構(gòu)皮灘水電站壩址地下巖溶施工期預(yù)測預(yù)報探測技術(shù)

鄧爭榮，向能武，尹春明，何永剛，吳樹良

(1．長江巖土工程總公司(武漢)，湖北武漢 430010;2．中國三峽集團(tuán)中水電國際投資有限公司，北京 100033)

1 工程背景

構(gòu)皮灘水電站位于貴州省余慶縣境內(nèi)，是烏江水電基地規(guī)劃中最大的Ⅰ等大(1)型水利水電樞紐，是國家“十五”期間開工建設(shè)的重點工程和西電東送骨干電源。工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，并具有航運(yùn)、防洪等綜合效益。水電站控制流域面積43 250 km2，占全流域面積的49．2%;大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高230．5 m，是目前國內(nèi)復(fù)雜巖溶地區(qū)已建成的最高雙曲拱壩;電站裝機(jī)容量3 000 MW，多年平均發(fā)電量96．82×108kW·h;水庫總庫容 64．51 ×108m3，具有年調(diào)節(jié)性能。工程于2001年開始籌建，2004年11月截流，2008年12月工程蓄水驗收，2009年初開始蓄水，2009年12月五臺機(jī)組全部投產(chǎn)，2012年5月完成了工程竣工安全鑒定，2013年5月完成了水電站大壩安全注冊登記，至今已安全運(yùn)行近6年，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益巨大。

水電站壩址區(qū)河谷狹窄，巖溶水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件復(fù)雜，分布奧陶系—二疊系地層，石炭系、泥盆系、志留系上統(tǒng)及奧陶系上統(tǒng)缺失，其中二疊系地層巖性以灰?guī)r為主，志留系、奧陶系地層巖性以粘土巖、砂巖、頁巖為主，巖性種類多。構(gòu)造形跡主要有斷層、層間錯動、裂隙，均屬斷裂構(gòu)造。壩址區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈且復(fù)雜，巖溶形態(tài)多樣，在長約500 m的筑壩河段兩岸發(fā)育5個規(guī)模較大的巖溶系統(tǒng)，且存在多層多期巖溶管道或溶洞，深巖溶亦較發(fā)育。壩址河谷岸坡地形陡峻，谷坡巖體卸荷帶發(fā)育。巖溶、斷層、層間錯動、軟弱層帶、谷坡巖體卸荷等地質(zhì)問題對拱壩變形與抗滑穩(wěn)定、洞室成洞條件及圍巖穩(wěn)定、壩基巖溶滲漏、工程邊坡穩(wěn)定等產(chǎn)生較大影響。

2 壩址區(qū)巖溶地質(zhì)

水電站壩址區(qū)巖溶地質(zhì)問題是主要地質(zhì)問題之一［1］，也是最突出的地質(zhì)問題。壩址區(qū)以二疊系等灰?guī)r為主，灰?guī)r屬可溶巖碳酸鹽巖類，可溶性較強(qiáng)，致使壩址區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈且復(fù)雜。壩址區(qū)碳酸鹽巖分布面積占總面積的70%以上，為巖溶作用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。各可溶巖組的巖溶發(fā)育程度、規(guī)模以及分布等，均與各自的地質(zhì)環(huán)境和水動力條件密切相關(guān)。

2．1 巖溶形態(tài)

壩址區(qū)發(fā)育的巖溶以地下巖溶為主，主要的巖溶形態(tài)有:溶洞、暗河及巖溶泉、豎井(斜井)、溶縫及地表溶溝、溶槽等。

2．2 影響巖溶發(fā)育的因素

影響壩址區(qū)巖溶發(fā)育的主要因素是地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水活動三個方面。地層巖性是巖溶發(fā)育的物質(zhì)條件，對巖溶發(fā)育具有決定作用，可溶巖巖性越純、易溶蝕成分含量越高就越易溶蝕;地質(zhì)構(gòu)造對地下水的入滲和循環(huán)運(yùn)動的途徑、方向起著明顯的誘導(dǎo)作用，從而控制巖溶發(fā)育的方向和格局;地下水的運(yùn)動方式和集中程度也會影響到巖溶發(fā)育［2］。

2．3 巖溶發(fā)育的特點

(1)巖溶以順層發(fā)育為主。壩址區(qū)河谷為橫向谷，且層間錯動發(fā)育，決定了巖溶發(fā)育的方向以順巖層走向為主，NW、NWW向斷裂僅局部改變巖溶發(fā)育的方向。古侵蝕—強(qiáng)溶蝕帶、層間錯動以及不同巖性接觸帶為巖溶發(fā)育的主要部位，多具順層發(fā)育特點。

(2)右岸巖溶比左岸發(fā)育。右岸處于中寨向斜的翹起端，橫張斷裂較左岸發(fā)育，且有巖溶干谷攔截地表水流，有利于降雨入滲和地下水滲流，因而其巖溶比左岸發(fā)育。主要表現(xiàn)為右岸巖溶系統(tǒng)較左岸相應(yīng)層位的巖溶系統(tǒng)的規(guī)模大，溶洞數(shù)量亦較左岸多。

(3)溶洞發(fā)育具成層性。大型水平溶洞主要分布在高程430～445 m、460～480 m、500～515 m，與河床高漫灘、Ⅰ級階地、Ⅱ級階地相對應(yīng)，各層水平溶洞間多以豎井、斜井及溶縫等相連通。

(4)深巖溶發(fā)育。壩址區(qū)處于烏江深切峽谷部位，補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)的高差達(dá)400 m以上，地下水存在較大的勢差，有利于地下水沿斷裂向深部循環(huán)，形成深巖溶。深巖溶在兩岸及河床部位均有發(fā)育，但主要發(fā)育于近岸地帶及河床靠岸邊部位。在河床高程以下50 m的范圍內(nèi)溶洞分布相對較多，約占揭露深巖溶總數(shù)的55．9%，其余溶洞則主要分布于河床以下50～110 m區(qū)間內(nèi)，揭露深巖溶發(fā)育的最低高程為201．9 m，低于河床高程近210 m。在平面分布上，右岸深巖溶較左岸發(fā)育，其中W24巖溶系統(tǒng)在距離岸邊近500 m左右發(fā)育虹吸式主管道及分支溶洞，分布于高程370～410 m段，低于河床高程近40 m，是右岸主要的深巖溶。

2．4 巖溶分布特征

2．4．1 巖溶的平面分布特征

(1)分帶性。壩址區(qū)的巖溶洞穴，多沿一定的層位和斷裂發(fā)育，在平面上具有帶狀分布的特點:①沿不同的巖性接觸帶成帶狀分布;②沿斷裂成帶狀分布;③沿一定的層位順層成帶狀分布。

(2)分區(qū)性。巖溶平面分布的分區(qū)性表現(xiàn)在兩個方面:①兩岸巖溶比河床發(fā)育;②右岸巖溶比左岸發(fā)育。

2．4．2 巖溶的垂向分布特征

(1)隨深度增加而巖溶逐漸減弱。鉆孔資料表明，近地表孔段，溶孔、溶蝕裂隙較發(fā)育，隨孔深的增加，巖芯的溶蝕程度逐漸減弱。鉆孔中揭露的溶洞，亦主要分布在近地表的飽氣帶中，而枯水期地下水位以下巖體中，溶洞分布較少。就孔深而言，溶洞主要分布在孔深180 m以上，該深度以下，溶洞分布相對較少。

(2)垂向成層分布。壩址區(qū)自第四紀(jì)更新世以來，地殼間歇性較強(qiáng)烈上升，隨之烏江間歇性強(qiáng)烈下切，從而引起巖溶地下水垂直動力分帶的相應(yīng)變化，以及在巖溶的垂向分布上呈現(xiàn)出以水平溶洞為主的強(qiáng)巖溶帶與以垂直型巖溶管道為代表的弱巖溶帶相間分布的特點。

2．5 巖溶系統(tǒng)

壩址區(qū)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，形成了具有各自匯水面積和巖溶通道的獨(dú)立的巖溶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)——巖溶系統(tǒng)。根據(jù)巖溶洞穴的分布、地下水位動態(tài)和連通試驗［3］資料等綜合分析，壩址區(qū)在P2w1和P1m層灰?guī)r中存在 5、6、7、8 號四個巖溶系統(tǒng)，在 P1q4、O2sh+b、O1m2層灰?guī)r中分別存在W24、W2、W3、W4巖溶系統(tǒng)。

2．6 巖溶發(fā)育的強(qiáng)烈程度與復(fù)雜性

(1)巖溶發(fā)育的強(qiáng)烈程度。壩址區(qū)巖溶總體發(fā)育強(qiáng)烈，在長約500 m的筑壩河段兩岸發(fā)育5個規(guī)模較大的巖溶系統(tǒng)。地表除溶溝、溶槽以及溶洞外，在兩岸第一岸坡以外，落水洞與巖溶漏斗發(fā)育，局部呈串珠狀。勘探平洞、鉆孔、施工開挖共揭露溶洞數(shù)量分別為206個、355個、652個，壩址區(qū)所有碳酸鹽巖地層中均有溶洞分布。除 5號、6號、W24、W2、W3、W4 巖溶系統(tǒng)發(fā)育管道狀溶洞外，其余多為分支溶洞，通過溶縫、溶隙等與主管道或本系統(tǒng)的其它溶洞相連通。壩址區(qū)8個巖溶系統(tǒng)管道狀溶洞及分支溶洞分布見圖1。除巖溶洞穴外，沿斷層、裂隙、層間錯動及層面等結(jié)構(gòu)面溶蝕夾泥現(xiàn)象極為普遍，夾泥寬度一般0．01～0．2 m，兩岸溶蝕夾泥的斷層與裂隙約占總數(shù)的30．6%，岸坡卸荷帶內(nèi)巖溶化程度更高，F(xiàn)b91、Fb92、Fb86、Fb112、Fb113等層間錯動具連續(xù)夾泥現(xiàn)象。

(2)巖溶發(fā)育的復(fù)雜性。①巖溶形態(tài)多樣:壩址區(qū)巖溶形態(tài)多樣，地表有溶溝、溶槽，地下有溶洞、溶縫、溶隙，溶洞有水平巷道狀、廳堂狀、斜井(或豎井)狀。溶洞充填狀況具多樣性，有全充填、半充填以及溶蝕空洞，充填物以粘土夾碎塊石為主，部分為粉細(xì)砂與砂礫石，有雜亂無章的充填，也有具層理的有序堆積充填;沿層面及構(gòu)造溶蝕夾泥的程度各異，除夾泥的厚度有別外，夾泥的連續(xù)性也存在差別。②巖溶空間展布錯綜復(fù)雜:巖溶在垂向上具成層性，主要巖溶系統(tǒng)往往發(fā)育多層溶洞，最下一層多為過水管道，有水平狀，亦有高差達(dá)100 m的虹吸式管道。在同一平面上受NW、NWW向斷裂影響，巖溶發(fā)育的方向具不確定性，且分支管道發(fā)育。③各巖溶系統(tǒng)活躍性不同:有正處于活躍期的5號、6號巖溶系統(tǒng)，亦有已近衰退的7號、8號巖溶系統(tǒng)以及處于衰退階段的W24巖溶系統(tǒng)。其地下水出露形式主要有暗河與巖溶裂隙泉，出口在枯水位附近，低于枯水位以及高于枯水位均有出現(xiàn)。④帶來多種復(fù)雜的工程地質(zhì)問題:巖溶破壞了巖體的完整性，降低了巖體強(qiáng)度，對邊坡、洞室、地基穩(wěn)定以及巖溶防滲等均有較大影響，存在大壩變形與抗滑穩(wěn)定、大型地下洞室圍巖穩(wěn)定及巖溶涌水突泥、工程邊坡穩(wěn)定、高水頭的巖溶防滲等諸多工程地質(zhì)問題。

圖1 壩址區(qū)巖溶系統(tǒng)管道及分支溶洞分布圖

2．7 巖溶地質(zhì)問題對工程的影響

(1)對大壩穩(wěn)定的影響。大壩拱座巖體中溶蝕嚴(yán)重的NW及NWW向陡傾角斷裂較發(fā)育，其走向與岸坡呈小銳角相交，左岸銳角指向上游，右岸銳角指向下游，起著側(cè)向切割拱座巖體的作用，是影響大壩抗滑穩(wěn)定的主要側(cè)向軟弱結(jié)構(gòu)面，對拱座巖體抗滑穩(wěn)定不利。大壩壩基巖體發(fā)育的巖溶洞穴、溶蝕斷裂及溶蝕的軟弱夾層是影響其變形穩(wěn)定的主要因素之一，其中溶蝕斷裂及沿層間錯動發(fā)育的巖溶洞穴是主要的控制因素。

(2)對地下洞室圍巖穩(wěn)定的影響。左岸導(dǎo)流洞穿越5號、7號、W3巖溶系統(tǒng)，左岸泄洪洞穿越5號、7號巖溶系統(tǒng)，右岸導(dǎo)流洞穿越6號、8號、W2巖溶系統(tǒng)，地下廠房系統(tǒng)三大洞室穿越W24、8號巖溶系統(tǒng)，遇到規(guī)模較大的溶洞，頂拱部位易產(chǎn)生坍塌及溶洞充填物涌突現(xiàn)象，地下廠房系統(tǒng)洞室穿越的W24巖溶系統(tǒng)尚存在季節(jié)性涌水，影響洞室的成形和圍巖穩(wěn)定及施工順利。

(3)對工程邊坡穩(wěn)定的影響。溶蝕的NW、NWW向斷裂與岸坡近于平行，在岸坡卸荷帶內(nèi)一般多具一定開度，粘土或粘土夾碎石充填，構(gòu)成不穩(wěn)定體或潛在不穩(wěn)定體的切割面，以及強(qiáng)溶蝕帶在開挖邊坡的坡面出露等，對工程邊坡穩(wěn)定不利。

(4)對防滲的影響。防滲帷幕線路穿越6、7、8號以及W24巖溶系統(tǒng)，遇到巖溶系統(tǒng)的分支管道;沿溶蝕的NW、NWW向斷裂，形成局部的強(qiáng)透水帶，均是線路上的重大滲漏通道，加大了防滲工作的難度及防滲工程量。

3 施工期地下巖溶預(yù)測預(yù)報探測技術(shù)

前期勘察論證充分采用多方法、多手段，查明了壩址區(qū)巖溶發(fā)育的地質(zhì)條件和發(fā)育規(guī)律，尤其是重點查明了巖溶系統(tǒng)及其暗河管道發(fā)育的分布、特征及與建筑物的空間關(guān)系，為工程主要建筑物減少或避免巖溶地質(zhì)問題的影響，選擇了最合適或最佳的位置。但施工期主體工程針對施工安全技術(shù)及施工方案，單個的具體部位對未知地下巖溶須進(jìn)一步明確其發(fā)育情況，必要時在施工過程中采用“邊施工，邊探測”的巖溶預(yù)測預(yù)報技術(shù)［4-5］，準(zhǔn)確判明復(fù)雜未知地下巖溶發(fā)育分布、特征等情況。施工中結(jié)合工程實際，采用了多種切實可行的巖溶預(yù)測預(yù)報探測技術(shù):①地質(zhì)雷達(dá)探測;②鉆孔CT物探探測;③超前鉆孔探測;④導(dǎo)洞探測;⑤通道追索探測;⑥地質(zhì)探測及綜合分析。

3．1 地質(zhì)雷達(dá)探測

地質(zhì)雷達(dá)是利用高頻電磁波(主頻為數(shù)十、數(shù)百乃至數(shù)千MHz)以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過發(fā)射天線向地下發(fā)射，當(dāng)它遇到地下地質(zhì)體或介質(zhì)分界面時發(fā)生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天線接收并由主機(jī)記錄下來，形成雷達(dá)剖面圖。

由于電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁波場強(qiáng)度以及波形將隨所通過介質(zhì)的電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化。因此，根據(jù)接收到的電磁波特征，即波的旅行時間(亦稱雙程走時)、幅度、頻率和波形等，通過雷達(dá)圖像的處理和分析，可確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)特征。適用探測深度一般在15 m以內(nèi)較為準(zhǔn)確。

圖2 典型地質(zhì)雷達(dá)探測成果剖面圖

在地下廠房大型地下洞室群開挖過程中，為進(jìn)一步查明W24巖溶系統(tǒng)主管道發(fā)育特征，及其與主體建筑物的關(guān)系。在主廠房Ⅰ層、Ⅱ?qū)?、主變洞及主廠房1#機(jī)窩等開挖部位采用了地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)，為施工提供了準(zhǔn)確的指導(dǎo)性資料。典型的地質(zhì)雷達(dá)探測成果見剖面圖2、表1。

表1 地下廠房洞室群典型地質(zhì)雷達(dá)探測成果表

圖3 3#施工支洞及1#-3#引水洞下平段區(qū)域CT物探鉆孔布置圖

3．2 鉆孔CT物探探測

CT物探探測原理為:完整巖體對電磁波表現(xiàn)為低吸收，當(dāng)巖體中存在斷層破碎帶、軟弱夾層、巖溶洞穴時，電磁波響應(yīng)會因其影響程度不同而發(fā)生相應(yīng)變化，即對電磁波的吸收會增高，利用電磁波吸收系數(shù)β的變化，并結(jié)合地質(zhì)情況即可推斷解釋巖溶分布及發(fā)育特征等。CT物探適用于30～50 m深的巖層中探測。

在地下廠房大型地下洞室群開挖過程中，為進(jìn)一步查明W24巖溶系統(tǒng)主管道發(fā)育特征，及其與主體建筑物的關(guān)系。在3#施工支洞及1#-3#引水洞下平段區(qū)域、D52勘探平洞、主變室及進(jìn)廠交通洞等區(qū)域?qū)嵤┝算@孔CT物探，探明了W24巖溶系統(tǒng)的發(fā)育以及對灌漿帷幕線的影響情況，為工程處理方案的優(yōu)化制定提供了有效的依據(jù)。典型的CT物探鉆孔布置見圖3，典型成果見剖面圖4、表2。

圖4 3#施工支洞及1#-3#引水洞下平段區(qū)域電磁波CT吸收系數(shù)β成果剖面圖

表2 3#施工支洞及1#-3#引水洞下平段區(qū)域CT物探成果表

3．3 超前鉆孔探測

在地下廠房大型地下洞室群主廠房洞室開挖過程中，充分結(jié)合利用各種鉆孔如爆破孔、錨索孔、預(yù)應(yīng)力錨桿孔造孔過程中的異常情況進(jìn)行超前探測，探明開挖掌子面附近區(qū)域遇到的W24巖溶系統(tǒng)管道溶洞發(fā)育狀況;對于深層的巖溶管道，則在開挖過程中針對性布置超前勘探孔進(jìn)行進(jìn)一步探明。典型的超前鉆孔探測成果見表3。

表3 典型超前鉆孔探測成果表

3．4 導(dǎo)洞探測

主體工程洞室均采用導(dǎo)洞開挖方式，對各導(dǎo)洞尤其是主廠房、主變室及尾水調(diào)壓室頂層導(dǎo)洞開挖揭露的地質(zhì)情況，進(jìn)行跟蹤巡視，高度重視其揭示發(fā)育的溶蝕夾泥、巖溶洞穴、巖溶滲滴水等地質(zhì)現(xiàn)象，并結(jié)合所處部位地質(zhì)環(huán)境予以分析判斷，預(yù)測預(yù)報相應(yīng)洞段巖溶管道發(fā)育情況。

3．5 通道追索探測

在開挖施工過程中，揭露的部分巖溶管道存在斷面狹小及發(fā)育情況不明朗現(xiàn)象，為了不影響主體工程洞室的正常施工及保證圍巖穩(wěn)定，采取了對斷面狹小溶洞進(jìn)行擴(kuò)挖或增設(shè)施工支洞對發(fā)育情況不明朗的溶洞進(jìn)行追索探測。如在調(diào)壓室Ⅲ層開挖時對上游樁號Xcf0+115溶洞進(jìn)行了擴(kuò)挖追索，在上層排水1#廊道增加兩條處理通道對主廠房上游樁號Xcf0+185溶洞上部情況進(jìn)行探測追索、處理。在地下廠房大型地下洞室群中專設(shè)的主要巖溶處理通道達(dá)12條，總長達(dá)729．35 m。通道追索特性見表4。

3．6 地質(zhì)探測及綜合分析

地質(zhì)探測及綜合分析主要手段如下:①地質(zhì)工程師根據(jù)巖層產(chǎn)狀及巖層厚度等地質(zhì)資料，結(jié)合地質(zhì)測量數(shù)據(jù)和實地素描測繪，利用計算機(jī)三維空間模擬分析技術(shù)，繪制巖溶系統(tǒng)三維立體圖與建筑物之間的空間關(guān)系進(jìn)行分析推斷;②對已揭露的溶洞進(jìn)行分析，推測巖溶管道的發(fā)育情況，預(yù)測巖溶管道在其它部位的出露情況;③通過巖溶管道來水特性、充填物變化特性，推斷巖溶管道的連通情況。

表4 地下廠房大型地下洞室群巖溶處理通道追索特性表

主體工程地下洞室，尤其是在地下廠房大型地下洞室群開挖過程中，采用此種探測方式，通過及時優(yōu)化調(diào)整施工支洞的線路布置，有效避開W24巖溶系統(tǒng)的主管道;選擇最佳部位開辟處理通道對巖溶洞穴進(jìn)行清理回填，以減少施工干擾、降低處理難度;準(zhǔn)確地對其巖溶管道進(jìn)行截、堵處理，加快施工進(jìn)度。該探測技術(shù)在主體工程地下洞室的開挖施工中巖溶預(yù)測預(yù)報起到了明顯的突出作用。

4 結(jié)語

構(gòu)皮灘水電站壩址區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈且復(fù)雜，前期勘察查明了巖溶發(fā)育的地質(zhì)條件和發(fā)育規(guī)律，尤其是重點查明了巖溶系統(tǒng)及其暗河管道發(fā)育的位置、特征及與建筑物的空間關(guān)系，為工程主要建筑物減少或避免巖溶地質(zhì)問題的影響，選擇了最合適或最佳的位置。但由于其地下巖溶發(fā)育的復(fù)雜性和前期勘察勘探工作的有限性，不可能查明地質(zhì)體中發(fā)育的全部地下巖溶的分布及其特征，尚存在未知地下巖溶。

施工期主體工程針對單個的具體部位，對未知地下巖溶須進(jìn)一步明確其發(fā)育情況，必要時在施工過程中“邊施工，邊探測”，結(jié)合工程實際，采用了地質(zhì)雷達(dá)、鉆孔CT物探、超前鉆孔等多種切實可行的巖溶預(yù)測預(yù)報探測技術(shù)，準(zhǔn)確判明了復(fù)雜未知地下巖溶發(fā)育分布、特征等情況，為施工安全技術(shù)、施工方案、工程處理方案的優(yōu)化制定等提供了有效的依據(jù)和保障，取得了令人滿意的效果?？蔀槠渌愃乒こ烫峁┙梃b。

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