沁河河口村水庫壩址區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律分析

王登科,郭其峰,梁 紅

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南鄭州 450003)

沁河河口村水庫壩址區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律分析

王登科,郭其峰,梁 紅

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南鄭州 450003)

沁河河口村水庫位于河南省濟(jì)源市境內(nèi),是一座以防洪、供水、灌溉及發(fā)電為一體的綜合性水利樞紐工程,特別是肩負(fù)著向華能集團(tuán)沁北電廠供水的重要使命。由于沁河水流量有限,因此,河口村水庫的防滲就顯得特別重要,而壩址區(qū)兩岸分布有灰?guī)r地層,局部巖溶發(fā)育,因此,要做好水庫的防滲處理,就要了解巖溶的發(fā)育規(guī)律,根據(jù)巖溶的發(fā)育規(guī)律,指導(dǎo)防滲帷幕的設(shè)置。

巖溶發(fā)育規(guī)律;地層巖性;地質(zhì)構(gòu)造;地殼運(yùn)動(dòng)

1 巖溶發(fā)育現(xiàn)狀

壩址區(qū)碳酸鹽巖地層多為間層狀分布在饅頭組(∈1m)地層中,均在現(xiàn)代河水位和地下水位以上,整體上巖溶不發(fā)育,但在這些巖層出露的岸邊卸荷區(qū)及構(gòu)造影響區(qū)巖溶發(fā)育。

1.1 右岸巖溶發(fā)育現(xiàn)狀

河口村水庫壩址區(qū)右岸為一緩傾角的單斜地層,受巖性及構(gòu)造作用控制,巖溶主要發(fā)育在饅頭組(∈1m)地層中,多為間層狀分布,根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)合鉆孔、平硐資料,壩址區(qū)右岸巖溶主要發(fā)育在饅頭組 ∈1m1-∈1m3巖層中,饅頭組 ∈1m4-∈1m6巖溶發(fā)育弱。

(1)饅頭組∈1m3巖性為含燧石結(jié)核灰黃色泥灰?guī)r及灰質(zhì)白云巖。該層因?qū)娱g滑動(dòng)擠壓,褶曲發(fā)育,巖體破碎,溶洞發(fā)育,呈蜂窩狀,洞壁與裂隙中充填方解石晶體,孔徑<10 cm的溶洞不計(jì)其數(shù)。在PD19平硐中揭露的較為典型,大者一般直徑0.5～2 m,小者0.1 m左右,多無充填或半充填狀。根據(jù)溶洞的統(tǒng)計(jì)資料,巖溶發(fā)育程度及連通性隨距岸坡距離的增加而減弱。

(2)饅頭組∈1m1+2巖性為厚層、薄層白云巖及角礫狀白云巖,巖層厚度變化較大,高角度裂隙發(fā)育。該層巖溶多發(fā)育<2 cm的溶洞,大者5 cm左右,多為方解石半充填,少量無充填。根據(jù)壓水試驗(yàn)成果該層巖溶連通性較好,原因可能與高角度裂隙發(fā)育有關(guān)系。

1.2 左岸巖溶發(fā)育現(xiàn)狀

壩址區(qū)左岸由于斷層、褶皺的發(fā)育,巖層產(chǎn)狀凌亂。左岸巖溶發(fā)育主要受斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造及地層巖性控制。

(1)左岸古滑坡體巖溶發(fā)育在強(qiáng)烈破碎的饅頭組∈1m3巖層中,巖體溶蝕架空顯著,多為0.5 m左右不規(guī)則的溶洞,其中有碎石、碎屑等呈半充填、半膠結(jié)狀,透水性極為嚴(yán)重,有些呈無壓滲漏。

(2)左岸因斷層、褶皺等構(gòu)造發(fā)育,巖體破碎,在饅頭組∈1m1-3巖體中巖溶較發(fā)育,多呈不規(guī)則的小溶洞,局部呈蜂窩狀,洞徑一般1～3 cm,大者10 cm以上,多為方解石晶體半充填,由于裂隙等發(fā)育的巖溶連通性較好。

根據(jù)巖溶發(fā)育特征及充填物特征,壩址區(qū)發(fā)育的巖溶主要為晚更新世(Q3)及以前所形成的,第四系(Q4)以來所形成的巖溶主要表現(xiàn)為風(fēng)化卸荷裂隙的溶蝕及鈣質(zhì)的淋漓等。

2 影響巖溶發(fā)育的因素[1]

巖溶作用是指地下水對(duì)可溶性巖石進(jìn)行以化學(xué)溶蝕作用為主,機(jī)械侵蝕和重力崩塌作用為輔,引起巖石的破壞及物質(zhì)的帶出、轉(zhuǎn)移和再沉積的綜合地質(zhì)作用。

巖溶的發(fā)育必須具備的一般條件:①巖石的可溶性;②巖石的透水性;③水的流動(dòng)性。只有流動(dòng)的水才能不斷帶走巖石中的可溶巖,進(jìn)行溶蝕而不易飽和,從而形成溶蝕作用。

具體到河口村水庫壩址區(qū),影響巖溶發(fā)育的因素主要有:①地層巖性;②地質(zhì)構(gòu)造;③地殼的升降運(yùn)動(dòng)及地下水流動(dòng)性。

2.1 地層巖性對(duì)巖溶發(fā)育的影響

壩址區(qū)可溶的碳酸鹽巖地層,多為間層狀分布在饅頭組(∈1m)地層中,其下為非可溶的汝陽群碎屑巖,故從巖性上限制了巖溶的向下發(fā)育。在饅頭組(∈1m)地層,可溶質(zhì)純的白云巖、灰?guī)r的分布位置決定了饅頭組(∈1m)中巖溶發(fā)育的層位,不可溶的泥灰?guī)r及頁巖等限制了巖溶發(fā)育的位置?？扇艿幕?guī)r、白云巖與不可溶的頁巖等互層的地層特點(diǎn),形成了壩址區(qū)饅頭組(∈1m)地層巖溶間層狀發(fā)育的特征。可溶的灰?guī)r、白云巖的厚度也限制了巖溶的發(fā)育程度,如溶洞的大小等,如本區(qū)最為發(fā)育的∈1m3巖溶層,即是在兩層泥灰?guī)r中間夾的中厚層狀灰質(zhì)白云巖層。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育的影響

巖溶的發(fā)育還取決于巖體的透水性,巖體透水性主要取決于巖體的裂隙度,褶皺和斷裂作用使巖石的破裂程度加大,使巖石的透水性大大增強(qiáng),從而促進(jìn)巖溶的發(fā)育。斷層、節(jié)理等各組破裂面相互交織、延伸進(jìn)而控制了巖溶發(fā)育的形態(tài)、規(guī)模、速度和空間分布。褶皺的不同部位,裂隙發(fā)育不均勻,巖溶發(fā)育程度不同,核部比翼部發(fā)育。大型褶皺控制了可溶巖的空間分布和地下水匯水范圍及徑流條件,影響著巖溶的發(fā)育。構(gòu)造發(fā)育的地段往往巖溶作用強(qiáng),構(gòu)造線的方向,往往控制了巖溶發(fā)育的延伸方向。

壩址區(qū)巖溶主要受一組NWW向背斜影響,特別是在壩址區(qū)左岸,地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育對(duì)巖溶的影響最為直接,左岸斷層、褶皺交替發(fā)育,造成左岸饅頭組巖體巖溶發(fā)育程度高,巖體透水性強(qiáng)。

2.3 地殼運(yùn)動(dòng)對(duì)巖溶發(fā)育的影響

地殼的升降運(yùn)動(dòng)同樣影響巖溶的發(fā)育,當(dāng)?shù)貧ど仙^快時(shí),形成的岸坡地形往往較陡,河流兩岸中的地下水位下降較快,地下水與可溶巖接觸的時(shí)間較短,巖溶發(fā)育程度較弱,反之則巖溶發(fā)育程度較強(qiáng)。地殼升降運(yùn)動(dòng)的結(jié)果表現(xiàn)在河流的形態(tài)及河流階地的發(fā)育程度。河流階地是地殼運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期的產(chǎn)物,當(dāng)時(shí)的河水代表著地下水的最低排泄基準(zhǔn)面。在階地的形成時(shí)期,地下水位在階地面附近頻繁波動(dòng),因而,在階地面高程附近當(dāng)時(shí)的地下循環(huán)也最頻繁,地下水流動(dòng)最活躍,故在階地面高程附近巖溶發(fā)育程度較高。

沁河河口村水庫工程位于太行山與華北平原的交接地帶,地質(zhì)構(gòu)造上處于華北斷塊南緣的二級(jí)構(gòu)造豫皖斷塊與太行斷塊的交接部位。據(jù)分析自喜馬拉雅旋回以來,工程區(qū)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為大面積的升降運(yùn)動(dòng)。根據(jù)調(diào)查研究,河口村水庫工程壩址區(qū)附近分布Ⅳ級(jí)階地,但保留不完整,僅在凸岸有少量殘留。Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地分布較低,發(fā)育在中元古界汝陽群及太古界登封群地層中。Ⅳ級(jí)階地分布較高,Ⅳ級(jí)階地的形成對(duì)壩址區(qū)巖溶發(fā)育影響不大。Ⅲ級(jí)階地分布高程和壩址區(qū)巖溶發(fā)育高程基本一致,因此,Ⅲ級(jí)階地的形成對(duì)壩址區(qū)巖溶發(fā)育影響較大,壩址區(qū)的巖溶主要是在Ⅲ級(jí)階地形成時(shí)期發(fā)育的。

3 巖溶發(fā)育程度與距岸坡距離的關(guān)系(右岸)

巖溶的發(fā)育程度主要表現(xiàn)在巖體的透水性方面,另外,巖體的透水性也受斷層及節(jié)理的影響。根據(jù)河口村水庫鉆孔壓水試驗(yàn)資料,在巖溶發(fā)育的部位巖體的透水性主要受巖溶發(fā)育程度的影響;在巖溶不發(fā)育的部位巖體的透水性主要受節(jié)理發(fā)育程度的影響。由于巖體的透水性與巖溶的發(fā)育程度密切相關(guān),因此,巖體的透水性與距岸邊的距離間接反映巖溶發(fā)育程度與距岸邊的距離。

河口村水庫壩址區(qū)巖溶垂直發(fā)育下限受元古界中統(tǒng)汝陽群(Pt2r)巖層頂面控制,水平發(fā)育深度與距岸坡距離關(guān)系較為密切。由于河口村水庫壩址區(qū)右岸斷層等構(gòu)造不發(fā)育,地層為近水平的單斜地層,各巖組地層厚度較穩(wěn)定,分布有規(guī)律;而左岸因斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,地層分布較凌亂,各巖組地層厚度變化大,且山體單薄。為研究巖溶水平發(fā)育深度,對(duì)右岸寒武系饅頭組∈1m1-∈1m3各地層透水率與距岸坡距離關(guān)系進(jìn)行分析。

3.1 寒武系饅頭組(∈1m1+2)

因∈1m1、∈1m2位于饅頭組底部,巖性也較為相似,巖層厚度較小,做壓水試驗(yàn)時(shí)在這兩層中經(jīng)常跨層,故將這兩層的巖體透水率與距岸坡距離合并分析,見圖1。

圖1 右岸饅頭組∈1m1+2巖體透水性與距岸坡距離散點(diǎn)圖Fig.1 Scatter diagram between rock permeability of steamed bread stratum∈1m1+2in right bank and the distance to bank slope

3.2 寒武系饅頭組(∈1m3)

寒武系饅頭組∈1m3為壩址區(qū)巖溶最為發(fā)育的地層,巖層透水性強(qiáng),為工程區(qū)庫水滲漏的主要通道。該層透水率與距岸坡距離關(guān)系見圖2。

從圖2中可以看出,右岸饅頭組∈1m3巖層中強(qiáng)透水段(透水率>100 Lu)集中在距岸坡距離280 m范圍內(nèi),在距岸坡距離100 m范圍內(nèi)透水率>100 Lu段較密集,說明該段內(nèi)巖溶發(fā)育較強(qiáng)烈,在距岸坡距離280 m以上巖體透水率陡然下降到<10 Lu范圍內(nèi),故可認(rèn)為∈1m3巖層受巖溶影響范圍為距岸坡水平距離280 m內(nèi)。

圖2 右岸饅頭組∈1m3巖體透水性與距岸坡距離散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter diagram between rock permeability of steamed bread stratum∈1m3in right bank and the distance to bank slope

4 壩址區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律

綜合上述分析,壩址區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律為:

(1)壩址區(qū)可溶的碳酸鹽巖地層多為間層狀分布在饅頭組(∈1m)地層中,由于可溶的灰?guī)r、白云巖與不可溶的頁巖等互層的地層特點(diǎn),從而形成了壩址區(qū)饅頭組(∈1m)地層巖溶間層狀發(fā)育的特征。

(2)在壩址區(qū)饅頭組(∈1m)地層中,巖溶發(fā)育程度具由下至上逐漸減弱,距河岸由近及遠(yuǎn)逐漸減弱的規(guī)律。

(3)構(gòu)造作用特別是斷層及褶皺對(duì)巖溶發(fā)育深度影響較大,右岸饅頭組∈1m3因?qū)娱g滑動(dòng),褶曲發(fā)育,巖體破碎,巖溶發(fā)育;左岸因斷層、褶皺及滑坡影響,巖層產(chǎn)狀凌亂,巖溶發(fā)育。有時(shí)斷層的存在超越或加深該地層一般的巖溶水平發(fā)育深度。

(4)根據(jù)探硐及壓水試驗(yàn)資料分析,右岸饅頭組地層一般巖溶水平發(fā)育深度:∈1m1+2巖溶水平發(fā)育深度距岸坡300 m,∈1m3巖溶水平發(fā)育深度距岸坡280 m。

(5)各地層巖溶水平發(fā)育深度和程度與地殼運(yùn)動(dòng)即河流形成歷史關(guān)系密切,地殼升降運(yùn)動(dòng)的速度影響巖溶的發(fā)育,當(dāng)?shù)貧ど仙^快時(shí),形成的岸坡地形往往較陡,河流兩岸中的地下水位下降較快,地下水與可溶巖接觸的時(shí)間較短,巖溶發(fā)育程度較弱,反之則巖溶發(fā)育程度較強(qiáng)。壩址區(qū)右上部地形較陡,巖溶發(fā)育程度較弱,下部地形較緩,巖溶發(fā)育程度較強(qiáng)。

5 防滲帷幕的設(shè)置[2,3]

在水工設(shè)計(jì)中,防滲帷幕的設(shè)置要綜合考慮巖體的透水性、庫水滲漏對(duì)水庫及水工建筑物的影響、滲透穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)效益等因素,在這里僅從巖溶發(fā)育規(guī)律及發(fā)育程度即巖體透水性方面確定防滲帷幕的設(shè)置。

5.1 右岸防滲帷幕的設(shè)置

右岸為一向山體內(nèi)緩傾(傾角3°～10°)的基巖谷坡地形,地形較陡,山體較寬厚,巖體較完整,不存在單薄分水嶺。防滲主要考慮自岸邊至山體巖溶發(fā)育程度由強(qiáng)變?nèi)醯陌l(fā)育規(guī)律,防滲帷幕應(yīng)垂直河岸設(shè)置。

根據(jù)右岸巖溶發(fā)育規(guī)律,強(qiáng)透水層集中在近岸區(qū),且主要集中在饅頭組∈1m1-∈1m3巖層中,因此帷幕的設(shè)置,也應(yīng)針對(duì)于此。右岸防滲帷幕自岸邊沿垂直于河岸的方向延伸,水平長(zhǎng)度約210 m,局部可適當(dāng)延伸至300 m?？v向深度,上至庫水位276 m,下至不透水層高程200 m左右。

5.2 左岸防滲帷幕的設(shè)置

左岸自壩軸線向上游800～900 m山體單薄,構(gòu)造發(fā)育,巖體破碎,巖溶發(fā)育,巖體透水性很強(qiáng),水庫蓄水后存在嚴(yán)重滲漏問題。因此,左岸防滲帷幕的設(shè)置應(yīng)近似平行河岸。由于水工建筑物均布置在左岸,因此,左岸防滲帷幕的設(shè)置要考慮水工建筑物的影響。

左岸防滲帷幕下游接壩體防滲帷幕,帷幕向上游經(jīng)過溢洪道閘室段,穿越整個(gè)單薄分水嶺,長(zhǎng)度約900 m。防滲帷幕上至庫水位276 m,下至不透水層高程220 m左右,局部由于斷層帶的影響,巖層透水性較強(qiáng),帷幕線底部高程可降低至180 m。

6 結(jié)論

河口村水庫壩址區(qū)兩岸分布有寒武系地層,由于可溶巖的存在及地質(zhì)構(gòu)造作用,在饅頭組下部(∈1m1+3)巖溶較發(fā)育,這種情況在中國北方水庫工程中是比較少見的。認(rèn)識(shí)并了解巖溶的發(fā)育規(guī)律,對(duì)河口村水庫防滲帷幕的布置及防滲效果有重要的指導(dǎo)作用。通過對(duì)河口村水庫幾十年來大量勘探及試驗(yàn)資料的分析研究,基本了解了河口村水庫壩址區(qū)巖溶發(fā)育的基本規(guī)律,為工程的防滲設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

[1] 黃靜美.巖溶地區(qū)水庫滲漏問題及壩基防滲措施研究[D].成都:四川大學(xué),2006.

[2] 路杰.黃河上游河源區(qū)羊曲壩址巖溶形成機(jī)理研究[D].成都:成都理工大學(xué),2008.

[3] 李玉申.巖溶地區(qū)水庫滲漏難題獲解[N].中國國土資源報(bào),2001.

(責(zé)任編輯:于繼紅)

Analysis of Karst Development Law in Dam Site Area of Hekou Reservoir

WANG Dengke,GUO Qifeng,LIANG Hong
(Yellow R iver Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

Hekou Village reservoir,located in Jiyuan city in Henan province,is a comprehensive hydro-junction project for flood control,water supply,irrigation and power generation,especially undertakes a significant task of supplyingwater forQinbei power plant of China Huaneng Group.Because the water flow ofQin River is limited,anti-seepage is important for the reservoir.It is limestone for mation distributed in both sides of dam site area,partlywith karst development;so the development law should be analyzed first for setting up the impervious curtain.

karst development laws;for mation lithology;geological structure;crustalmovement

P642.25

A

1671-1211(2010)05-0481-04

2010-07-01;改回日期:2010-09-06

王登科(1963-),男,高級(jí)工程師,水利水電工程專業(yè),從事工程地質(zhì)及水文地質(zhì)方面的研究工作。E-mail:wdkyrec@163.com