構皮灘水電站泄洪隧洞區工程地質研究及洞線選擇

向能武，劉春艷，謝建波

(1.長江巖土工程總公司地質公司，湖北武漢 430010;2.廣東省地質局七零六地質隊，廣東韶關 512028)

構皮灘水電站泄洪隧洞區工程地質研究及洞線選擇

向能武1，劉春艷2，謝建波1

(1.長江巖土工程總公司地質公司，湖北武漢 430010;2.廣東省地質局七零六地質隊，廣東韶關 512028)

構皮灘水電站泄洪洞工程位于碳酸鹽巖地區，通過前期大量的工程地質勘察研究，查明了工程區工程地質條件與主要地質問題。在洞線選擇過程中，各建筑物最大限度地避開了主要地質缺陷，并對可能出現的問題進行了預處理。泄洪洞工程的成功實踐是地質與設計有機結合的典范，對工程建設具有借鑒作用。

泄洪洞工程;巖溶;地質研究;洞線選擇;構皮灘水電站

0 引言

構皮灘水電站泄洪洞為輔助泄洪工程，布置在烏江左岸，進水口采用岸塔式結構，其后為長220.6 m的圓形有壓隧洞，洞徑12 m;過工作閘門室后為無壓隧洞，采用坡度i=0.206 3的陡槽式直坡與出口明渠段相接，無壓隧洞為城門洞型，斷面尺寸10 m×15 m;出口采用挑流消能型式。隧洞全長434.58 m，出口明渠及挑流鼻坎長144.7 m。隧洞進、出口底板高程分別為550 m、503.8 m，挑流鼻坎基礎最低高程為485 m。

1 前期勘察成果

1.1 工程地質條件［1］

工程區地勢西高東低，可分為上游峽谷段與下游寬谷段。上游為硬巖形成的“V”形峽谷，岸坡陡峻，臨江峰頂高程744～930 m;下游為碎屑巖形成的寬谷區，總體為向烏江傾斜的寬緩斜坡，原始地形坡度一般為25°～36°，斜坡較順直完整。

自上游至下游依次為P2w1－1—O1m1各層，其中石炭系、泥盆系及志留系上統缺失。P2w1－1—P1q1層主要為中厚—厚層生物碎屑灰巖，以堅硬巖為主，局部為中硬巖，P2w1－1底部為厚3～5 m 的粘土巖及0.5～1 m的透鏡狀劣煤層，P1m2－1底部為厚3.5～4.5 m 的Ⅲ01夾層組;P1L—O1m1層則主要為粘土巖、鈣泥質粉砂巖及頁巖等碎屑巖，分布于下游寬谷段。碎屑巖抗風化能力弱，強風化厚度一般為15～20 m。巖層走向29°～40°，傾向 NW，傾角 45°～55°。

斷層、層間錯動及裂隙為區內主要構造形跡。沿線未見規模較大的斷層發育，主要為NW與NWW向中、陡傾角裂隙性斷層，多由方解石膠結的角礫巖組成，沿斷層局部溶蝕較強。規模較大的層間錯動主要有 Fb115、Fb54、Fb81、Fb93、Fb88、Fb82、Fb112、Fb113、Fb114、Fb86、Fb91、Fb92，沿層間錯動大多性狀較差，風化溶蝕較強烈，其中在P1m層發育的層間錯動普遍具溶蝕，局部發育有縫狀溶洞，如 Fb91、Fb92、Fb82、Fb112、Fb113等。裂隙主要發育有 4 組，以走向 275°～300°、301°～330°兩組為主，走向331°～350°、20°～40°兩組次之，多為陡傾角，緩傾角裂隙不發育，裂隙平均線密度1～3條/m，長度一般0.8～3 m，寬度2～20 mm，以新鮮方解石充填為主，部分溶蝕夾泥。在岸坡卸荷帶以及規模較大的斷層、層間錯動附近，裂隙發育較密集且規模較大，普遍具溶蝕。

工程區以碳酸鹽類巖石為主，發育有5號、7號巖溶系統的溶洞。進口段及進口建筑物區位于P1m2－3層頂部的古侵蝕—強溶蝕帶內，為5號巖溶系統主要發育部位，帶內巖溶發育;在P1m1層發育有7號巖溶系統的溶洞，規模一般較小。

1.2 主要地質問題

工程區主要地質問題有巖溶、層間錯動、NW與NWW向斷裂、軟弱夾層、強風化巖體以及谷坡巖體卸荷等。

(1)巖溶 工程區巖溶較集中發育于P1m2－3頂部的古侵蝕—強溶蝕帶內、Ⅲ01夾層組及 Fb91、Fb92、Fb112、Fb113、Fb82等層間錯動附近。其中進口區位于古侵蝕—強溶蝕帶內，發育5號巖溶系統的分支溶洞，KD21溶洞呈豎井狀，規模相對較大，其余均為規模不大的縫狀溶洞;P1m1層發育7號巖溶系統的溶洞，規模一般較小。巖溶對洞室圍巖、邊坡及地基等的穩定均有影響。

(2)層間錯動 在P1m層發育的層間錯動構造巖多為角礫巖，且多具溶蝕夾泥現象，局部發育縫狀溶洞，為巖溶發育的主要控制因素，其中Fb91、Fb92為5號巖溶系統主要發育部位，Fb112、Fb113、Fb114、Fb82為 7 號巖溶系統主要發育部位;在P1q層發育的層間錯動多為片狀構造巖，擠壓揉皺強烈。層間錯動對邊坡與洞室穩定有一定影響。

(3)NW與NWW向斷裂 NWW及NW向裂隙性斷層主要發育于進出口區，多溶蝕夾泥。區內NW、NWW向裂隙約占總數的62%，大多為中、陡傾角裂隙，在隧洞進、出口段及規模較大的斷層、層間錯動附近，裂隙發育較密集，且規模相對較大，溶蝕強烈。NW與NWW向斷裂對邊坡與洞室穩定有一定影響。

(4)軟弱夾層 規模相對較大的軟弱夾層主要有兩條，P2w1－1層底部厚3～5 m 的粘土巖及0.5～1 m的透鏡狀劣煤層和 P1m2－1層底部厚 3.5～4.5 m 的Ⅲ01夾層組。其中P2w1－1層底部的粘土巖與劣煤層巖質軟弱，順層擠壓破碎，強風化呈土狀，受粘土巖相對隔水影響，粘土巖所有附近的碳酸鹽巖溶蝕一般較強，形成寬約10～20 m的強溶蝕帶。Ⅲ01夾層組分布連續，呈強風化狀，巖體破碎，性狀較差，頂、底部泥化層多呈軟塑—流塑狀。此外，P1m2－1層下部及 P1m2－3層中、上部還分布有厚度不大的炭、泥質灰巖、頁巖等軟弱夾層，一般分布不連續。軟弱夾層對邊坡及洞室圍巖穩定有較大影響，對進口區洞線布置有較大影響。

(5)強風化巖體 強風化巖體主要分布在軟質巖段(S2h1～O1m1層)挑流鼻坎與導流洞交匯部位。粘土巖、砂頁巖等抗風化能力弱，強風化巖體厚度一般15～20 m，P1L、S1L層具相對隔水性能，沿不同巖性接觸帶地下水活動較強，粉砂巖、粘土巖強風化深度相對較大。2號導流洞出口邊坡上游側殘留有面積較大的強風化破碎巖體，在導流洞開挖過程中曾產生過垮塌，而挑流鼻坎段的開挖是在垮塌部位第二次開挖而成。強風化巖體對邊坡穩定有較大影響。

(6)谷坡巖體卸荷 隧洞處于峽谷區，谷坡巖體卸荷作用明顯，進、出口斜坡強卸荷帶水平深(寬)度一般15～25 m，弱卸荷帶可達60 m。強卸荷帶巖體中裂隙發育且規模較大，溶蝕較強烈，局部卸荷裂隙密集發育，屬完整性差或極差的巖體。巖體卸荷對邊坡及洞室圍巖的穩定均有一定影響。

2 洞線選擇

為了最大限度地減少主要地質問題對工程的影響，使建筑物更適應地形地質條件，采取了多線路比較設計，綜合分析地質條件、設計工況以及工程量等因素，選擇最合理的洞線以及隧洞進出口位置。具體如下：

(1)采用在有壓段轉彎的布置型式 如果采用無壓段布置型式，則應為直線布置，這樣進口位置應向山里側偏移較多，與第一級升船機的施工干擾較大，布置的范圍亦有限，同時無法避開P2w1－1底部的粘土巖夾層與P1m2－3層頂部的古侵蝕—強溶蝕帶。通過分析比較，設計采用了在有壓段轉彎的布置型式(圖1)，使邊坡、閘室及隧洞等建筑物完全避開P2w1－1底部的軟弱夾層，同時也避免了施工干擾。下游直線洞段位于新鮮完整的灰巖中，其洞向與巖層走向近正交，減少了NW、NWW結構面與層間錯動組合塊體的規模與數量，對圍巖穩定有利。圍巖穩定性普遍較好，除進出口段及Ⅲ01夾層組穩定條件較差外，其余以基本穩定的Ⅱ類圍巖為主，Ⅱ類圍巖占隧洞總長的70%左右。

圖1 泄洪隧洞洞線及簡易地質圖Fig.1 Simplified geological map of hole-line of spillway tunnel

(2)閘室地基的選擇 進口閘室地基應避開岸坡強卸荷與強溶蝕帶，選擇完整性好、地質缺陷不發育的巖體作為閘室地基，而且盡量減少邊坡開挖的工程量。該部位強溶蝕帶與強卸荷帶的水平深度約為40 m左右，選擇了水平深度45～65 m范圍內巖體作為閘室地基，能滿足上述要求。挑流鼻坎地基選擇應避開強風化巖體與深厚的第四系覆蓋層，選擇弱風化與微新風化的中硬巖作為地基，承載力能滿足要求(圖2)。

圖2 泄洪洞出口段軸線剖面圖Fig.2 Axis profile of exit section of spillway tunnel

(3)邊坡設計 進口邊坡設計呈喇叭口狀，下游側及正面邊坡為斜交順向坡，590 m高程以上邊坡位于強卸荷帶內，巖體工程地質條件較差，存在結構面組合的不穩定塊體;590 m高程以下為閘室直立墻，基本挖除了強卸荷帶，邊坡穩定性好。進口上游側邊坡合理避開了P2w1－1底部的粘土巖及劣煤層。

挑流鼻坎內側邊坡在2號導流洞出口邊坡部位第二次開挖而成，該部位邊坡早在2號導流洞開挖期間就出現過變形破壞，巖體風化破碎，穩定條件較差，為了避免二次開挖影響邊坡穩定，在開挖前考慮對其進行超前支護處理。

3 開挖揭示各主要建筑物工程地質條件［2］

(1)進口邊坡 泄洪洞進口邊坡主要由P1m2－3層厚層灰巖組成，正面坡與下游側坡為斜交順向坡，590 m高程以上邊坡位于岸坡強卸荷帶內，NW、NWW向長大裂隙較發育，并發育有Fb91、Fb92溶蝕夾泥的層間錯動，巖體完整性差，溶蝕程度亦較高，邊坡工程地質條件較差。共見兩個規模較大的不穩定塊體，均為層間錯動與NW向長大結構面組合形成的，體積分別為850 m3、2 000 m3。590 m高程以下為閘室直立墻，巖體較完整，穩定條件較好。上游側邊坡為斜交逆向坡，避開了P2w1－1底部的粘土巖及劣煤層，穩定條件相對較好。

(2)進口閘室地基 進口閘室地基巖體為P1m2－3層淺灰色中—厚層微晶生物碎屑灰巖。裂隙少量發育，以長大裂隙為主，多為陡傾角裂隙，大部分具溶蝕，線密度一般0.5條/m。溶洞為塔基主要地質缺陷，沿層間錯動發育一個規模較小的縫狀溶洞，深度不大，地震波資料顯示沒有淺埋溶洞發育。地基巖體為堅硬巖，巖體較完整，工程地質條件較好。進口閘室地基選擇恰到好處，如果向外側移則遇5號巖溶系統規模較大的溶洞，如果向內側移，則增加了邊坡開挖的工作量。

(3)泄洪隧洞 泄洪隧洞全長434.58 m，穿越P1m2、P1m1、P1q層，以堅硬巖為主，Ⅲ01夾層組風化、泥化較強，性狀差，為隧洞區主要地質缺陷。共揭露40個規模較小的溶洞，主要發育于Ⅲ01夾層組附近與Fb112、Fb113、Fb82層間錯動帶部位，以縫狀溶洞為主。斷裂以NW、NWW向中—陡傾角為主，共見17條，溶蝕較強;裂隙一般為新鮮方解石充填，溶蝕或局部裂隙僅15%左右，裂隙平均線密度1～3條/m。不穩定塊體規模較小，多發育于邊墻部位，以片狀塊體為主。圍巖工程地質條件普遍較好，以基本穩定的Ⅱ類為主，其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖分別占全洞長的 67%、28.4%、4.6%。

(4)出口建筑物 出口洞臉邊坡為P1q層灰巖組成，為逆向坡，發育有規模不大的不穩定塊體，早在第一次開挖后對邊坡進行了系統支護，對不穩定塊體已進行了隨機支護處理，邊坡穩定性較好。

出口明渠段主要為軟巖，開挖邊坡不高，處于穩定狀態，地基為微新巖體，承載力滿足要求。

挑流鼻坎地基范圍已挖除了強風化層，且避開了深厚的第四系覆蓋層，地基巖體主要為S1sh1層灰巖夾粉砂巖、S1L層粉砂巖與粘土巖等，巖體以弱風化為主，裂隙中等發育，多短小，巖體完整性中等—較完整。地基工程地質條件較好，無大的地質缺陷，巖體承載力能滿足要求。

挑流鼻坎內側邊坡巖體風化破碎，穩定條件較差，二次開挖前對其進行了超前支護處理，經處理后，邊坡在開挖過程中未出現變形破壞等現象，處于穩定狀態。

4 結語

(1)泄洪洞工程開挖揭示的地質條件與前期勘察成果一致，幾個主要地質問題及對工程影響的分析與實際相符合，各主要地質缺陷的分布位置、規模等預測基本正確，為洞線選擇與優化設計提供了可靠的地質資料。

(2)洞線選擇與各建筑物布置很好地適應了地形地質條件，最大限度地避開了地質缺陷，對局部地質條件較差部位預先均有相應處理方案，如進口邊坡不穩定塊體、Ⅲ01夾層組與挑流鼻坎強風化巖質邊坡等。在施工全過程中，沒有出現較大的設計變更，地質缺陷處理的工程量小，使工期得到了保障，并節約了工程投資，這些都得益于對地質條件清晰的認識。

(3)泄洪洞成功實踐說明了最優設計必須要有可靠而準確的地質勘察成果，兩者只有有機結合，才能得到優秀的設計產品，最終將會大大地節省工期與投資。

［1］龔大慶.烏江構皮灘水電站泄洪洞優化設計工程地質專題報告［R］.武漢：長江巖土工程總公司(武漢)，2006.

［2］向能武.烏江構皮灘水電站下閘蓄水安全鑒定工程地質自檢報告［R］.武漢：長江水利委員會長江勘測設計研究院，2008.

Geologlcal Research and Hole-line Selection of Spillway Tunnel of Goupitan Hydropower Station

XIANG Nengwu1，LIU Chunyan2，XIE Jianbo1
(1.Changjiang Geotechnical Engineering corporation，Wuhan，Hubei430010;2.706Geological Bridage，Guangdong Provincial Bureau of Geology，Shaoguang，Guangdong512028)

Spillway tunnel of Goupitan hydropower station is located in carbonate rock area.By a large number of engineering geological investigation of the early studies，the authors identify the main engineering geological conditions and geological problems in the project area.In the hole-line selection process the authors get all buildings to avoid major geological defects and pre-treat possible problems.Successful practice of spillway tunnel is a model for organic integration of geology and design，which has a reference value to engineering construction.

spillway tunnel;karst;geological research;hole-line selection;Goupiran hydropower station

P642;TV651.3

A

1671－1211(2011)04－0330－04

2011－02－18;改回日期：2011－03－02

向能武 (1970－)，男，高級工程師，工程地質與水文地質專業，從事水利水電工程地質勘察工作。E－mail：mrxnw@163.com

李 雯)