不同地質(zhì)結(jié)構的地下洞室?guī)r溶滲涌水特點及控制措施探討

吳述彧

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司 貴州 貴陽 550081）

貴州碳酸鹽巖地層分布面積達73%[1]，許多水電站的地下廠房不可避免的需建在可溶巖地層中，該類工程主要的工程地質(zhì)問題之一就是巖溶滲水、涌水。但由于受不同的地質(zhì)結(jié)構的影響，巖溶水文地質(zhì)特點和控制措施存在較大的差異。本文在已建或在建的一些水電工程的實踐上，對上述問題進行了初步分析，希望對巖溶地區(qū)地下洞室的工程建設有一定的借鑒作用。

1 影響巖溶水文地質(zhì)特點的地質(zhì)結(jié)構分類

對于河谷岸坡地帶，影響巖溶水文地質(zhì)特點的地質(zhì)結(jié)構主要有隔水層和巖層。

1.1 隔水層對巖溶水文地質(zhì)的影響

對于洞室而言，上覆隔水層最為有利，其可大大減小巖溶水的補給范圍，降低圍巖的巖溶發(fā)育程度，減少巖溶地下水滲、涌水量。如烏江索風營水電站，地下廠房區(qū)頂拱以上有T1y3泥頁巖覆蓋，地表水難以下滲到地下廠房所在的T1y2灰?guī)r中，巖溶發(fā)育相對較弱，僅發(fā)育k11縫狀巖溶管道，枯期涌水量小于20L/s，汛期涌水量 ＜200L/s[2]。

無隔水層的地段，由于可形成大范圍的補給區(qū)域，巖溶較為復雜，地下水流量大。如烏江思林水電站，地下廠房在山體內(nèi)側(cè)和頂部均無隔水層，廠房區(qū)域內(nèi)不僅有發(fā)育豎直向的K29落水洞系統(tǒng)，還有水平向的S64、SJ2巖溶管道等，汛期流量可達1000L/s以上。

隔水層錯斷的地段，由于隔水層的不完整，存在構造缺口，使原本相對獨立的巖溶水文地質(zhì)單元在局部地段有水力聯(lián)系，地下水補給來源加大，巖溶復雜程度和地下水流量介于前述兩種情況之間。

1.2 巖層對巖溶水文地質(zhì)的影響

（1）根據(jù)巖層走向與河谷關系分為橫向谷、斜向谷、縱向谷等。

橫向谷，層面走向垂直河流走向，有利于地下水由坡岸向河床運移，沿層發(fā)育的巖溶垂直河流，地下洞室滲涌水以內(nèi)側(cè)山體的巖溶水和河水（庫水）倒灌為主。

縱向谷，巖層與河流平行。由于巖層一般多有泥質(zhì)或炭質(zhì)膜雜質(zhì)，正常條件下不利于地下水由兩岸向河床運移。云南黃泥河魯布革水電站，作為縱向谷，造成地下廠房涌水的巖溶管道主要與F230、F313、f3等斷層有關，同時也存在比河床低的順河向巖溶管道向下游排泄，岸坡地下水低于河水位20m以上[5]。

斜向谷，巖溶管道可能沿層面與河流斜交，也可能沿垂直或平行河流的其它結(jié)構面發(fā)育，巖溶滲涌水特點較為復雜，需視情況分析。

（2）根據(jù)巖層傾角分為緩傾、中傾、陡傾等。

緩傾巖層，巖溶含水巖組在高差上呈層狀分布，當上部有隔水層覆蓋時，不利于水流的垂直運動，隔水層以下的可溶巖組地下水來源遠但流量較小，巖溶一般較弱，并以水平向為主。沿緩傾層面發(fā)育的水平巖溶將加大庫水、河水倒灌的范圍和可能性，需要特別注意。

陡傾巖層，巖溶含水巖組在平面上呈帶狀分布，有利于水流垂直運動，在地表易形成落水洞和槽谷，在地下易形成豎向通道。地下洞室頂拱的巖溶滲、涌水是需要特別予以關注的問題。

中等傾角巖層，情況較復雜，即可能存在其它區(qū)域的地表水通過落水洞和斜向巖溶下滲到地下洞室內(nèi)，也可能因隔水層斜向覆蓋于地下洞室之上而減少頂拱的滲、涌水量，需要具體分析。

相關地質(zhì)結(jié)構分類如表1所列。

2 不同巖溶水文地質(zhì)結(jié)構的滲控措施

為了將地下洞室的地下水滲、涌水量控制在一定范圍和一定流量以內(nèi)，保證地下洞室的運行，一般需采取“堵排結(jié)合”的控制措施，包括防滲帷幕、水平鋪蓋、排水孔幕、排水洞等。但對于不同的地質(zhì)結(jié)構，由于滲、涌水特點不同，其布置原則也有所不同。

2.1 排水系統(tǒng)的設置原則

為減水地下廠房的滲涌水量，一般需圍繞洞室設置多層環(huán)狀排水廊道，并在排水廊道內(nèi)設置豎向排水孔。對于發(fā)育有垂直巖溶的陡傾角巖層，宜在廠房頂拱地表增設截、排水水溝，減少地表水的入滲，同時在上層排水廊道內(nèi)設置交叉斜排水孔幕和中軸廊道，將下滲的巖溶水引排。

表1 影響河谷岸坡巖溶水文地質(zhì)特點的地質(zhì)結(jié)構分類[6]

圖1 不同河谷類型重點防滲部位示意圖

對于發(fā)育有水平向巖溶的緩傾巖層，宜在靠近山體一側(cè)排水廊道的外圍，針對大流量的水平向巖溶管道加排水孔洞，將巖溶水引排，以減小巖溶水涌水量和水壓力。

2.2 防滲帷幕的布置原則

周邊有隔水層的洞室，平面上可利用隔水層作為一側(cè)或多側(cè)的防滲邊界，將防滲帷幕與隔水層搭接，以增加防滲可靠度并減少防滲工程量。

橫向谷，山體內(nèi)側(cè)的地下水和外側(cè)的河水倒灌是防范重點，宜在洞室內(nèi)外側(cè)設置垂向防滲帷幕?？v向谷，以上游的庫水、下游的河水倒灌為重點，宜在上、下游設置防滲帷幕，如圖1所示。

3 工程實例

思林水電站，是烏江干流第八梯級電站，巖層產(chǎn)狀N35°～42°E/NW∠70°，橫向谷。

地下廠房位于右岸山體內(nèi)，緊臨大壩，距河岸約100m，地表為一較寬緩的巖溶臺地。其巖溶水文與地質(zhì)結(jié)構的特點是，一是由于為橫向谷，各巖溶含水巖組受隔水層間阻，垂直河流呈帶狀分布，地下廠房位于T1y2灰?guī)r、白云巖強巖溶含水巖層中，發(fā)育有垂直河流的水平向為主的S64及Sj2巖溶管道，管道長，補給源范圍大，涌水量較大（施工期最大流量均達200L/s以上）；二是由于巖層陡傾，地下廠房地表發(fā)于有一順層的溝谷和K29落水洞，該溝槽平時干涸，大雨時匯聚谷坡地表水注入落水洞，地下廠房處于K29落水洞巖溶影響之下；三是K29鉛直向巖溶與S64及Sj2水平向巖溶相互切割、串通，在地下廠房區(qū)形成復雜的網(wǎng)狀巖溶系統(tǒng)。

圖2 思林水電站地下廠房防滲及排水系統(tǒng)平面示圖

圖3 思林水電站地下廠房防滲及排水系統(tǒng)剖面示圖

根據(jù)上述巖溶水文地質(zhì)特點，思林地下廠房洞室滲、涌水主要來源有三處，一是地表水沿K29落水洞從頂拱灌入廠房，二是S64、Sj2巖溶水從內(nèi)側(cè)進入廠區(qū)附近，通過巖溶管道或NW向陡傾溶蝕裂隙涌入廠房，三是河水通過S64及Sj2河岸出口倒灌廠房。

根據(jù)思林地質(zhì)結(jié)構及滲、涌水來源，如圖2、圖3所示，地下廠房采取的滲控措施主要如下：①地表對K29落水洞進行封堵，并設置截、排水溝，防止地表水直接下滲。②在410m與368m兩高程設置排水廊道，并在上層廊道內(nèi)設置斜向交叉排水孔對廠頂?shù)叵滤M行引排。③在兩層排水廊道內(nèi)環(huán)繞廠區(qū)進行了豎向防滲帷幕灌漿。④對廠房開挖揭示的溶洞擴挖后進行混凝土回填和灌漿處理。⑤對SJ2進行豎井開挖和設置混凝土墻，將山體內(nèi)側(cè)的溶洞水位抬高，通過上層排水廊道進行引排。⑥于大壩消力池進行固結(jié)、回填灌漿處理，封堵河水沿SJ2、S64巖溶管道倒灌廠房的通道。⑦針對進入廠房內(nèi)少量的滲、涌水設置的抽排系統(tǒng)，利用盲管、集水漏斗、邊溝、管道等將分散水流匯集到集水井進行抽排。

4 結(jié)論

不同的地質(zhì)結(jié)構有著不同的巖溶水文地質(zhì)特點，從而地下洞室的巖溶滲、涌水控制措施也有所不同。隔水層的存在會隔斷相鄰地段的水力聯(lián)系，減少巖溶滲、涌水量，地下洞室防滲帷幕宜與隔水層搭接。橫向河谷，順層發(fā)育的巖溶垂直河流，地下洞室滲控措施以阻隔內(nèi)側(cè)巖溶水和外側(cè)河（庫）水倒灌為主；縱向河谷，在河流裂點附近可形成縱向巖溶管道，滲控措施重點在于防范上、下游的庫水、河水倒灌。結(jié)合思林水電站地下廠房防滲及排水系統(tǒng)的布置，闡述不同巖溶水文地質(zhì)結(jié)構的滲流控制措施及排水防滲的原則，對不同地質(zhì)結(jié)構的地下洞室滲流防控有一定的借鑒意義。陜西水利

[1]蘇維詞.貴州喀斯特山區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性及其生態(tài)整治 [J].中國環(huán)境科學，2000，(06)：547-551.

[2]吳述彧.索風營水電站水庫巖溶滲漏分析及防滲處理建議[J].貴州水力發(fā)電，2002(3)：19-23.

[3]吳述彧.思林水電站壩區(qū)巖溶水文地質(zhì)特點及處理建議 [J].貴州水力發(fā)電,，2005,19(1)：20-24.

[4]范開平.彭水水電站地下廠房大型復雜巖溶處理技術[J].人民長江，2011.12.

[5]馬顯光.魯布革水電站地下廠房巖溶防滲處理[J].工程地質(zhì)學報，2004.12.

[6]彭土標等.水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國水利水電出版社,2011.