構皮灘水電站泄洪隧洞區(qū)工程地質研究及洞線選擇

向能武，劉春艷，謝建波

(1.長江巖土工程總公司地質公司，湖北武漢 430010;2.廣東省地質局七零六地質隊，廣東韶關 512028)

構皮灘水電站泄洪隧洞區(qū)工程地質研究及洞線選擇

向能武1，劉春艷2，謝建波1

(1.長江巖土工程總公司地質公司，湖北武漢 430010;2.廣東省地質局七零六地質隊，廣東韶關 512028)

構皮灘水電站泄洪洞工程位于碳酸鹽巖地區(qū)，通過前期大量的工程地質勘察研究，查明了工程區(qū)工程地質條件與主要地質問題。在洞線選擇過程中，各建筑物最大限度地避開了主要地質缺陷，并對可能出現(xiàn)的問題進行了預處理。泄洪洞工程的成功實踐是地質與設計有機結合的典范，對工程建設具有借鑒作用。

泄洪洞工程;巖溶;地質研究;洞線選擇;構皮灘水電站

0 引言

構皮灘水電站泄洪洞為輔助泄洪工程，布置在烏江左岸，進水口采用岸塔式結構，其后為長220.6 m的圓形有壓隧洞，洞徑12 m;過工作閘門室后為無壓隧洞，采用坡度i=0.206 3的陡槽式直坡與出口明渠段相接，無壓隧洞為城門洞型，斷面尺寸10 m×15 m;出口采用挑流消能型式。隧洞全長434.58 m，出口明渠及挑流鼻坎長144.7 m。隧洞進、出口底板高程分別為550 m、503.8 m，挑流鼻坎基礎最低高程為485 m。

1 前期勘察成果

1.1 工程地質條件［1］

工程區(qū)地勢西高東低，可分為上游峽谷段與下游寬谷段。上游為硬巖形成的“V”形峽谷，岸坡陡峻，臨江峰頂高程744～930 m;下游為碎屑巖形成的寬谷區(qū)，總體為向烏江傾斜的寬緩斜坡，原始地形坡度一般為25°～36°，斜坡較順直完整。

自上游至下游依次為P2w1－1—O1m1各層，其中石炭系、泥盆系及志留系上統(tǒng)缺失。P2w1－1—P1q1層主要為中厚—厚層生物碎屑灰?guī)r，以堅硬巖為主，局部為中硬巖，P2w1－1底部為厚3～5 m 的粘土巖及0.5～1 m的透鏡狀劣煤層，P1m2－1底部為厚3.5～4.5 m 的Ⅲ01夾層組;P1L—O1m1層則主要為粘土巖、鈣泥質粉砂巖及頁巖等碎屑巖，分布于下游寬谷段。碎屑巖抗風化能力弱，強風化厚度一般為15～20 m。巖層走向29°～40°，傾向 NW，傾角 45°～55°。

斷層、層間錯動及裂隙為區(qū)內主要構造形跡。沿線未見規(guī)模較大的斷層發(fā)育，主要為NW與NWW向中、陡傾角裂隙性斷層，多由方解石膠結的角礫巖組成，沿斷層局部溶蝕較強。規(guī)模較大的層間錯動主要有 Fb115、Fb54、Fb81、Fb93、Fb88、Fb82、Fb112、Fb113、Fb114、Fb86、Fb91、Fb92，沿層間錯動大多性狀較差，風化溶蝕較強烈，其中在P1m層發(fā)育的層間錯動普遍具溶蝕，局部發(fā)育有縫狀溶洞，如 Fb91、Fb92、Fb82、Fb112、Fb113等。裂隙主要發(fā)育有 4 組，以走向 275°～300°、301°～330°兩組為主，走向331°～350°、20°～40°兩組次之，多為陡傾角，緩傾角裂隙不發(fā)育，裂隙平均線密度1～3條/m，長度一般0.8～3 m，寬度2～20 mm，以新鮮方解石充填為主，部分溶蝕夾泥。在岸坡卸荷帶以及規(guī)模較大的斷層、層間錯動附近，裂隙發(fā)育較密集且規(guī)模較大，普遍具溶蝕。

工程區(qū)以碳酸鹽類巖石為主，發(fā)育有5號、7號巖溶系統(tǒng)的溶洞。進口段及進口建筑物區(qū)位于P1m2－3層頂部的古侵蝕—強溶蝕帶內，為5號巖溶系統(tǒng)主要發(fā)育部位，帶內巖溶發(fā)育;在P1m1層發(fā)育有7號巖溶系統(tǒng)的溶洞，規(guī)模一般較小。

1.2 主要地質問題

工程區(qū)主要地質問題有巖溶、層間錯動、NW與NWW向斷裂、軟弱夾層、強風化巖體以及谷坡巖體卸荷等。

(1)巖溶 工程區(qū)巖溶較集中發(fā)育于P1m2－3頂部的古侵蝕—強溶蝕帶內、Ⅲ01夾層組及 Fb91、Fb92、Fb112、Fb113、Fb82等層間錯動附近。其中進口區(qū)位于古侵蝕—強溶蝕帶內，發(fā)育5號巖溶系統(tǒng)的分支溶洞，KD21溶洞呈豎井狀，規(guī)模相對較大，其余均為規(guī)模不大的縫狀溶洞;P1m1層發(fā)育7號巖溶系統(tǒng)的溶洞，規(guī)模一般較小。巖溶對洞室圍巖、邊坡及地基等的穩(wěn)定均有影響。

(2)層間錯動 在P1m層發(fā)育的層間錯動構造巖多為角礫巖，且多具溶蝕夾泥現(xiàn)象，局部發(fā)育縫狀溶洞，為巖溶發(fā)育的主要控制因素，其中Fb91、Fb92為5號巖溶系統(tǒng)主要發(fā)育部位，F(xiàn)b112、Fb113、Fb114、Fb82為 7 號巖溶系統(tǒng)主要發(fā)育部位;在P1q層發(fā)育的層間錯動多為片狀構造巖，擠壓揉皺強烈。層間錯動對邊坡與洞室穩(wěn)定有一定影響。

(3)NW與NWW向斷裂 NWW及NW向裂隙性斷層主要發(fā)育于進出口區(qū)，多溶蝕夾泥。區(qū)內NW、NWW向裂隙約占總數(shù)的62%，大多為中、陡傾角裂隙，在隧洞進、出口段及規(guī)模較大的斷層、層間錯動附近，裂隙發(fā)育較密集，且規(guī)模相對較大，溶蝕強烈。NW與NWW向斷裂對邊坡與洞室穩(wěn)定有一定影響。

(4)軟弱夾層 規(guī)模相對較大的軟弱夾層主要有兩條，P2w1－1層底部厚3～5 m 的粘土巖及0.5～1 m的透鏡狀劣煤層和 P1m2－1層底部厚 3.5～4.5 m 的Ⅲ01夾層組。其中P2w1－1層底部的粘土巖與劣煤層巖質軟弱，順層擠壓破碎，強風化呈土狀，受粘土巖相對隔水影響，粘土巖所有附近的碳酸鹽巖溶蝕一般較強，形成寬約10～20 m的強溶蝕帶。Ⅲ01夾層組分布連續(xù)，呈強風化狀，巖體破碎，性狀較差，頂、底部泥化層多呈軟塑—流塑狀。此外，P1m2－1層下部及 P1m2－3層中、上部還分布有厚度不大的炭、泥質灰?guī)r、頁巖等軟弱夾層，一般分布不連續(xù)。軟弱夾層對邊坡及洞室圍巖穩(wěn)定有較大影響，對進口區(qū)洞線布置有較大影響。

(5)強風化巖體 強風化巖體主要分布在軟質巖段(S2h1～O1m1層)挑流鼻坎與導流洞交匯部位。粘土巖、砂頁巖等抗風化能力弱，強風化巖體厚度一般15～20 m，P1L、S1L層具相對隔水性能，沿不同巖性接觸帶地下水活動較強，粉砂巖、粘土巖強風化深度相對較大。2號導流洞出口邊坡上游側殘留有面積較大的強風化破碎巖體，在導流洞開挖過程中曾產生過垮塌，而挑流鼻坎段的開挖是在垮塌部位第二次開挖而成。強風化巖體對邊坡穩(wěn)定有較大影響。

(6)谷坡巖體卸荷 隧洞處于峽谷區(qū)，谷坡巖體卸荷作用明顯，進、出口斜坡強卸荷帶水平深(寬)度一般15～25 m，弱卸荷帶可達60 m。強卸荷帶巖體中裂隙發(fā)育且規(guī)模較大，溶蝕較強烈，局部卸荷裂隙密集發(fā)育，屬完整性差或極差的巖體。巖體卸荷對邊坡及洞室圍巖的穩(wěn)定均有一定影響。

2 洞線選擇

為了最大限度地減少主要地質問題對工程的影響，使建筑物更適應地形地質條件，采取了多線路比較設計，綜合分析地質條件、設計工況以及工程量等因素，選擇最合理的洞線以及隧洞進出口位置。具體如下：

(1)采用在有壓段轉彎的布置型式 如果采用無壓段布置型式，則應為直線布置，這樣進口位置應向山里側偏移較多，與第一級升船機的施工干擾較大，布置的范圍亦有限，同時無法避開P2w1－1底部的粘土巖夾層與P1m2－3層頂部的古侵蝕—強溶蝕帶。通過分析比較，設計采用了在有壓段轉彎的布置型式(圖1)，使邊坡、閘室及隧洞等建筑物完全避開P2w1－1底部的軟弱夾層，同時也避免了施工干擾。下游直線洞段位于新鮮完整的灰?guī)r中，其洞向與巖層走向近正交，減少了NW、NWW結構面與層間錯動組合塊體的規(guī)模與數(shù)量，對圍巖穩(wěn)定有利。圍巖穩(wěn)定性普遍較好，除進出口段及Ⅲ01夾層組穩(wěn)定條件較差外，其余以基本穩(wěn)定的Ⅱ類圍巖為主，Ⅱ類圍巖占隧洞總長的70%左右。

圖1 泄洪隧洞洞線及簡易地質圖Fig.1 Simplified geological map of hole-line of spillway tunnel

(2)閘室地基的選擇 進口閘室地基應避開岸坡強卸荷與強溶蝕帶，選擇完整性好、地質缺陷不發(fā)育的巖體作為閘室地基，而且盡量減少邊坡開挖的工程量。該部位強溶蝕帶與強卸荷帶的水平深度約為40 m左右，選擇了水平深度45～65 m范圍內巖體作為閘室地基，能滿足上述要求。挑流鼻坎地基選擇應避開強風化巖體與深厚的第四系覆蓋層，選擇弱風化與微新風化的中硬巖作為地基，承載力能滿足要求(圖2)。

圖2 泄洪洞出口段軸線剖面圖Fig.2 Axis profile of exit section of spillway tunnel

(3)邊坡設計 進口邊坡設計呈喇叭口狀，下游側及正面邊坡為斜交順向坡，590 m高程以上邊坡位于強卸荷帶內，巖體工程地質條件較差，存在結構面組合的不穩(wěn)定塊體;590 m高程以下為閘室直立墻，基本挖除了強卸荷帶，邊坡穩(wěn)定性好。進口上游側邊坡合理避開了P2w1－1底部的粘土巖及劣煤層。

挑流鼻坎內側邊坡在2號導流洞出口邊坡部位第二次開挖而成，該部位邊坡早在2號導流洞開挖期間就出現(xiàn)過變形破壞，巖體風化破碎，穩(wěn)定條件較差，為了避免二次開挖影響邊坡穩(wěn)定，在開挖前考慮對其進行超前支護處理。

3 開挖揭示各主要建筑物工程地質條件［2］

(1)進口邊坡 泄洪洞進口邊坡主要由P1m2－3層厚層灰?guī)r組成，正面坡與下游側坡為斜交順向坡，590 m高程以上邊坡位于岸坡強卸荷帶內，NW、NWW向長大裂隙較發(fā)育，并發(fā)育有Fb91、Fb92溶蝕夾泥的層間錯動，巖體完整性差，溶蝕程度亦較高，邊坡工程地質條件較差。共見兩個規(guī)模較大的不穩(wěn)定塊體，均為層間錯動與NW向長大結構面組合形成的，體積分別為850 m3、2 000 m3。590 m高程以下為閘室直立墻，巖體較完整，穩(wěn)定條件較好。上游側邊坡為斜交逆向坡，避開了P2w1－1底部的粘土巖及劣煤層，穩(wěn)定條件相對較好。

(2)進口閘室地基 進口閘室地基巖體為P1m2－3層淺灰色中—厚層微晶生物碎屑灰?guī)r。裂隙少量發(fā)育，以長大裂隙為主，多為陡傾角裂隙，大部分具溶蝕，線密度一般0.5條/m。溶洞為塔基主要地質缺陷，沿層間錯動發(fā)育一個規(guī)模較小的縫狀溶洞，深度不大，地震波資料顯示沒有淺埋溶洞發(fā)育。地基巖體為堅硬巖，巖體較完整，工程地質條件較好。進口閘室地基選擇恰到好處，如果向外側移則遇5號巖溶系統(tǒng)規(guī)模較大的溶洞，如果向內側移，則增加了邊坡開挖的工作量。

(3)泄洪隧洞 泄洪隧洞全長434.58 m，穿越P1m2、P1m1、P1q層，以堅硬巖為主，Ⅲ01夾層組風化、泥化較強，性狀差，為隧洞區(qū)主要地質缺陷。共揭露40個規(guī)模較小的溶洞，主要發(fā)育于Ⅲ01夾層組附近與Fb112、Fb113、Fb82層間錯動帶部位，以縫狀溶洞為主。斷裂以NW、NWW向中—陡傾角為主，共見17條，溶蝕較強;裂隙一般為新鮮方解石充填，溶蝕或局部裂隙僅15%左右，裂隙平均線密度1～3條/m。不穩(wěn)定塊體規(guī)模較小，多發(fā)育于邊墻部位，以片狀塊體為主。圍巖工程地質條件普遍較好，以基本穩(wěn)定的Ⅱ類為主，其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖分別占全洞長的 67%、28.4%、4.6%。

(4)出口建筑物 出口洞臉邊坡為P1q層灰?guī)r組成，為逆向坡，發(fā)育有規(guī)模不大的不穩(wěn)定塊體，早在第一次開挖后對邊坡進行了系統(tǒng)支護，對不穩(wěn)定塊體已進行了隨機支護處理，邊坡穩(wěn)定性較好。

出口明渠段主要為軟巖，開挖邊坡不高，處于穩(wěn)定狀態(tài)，地基為微新巖體，承載力滿足要求。

挑流鼻坎地基范圍已挖除了強風化層，且避開了深厚的第四系覆蓋層，地基巖體主要為S1sh1層灰?guī)r夾粉砂巖、S1L層粉砂巖與粘土巖等，巖體以弱風化為主，裂隙中等發(fā)育，多短小，巖體完整性中等—較完整。地基工程地質條件較好，無大的地質缺陷，巖體承載力能滿足要求。

挑流鼻坎內側邊坡巖體風化破碎，穩(wěn)定條件較差，二次開挖前對其進行了超前支護處理，經處理后，邊坡在開挖過程中未出現(xiàn)變形破壞等現(xiàn)象，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結語

(1)泄洪洞工程開挖揭示的地質條件與前期勘察成果一致，幾個主要地質問題及對工程影響的分析與實際相符合，各主要地質缺陷的分布位置、規(guī)模等預測基本正確，為洞線選擇與優(yōu)化設計提供了可靠的地質資料。

(2)洞線選擇與各建筑物布置很好地適應了地形地質條件，最大限度地避開了地質缺陷，對局部地質條件較差部位預先均有相應處理方案，如進口邊坡不穩(wěn)定塊體、Ⅲ01夾層組與挑流鼻坎強風化巖質邊坡等。在施工全過程中，沒有出現(xiàn)較大的設計變更，地質缺陷處理的工程量小，使工期得到了保障，并節(jié)約了工程投資，這些都得益于對地質條件清晰的認識。

(3)泄洪洞成功實踐說明了最優(yōu)設計必須要有可靠而準確的地質勘察成果，兩者只有有機結合，才能得到優(yōu)秀的設計產品，最終將會大大地節(jié)省工期與投資。

［1］龔大慶.烏江構皮灘水電站泄洪洞優(yōu)化設計工程地質專題報告［R］.武漢：長江巖土工程總公司(武漢)，2006.

［2］向能武.烏江構皮灘水電站下閘蓄水安全鑒定工程地質自檢報告［R］.武漢：長江水利委員會長江勘測設計研究院，2008.

Geologlcal Research and Hole-line Selection of Spillway Tunnel of Goupitan Hydropower Station

XIANG Nengwu1，LIU Chunyan2，XIE Jianbo1
(1.Changjiang Geotechnical Engineering corporation，Wuhan，Hubei430010;2.706Geological Bridage，Guangdong Provincial Bureau of Geology，Shaoguang，Guangdong512028)

Spillway tunnel of Goupitan hydropower station is located in carbonate rock area.By a large number of engineering geological investigation of the early studies，the authors identify the main engineering geological conditions and geological problems in the project area.In the hole-line selection process the authors get all buildings to avoid major geological defects and pre-treat possible problems.Successful practice of spillway tunnel is a model for organic integration of geology and design，which has a reference value to engineering construction.

spillway tunnel;karst;geological research;hole-line selection;Goupiran hydropower station

P642;TV651.3

A

1671－1211(2011)04－0330－04

2011－02－18;改回日期：2011－03－02

向能武 (1970－)，男，高級工程師，工程地質與水文地質專業(yè)，從事水利水電工程地質勘察工作。E－mail：mrxnw@163.com

李 雯)