坪頭水電站巖溶砂化細(xì)晶白云巖的特性及圍巖分類

田啟文,岳朝林

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北武漢 430074;2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都 610072; 3.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南鄭州 450003)

坪頭水電站巖溶砂化細(xì)晶白云巖的特性及圍巖分類

田啟文1,2,岳朝林3

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北武漢 430074;2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都 610072; 3.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南鄭州 450003)

為了能及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)坪頭水電站引水隧洞后段及廠址區(qū)內(nèi)各水工建筑物洞室開挖揭示的圍巖細(xì)晶白云巖進(jìn)行圍巖類別的確定,為工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)合理的地質(zhì)依據(jù),在充分調(diào)查該區(qū)水文地質(zhì)條件及巖溶發(fā)育特征和認(rèn)識(shí)細(xì)晶白云巖巖溶砂化現(xiàn)象形成機(jī)制的基礎(chǔ)上,通過(guò)大量的巖石磨片鑒定試驗(yàn)和物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn),全面細(xì)致地查明了圍巖細(xì)晶白云巖的物質(zhì)組成及其在不同巖溶砂化情況下的物理力學(xué)特性。依據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)程規(guī)范,結(jié)合各洞室實(shí)際開挖揭示情況和試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)該區(qū)內(nèi)巖體進(jìn)行了圍巖工程地質(zhì)分類,總結(jié)出不同巖溶砂化細(xì)晶白云巖的圍巖類別的特征及其綜合評(píng)分情況,并對(duì)該區(qū)確定的Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類不同類別的圍巖,有針對(duì)性地采取相應(yīng)的工程處理措施,從而確保了各水工建筑物洞室的圍巖穩(wěn)定和安全運(yùn)行。

細(xì)晶白云巖;溶蝕;砂化;圍巖分類;坪頭水電站

坪頭水電站位于四川省涼山州境內(nèi),在金沙江左岸一級(jí)支流的美姑河上。該電站采用閘壩引水式開發(fā),庫(kù)容62.09萬(wàn)m3,最大閘壩高38.5 m,左岸引水隧洞長(zhǎng)12.716km,左岸地下廠房布置3臺(tái)發(fā)電機(jī)組,裝機(jī)容量共180 MW。廠址區(qū)主要水工建筑物有調(diào)壓井及其上室、蝶閥室、壓力管道、地下廠房、主變室、尾水洞和通風(fēng)洞等。坪頭水電站引水隧洞后段(即引水隧洞5號(hào)支洞控制段—調(diào)壓井段)及廠址區(qū)位于美姑河左岸,地處莫紅背斜核部附近,該區(qū)出露的巖體為震旦系燈影組細(xì)晶白云巖及含磷灰?guī)r等,在對(duì)引水隧洞后段及廠址區(qū)各水工建筑物洞室的開挖過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)在水平埋深130～460m、垂直埋深50～310 m范圍內(nèi)的圍巖細(xì)晶白云巖多呈“砂包石”狀,部分呈“砂土”狀,散體結(jié)構(gòu),洞室塌方、掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重,自穩(wěn)能力極差,嚴(yán)重影響了施工安全和工程進(jìn)度。針對(duì)該區(qū)圍巖細(xì)晶白云巖的這種特殊的地質(zhì)現(xiàn)象,進(jìn)行了勘探試驗(yàn)和專題研究工作[1-2]。綜合分析認(rèn)為該現(xiàn)象是細(xì)晶白云巖在地表水入滲和地下水徑流的過(guò)程中,遭受了強(qiáng)烈?guī)r溶作用影響的結(jié)果,將該現(xiàn)象稱之為細(xì)晶白云巖巖溶砂化現(xiàn)象[1-2]。巖溶砂化后的細(xì)晶白云巖對(duì)該區(qū)各水工建筑物洞室的塊體穩(wěn)定影響極大,故認(rèn)清不同巖溶砂化程度的細(xì)晶白云巖的特性,以及科學(xué)合理確定其工程地質(zhì)類別,對(duì)工程有效的設(shè)計(jì)影響極大,對(duì)工程正常施工和將來(lái)安全運(yùn)行也意義重大[3]。為此,本文在充分調(diào)查該區(qū)的水文地質(zhì)條件及巖溶發(fā)育特征以及認(rèn)識(shí)細(xì)晶白云巖巖溶砂化現(xiàn)象形成機(jī)制的基礎(chǔ)上,通過(guò)大量的巖石磨片鑒定試驗(yàn)和物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn),全面查清了不同巖溶砂化程度的圍巖細(xì)晶白云巖的物質(zhì)組成及其物理力學(xué)特性;依據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)程規(guī)范,結(jié)合各洞室實(shí)際開挖揭示情況和試驗(yàn)成果資料,科學(xué)地對(duì)該區(qū)巖體進(jìn)行圍巖工程地質(zhì)分類及綜合評(píng)分,確定該區(qū)的細(xì)晶白云巖的圍巖類別,從而為工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)合理的地質(zhì)依據(jù),以確保各洞室的圍巖穩(wěn)定和各水工建筑物的安全運(yùn)行。

1 引水隧洞后段及廠址區(qū)基本地質(zhì)條件

坪頭水電站引水隧洞后段及廠址區(qū)(以下簡(jiǎn)稱研究區(qū))位于美姑河左岸,該段河谷受美姑河切割,呈不對(duì)稱深切“V”形谷,左岸為相對(duì)寬緩的順向坡,右岸為陡峻的反向坡。該段河谷左岸580(河水面)～610 m高程為大片覆蓋層斜坡,主要為崩坡積堆積物孤塊碎石土,地形坡度為30°～40°;610～715 m高程為65°～80°的基巖陡壁;790～1 100 m高程為大片覆蓋層緩坡,地形坡度20°～30°。右岸580(河水面)～1150 m高程為60°～80°的基巖陡壁。

研究區(qū)出露的地層為震旦系燈影組上段(Zbd3)灰黑色含磷灰?guī)r和灰白色細(xì)晶白云巖,以及燈影組中段(Zbd2)淺灰～灰白色細(xì)晶白云巖、斑狀細(xì)晶白云巖。坪頭水電站廠址區(qū)的主要水工建筑物均置于燈影組中段的巖體內(nèi)(圖1)。

圖1 研究區(qū)各水工建筑物布置示意圖

研究區(qū)地處莫紅背斜,其中引水隧洞后段大多處于莫紅背斜北西翼,廠址區(qū)水工建筑物大多處于莫紅背斜核部和南東翼,研究區(qū)圍巖內(nèi)未見發(fā)育有大的斷層,但巖體中發(fā)育有小的順層擠壓破碎帶,且裂隙發(fā)育。

研究區(qū)所處岸坡為斜順向坡,坡面巖體中裂隙發(fā)育,岸坡卸荷作用強(qiáng)烈。在引水隧洞后段爾古溝至萬(wàn)波溝一線發(fā)育有古滑坡體;在廠址區(qū)萬(wàn)波溝至龍頭溝一線斜坡上裸露的基巖體巖多松弛、破碎。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育有第四系孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水,其中最發(fā)育的巖溶地下水主要是下游的龍頭溝補(bǔ)給,經(jīng)過(guò)巖體中的溶蝕裂隙,最后在廠址區(qū)美姑河邊沿泉點(diǎn)排泄[4]。廠址區(qū)內(nèi)天然地下水位為584～585m高程,水質(zhì)類型為Ca-SO4型,其對(duì)混凝土有硫酸鹽型的弱腐蝕性。

2 細(xì)晶白云巖巖溶砂化現(xiàn)象

研究區(qū)地貌上為深切峽谷,卸荷作用強(qiáng)烈,又地處莫紅背斜核部附近,各種裂隙發(fā)育,這些裂隙又為地下水的入滲和徑流提供了良好的通道。圍巖細(xì)晶白云巖在地表水入滲和地下水徑流的過(guò)程中遭受了強(qiáng)烈的巖溶作用[4]。

根據(jù)對(duì)研究區(qū)地表地質(zhì)條件的調(diào)查,結(jié)合鉆孔勘探及各工程部位地下洞室開挖揭示情況,不同高程、不同工程部位圍巖細(xì)晶白云巖表現(xiàn)出的巖溶砂化現(xiàn)象如下:

a.引水隧洞后段長(zhǎng)1411 m,水平埋深為180～460 m,垂直埋深為50～185 m,圍巖為弱風(fēng)化淺灰～灰白色細(xì)晶白云巖,巖體受巖溶作用影響強(qiáng)烈,巖溶砂化現(xiàn)象明顯,多呈“砂包石”狀,部分呈“砂土”狀,散體結(jié)構(gòu),穩(wěn)定性極差,如圖2所示。

b.廠址區(qū)各水工建筑物洞室的水平埋深為130～450 m,垂直埋深為90～310 m。調(diào)壓井及其上室、蝶閥室、壓力管道圍巖為弱風(fēng)化淺灰～灰白色細(xì)晶白云巖,巖體受巖溶作用影響較強(qiáng)烈,巖溶砂化現(xiàn)象明顯,多呈“砂包石”狀,部分沿結(jié)構(gòu)面有巖溶砂化現(xiàn)象,充填有灰白色粉砂土,多呈碎裂～散體結(jié)構(gòu),少部分為鑲嵌結(jié)構(gòu),穩(wěn)定性差,如圖2所示。

c.地下廠房和主變室圍巖多為弱風(fēng)化灰～深灰色斑狀細(xì)晶白云巖,部分為弱風(fēng)化淺灰～灰白色細(xì)晶白云巖,巖體受巖溶作用影響較弱,僅沿個(gè)別結(jié)構(gòu)面或順層擠壓破碎帶有巖溶砂化現(xiàn)象,充填有粉砂土,多呈鑲嵌結(jié)構(gòu),局部碎裂結(jié)構(gòu),穩(wěn)定性較好,如圖3所示。

d.尾水洞和通風(fēng)洞圍巖為弱風(fēng)化淺灰～灰白色細(xì)晶白云巖,巖體受巖溶作用影響相對(duì)較強(qiáng),溶蝕現(xiàn)象較明顯,部分呈“砂包石”狀,部分沿結(jié)構(gòu)面有巖溶砂化現(xiàn)象,充填有粉砂土,多呈碎裂～散體結(jié)構(gòu),少部分為鑲嵌結(jié)構(gòu),穩(wěn)定性差,如圖2所示。

從不同高程、不同工程部位地下洞室開挖揭示的情況來(lái)看,圍巖受巖溶作用影響的強(qiáng)弱程度,從高高程855 m洞室(引水隧洞后段)到低高程585 m洞室(尾水洞)有所降低;同時(shí)也與巖性有關(guān),淺灰～灰白色細(xì)晶白云巖受巖溶作用影響相對(duì)較強(qiáng),巖溶砂化現(xiàn)象較明顯,多呈“砂包石”狀,部分呈“砂土”狀,而灰～深灰色斑狀細(xì)晶白云巖受巖溶作用影響相對(duì)較弱,僅見沿少量結(jié)構(gòu)面兩側(cè)發(fā)生巖溶砂化現(xiàn)象[3-4]。

由上述巖溶砂化現(xiàn)象可見,研究區(qū)開挖揭示的圍巖細(xì)晶白云巖強(qiáng)度大部分喪失,多呈“砂包石”狀或“砂土”狀的特殊地質(zhì)現(xiàn)象是巖溶作用的結(jié)果,將這種特殊的地質(zhì)現(xiàn)象稱為細(xì)晶白云巖的巖溶砂化現(xiàn)象[5-6]。

圖2 細(xì)晶白云巖整體巖溶砂化現(xiàn)象

圖3 細(xì)晶白云巖結(jié)構(gòu)面巖溶砂化現(xiàn)象

3 細(xì)晶白云巖巖石特性試驗(yàn)結(jié)果

在研究區(qū)不同高程、不同工程部位已開挖洞室內(nèi)和地表分別對(duì)淺灰～灰白色細(xì)晶白云巖取樣,按相關(guān)規(guī)程規(guī)范[7-8]進(jìn)行巖石磨片鑒定試驗(yàn)和物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。

3.1 磨片鑒定試驗(yàn)結(jié)果

研究區(qū)各工程部位圍巖淺灰～灰白色細(xì)晶白云巖磨片鑒定試驗(yàn)結(jié)果表明:細(xì)晶白云巖主要由碳酸鹽礦物組成,含少量不規(guī)則粒狀鐵礦。碳酸鹽礦物占90%～95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)以上,其中白云石占90%～95%,石英占2%,鐵質(zhì)礦物占2%。該巖石為細(xì)粒不等粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。細(xì)晶白云巖巖石化學(xué)成分有CaO、MgO、SiO2、Fe2O3、Al2O3等,其中CaO占28%～29%,MgO占19%～20%,SiO2占4%～5%, Fe2O3占1.0%～1.1%,Al2O3占0.4%～0.5%,堿占0.01%～0.02%,燒失量占44.38%～47.59%。

3.2 物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),研究區(qū)各工程部位的圍巖細(xì)晶白云巖受風(fēng)化作用、巖溶作用影響的程度有所不同,綜合分析認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)的圍巖細(xì)晶白云巖可以分為A、B、C 3種類型,分別取樣進(jìn)行巖石室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)。具體物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,其中C類土工定名為粉土質(zhì)礫,其粉土質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為70%～90%,在0.1～0.2 MPa壓力下,壓縮模量為18.0～19.9 MPa,飽和固結(jié)快剪狀態(tài)下黏聚力為34～46 kPa,內(nèi)摩擦角為22°～28°。

4 細(xì)晶白云巖洞段(室)圍巖工程地質(zhì)分類

4.1 細(xì)晶白云巖不同的巖溶砂化現(xiàn)象

研究區(qū)各工程部位開挖揭示顯示,圍巖細(xì)晶白云巖受巖溶作用影響的程度不同,其巖溶砂化現(xiàn)象表現(xiàn)主要有3種狀態(tài)[7-8]:①僅在巖體中個(gè)別結(jié)構(gòu)面有巖溶砂化現(xiàn)象,充填有少量粉砂土;②在巖體中主要結(jié)構(gòu)面都有巖溶砂化現(xiàn)象,充填有粉砂土;③巖體整體有巖溶砂化現(xiàn)象,多呈散體結(jié)構(gòu)的“砂包石”狀,部分呈“砂土”狀。

4.2 圍巖工程地質(zhì)分類原則及分類結(jié)果

以GB50287—2006《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[7]附錄J圍巖工程地質(zhì)分類為依據(jù),結(jié)合細(xì)晶白云巖巖溶砂化的不同表現(xiàn)狀態(tài),及其物理力學(xué)試驗(yàn)成果資料,綜合分析后,最終確定研究區(qū)細(xì)晶白云巖洞段(室)內(nèi)的圍巖工程地質(zhì)分類原則,如表2所示。

根據(jù)表2中相關(guān)內(nèi)容,結(jié)合各工程部位洞段(室)開挖揭示情況,得到研究區(qū)細(xì)晶白云巖洞段(室)不同類別圍巖的特征及綜合評(píng)分如表3所示。

表1 研究區(qū)不同類型的細(xì)晶白云巖室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

5 不同類別圍巖采取的處理措施

根據(jù)研究區(qū)不同工程部位各開挖洞室確定的不同圍巖分類情況,結(jié)合內(nèi)水壓力的分布情況,有針對(duì)性地進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)(包括臨時(shí)和永久的支護(hù)設(shè)計(jì)),具體采取的處理措施如下:

a.Ⅲ類圍巖洞段。開挖中局部采取了噴5～10 cm厚C20混凝土的臨時(shí)支護(hù)處理措施;開挖后采取了掛網(wǎng)噴錨的永久支護(hù)處理措施,即邊墻頂拱網(wǎng)噴15 cm厚C25混凝土,底板澆筑20 cm厚C15素混凝土。

b.Ⅳ類圍巖洞段。開挖中采取工字鋼(間距0.8～1.2 m)和掛網(wǎng)噴10 cm厚C20混凝土相結(jié)合的臨時(shí)支護(hù)處理措施;開挖后采取了鋼管(厚度16～24 mm)襯砌或鋼筋混凝土(C20混凝土襯砌厚度40 cm)襯砌措施,鋼管襯砌或鋼筋混凝土襯砌以外均進(jìn)行回填灌漿及固結(jié)灌漿的永久支護(hù)處理。

c.Ⅴ類圍巖洞段。開挖中采取工字鋼(間距0.5～1.0 m)和掛網(wǎng)噴15 cm厚C20混凝土相結(jié)合的臨時(shí)支護(hù)處理措施;開挖后采取了鋼管襯砌(厚度18～36 mm)或鋼筋混凝土(C20混凝土襯砌厚度50 cm)襯砌措施,鋼管襯砌或鋼筋混凝土襯砌以外均進(jìn)行回填灌漿及固結(jié)灌漿的永久支護(hù)處理。

在所有洞室的開挖中均采取了“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的施工原則和“邊開挖、邊支護(hù)”的施工方法。

表2 研究區(qū)細(xì)晶白云巖洞段(室)圍巖工程地質(zhì)分類原則

表3 研究區(qū)細(xì)晶白云巖洞段(室)不同類別圍巖的特征及綜合評(píng)分

6 結(jié) 語(yǔ)

坪頭水電站引水隧洞后段及廠址區(qū)內(nèi)巖體細(xì)晶白云巖受巖溶作用影響強(qiáng)烈,巖溶砂化現(xiàn)象明顯,圍巖多呈“砂包石”狀,部分呈“砂土”狀。該巖溶砂化現(xiàn)象對(duì)洞室的塊體穩(wěn)定影響極大,對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工安全、進(jìn)度影響都非常嚴(yán)重。

通過(guò)對(duì)該區(qū)內(nèi)不同巖溶作用影響程度下的細(xì)晶白云巖進(jìn)行大量的試驗(yàn),探明了細(xì)晶白云巖巖石礦物成分主要為由碳酸鹽礦物白云石,也查明了該區(qū)內(nèi)3種不同巖溶砂化類型的細(xì)晶白云巖的物理力學(xué)特性。依據(jù)GB50287—2006《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》相關(guān)規(guī)定,結(jié)合各洞室開挖揭示實(shí)際情況和試驗(yàn)結(jié)果資料,得出該區(qū)內(nèi)細(xì)晶白云巖不同類別圍巖的特征和綜合評(píng)分,并對(duì)該區(qū)內(nèi)細(xì)晶白云巖進(jìn)行了工程地質(zhì)分類,確定了各洞室開挖揭示的圍巖類別,為工程設(shè)計(jì)提供了科學(xué)合理的地質(zhì)依據(jù),從而確保了各水工建筑物洞室的圍巖穩(wěn)定、施工安全和工程進(jìn)度。目前坪頭水電站已正常發(fā)電2年多,期間經(jīng)過(guò)停機(jī)放水安全檢查,未發(fā)現(xiàn)引水隧洞后段及廠址區(qū)各水工建筑物結(jié)構(gòu)有任何異常狀況,運(yùn)行情況良好。

[1]趙其華,王蘭生,何文秀,等.四川省美姑河坪頭水電站廠區(qū)岸坡特殊地質(zhì)現(xiàn)象及其對(duì)工程的影響[R].成都:成都理工大學(xué),2008.

[2]何文秀.美姑河坪頭水電站廠址區(qū)白云巖砂化成因及其對(duì)工程影響研究[R].成都:成都理工大學(xué),2008.

[3]田啟文,陳東升,王雅雯.細(xì)晶白云巖溶蝕“砂化”現(xiàn)象對(duì)坪頭水電站工程的影響[J].水電站設(shè)計(jì),2012,28 (2):40-46.(TIAN Qiwen,CHENG Dongsheng,WANG Yawen.The impacts of the fine-grained dolomite karstic sandification characteristicforthepingtouhydropower project[J].DesignofHydroelectricPowerStation,2012, 28(2):40-46.(in Chinese))

[4]萬(wàn)軍偉,梁杏,潘歡迎.四川省美姑河坪頭水電站廠址區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件及對(duì)工程的影響研究報(bào)告[R].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢),2008.

[5]張良喜,趙其華,胡相波,等.某地區(qū)白云巖室內(nèi)溶蝕試驗(yàn)及微觀溶蝕機(jī)理研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2012,20 (4):576-584.(ZHANG Liangxi,ZHANG Qihua,HU Xiangbo,et al.Laboratory dissolution test on dolomtte and its micro-dissolution mechanism[J].Journal of Engineering Geology,2012,20(4):576-584.(in Chinese))

[6]張倬元,王仕天,王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].北京:地質(zhì)出版社,1980:359-379.

[7]GB 50287—2006 水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[8]DL/T 5338—2006 水電水利工程喀斯特工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程[S].

Characteristics of karst sanded fine-crystalline dolomite and wall rock classification for Pingtou Hydropower Station//

TIAN Qiwen1,2,YUE Chaolin3
(1.Environmental Faculty,China University of Geosciences,Wuhan 430074, Chian;2.Powerchina Chengdu Engineering Corporation Limited,Chengdu 610072,China;3.Yellow River Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou 450003,China)

The hydrological and karstification conditions at the Pingtou Hydropower Station were investigated aiming to identify the classification of the fine-crystalline dolomite of the wall rocks at the end of the diversion tunnel and hydraulic structure chamber for geological basis of the geological engineering design.Furthermore,the mechanism of the sanded finecrystalline dolomite due to the intense karstification and corrosion effect was obtained.Based on a large quantity of rocks sections experiments for identification and physical property,material composition,physical and mechanical properties of the wall rocks of different karst corrosion extent were fully surveyed.In accordance with the national standards,combined with experimental results and actual conditions in the excavation process of cave chambers,engineering geological classifications and categories of the wall rocks were determined byⅢ,ⅣandⅤ,which could serve as focused engineering measurements on the different categories,respectively,to maintain the stability and safe functioning of wall rock of the hydraulic structures.

fine-crystalline dolomite;karst;sanded;classification of wall rock;Pingtou Hydropower Station

P642;P588.24+5

:A

:1006-7647(2014)05-0045-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.05.009

2014-0307 編輯:熊水斌)

田啟文(1972—),男,四川成都人,教授級(jí)高級(jí)工程師,博士研究生,主要從事水電站地質(zhì)勘察工作。E-mail:tianqiwen007@ sohu.com