大藤峽水利樞紐巖溶工程地質問題研究與實踐

于景宗，史海燕，楊瑞剛

(中水東北勘測設計研究有限責任公司，長春 130021)

1 概 況

大藤峽水利樞紐位于珠江流域西江干流黔江河段峽谷出口下游，大瑤山和桂平溶蝕平原交接處，水庫正常蓄水位61m，庫容約28億方，裝機容量1600MW。樞紐建筑物主要由黔江主壩、黔江副壩、南木江副壩、兩岸廠房、通航建筑物等組成。

由于工期緊張和占地等原因左岸可溶巖區(qū)勘察工作受到了一定影響，部分勘察工作直至開工后尚未進行。在巖溶調查的時候發(fā)現(xiàn)周邊10-20km范圍內同一地層有多處灰?guī)r負開采料場且部分料場緊鄰江邊，開采深度30-40km，巖溶發(fā)育相對較弱，巖溶涌水量不大。在類比大藤峽樞紐區(qū)巖溶發(fā)育程度時，產生了一定的誤導，雖認為樞紐區(qū)位于可溶巖和非可溶巖交接部位巖溶發(fā)育要相對強烈，但認識仍是不足[1]。

2 水文地質條件

大藤峽水利樞紐地處亞熱帶季風氣候區(qū)，雨水充沛，流域多年平均降雨量1600-1800mm。大瑤山地層由寒武系和泥盆系組成，巖性主要為砂巖、泥巖，接受大量降雨入滲形成地下水，是樞紐區(qū)地下水的主要補給來源。第四系松散層中主要為潛水，局部黏土層厚，有微承壓的特點。巖溶裂隙溶洞水主要運移于巖溶管道內，水位較穩(wěn)定，淺表巖溶發(fā)育區(qū)以潛水為主，深部巖溶管道為承壓水。巖溶管道規(guī)模不均一，屬于溶隙串聯(lián)溶洞，地下水運動復雜。

工程建設前地下水埋深約10-15m，枯水期和汛期水位變化較大，長期觀測孔地下水位與江水位變幅趨勢一致，說明工程區(qū)地下水位與江水位關聯(lián)性強、連通性好。船閘基坑開挖后，地下水最大降深達35m，使船閘周圍地下水降幅較大，地下水動力條件變強，加大了水力比降和流速，形成以船閘基坑為中心的地下水降落漏斗[2]。

3 巖溶發(fā)育特征

3.1 可溶巖的分布

樞紐區(qū)可溶巖地層主要為泥盆系郁江階下段(D1y1)和中段(D1y2)地層，巖性主要為灰?guī)r、白云巖和少量的泥質灰?guī)r，地表覆蓋層厚，僅在江邊有小面積基巖出露。其中灰?guī)r、白云巖溶蝕強烈，可見的溶蝕現(xiàn)象有溶洞、溶溝、溶牙及蜂窩狀溶孔。左岸船閘及下引航道、廠房尾水渠、左岸消力池下游部分均位于可溶巖區(qū)。

3.2 構造對巖溶發(fā)育的控性

由于可溶巖區(qū)覆蓋層厚，地面可見的巖溶現(xiàn)象較少，從地表沖溝的分布情況可以看出，沖溝多為NW向；船閘基坑開挖降水受施工影響地表發(fā)生多處塌陷，塌陷坑的多呈線狀分布，走向亦為NW向。沖溝和塌陷坑的分布與NW向構造關系密切，一定程度上受該構造控制。

3.3 不均勻性

通過工程區(qū)的開挖揭露可以看出，巖溶發(fā)育是不均勻的，在構造和地下水活動的地方巖石溶蝕強烈，在構造不發(fā)育和地下水活動弱的地方巖體溶蝕不發(fā)育，在一個小的巖溶通道上，是溶隙與溶洞串聯(lián)，溶蝕的發(fā)育規(guī)模相差較大。巖溶的不均勻性主要受地下水活動和構造的影響，但常被地表水侵蝕的可溶巖地區(qū)表層巖溶發(fā)育較均勻[3]。

3.4 巖溶發(fā)育的成層性

可溶巖基巖面起伏大，高程一般15-30m，船閘基坑開挖揭露的基巖面陡起陡降，溝槽發(fā)育。高程5m以上為強烈溶蝕帶，溶溝、溶槽、溶洞發(fā)育，多充填黏土、卵石混合土等，規(guī)模相對較大；高程5m--10m為弱溶蝕上帶，發(fā)育溶隙、溶洞和少量切割較深的溶槽,多充填黏土，少部分無充填；高程-10--30m為弱溶蝕下帶，發(fā)育溶隙和少量小規(guī)模溶洞,多無充填。

4 巖溶涌水

4.1 基坑開挖涌水情況

船閘基坑開挖至基巖面時開始出現(xiàn)涌水點，涌水量0.15m3/s；隨開挖高程下降出現(xiàn)的涌水點增多，開挖高程至2m時主要的涌水點有4個，分布在船閘左側，涌水量約0.80m3/s，汛期最大涌水量約1.20m3/s；開挖到設計建基面高程-5m--2m時，出現(xiàn)涌水點21個，多分布在下閘首，涌水量穩(wěn)定在2.0m3/s。

4.2 集中滲漏通道分析

發(fā)現(xiàn)的21個涌水點均為承壓水，主要來源為深部巖溶水和倒灌的黔江水。對涌水點進行水溫監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，3#、4#、15#、16#、21#涌水點水溫較高恒定在23.5-24℃之間，不隨外部環(huán)境溫度變化而變化，說明這5個涌水點地下水為來自深部的巖溶水。其他涌水點水溫較低，隨黔江水溫變化，高出黔江水溫1℃左右，可以推斷該部分水來自于黔江。

溶洞和溶隙部位地下水以涌水點的形式集中出露，說明地下水的賦存、運移主要在巖溶裂隙和管道中。通過對地下水位長期觀測資料和地下水等水位圖分析，可以發(fā)現(xiàn)船閘基坑附近處在5個地下水位低槽，在綜合構造、巖溶塌陷、巖溶洼地等巖溶現(xiàn)象，可推斷出5條地下水的集中運移通道。

4.3 巖溶涌水處理措施

巖溶涌水處理主要采用了3種方法，即排、堵、防。集中抽排，在船閘基坑設置集水井，采用固定泵站和浮動式泵站相結合的方式，對涌水進行集中抽排；封堵，在船閘周邊結合圍堰防滲設置擋水帷幕，對地下水集中滲流通道、涌水點通過灌漿、混凝土回填等手段進行封堵；防止地表水直接流入基坑，基坑周邊開挖截水溝，將降雨形成的地表水直接排走，對周邊的池塘、積水坑、塌陷坑進行引排、回填、封堵，減少、截斷地表水匯入通道[4-5]。

5 建基面選擇及缺陷處理

5.1 建基面選擇

大藤峽船閘為國內最大的單級船閘，建基面選擇主要考慮2個方面因素：①巖體完整程度要求達到較完整巖體，即巖體波速>4.2km/s；②巖體溶蝕程度不高于弱溶蝕，鉆孔統(tǒng)計的線巖溶率應<10%，面溶蝕率<10%。

前期勘察通過鉆孔巖心和巖體波速確定的建基面高程為0-2m，基坑開挖后通過物探聲波測試、探地雷達、電磁波CT探測和地質編錄揭示船閘巖溶發(fā)育程度存在差異，閘室樁號0-183m上游側溶蝕相對較強，建基高程最終確定為-5m，下游側建基高程確定為1.45m。保證了上、下閘首建基于弱溶蝕的下部，閘室建基于弱溶蝕的中上部。由此可以看出前期勘察工作存在不足，若前期勘察能多布置一些物探孔間CT探測和豎井，對巖溶發(fā)育程度和規(guī)律的認識將更清晰，提供更可靠的設計依據(jù)。

5.2 缺陷處理

建基面揭露了4條溶槽、3條溶溝和18個溶洞，對發(fā)育深度較淺的溶溝和部分溶槽、溶洞進行挖除并回填混凝土處理；對發(fā)育較深的溶槽、溶洞在底部鋪設鋼筋網采用混凝土塞進行處理；對發(fā)育較深且寬度較大的溶槽采用鋼筋混凝土厚板跨蓋處理；對溶隙、裂隙發(fā)育的較破碎巖體、破碎巖體進行固結灌漿加固處理。

6 巖溶塌陷機理分析及分區(qū)評價

巖溶塌陷的形成條件主要是巖溶化與巖溶發(fā)育地層、上覆土層、地下水活動、誘發(fā)因素(降雨、振動、抽水等)這幾個方面。巖溶地面塌陷的發(fā)生，實質上是土洞(或巖洞)的抗塌力小于致塌力的結果。致塌力有洞頂巖土體的自重力，地下水的滲透壓力、荷載力、振動力和氣體負壓力等?？顾χ饕袔r土體的內聚力，摩擦力和地下水浮力等。地面塌陷的形成過程，實際上就是土洞(或溶洞)的形成發(fā)展及破壞過程。由于致塌力和抗塌力的多樣性和復雜性，導致巖溶地面塌陷的機理十分復雜。對一個具體塌陷而言，不可能同時受到上述所有力作用，也很少是單一機制形成。大藤峽工程樞紐可溶巖區(qū)發(fā)生10多處地面塌陷，分析原因主要有3類：①船閘防滲帷幕施工，潛孔錘造孔時氣壓達2MPa，使地下水變動劇烈，土洞空腔內壓力變幅大，致使土洞發(fā)生、發(fā)展形成地表塌陷；②施工開挖，使黏土層變薄，土層的抗塌性變弱，基坑降水使地下水位下降，浮托力喪失，且地表水入滲產生破壞，加之工程活動帶來的爆破震動等綜合因素導致塌陷；③船閘降水巖溶管道內充填物被水加速帶走，開始地表出現(xiàn)凹陷、裂縫，范圍慢慢擴大最終形成塌陷，這類塌陷一般過程相對較長。

巖溶塌陷環(huán)境是非常復雜的系統(tǒng)環(huán)境，其影響因素眾多而且往往是多種效應的組合疊加，各因素的影響和作用大小不同，且具有很強的不確定性。因此，巖溶塌陷評價是一項復雜的系統(tǒng)工程，必要遵循綜合性、客觀性、重要性、類比性和實用性原則。根據(jù)各種影響因素的不同，巖溶塌陷發(fā)育的歷史、規(guī)模和活躍程度，對巖溶塌陷的現(xiàn)狀評估，將評價區(qū)劃分為不易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)共4個塊段，其中不易發(fā)區(qū)占18%，低易發(fā)區(qū)占38%，中等易發(fā)區(qū)占34%，高易發(fā)區(qū)占10%。根據(jù)不同的分區(qū)采取不同的工程措施，高易發(fā)區(qū)進行監(jiān)測，及時進行數(shù)據(jù)分析，盡量不進行工程活動；中等易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)進行定期觀測，減少工程活動干擾；低易發(fā)區(qū)可正常進行工程活動。

7 體會和認識

1)可溶巖區(qū)勘察應充分認識到他的復雜性和困難性，勘探方法的選擇應多樣化，物探孔間CT探測在大藤峽得到了很好的應用，對判斷巖溶發(fā)育程度起到了重要作用。

2)基坑涌水處理擋水帷幕和排水設計一般都比較重視，往往容易忽略對基坑周圍的截水溝，雖設置了截水溝但不能有效的防止地表水直接涌入。

3)工程施工對大藤峽樞紐區(qū)巖溶塌陷起到了決定作用，可以說沒有工程施工影響就不會發(fā)生巖溶塌陷，因此應重視工程施工對地質環(huán)境造成的改變，進而引起的一些地質災害。

4)重視開施工期的編錄和分析工作，及時預見地質條件的變化，為避免地質災害的發(fā)生和設計方案的調整提供依據(jù)。