平寨水庫(kù)右岸KS7巖溶管道發(fā)育特征及對(duì)建筑物的影響分析

武興亮，劉子金，潘長(zhǎng)貴

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002)

平寨水庫(kù)右岸KS7巖溶管道發(fā)育特征及對(duì)建筑物的影響分析

武興亮，劉子金，潘長(zhǎng)貴

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002)

平寨水庫(kù)右岸KS7巖溶管道穿越庫(kù)首右岸多條隧洞建筑物，前期勘察和施工期對(duì)其進(jìn)行了大量的工程地質(zhì)研究工作,基本查明該管道的分布特征,為分析該巖溶系統(tǒng)以及溶洞的處理提供了真實(shí)、可靠的地質(zhì)依據(jù)。通過(guò)對(duì)KS7巖溶系統(tǒng)發(fā)育特征的分析,初步闡述其對(duì)右岸隧洞建筑物在施工期、運(yùn)行期等方面可能產(chǎn)生的不利影響,對(duì)于指導(dǎo)類似工程的實(shí)施具有重要意義。

平寨水庫(kù)；巖溶管道；隧洞建筑物；影響分析

平寨水庫(kù)位于貴州省西部，屬烏江南源三岔河中上游，處在六枝特區(qū)馬場(chǎng)鎮(zhèn)與織金縣雞場(chǎng)鎮(zhèn)的交界河段，為黔中水利樞紐一期水源工程，壩型為面板堆石壩，壩高157.5 m，水庫(kù)正常蓄水位1331 m時(shí)，相應(yīng)庫(kù)容11.89億m3，屬大(1)型水利樞紐工程[1]。

庫(kù)首區(qū)主要分布三疊系永寧鎮(zhèn)組(T1yn)碳酸鹽巖，地表巖溶發(fā)育，主要發(fā)育大型洼地、落水洞以及豎井等。庫(kù)首區(qū)右岸僅發(fā)育1條主要巖溶管道系統(tǒng)，根據(jù)庫(kù)壩區(qū)泉點(diǎn)編號(hào)，現(xiàn)狀條件下，該系統(tǒng)出口泉點(diǎn)編號(hào)為KS7，進(jìn)口洼地被當(dāng)?shù)胤Q為“爛田壩”，因此，該巖溶管道系統(tǒng)叫KS7巖溶管道，也叫爛田壩巖溶管道。

1 地質(zhì)簡(jiǎn)述

1.1 地形地貌

壩區(qū)屬貴州省西部丘原盆地，KS7巖溶管道順右岸爛田壩槽谷發(fā)育，地表高程1365～1380 m，槽谷延伸方向NE47°，南西方向被分水嶺阻隔，地表分水嶺埡口高程為1420 m，北東方向敞開(kāi)，與右壩肩剝夷面形成一體。槽谷與兩側(cè)山體相對(duì)高差一般約170 m，最高約230 m。

1.2 地層巖性

巖溶管道沿線巖性主要為：①永寧鎮(zhèn)組第四段(T1yn4)，深灰色薄至中厚層白云巖夾灰質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖、角礫狀白云巖等，厚度大于40 m；②灰色薄至中厚層狀的灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾泥質(zhì)白云巖，厚155 m；③T1yn2灰色薄至中厚層泥質(zhì)灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖夾灰?guī)r，厚度80～120 m。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

KS7巖溶管道的北東和南西側(cè)分別發(fā)育雞場(chǎng)背斜和三塘向斜，褶皺軸線方向與槽谷方向基本一致，距槽谷中心線距離分別為400 m和750 m。

三塘向斜軸線方向延伸長(zhǎng)約15 km，呈EW向展布，壩區(qū)核部出露的地層為T1yn3中厚至厚層灰?guī)r，南翼傾角20°～25°，北翼在河流右岸巖層受F3斷層的影響，傾角變陡，傾角約45°。

雞場(chǎng)背斜軸線方向延伸長(zhǎng)約6 km，與該段河流流向交角約60°，核部出露的地層在河床及兩岸為T1yn1中厚層灰?guī)r，上游為北翼，巖層傾向上游偏右岸，傾角谷底陡∠48°～54°，向上游及高處逐漸變緩；下游為背斜的南翼，巖層傾向下游偏左岸，傾角14°～25°，為傾斜褶皺。

1.4 巖溶發(fā)育

庫(kù)首區(qū)分布可溶巖地層有：T1yn3、T1yn1巖溶強(qiáng)發(fā)育，T1yn2巖溶發(fā)育較弱，地表較大型的巖溶形態(tài)主要為巖溶洼地、落水洞等。巖溶洼地主要分布于溢洪洞進(jìn)口明挖段，如W26號(hào)橢圓形巖溶洼地，洼地長(zhǎng)軸長(zhǎng)約300 m，短軸長(zhǎng)約200 m，洼地底部發(fā)育有K14落水洞，洞徑約5 m，溢洪洞穿過(guò)此巖溶洼地段長(zhǎng)約60 m。此外，隧洞東部至小馬場(chǎng)槽谷底部(爛田壩巖溶管道系統(tǒng)一帶)發(fā)育洼地有W26、W27和W28，洼地底部高程分別為1339.2 m、1375 m和1379.5 m，洼地長(zhǎng)軸方向均為NE向。

1.5 水文地質(zhì)

庫(kù)首右岸純碳酸鹽巖單斜構(gòu)造，隔水層夾持在透水層之間，呈條帶狀分布，巖性對(duì)地下水徑流起著主要的控制作用[2]。巖體透水性主要取決于巖體的完整性和巖溶化程度，巖體的巖溶化程度在不同巖組，或同一巖組不同地貌部位截然不同。所以，巖體透水性在不同巖組、不同地段也會(huì)差別很大。根據(jù)本巖溶地區(qū)的這一水文地質(zhì)特點(diǎn)，含水介質(zhì)可分為管道性(包括溶洞)和裂隙性兩大類。裂隙性介質(zhì)主要賦存裂隙水，地下水徑流形式為分散滲流，在分散滲流地帶往往形成高水位區(qū)，并且具有基本統(tǒng)一的潛水面；管道性介質(zhì)其地下水徑流形式為脈狀及管道水匯流，地下水徑流量大，除部分孤立管道之外，不具備統(tǒng)一的地下水面。根據(jù)壩址區(qū)巖溶水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)將可溶巖組劃分為以下4個(gè)含水巖組和2個(gè)相對(duì)隔水層巖組，即T1yn4、T1yn3、T1yn2-4、T1yn2-2含水巖組， T1yn2-3、T1yn2-1相對(duì)隔水層巖組。

地下水位高程位于1185～1200 m之間，谷坡中T1yn3、T1yn4巖溶含水層中，未見(jiàn)泉水出露水，除KS7巖溶管道明流入伏補(bǔ)給外，沿線徑流區(qū)接受地表洼地落水洞垂向補(bǔ)給，岸坡巖溶含水層主要位于垂直滲流帶。

2 巖溶管道分布特征及發(fā)育復(fù)雜性

2.1 巖溶管道系統(tǒng)分布特征

根據(jù)前期勘察及施工階段開(kāi)挖揭露，庫(kù)首右岸發(fā)育的KS7巖溶管道，管道進(jìn)口位于爛田壩槽谷底部一帶，多個(gè)落水洞與該巖溶管道連為一體，形成串珠狀。落水洞口地表高程一般為1375～1380 m，進(jìn)口地帶地表集水面積約1.89 km2，近壩右岸的斜坡及平臺(tái)通過(guò)溢洪道進(jìn)口洼地補(bǔ)給該巖溶管道系統(tǒng)，地表集水面積約0.21 km2。前期勘察工作中，經(jīng)示蹤試驗(yàn)證實(shí)，巖溶管道系統(tǒng)出口有兩處，主管道出口位于壩址上游約800 m的右岸KS7泉點(diǎn)，泉點(diǎn)高程1199.0 m，流量為0～400 L/s，進(jìn)出口管道長(zhǎng)約2.38 km，平均比降為7.5%；分支管道出口位于大壩趾板右岸坡與水平段交接位置附近的KS7+，泉點(diǎn)高程1190 m，流量1～2 L/s，管道長(zhǎng)約2.35 km，平均比降為8.0%，分布如圖1所示。

2.2 巖溶管道發(fā)育的復(fù)雜性

2.2.1 建筑物的布置

根據(jù)庫(kù)首區(qū)的地形地質(zhì)條件，隧洞建筑物主要集中布置在右岸，布置的隧洞共8條，底板高程從高到低排列為開(kāi)敞式溢洪道、發(fā)電引水隧洞、泄洪放空洞、低部位放空洞、導(dǎo)流洞，另外還布置3層帷幕灌漿平洞。

2.2.2 巖溶管道發(fā)育的復(fù)雜性

通過(guò)前期大量的勘察、試驗(yàn)及建筑物開(kāi)挖揭露，平寨水庫(kù)庫(kù)首區(qū)存在多層巖溶含透水層分布，淺層溶洞、深部巖溶與巖溶管道交叉連通，管道水隨季節(jié)交替存在較大的變化[3]，管道自身空間分布形態(tài)褶曲多變，在庫(kù)首右岸穿越多個(gè)建筑物，如圖1所示。

從庫(kù)首區(qū)地形條件分析，地表水接受爛田壩槽谷匯聚作用，下滲至巖溶管道，集中向三岔河排泄。隨著河道的下切，巖溶管道排泄口高程也逐漸趨于河水面高程，在長(zhǎng)期地下水作用下，近岸坡形成強(qiáng)巖溶地帶,巖溶管道主要表現(xiàn)為進(jìn)口最高高程為1380 m，出口最低高程為1190 m，高差近200 m。

從地層巖性、產(chǎn)狀等地質(zhì)條件分析，近壩區(qū)地表為T1yn3中厚層灰?guī)r，下伏地層T1yn2泥巖夾灰?guī)r，T1yn2地層為相對(duì)隔水層，巖層傾上游偏右岸，傾角20°～50°，地下水下滲過(guò)程中受泥巖的阻隔，在兩套地層接觸帶頻繁活動(dòng)。因此，在接觸帶附近的T1yn3地層中發(fā)育較多的溶洞，且溶洞多順層發(fā)育，在卸荷裂隙溶蝕的影響下，切層溶蝕寬縫與順層溶洞逐漸匯通連接，地表水暢通入滲后，巖溶進(jìn)一步加強(qiáng)，溶洞加大，通道變暢。根據(jù)各建筑物開(kāi)挖揭露的溶洞發(fā)育高程，結(jié)合前期勘察資料鉆孔掉鉆高程，以及地表落水洞和泉點(diǎn)的分布，綜合分析得出：右岸近壩區(qū)溶洞多呈互通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，各溶洞直接或通過(guò)溶蝕裂隙間接與KS7巖溶管道連通，地表降雨經(jīng)溶洞及裂隙匯聚至該巖溶管道，溶洞統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖1 KS7巖溶管道系統(tǒng)與建筑物分布相對(duì)位置圖

建筑物名稱樁號(hào)或位置高程/m發(fā)育地層備注導(dǎo)流隧洞K0+12511947T1yn3K0+18511960T1yn3K0+30511880T1yn3K0+409～K0+41511975T1yn3低部位放空洞K0+291230～1240T1yn3K0+1101230～1238T1yn3泄洪放空洞K0+3351260以下T1yn3工作閘室1290～1300T1yn3引水發(fā)電隧洞K0+080～K0+1301278～1341T1yn3K0+3154-K0+3301177～1260T1yn1-2開(kāi)敞式溢洪洞K0+1801298～1300T1yn3K0+287～K0+3141283～1305T1yn3底部發(fā)育高程可能還要低右岸灌漿平洞YPD1K0+0551278～1341T1yn3YPD2K0+1101278～1341T1yn3YPD3K0+1021226以下T1yn3

隨著河流的下切，高程較低的地下水排泄系統(tǒng)逐漸襲奪上層巖溶管道系統(tǒng)，上層巖溶管道系統(tǒng)在長(zhǎng)期沒(méi)有水流沖刷條件下，充填物逐漸堆積充填溶洞，而巖溶管道出口也逐步被新的地下水排泄口所代替，最終出口與最低排泄基準(zhǔn)面一致，因而形成多層巖溶管道。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，庫(kù)首右岸巖溶分支管道目前可分三層，最高一層出口高程約1270 m(目前地表未發(fā)現(xiàn)明顯出口)；第二層出口高程約1220 m，地表溶洞口干凈，無(wú)溶洞充填物；最低層出口為泉點(diǎn)KS7+，高程約1190 m，前期連通試驗(yàn)已證明該泉點(diǎn)與爛田壩巖溶管道系統(tǒng)連通，如圖2所示。

圖2 KS7巖溶管道系統(tǒng)與各建筑物的布置關(guān)系剖面圖

3 建筑物影響分析

3.1 施工期影響

從導(dǎo)流洞開(kāi)始，2010—2013年期間主要為隧洞開(kāi)挖時(shí)間段，先后揭露KS7巖溶管道及與之相連的溶洞，施工期的影響主要體現(xiàn)在巖溶管道水以及溶洞充填物工程地質(zhì)條件較差帶來(lái)的洞室穩(wěn)定和安全問(wèn)題。

汛期暴雨時(shí)，巖溶管道水急劇增加，2010年導(dǎo)流洞開(kāi)挖時(shí)，在0+125、0+185右側(cè)壁揭露巖溶管道，暴雨最大涌水量達(dá)200 L/s，綜合水量達(dá)1000 L/s以上，大量水流涌向河床，使得洞口的臨時(shí)圍堰坡口，一周無(wú)法施工。2013年汛期暴雨時(shí)，泄洪放空洞樁號(hào)0+330處溶洞出現(xiàn)大量涌水，流量最大達(dá)800 L/s，同時(shí)第三層灌漿平洞樁號(hào)K0+102處也出現(xiàn)了涌水，相應(yīng)的施工面無(wú)法施工；開(kāi)敞式溢洪洞混凝土澆筑時(shí)，右岸帷幕已基本形成，導(dǎo)流洞開(kāi)始運(yùn)行，泄洪放空洞固結(jié)灌漿基本完成，管道被灌漿封堵，原通暢管道被回填，變得不通暢或封堵，暴雨時(shí)，大量水從底板涌出，影響混凝土的澆筑。

發(fā)電引水隧洞開(kāi)挖斷面8.1 m，上平段樁號(hào)k0+080～k0+130段發(fā)育規(guī)模較大的溶洞，洞內(nèi)充填物主要為軟塑狀黏土夾塊石，隧洞開(kāi)挖時(shí)，圍巖自身穩(wěn)定性差，采用管棚加鋼支撐，短進(jìn)尺掘進(jìn)，施工進(jìn)度緩慢。

3.2 運(yùn)行期影響

通過(guò)對(duì)溶洞的回填處理、建筑物結(jié)構(gòu)的襯砌、圍巖的固結(jié)灌漿，以及施工震動(dòng)干擾等，改變了KS7巖溶管道原有的補(bǔ)、排、徑條件，特別是造成原有的排泄通道變得不暢通或封堵，巖溶管道水可能滯留，汛期暴雨時(shí)，可能造成巖溶管道與建筑物交叉處水壓力過(guò)高而破壞襯砌混凝土，以及巖溶管道進(jìn)口洼地產(chǎn)生內(nèi)澇等。

洞室開(kāi)挖揭露出汛期溶洞滲水、涌水現(xiàn)象，進(jìn)一步證實(shí)了KS7巖溶管道與各洞室建筑物的交叉關(guān)系。汛期暴雨時(shí)，巖溶管道地下水因原排泄通道受阻迅速形成較高壓管道水。鑒于溶洞發(fā)育在空間上的復(fù)雜性，以及隧洞固結(jié)灌漿、溶洞封堵等施工質(zhì)量問(wèn)題，高壓水可能直接作用在隧洞襯砌混凝土結(jié)構(gòu)上，當(dāng)結(jié)構(gòu)混凝土無(wú)法承受高壓時(shí)，發(fā)生開(kāi)裂，這就帶來(lái)隧洞建筑物的破壞以及水庫(kù)滲漏，嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅主要建筑物的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)?shù)貛r溶地下水受阻，不能及時(shí)排泄時(shí)，巖溶管道進(jìn)口洼地可能形成內(nèi)澇，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)澇可能影響附近農(nóng)作物的生長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)影響附近村民的安全，易引發(fā)矛盾糾紛，對(duì)水庫(kù)運(yùn)行存在影響。

4 結(jié) 論

我國(guó)西南山區(qū)，巖溶發(fā)育千姿百態(tài)，空間分布極其復(fù)雜，巖溶管道成了地下水運(yùn)移的大動(dòng)脈，對(duì)水利水電工程建設(shè)帶來(lái)了不少難題，既影響到水庫(kù)的成庫(kù)條件，也影響工程地質(zhì)安全。分析和研究巖溶管道發(fā)育規(guī)律和特征，對(duì)水利水電工程建設(shè)尤為重要。由于巖溶的復(fù)雜性和發(fā)育規(guī)律的多樣性，巖溶管道發(fā)育沒(méi)有一成不變的，需要更多的去發(fā)現(xiàn)和分析，結(jié)合建筑物的特點(diǎn)，找出更合適的方法去處理。

[1] 袁代江，武興亮，劉子金，等.黔中水利樞紐一期工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].貴陽(yáng)：貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2009.

[2] 王大純，張人權(quán)， 史毅虹，等. 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：地質(zhì)出版社,1990.

[3] 鄒成杰.水利水電巖溶工程地質(zhì)[M].北京：水利電力出版社，1994.

武興亮(1978-)，男，貴州江口人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電水文地質(zhì)與工程地質(zhì)勘察工作。E-mail:7472702@qq.com。

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