置混凝土面板堆石壩,最大壩高219 m,右岸集中布置溢洪道和泄洪放空洞,左岸布置引水系統(tǒng)和岸坡式地面廠房。水電站庫(kù)壩區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜,碳酸鹽巖地層廣泛分布,水庫(kù)巖溶滲漏[1]是工程的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。
水庫(kù)位于武陵山余脈的叢山峻嶺之中,屬中山峽谷型水庫(kù)。水庫(kù)北側(cè)為清江水系,分水嶺寬厚,東北側(cè)為渫水,西南側(cè)為澧水北源。庫(kù)段內(nèi)溇水干流平面上呈“S”形展布,河流分別在茶園坪、沈家河、南渡江、白日?qǐng)?、毛洞河及下壩址江坪河附近急轉(zhuǎn)彎,于近壩右?guī)彀稑?gòu)成河間(灣)地塊。除庫(kù)尾鶴峰小型盆地內(nèi)河谷及南渡江~尋梅臺(tái)河谷較開敞外,河谷多數(shù)為可溶巖分布的“U”形峽谷,少數(shù)為碎屑巖分布的“V”形峽谷。
庫(kù)周震旦系地層分布在壩區(qū);寒武系地層分布在庫(kù)首至五峰山一帶,約占庫(kù)長(zhǎng)的80%;奧陶~三疊系地層分布在五峰山至庫(kù)尾段。其中,三疊系巴東組T2b、泥盆系D~志留系S、寒武系龍王廟組下段∈1l1至筇竹寺組∈1q、震旦系陡山沱組Zbd至南沱冰磧礫巖組Zant等碎屑巖為主的地層為隔水地層。主要巖性如下:
(1)震旦系地層。下統(tǒng)南沱砂巖組為厚層礫巖、砂礫巖、長(zhǎng)石石英砂巖夾泥灰質(zhì)砂巖;南沱冰磧巖組為塊狀冰磧泥質(zhì)砂礫巖,下部夾板巖,頂部砂質(zhì)硅質(zhì)絹云母板巖。上統(tǒng)陡山沱組為厚層白云質(zhì)及硅質(zhì)磷塊巖、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、薄層泥灰?guī)r、砂巖、炭質(zhì)頁(yè)巖,底部為白云巖;燈影組為薄~中厚層燧石條帶白云巖夾硅質(zhì)灰?guī)r、磷塊巖透鏡體,中部為薄層燧石條帶硅質(zhì)灰?guī)r,上部為中層微粒白云巖。
圖1 庫(kù)壩區(qū)水文地質(zhì)概況
(2)寒武系地層。下統(tǒng)筇竹寺組為薄層硅質(zhì)巖與炭質(zhì)粉砂質(zhì)板巖互層;滄浪鋪組為炭質(zhì)頁(yè)巖與薄層泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r;龍王廟組為厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r,鈣質(zhì)粉砂巖及板巖。中統(tǒng)高臺(tái)組為頁(yè)狀與薄層狀泥灰?guī)r、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r;孔王溪組為中厚層灰?guī)r、白云巖夾泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)長(zhǎng)石砂巖、硅質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r。上統(tǒng)三游洞群為塊狀白云巖夾硅質(zhì)白云巖、厚層塊狀白云巖夾燧石團(tuán)塊狀及條帶白云巖。
本區(qū)處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)中段,湘西北弧形構(gòu)造的東北端,屬武陵山褶皺帶的東北部。主要地質(zhì)構(gòu)造形跡為NE~NEE向斜列式較寬緩的褶皺和壓性或壓扭性斷裂,主要有鶴峰復(fù)向斜、東山峰復(fù)背斜和桑植復(fù)向斜,由西北至東南斜列展布。水庫(kù)區(qū)主要座落于東山峰復(fù)背斜上,壩址位于東山峰復(fù)背斜傾伏端。斷裂以NE或NNE向壓性或壓扭性陡傾角斷層為主,其次為NW或NWW向短小的張性或張扭性陡傾角斷層。庫(kù)壩區(qū)主要巖溶管道發(fā)育與延伸方向與上述2組構(gòu)造方向基本一致,沿清官渡斷裂F263SW段上游側(cè)發(fā)育有357號(hào)巖溶系統(tǒng)。庫(kù)壩區(qū)水文地質(zhì)概況見圖1。
庫(kù)壩區(qū)巖溶地層廣布,巖溶發(fā)育有以下3個(gè)顯著特征。
(1)巖溶發(fā)育程度受地層巖性及其厚度控制,且相對(duì)隔水層對(duì)巖溶裂隙水起限制匯集和導(dǎo)向作用。碳酸鹽巖純度高的比含泥質(zhì)硅質(zhì)等較多的巖溶更發(fā)育;可溶巖單層或巖組厚度較大的比薄層或巖層厚度小的發(fā)育;純碳酸鹽巖組合的比含有非碳酸鹽巖夾層的發(fā)育;碳酸鹽巖純度高的地層地下暗河、巖溶管道等發(fā)育,夾有弱巖溶的地層未形成規(guī)模較大的巖溶管道。
(2)巖溶發(fā)育受層面、斷裂構(gòu)造的控制[2]。層面及斷裂構(gòu)造影響巖溶發(fā)育強(qiáng)度,控制發(fā)育方向和格局。水庫(kù)上游段地層走向、斷層、節(jié)理裂隙的走向以NE向?yàn)橹鳎瑤r溶發(fā)育方向也基本上呈NE向展布,發(fā)育有28、37、58號(hào)等地下暗河或巖溶管道。在河間(灣)地塊區(qū),因其處于東山峰復(fù)背斜SW傾伏端與隔人潭向斜(涼水口向斜)NE揚(yáng)起端的交匯區(qū)域,受其影響,此區(qū)NE、NW或NWW向線狀構(gòu)造發(fā)育,地形上又居于分水嶺地段,因而巖溶地貌形態(tài)和巖溶水文地質(zhì)條件各異,在分水嶺地段,沿構(gòu)造線方向,形成線狀或放射狀的巖溶管道排泄系統(tǒng),如沿清官渡斷裂F263附近發(fā)育的357號(hào)巖溶管道、宋家沖~紅魚坪巖溶槽谷、沿NW或NWW構(gòu)造方向發(fā)育的曲溪~銀杏坪巖溶槽谷、201號(hào)(十八眼泉)巖溶系統(tǒng)等。
(3)巖溶的發(fā)育強(qiáng)度受挽近期地殼繼承性間歇隆起及其伴隨的掀斜作用的影響明顯。伴隨繼承性間歇隆起形成的5級(jí)夷平面、5級(jí)階地,發(fā)育有相應(yīng)的溶洞層或地下暗河。受強(qiáng)烈抬升影響,巖溶多以垂直巖溶(落水洞、漏斗、天然豎井)為主,多層巖溶之間有一定的水力聯(lián)系[3]。又因受NW或NE向的掀斜作用,溇水呈NW~SE向發(fā)育,向S側(cè)侵蝕,北岸(左岸)支流多而長(zhǎng),南岸支流少而短,致使右岸與澧水北源分水嶺單薄,巖溶槽谷及洼地從NW~SE其高程依次降低,如河間地塊分布的主要巖溶槽谷底部高程:九洞坪~七男坪為760~800 m、梅坪為725~750 m、紅魚坪為640~720 m、曲溪為600~650 m、柘坪為550 m。
(4)巖溶發(fā)育強(qiáng)度還受巖溶水的補(bǔ)給徑流和排泄條件控制。在平坦的巖溶化地面或平而寬微切割的局部分水嶺地帶,當(dāng)沖溝發(fā)育且溝中又有松散沉積物時(shí),更有利于吸收大氣降水和攔蓄地表水下滲,易于地下水循環(huán)交替,故巖溶發(fā)育則強(qiáng);反之坡面愈陡,越不利于地表水的入滲及其與地下水的循環(huán)交替,巖溶發(fā)育則相對(duì)減弱。
江坪河水電站的勘測(cè)設(shè)計(jì)工作已開展了30多年,河段規(guī)劃工作始于上個(gè)世紀(jì)70年代,預(yù)可研、可研勘測(cè)設(shè)計(jì)成果[4]分別于2000年9月、2005年7月通過(guò)審查。各階段均按要求進(jìn)行了系統(tǒng)的水庫(kù)滲漏研究。研究成果表明,左岸受隔水地層阻隔或地下分水嶺水位高于正常蓄水位,右岸及河間地塊地下分水嶺水位高于正常蓄水位,不存在向臨近水系滲漏的問(wèn)題;可研階段預(yù)測(cè),壩址至河灣下游黑洞泉之間存在龍王廟組上段∈1l2-1含水層地下水位低槽,不存在高于正常蓄水位的地下分水嶺,庫(kù)水可通過(guò)該低槽帶向河灣下游黑洞泉排泄。
施工期揭示,河床壩基防滲帷幕通過(guò)的∈1l2-1厚層灰?guī)r巖體完整,發(fā)育的斷層均為裂隙性斷層,且膠結(jié)較好,兩者巖溶均不發(fā)育;寒武系下統(tǒng)龍王廟組下段∈1l1-2層粉砂巖、板巖為隔水地層,透水率多小于3 Lu,為可作為防滲依托的隔水層。根據(jù)帷幕灌漿施工資料,河床壩基防滲帷幕巖溶水文地質(zhì)條件與前期預(yù)測(cè)的基本一致。
2.2.1左岸防滲帷幕
左岸防滲帷幕通過(guò)的巖體有寒武系中統(tǒng)孔王溪組下段∈2k1-1層、中統(tǒng)高臺(tái)組∈2g層、下統(tǒng)龍王廟組上段∈1l2層等碳酸鹽巖巖體和龍王廟組下段∈1l1-2粉砂巖、板巖巖體。
(1)∈2k1-1中厚層灰?guī)r出露在左岸帷幕線上部和左壩肩,巖溶中等發(fā)育,未發(fā)育巖溶管道和大型溶洞,沿?cái)鄬訋Ь植堪l(fā)育溶蝕泥或與層間結(jié)構(gòu)面交匯處發(fā)育順層溶蝕夾泥,呈巖溶裂隙巖體特征。
(2)∈1l2-2、∈2g中厚層泥質(zhì)、白云質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r出露在左岸帷幕線左壩肩、上部~中部,順層巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,表現(xiàn)為順層溶洞、孔洞,左岸趾板、高程476 m灌漿平洞和壩肩帷幕灌漿施工揭露,∈1l2-2、∈2g層順層溶蝕結(jié)構(gòu)較發(fā)育。
(3)∈1l2-1厚層灰?guī)r出露在左岸帷幕線中下部,沿?cái)鄬覨71在高程392~455 m該厚層灰?guī)r中發(fā)育巖溶管道,寬5~15 m,充填大量的黃色粘土、鈣華、塊石及其他溶洞堆積物、鈣化膠結(jié)物,泉水流量5~50 L/s;該厚層灰?guī)r在左岸防滲帷幕其他部位巖溶不發(fā)育,表現(xiàn)為裂隙巖體。
(4)∈1l1-2層粉砂巖、板巖出露在左岸帷幕線底部,為隔水層,透水率多小于3 Lu,為可作為防滲依托的隔水層。
左岸垂直帷幕灌漿施工期灌前巖體透水率較勘察期鉆孔壓水試驗(yàn)巖體透水率略大,施工期灌前巖體透水率q<3 Lu的約占66.62%,勘察期鉆孔壓水試驗(yàn)巖體透水率q<3 Lu的約占73.92%。
2.2.2右岸防滲帷幕
右岸防滲帷幕通過(guò)的主要地層有寒武系中統(tǒng)孔王溪組下段∈2k1層、中統(tǒng)高臺(tái)組∈2g層、下統(tǒng)龍王廟組上段∈1l2層等碳酸鹽巖巖體和龍王廟組下段∈1l1-2層粉砂巖、板巖巖體。
(1)∈2k1-1、∈2k1-3、∈2k1-5中厚層灰?guī)r出露在右岸帷幕線中上部,巖溶中等發(fā)育,未發(fā)育巖溶管道和大型溶洞,沿?cái)鄬訋Ь植堪l(fā)育溶蝕泥或與層間結(jié)構(gòu)面交匯處發(fā)育順層溶蝕夾泥,呈巖溶裂隙巖體特征。
(2)∈2k1-2、∈2k1- 4層白云巖、泥質(zhì)及白云質(zhì)灰?guī)r出露在右岸帷幕線中上部、中部,巖溶中等發(fā)育,順層溶蝕孔洞發(fā)育,以整體強(qiáng)風(fēng)化或溶蝕、溶濾為主,部分已經(jīng)形成白云巖粉。其中,∈2k1- 4層風(fēng)化或溶蝕、溶濾程度沒(méi)有∈2k1-2層強(qiáng)烈?!?k1-2層強(qiáng)度較低,遇水易軟化,允許水力坡降小,但透水性較差,灌前具有一定的隔水性能,在帷幕灌漿過(guò)程中出現(xiàn)較多回漿返濃現(xiàn)象(即吸水不吸漿)。
圖2 施工揭露地下水示意
(3)∈2g、∈1l2-2中厚層泥質(zhì)、白云質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r出露在右岸帷幕線中下部,順層溶蝕孔洞發(fā)育,帷幕灌漿施工揭露,∈2g、∈1l2-2層順層溶蝕結(jié)構(gòu)較左岸發(fā)育弱。
右岸帷幕范圍除∈2k1-2、∈2k1- 4、∈2g、∈1l2-2層層間結(jié)構(gòu)面發(fā)育順層巖溶外,其他斷層均為裂隙性斷層或膠結(jié)較好,巖溶不發(fā)育。
∈1l2-1厚層灰?guī)r出露在右岸帷幕線近壩段中下部、遠(yuǎn)壩段底部,右岸防滲帷幕范圍內(nèi),該厚層灰?guī)r巖溶不發(fā)育,表現(xiàn)為裂隙巖體。右岸所有公路交通洞、導(dǎo)流洞、泄水建筑物洞室、4層灌漿平洞高程310、365、425、476 m、所有施工支洞等均未揭露大中型溶洞或管道系統(tǒng),均揭露有地下水活動(dòng),前期預(yù)測(cè)的地下水位低槽部位的洞室揭露有地下水發(fā)育。右岸高程310 m灌漿平洞開挖揭露,樁號(hào)0+000~0+225為∈1l2-1厚層灰?guī)r分別在樁號(hào)0+45、0+100、0+155、0+175、0+197、0+223有明顯的滴水。樁號(hào)0+45距離河床約57 m,0+223距離河床約80 m,壩址區(qū)到下游黑洞泉之間距離超過(guò)4 km,按水力坡度推算,壩址到下游黑洞泉之間∈1l2-1厚層灰?guī)r的地下水分水嶺高程高于正常蓄水位470 m。施工過(guò)程中,在右岸高程310、365、425、476 m灌漿平洞,針對(duì)可能發(fā)育的溶蝕結(jié)構(gòu)區(qū)域分別布置了1、3、2、2對(duì)共8對(duì)電磁波CT檢測(cè),均未發(fā)現(xiàn)明顯的巖溶通道。從施工揭露的巖溶水文地質(zhì)條件分析,未發(fā)現(xiàn)前期預(yù)測(cè)的壩址到黑洞泉之間∈1l2-1層含水層的地下水位低槽,比可研推測(cè)的結(jié)論要好?!?l1-2層粉砂巖、板巖出露在右岸帷幕線近壩段底部,為隔水地層,透水率多小于3 Lu,為可作為防滲依托的隔水層。施工揭露地下水示意見圖2。
右岸垂直帷幕灌漿施工期灌前巖體透水率與勘察期鉆孔壓水試驗(yàn)巖體透水率基本一致,施工期灌前巖體透水率q<3 Lu的約占86.09%,勘察期鉆孔壓水試驗(yàn)巖體透水率q<3 Lu的約占85%。
防滲帷幕軸線在壩體沿混凝土面板堆石壩趾板布置,河床壩基防滲帷幕接下部隔水地層 ∈1l1-2層粉砂巖、板巖,并深入該層內(nèi)透水率q≤3 Lu的巖體內(nèi)5 m,形成全封閉式防滲帷幕。
左岸向山里延伸,穿發(fā)電引水洞后轉(zhuǎn)為近垂直巖層走向方向向下游延伸接至隔水地層(即∈1l1-2層粉砂巖、板巖)頂板與正常蓄水位470 m交匯處,并深入∈1l1-2層粉砂巖、板巖內(nèi)透水率q≤3 Lu的巖體內(nèi)5 m。對(duì)斷層F71巖溶洞穴等進(jìn)行封堵、灌漿等處理,形成全封閉式防滲帷幕。左岸趾板、高程476 m灌漿平洞和左壩肩帷幕灌漿施工揭露,∈2g、∈1l2-2層順層溶蝕結(jié)構(gòu)較發(fā)育,對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)灌或按溶蝕結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了封堵和處理。沿?cái)鄬覨71在高程392~455 m厚層灰?guī)r中發(fā)育巖溶管道,寬5~15 m,泉水流量5~50 L/s,對(duì)其進(jìn)行了溶蝕物清挖、回填混凝土、灌漿和上游排水處理。對(duì)左岸帷幕灌漿施工中出現(xiàn)的離散型局部孔段掉鉆、失水、注入量大等部位,按溶蝕結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)[5]進(jìn)行了封堵和處理。
右岸穿導(dǎo)流洞后轉(zhuǎn)為垂直溢洪道軸線方向,延伸接溢洪道,之后繼續(xù)向山里延伸至正常蓄水位470 m與∈2k地層地下水位交匯處,過(guò)該點(diǎn)再轉(zhuǎn)為近巖層傾向方向向上游延伸,即沿S60°W方向延伸,終點(diǎn)接至∈1l2-2層泥質(zhì)及白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖與∈1l2-1厚層灰?guī)r分界線與高程170 m交匯處,封閉右岸河灣地塊與庫(kù)水直接接觸的∈1l2-1層含水層,防止庫(kù)水沿可研階段預(yù)測(cè)的壩址到黑洞泉之間∈1l2-1層含水層的地下水位低槽帶向河灣下游黑洞泉排泄。近壩段深入∈1l1-2層粉砂巖、板巖內(nèi)透水率q≤3 Lu的巖體內(nèi)5 m,即下部接隔水地層,遠(yuǎn)壩段深入透水率q≤3 Lu的相對(duì)不透水層內(nèi)5 m。
右岸趾板高程383~404 m范圍帷幕為 ∈2k1-2層強(qiáng)風(fēng)化巖體。高程365 m灌漿平洞WD30+000~WD30+030段和WD30+160~WD30+295段分布該層巖體,該層巖體鉛直厚度約18 m,發(fā)育層間錯(cuò)動(dòng)、泥化夾層(f16、f26、f36、fn16)等軟弱層間夾層。該層允許水力坡降小,但透水性較差,灌前具有一定的隔水性能,在帷幕灌漿過(guò)程中出現(xiàn)較多回漿返濃現(xiàn)象(即吸水不吸漿)。對(duì)該層范圍內(nèi),右岸趾板帷幕增加了帷幕寬度和排數(shù),加強(qiáng)了水泥灌漿和化學(xué)灌漿處理;用混凝土封堵了高程365 m灌漿平洞距離壩基較近的洞段,并加強(qiáng)了該層的水泥灌漿和化學(xué)灌漿處理。
右岸趾板∈2g、∈1l2-2層巖體受順層溶蝕和爆破的影響,灌后一次合格率不滿足要求,對(duì)其進(jìn)行了二次補(bǔ)灌。右岸高程310 m灌漿平洞樁號(hào)YWD40+521.792~YWD40+572.042段受斷層、節(jié)理及其交匯等影響,局部發(fā)育溶縫、溶蝕孔洞,局部孔段存在壓水試驗(yàn)透水率大(個(gè)別不起壓)、吸漿量大等現(xiàn)象,對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理。右岸帷幕灌漿施工中出現(xiàn)的離散型局部孔段掉鉆、失水、注入量大等現(xiàn)象,按溶蝕結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了封堵和處理。
灌后防滲合格設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為:壩基及兩岸壩肩地段透水率q≤1 Lu,遠(yuǎn)岸地段透水率q≤3 Lu。
河床壩基防滲帷幕底線接∈1l1-2層粉砂巖、板巖隔水地層,施工揭露巖溶水文地質(zhì)條件與前期預(yù)測(cè)的基本一致。帷幕灌漿施工資料表明,灌后一次合格率較高。
左岸防滲帷幕底線接∈1l1-2層粉砂巖、板巖隔水地層,終點(diǎn)接至隔水地層頂板與正常蓄水位的交匯處,對(duì)∈2g、∈1l2-2層順層溶蝕孔洞、F71巖溶管道、施工中出現(xiàn)的離散型局部孔段(掉鉆、失水、注入量大等)地質(zhì)缺陷進(jìn)行了處理。處理后,左岸防滲帷幕可滿足滲控要求。
右岸防滲帷幕底線近壩段接∈1l1-2層粉砂巖、板巖隔水地層,遠(yuǎn)壩段上部接正常蓄水位470 m與∈2k層地下水位交匯點(diǎn),下部封閉了與庫(kù)水直接接觸的∈1l2-1層含水層。對(duì)沿線∈2k1-2層強(qiáng)風(fēng)化巖體、∈2g、∈1l2-2層巖體內(nèi)的順層巖溶、高程310 m灌漿平洞樁號(hào)YWD40+521.792~YWD40+572.042段、離散型局部孔段(掉鉆、失水、注入量大等)地質(zhì)缺陷部位進(jìn)行了工程處理。處理后,右岸防滲帷幕可滿足滲控要求。
綜上所述,河床壩基、左右岸防滲帷幕近壩段底線接粉砂巖、板巖相對(duì)隔水地層,右岸防滲帷幕遠(yuǎn)壩段上部接正常蓄水位470 m與∈2k層內(nèi)地下水位交匯處,下部從該點(diǎn)向上游拐彎延長(zhǎng)防滲帷幕,封閉右岸河灣地塊與庫(kù)水直接接觸的∈1l2-1層含水層。從施工揭露的巖溶水文地質(zhì)條件分析,未發(fā)現(xiàn)右岸河灣地塊∈1l2-1層含水層地下水位低槽,施工過(guò)程中揭露的主要地質(zhì)缺陷按要求進(jìn)行了處理,實(shí)施的防滲方案是可靠的。
江坪河水電站庫(kù)壩區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜,碳酸鹽巖地層廣泛分布,水庫(kù)巖溶滲漏是工程的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,前期按要求進(jìn)行了系統(tǒng)的水庫(kù)滲漏研究。水庫(kù)兩岸分水嶺寬闊,地下水分水嶺高程高于水庫(kù)正常蓄水位,不存在向鄰谷水系滲漏問(wèn)題。施工揭露,帷幕線的巖溶水文地質(zhì)條件與前期推測(cè)的基本一致,但未發(fā)現(xiàn)右岸河灣地塊 ∈1l2-1層含水層地下水位低槽。揭露的主要地質(zhì)缺陷均按要求進(jìn)行了處理,防滲方案是可靠的。