某水庫壩址區白云巖巖溶發育特征及對工程影響

李愛國, 張少鋒, 左璽龍， 張　雄

(1.長江巖土工程總公司(武漢)地質公司,湖北 武漢　430010; 2.上海勘測設計研究院,上海　200434)

1　工程背景及研究意義

某水庫位于貴州省黔東南州龍江河的支溪上,屬于中型水庫,樞紐由擋水建筑物和泄水建筑物組成,均布置于河床,設計為碾壓混凝土重力壩,最大壩高45 m。壩址區右岸基本上為孤山,左岸亦無大的漏水洼地,巖性為白云巖,根據以往工程經驗,此類巖性巖溶形態一般以溶隙、溶槽、小溶洞為主要,巖溶往往不發育,但通過勘探發現,該壩址區工程地質條件卻較復雜,除上述巖溶形態外,本工程區層間破碎溶蝕縫也較發育,同時也存在右岸地下水位低平、河床壩基下存在低水頭承壓含水層等問題。由于受地形限制,可選壩線局限在該支溪上下游開闊地帶之間的200 m范圍內,對壩址區存在巖溶等工程地質問題無法避讓(圖1),因此分析壩址區巖溶的發育特征對工程評價具有重要意義。

圖1　壩址區工程、水文地質示意圖

2　壩址區地質概況

壩址區河谷呈“U”型,水面寬約20 m,水深一般<2 m。左岸山體渾厚,基巖出露；右岸山體孤立,為兩條支溝之間的河間地塊,平面上呈“饅頭狀”。地層巖性由寒武系中統石冷水組第三段(∈2s3)薄—中厚層微晶、鮞狀及砂屑白云巖組成,產狀緩傾角傾向上游偏左岸。壩址上下游約300～400 m處分別發育F1、F2切河向陡傾角斷層[1-2],順河向和切河向的陡傾角裂隙較發育。

3　巖溶發育特征

3.1　巖溶形態及發育程度

壩址區巖溶形態有：溶洞、溶溝溶槽及溶縫或溶蝕裂隙等。

(1)溶洞：形態各異,以小型溶洞為主,長、寬、高(深)僅0.5～1 m左右,個別者洞徑可達數米,多屬被碎石和粘土充填。地表出露溶洞4個,左、右岸各2個。鉆孔揭露溶洞共17個,皆分布在右岸(表1)。

(2)溶溝、溶槽：主要發育在兩岸斜坡地帶,其發育方向受裂隙控制,一般深1～3 m,寬0.5～2.0 m,局部與地下溶縫相連,深達4～5 m,被碎石和粘土充填。壩址區壩軸線附近共發育3條溶溝、槽,多沿陡傾角裂隙發育。

(3)溶縫：主要沿陡裂隙面、緩傾角層面溶蝕,一般呈長或高數米,寬厘米級—數米級的狹縫,地表多見無充填或充填粘土,或溶蝕風化呈白云砂狀,局部延伸至地下溶洞；地層深部局部溶蝕,溶蝕范圍及強烈程度有限,溶蝕縫多充填巖屑夾巖塊狀或巖塊夾巖屑狀。鉆孔揭露層間破碎溶蝕縫共71個,左岸9個,河床42個,右岸20個。多為局部溶蝕,溶蝕范圍及強烈程度有限,溶蝕縫充填物為巖屑夾巖塊狀或巖塊夾巖屑狀。溶蝕縫底界位于416 m以下的共68個,高于416 m高程的共3個(照片1、表2)。

照片1　鉆孔電視揭示的層間破碎溶蝕縫

表1鉆孔揭露溶洞發育特征統計表

Table 1The developing characteristics of karst caves revealed by drillings

位置溶洞編號洞高/m高程/m所在地層位置溶洞編號洞高/m高程/m所在地層右岸壩段右壩肩右岸壩肩下游右岸河間地塊KW15．4379．02～384．42微晶、鮞狀白云巖KW21389．45～390．65鮞狀、微晶白云巖接觸帶KW34．6368．35～372．95微晶白云巖KW40．8434．42～435．22微晶白云巖KW52．1425．72～427．82微晶白云巖KW63．3431．03～434．33微晶、砂屑白云巖KW75．2424．33～429．53微晶、砂屑白云巖KW82．3393．93～396．23鮞狀、微晶白云巖接觸帶KW91．5381．92～383．42微晶、鮞狀白云巖接觸帶右岸河間地塊KW100．9383．04～383．94微晶白云巖KW110．7450．35～451．05微晶白云巖KW121．4396．35～397．75微晶白云巖KW135427．02～432．02微晶白云巖KW140．7436．66～437．36微晶白云巖KW151．1412．87～413．97微晶白云巖右岸埡口KW165．9405．3～411．2微晶白云巖KW170．8390．2～391微晶白云巖

表2　鉆孔揭露主要層間破碎溶蝕縫特征統計表

3.2　巖溶發育影響因素

(1)巖性：溶洞主要發育在微晶白云巖中,或微晶白云巖與鮞狀白云巖、砂屑白云巖接觸帶的微晶白云巖一側,而在鮞狀白云巖和砂屑白云巖中,溶洞發育較少。

(2)構造：斷層、裂隙構造密集帶破壞了巖體完整性,為降雨垂直入滲和地下水滲流創造了有利條件,促進了巖體巖溶的發育,而層面及層間破碎巖體有利于地下水沿近水平滲流,該兩組構造是影響壩區巖溶發育的主要因素。

(3)排泄條件及水力循環因素：該區域地下水類型包括巖溶水和孔隙水,巖溶水主要為巖溶裂隙水。河流構成了地下水的排泄基準面,地下水主要靠大氣降水補給,降水沿裂隙、斷層下滲補給地下水,然后以巖溶裂隙泉的形式向河谷排泄。在近岸地段地表水和地下水位變動帶中,地下水向河谷排泄,交替活動強烈,有利于巖溶發育。如遠岸區巖溶發育弱于近岸區。鉆孔中揭露的溶洞多分布于近岸段。

3.3　巖溶發育規律

根據勘察研究,壩址區巖溶發育特征受地層巖性、地質構造、地形地貌控制,總體上具有如下特征：

(1)右岸巖溶裂隙地下水水位低平,呈“直線型”,左岸遠岸處高,近岸段低；

(2)左岸巖溶發育遠弱于右岸和河床,巖溶集中發育在近岸臨河側,巖溶形態主要為溶蝕縫隙,發育高程與地表水下深切基巖面高程基本一致,巖溶地下水類型為巖溶裂隙水(圖2)；

(3)右岸巖溶發育程度強于左岸和河床,巖溶形態主要為小溶洞、溶蝕縫,發育高程主要位于地表水下切基巖面高程之上；

(4)河床巖溶發育高程遠低于地表水枯水位,也低于地表水下切基巖面高程,巖溶形態為層間破碎溶蝕縫,巖溶裂隙地下水具一定承壓性；

(5)巖溶發育方向呈現沿巖層層面發育的特征。

圖2　主要巖溶洞、層間破碎溶蝕縫在壩軸線投影圖

4　對工程的影響及建議

4.1　近壩段水庫滲漏和壩基滲漏

壩址區右岸位于兩條溪溝之間的河間地塊,地下水位384.26～386.75 m,遠低于水庫正常蓄水位,巖溶發育最低高程齊平或低于下溪河深切基巖面,其間沒有可靠的隔水層分布,溶洞和層間破碎溶蝕帶多屬中等—強透水性,存在近壩段右岸河間地塊水庫滲漏問題。左右岸及河床壩基下發育層間破碎溶蝕縫極發育,具中等—強透水性,存在壩基及繞壩滲漏問題。建議壩址防滲應結合壩基防滲向兩岸進行延伸,向左接高水位或接至高于正常蓄水位的穩定隔水層,在右岸應貫通右岸孤立山丘延伸至水庫頁巖隔水層區。

4.2　壩基抗滑穩定

對71個層間破碎溶蝕縫,根據鉆孔錄像和鉆孔聲波探測可疑低波速區的分布情況,結合巖層產狀,按對壩基抗滑穩定最不利情況進行考慮,將可能連通的層間破碎溶蝕縫進行合并,共存在4個,編號為Rb01、Rb02、Rb03、Rb04,皆緩傾角傾向上游偏左岸,主要為巖塊夾巖屑或巖屑夾巖塊,呈碎裂結構或散體結構,局部存在一定程度的溶蝕,物理力學性質相對較差,構成了大壩抗滑穩定的近水平底滑面段,壩后腳處破碎溶蝕縫埋深淺,間距小,斜穿破碎溶蝕縫及層間弱風化巖體則構成大壩抗滑穩定的斜坡底滑面段,可能引起壩基抗滑穩定問題。建議對壩基進行補強處理,尤其應加強壩后腳補強處理,并對開挖揭露的層間破碎溶蝕縫進行掏挖置換砼處理(圖3)。

圖3　大壩抗滑穩定分析示意圖

4.3　河床壩基承壓水

河床壩基下發育的層間破碎溶蝕縫,為巖溶地下水提供了儲存空間,與上覆、下伏隔水層組合,其含水層具有一定承壓性,鉆探揭露承壓含水層主要位于壩線上及其下游,壩線上承壓水埋深淺、水頭低、涌水量小,壩線下游承壓水埋深較深、水頭較高、涌水量較大。受地形限制壩線不具備上移條件,若壩線下移,由于層間破碎溶蝕縫延伸至下游,不但無法避讓基坑涌水問題,而且會導致由于壩線下游影響壩基抗滑穩定的層間破碎溶蝕縫多,且埋深淺引起的壩基抗滑穩定問題嚴重,另外埋深較深、水頭較高、涌水量較大的承壓含水層主要分布在下游,對防滲帷幕有影響。建議對淺層的承壓含水層進行圍堵或抽排,對深層承壓含水層采取避讓,防滲帷幕不觸及深層承壓含水層。

4.4　壩基滲透變形

對Rb01、Rb02、Rb03和Rb04等層間破碎溶蝕縫,由于其具有一定寬度,且充填物為巖塊夾巖屑或巖屑夾巖塊,呈碎裂結構或散體結構,水庫蓄水后,在壩前水壓作用下,可能引起一定的滲透變形問題。

參考文獻:

[1]貴州地質局108隊.鎮遠幅G- 49- 71/20萬區域地質測量報告[R].貴陽：貴州地質局108隊，1965.

[2]貴州地礦局環境地質大隊.貴州省玉屏—朱家場地區農田供水水文地質勘察報告1/5萬[R].貴陽：貴州地礦局環境地質大隊，1986.