坪頭水電站巖溶砂化細晶白云巖的特性及圍巖分類

田啟文,岳朝林

(1.中國地質大學(武漢)環境學院,湖北武漢 430074;2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川成都 610072; 3.黃河勘測規劃設計有限公司,河南鄭州 450003)

坪頭水電站巖溶砂化細晶白云巖的特性及圍巖分類

田啟文1,2,岳朝林3

(1.中國地質大學(武漢)環境學院,湖北武漢 430074;2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川成都 610072; 3.黃河勘測規劃設計有限公司,河南鄭州 450003)

為了能及時準確地對坪頭水電站引水隧洞后段及廠址區內各水工建筑物洞室開挖揭示的圍巖細晶白云巖進行圍巖類別的確定,為工程設計提供科學合理的地質依據,在充分調查該區水文地質條件及巖溶發育特征和認識細晶白云巖巖溶砂化現象形成機制的基礎上,通過大量的巖石磨片鑒定試驗和物理力學性質試驗,全面細致地查明了圍巖細晶白云巖的物質組成及其在不同巖溶砂化情況下的物理力學特性。依據國家相關規程規范,結合各洞室實際開挖揭示情況和試驗結果,對該區內巖體進行了圍巖工程地質分類,總結出不同巖溶砂化細晶白云巖的圍巖類別的特征及其綜合評分情況,并對該區確定的Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類不同類別的圍巖,有針對性地采取相應的工程處理措施,從而確保了各水工建筑物洞室的圍巖穩定和安全運行。

細晶白云巖;溶蝕;砂化;圍巖分類;坪頭水電站

坪頭水電站位于四川省涼山州境內,在金沙江左岸一級支流的美姑河上。該電站采用閘壩引水式開發,庫容62.09萬m3,最大閘壩高38.5 m,左岸引水隧洞長12.716km,左岸地下廠房布置3臺發電機組,裝機容量共180 MW。廠址區主要水工建筑物有調壓井及其上室、蝶閥室、壓力管道、地下廠房、主變室、尾水洞和通風洞等。坪頭水電站引水隧洞后段(即引水隧洞5號支洞控制段—調壓井段)及廠址區位于美姑河左岸,地處莫紅背斜核部附近,該區出露的巖體為震旦系燈影組細晶白云巖及含磷灰巖等,在對引水隧洞后段及廠址區各水工建筑物洞室的開挖過程中,發現在水平埋深130～460m、垂直埋深50～310 m范圍內的圍巖細晶白云巖多呈“砂包石”狀,部分呈“砂土”狀,散體結構,洞室塌方、掉塊現象嚴重,自穩能力極差,嚴重影響了施工安全和工程進度。針對該區圍巖細晶白云巖的這種特殊的地質現象,進行了勘探試驗和專題研究工作[1-2]。綜合分析認為該現象是細晶白云巖在地表水入滲和地下水徑流的過程中,遭受了強烈巖溶作用影響的結果,將該現象稱之為細晶白云巖巖溶砂化現象[1-2]。巖溶砂化后的細晶白云巖對該區各水工建筑物洞室的塊體穩定影響極大,故認清不同巖溶砂化程度的細晶白云巖的特性,以及科學合理確定其工程地質類別,對工程有效的設計影響極大,對工程正常施工和將來安全運行也意義重大[3]。為此,本文在充分調查該區的水文地質條件及巖溶發育特征以及認識細晶白云巖巖溶砂化現象形成機制的基礎上,通過大量的巖石磨片鑒定試驗和物理力學性質試驗,全面查清了不同巖溶砂化程度的圍巖細晶白云巖的物質組成及其物理力學特性;依據國家相關規程規范,結合各洞室實際開挖揭示情況和試驗成果資料,科學地對該區巖體進行圍巖工程地質分類及綜合評分,確定該區的細晶白云巖的圍巖類別,從而為工程設計提供科學合理的地質依據,以確保各洞室的圍巖穩定和各水工建筑物的安全運行。

1 引水隧洞后段及廠址區基本地質條件

坪頭水電站引水隧洞后段及廠址區(以下簡稱研究區)位于美姑河左岸,該段河谷受美姑河切割,呈不對稱深切“V”形谷,左岸為相對寬緩的順向坡,右岸為陡峻的反向坡。該段河谷左岸580(河水面)～610 m高程為大片覆蓋層斜坡,主要為崩坡積堆積物孤塊碎石土,地形坡度為30°～40°;610～715 m高程為65°～80°的基巖陡壁;790～1 100 m高程為大片覆蓋層緩坡,地形坡度20°～30°。右岸580(河水面)～1150 m高程為60°～80°的基巖陡壁。

研究區出露的地層為震旦系燈影組上段(Zbd3)灰黑色含磷灰巖和灰白色細晶白云巖,以及燈影組中段(Zbd2)淺灰～灰白色細晶白云巖、斑狀細晶白云巖。坪頭水電站廠址區的主要水工建筑物均置于燈影組中段的巖體內(圖1)。

圖1 研究區各水工建筑物布置示意圖

研究區地處莫紅背斜,其中引水隧洞后段大多處于莫紅背斜北西翼,廠址區水工建筑物大多處于莫紅背斜核部和南東翼,研究區圍巖內未見發育有大的斷層,但巖體中發育有小的順層擠壓破碎帶,且裂隙發育。

研究區所處岸坡為斜順向坡,坡面巖體中裂隙發育,岸坡卸荷作用強烈。在引水隧洞后段爾古溝至萬波溝一線發育有古滑坡體;在廠址區萬波溝至龍頭溝一線斜坡上裸露的基巖體巖多松弛、破碎。研究區內發育有第四系孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水,其中最發育的巖溶地下水主要是下游的龍頭溝補給,經過巖體中的溶蝕裂隙,最后在廠址區美姑河邊沿泉點排泄[4]。廠址區內天然地下水位為584～585m高程,水質類型為Ca-SO4型,其對混凝土有硫酸鹽型的弱腐蝕性。

2 細晶白云巖巖溶砂化現象

研究區地貌上為深切峽谷,卸荷作用強烈,又地處莫紅背斜核部附近,各種裂隙發育,這些裂隙又為地下水的入滲和徑流提供了良好的通道。圍巖細晶白云巖在地表水入滲和地下水徑流的過程中遭受了強烈的巖溶作用[4]。

根據對研究區地表地質條件的調查,結合鉆孔勘探及各工程部位地下洞室開挖揭示情況,不同高程、不同工程部位圍巖細晶白云巖表現出的巖溶砂化現象如下:

a.引水隧洞后段長1411 m,水平埋深為180～460 m,垂直埋深為50～185 m,圍巖為弱風化淺灰～灰白色細晶白云巖,巖體受巖溶作用影響強烈,巖溶砂化現象明顯,多呈“砂包石”狀,部分呈“砂土”狀,散體結構,穩定性極差,如圖2所示。

b.廠址區各水工建筑物洞室的水平埋深為130～450 m,垂直埋深為90～310 m。調壓井及其上室、蝶閥室、壓力管道圍巖為弱風化淺灰～灰白色細晶白云巖,巖體受巖溶作用影響較強烈,巖溶砂化現象明顯,多呈“砂包石”狀,部分沿結構面有巖溶砂化現象,充填有灰白色粉砂土,多呈碎裂～散體結構,少部分為鑲嵌結構,穩定性差,如圖2所示。

c.地下廠房和主變室圍巖多為弱風化灰～深灰色斑狀細晶白云巖,部分為弱風化淺灰～灰白色細晶白云巖,巖體受巖溶作用影響較弱,僅沿個別結構面或順層擠壓破碎帶有巖溶砂化現象,充填有粉砂土,多呈鑲嵌結構,局部碎裂結構,穩定性較好,如圖3所示。

d.尾水洞和通風洞圍巖為弱風化淺灰～灰白色細晶白云巖,巖體受巖溶作用影響相對較強,溶蝕現象較明顯,部分呈“砂包石”狀,部分沿結構面有巖溶砂化現象,充填有粉砂土,多呈碎裂～散體結構,少部分為鑲嵌結構,穩定性差,如圖2所示。

從不同高程、不同工程部位地下洞室開挖揭示的情況來看,圍巖受巖溶作用影響的強弱程度,從高高程855 m洞室(引水隧洞后段)到低高程585 m洞室(尾水洞)有所降低;同時也與巖性有關,淺灰～灰白色細晶白云巖受巖溶作用影響相對較強,巖溶砂化現象較明顯,多呈“砂包石”狀,部分呈“砂土”狀,而灰～深灰色斑狀細晶白云巖受巖溶作用影響相對較弱,僅見沿少量結構面兩側發生巖溶砂化現象[3-4]。

由上述巖溶砂化現象可見,研究區開挖揭示的圍巖細晶白云巖強度大部分喪失,多呈“砂包石”狀或“砂土”狀的特殊地質現象是巖溶作用的結果,將這種特殊的地質現象稱為細晶白云巖的巖溶砂化現象[5-6]。

圖2 細晶白云巖整體巖溶砂化現象

圖3 細晶白云巖結構面巖溶砂化現象

3 細晶白云巖巖石特性試驗結果

在研究區不同高程、不同工程部位已開挖洞室內和地表分別對淺灰～灰白色細晶白云巖取樣,按相關規程規范[7-8]進行巖石磨片鑒定試驗和物理力學性質試驗。

3.1 磨片鑒定試驗結果

研究區各工程部位圍巖淺灰～灰白色細晶白云巖磨片鑒定試驗結果表明:細晶白云巖主要由碳酸鹽礦物組成,含少量不規則粒狀鐵礦。碳酸鹽礦物占90%～95%(質量分數,下同)以上,其中白云石占90%～95%,石英占2%,鐵質礦物占2%。該巖石為細粒不等粒結構,塊狀構造。細晶白云巖巖石化學成分有CaO、MgO、SiO2、Fe2O3、Al2O3等,其中CaO占28%～29%,MgO占19%～20%,SiO2占4%～5%, Fe2O3占1.0%～1.1%,Al2O3占0.4%～0.5%,堿占0.01%～0.02%,燒失量占44.38%～47.59%。

3.2 物理力學試驗結果

經調查研究發現,研究區各工程部位的圍巖細晶白云巖受風化作用、巖溶作用影響的程度有所不同,綜合分析認為研究區內的圍巖細晶白云巖可以分為A、B、C 3種類型,分別取樣進行巖石室內物理力學試驗。具體物理力學試驗結果如表1所示,其中C類土工定名為粉土質礫,其粉土質量分數一般為70%～90%,在0.1～0.2 MPa壓力下,壓縮模量為18.0～19.9 MPa,飽和固結快剪狀態下黏聚力為34～46 kPa,內摩擦角為22°～28°。

4 細晶白云巖洞段(室)圍巖工程地質分類

4.1 細晶白云巖不同的巖溶砂化現象

研究區各工程部位開挖揭示顯示,圍巖細晶白云巖受巖溶作用影響的程度不同,其巖溶砂化現象表現主要有3種狀態[7-8]:①僅在巖體中個別結構面有巖溶砂化現象,充填有少量粉砂土;②在巖體中主要結構面都有巖溶砂化現象,充填有粉砂土;③巖體整體有巖溶砂化現象,多呈散體結構的“砂包石”狀,部分呈“砂土”狀。

4.2 圍巖工程地質分類原則及分類結果

以GB50287—2006《水力發電工程地質勘察規范》[7]附錄J圍巖工程地質分類為依據,結合細晶白云巖巖溶砂化的不同表現狀態,及其物理力學試驗成果資料,綜合分析后,最終確定研究區細晶白云巖洞段(室)內的圍巖工程地質分類原則,如表2所示。

根據表2中相關內容,結合各工程部位洞段(室)開挖揭示情況,得到研究區細晶白云巖洞段(室)不同類別圍巖的特征及綜合評分如表3所示。

表1 研究區不同類型的細晶白云巖室內物理力學試驗結果

5 不同類別圍巖采取的處理措施

根據研究區不同工程部位各開挖洞室確定的不同圍巖分類情況,結合內水壓力的分布情況,有針對性地進行了工程設計(包括臨時和永久的支護設計),具體采取的處理措施如下:

a.Ⅲ類圍巖洞段。開挖中局部采取了噴5～10 cm厚C20混凝土的臨時支護處理措施;開挖后采取了掛網噴錨的永久支護處理措施,即邊墻頂拱網噴15 cm厚C25混凝土,底板澆筑20 cm厚C15素混凝土。

b.Ⅳ類圍巖洞段。開挖中采取工字鋼(間距0.8～1.2 m)和掛網噴10 cm厚C20混凝土相結合的臨時支護處理措施;開挖后采取了鋼管(厚度16～24 mm)襯砌或鋼筋混凝土(C20混凝土襯砌厚度40 cm)襯砌措施,鋼管襯砌或鋼筋混凝土襯砌以外均進行回填灌漿及固結灌漿的永久支護處理。

c.Ⅴ類圍巖洞段。開挖中采取工字鋼(間距0.5～1.0 m)和掛網噴15 cm厚C20混凝土相結合的臨時支護處理措施;開挖后采取了鋼管襯砌(厚度18～36 mm)或鋼筋混凝土(C20混凝土襯砌厚度50 cm)襯砌措施,鋼管襯砌或鋼筋混凝土襯砌以外均進行回填灌漿及固結灌漿的永久支護處理。

在所有洞室的開挖中均采取了“短進尺、弱爆破、強支護”的施工原則和“邊開挖、邊支護”的施工方法。

表2 研究區細晶白云巖洞段(室)圍巖工程地質分類原則

表3 研究區細晶白云巖洞段(室)不同類別圍巖的特征及綜合評分

6 結 語

坪頭水電站引水隧洞后段及廠址區內巖體細晶白云巖受巖溶作用影響強烈,巖溶砂化現象明顯,圍巖多呈“砂包石”狀,部分呈“砂土”狀。該巖溶砂化現象對洞室的塊體穩定影響極大,對工程設計和施工安全、進度影響都非常嚴重。

通過對該區內不同巖溶作用影響程度下的細晶白云巖進行大量的試驗,探明了細晶白云巖巖石礦物成分主要為由碳酸鹽礦物白云石,也查明了該區內3種不同巖溶砂化類型的細晶白云巖的物理力學特性。依據GB50287—2006《水力發電工程地質勘察規范》相關規定,結合各洞室開挖揭示實際情況和試驗結果資料,得出該區內細晶白云巖不同類別圍巖的特征和綜合評分,并對該區內細晶白云巖進行了工程地質分類,確定了各洞室開挖揭示的圍巖類別,為工程設計提供了科學合理的地質依據,從而確保了各水工建筑物洞室的圍巖穩定、施工安全和工程進度。目前坪頭水電站已正常發電2年多,期間經過停機放水安全檢查,未發現引水隧洞后段及廠址區各水工建筑物結構有任何異常狀況,運行情況良好。

[1]趙其華,王蘭生,何文秀,等.四川省美姑河坪頭水電站廠區岸坡特殊地質現象及其對工程的影響[R].成都:成都理工大學,2008.

[2]何文秀.美姑河坪頭水電站廠址區白云巖砂化成因及其對工程影響研究[R].成都:成都理工大學,2008.

[3]田啟文,陳東升,王雅雯.細晶白云巖溶蝕“砂化”現象對坪頭水電站工程的影響[J].水電站設計,2012,28 (2):40-46.(TIAN Qiwen,CHENG Dongsheng,WANG Yawen.The impacts of the fine-grained dolomite karstic sandification characteristicforthepingtouhydropower project[J].DesignofHydroelectricPowerStation,2012, 28(2):40-46.(in Chinese))

[4]萬軍偉,梁杏,潘歡迎.四川省美姑河坪頭水電站廠址區巖溶水文地質條件及對工程的影響研究報告[R].武漢:中國地質大學(武漢),2008.

[5]張良喜,趙其華,胡相波,等.某地區白云巖室內溶蝕試驗及微觀溶蝕機理研究[J].工程地質學報,2012,20 (4):576-584.(ZHANG Liangxi,ZHANG Qihua,HU Xiangbo,et al.Laboratory dissolution test on dolomtte and its micro-dissolution mechanism[J].Journal of Engineering Geology,2012,20(4):576-584.(in Chinese))

[6]張倬元,王仕天,王蘭生.工程地質分析原理[M].北京:地質出版社,1980:359-379.

[7]GB 50287—2006 水力發電工程地質勘察規范[S].

[8]DL/T 5338—2006 水電水利工程喀斯特工程地質勘察技術規程[S].

Characteristics of karst sanded fine-crystalline dolomite and wall rock classification for Pingtou Hydropower Station//

TIAN Qiwen1,2,YUE Chaolin3
(1.Environmental Faculty,China University of Geosciences,Wuhan 430074, Chian;2.Powerchina Chengdu Engineering Corporation Limited,Chengdu 610072,China;3.Yellow River Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou 450003,China)

The hydrological and karstification conditions at the Pingtou Hydropower Station were investigated aiming to identify the classification of the fine-crystalline dolomite of the wall rocks at the end of the diversion tunnel and hydraulic structure chamber for geological basis of the geological engineering design.Furthermore,the mechanism of the sanded finecrystalline dolomite due to the intense karstification and corrosion effect was obtained.Based on a large quantity of rocks sections experiments for identification and physical property,material composition,physical and mechanical properties of the wall rocks of different karst corrosion extent were fully surveyed.In accordance with the national standards,combined with experimental results and actual conditions in the excavation process of cave chambers,engineering geological classifications and categories of the wall rocks were determined byⅢ,ⅣandⅤ,which could serve as focused engineering measurements on the different categories,respectively,to maintain the stability and safe functioning of wall rock of the hydraulic structures.

fine-crystalline dolomite;karst;sanded;classification of wall rock;Pingtou Hydropower Station

P642;P588.24+5

:A

:1006-7647(2014)05-0045-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.05.009

2014-0307 編輯:熊水斌)

田啟文(1972—),男,四川成都人,教授級高級工程師,博士研究生,主要從事水電站地質勘察工作。E-mail:tianqiwen007@ sohu.com