淺析諸佛寺水電站庫區巖溶發育程度對成庫條件的影響

郭 貴, 鄧紹輝, 鄭井暉

(1.重慶市水利電力建筑勘測設計研究院,重慶 401120; 2.長江巖土工程總公司(武漢),湖北 武漢 430010)

淺析諸佛寺水電站庫區巖溶發育程度對成庫條件的影響

郭 貴1, 鄧紹輝2, 鄭井暉2

(1.重慶市水利電力建筑勘測設計研究院,重慶 401120; 2.長江巖土工程總公司(武漢),湖北 武漢 430010)

諸佛寺水電站位于彭水縣諸佛鄉,現已蓄水發電,原壩址(上壩址)位于現壩址(下壩址)上游約600 m,原庫區巖溶極其發育,庫區巖溶發育程度決定了大壩的成庫條件,通過下移壩址成功避開了右岸的巖溶管道滲漏。

巖溶;斷層;滲漏;水電站

1 工程簡介

諸佛寺水電站位于諸佛江中上游,為諸佛江梯級開發規劃方案中的第三級電站,諸佛江為烏江右岸的一級支流,在龍門峽附近匯入烏江。電站壩址坐落在重慶市彭水縣諸佛鄉上游1.8 km的峽谷河段,電站為Ⅳ等小(1)型工程,主要水工建筑物有重力壩、引水隧洞、電站廠房和導流隧洞等。設計壩頂高程423.00 m,最大壩高56.2 m,壩頂長度112.1 m、寬6 m,水庫正常蓄水位418.5 m,正常蓄水位時庫容為777萬m3,校核洪水位時總庫容為933萬m3,裝機9.0 MW,多年平均發電量2 774萬kW·h,總工期30個月,總投資約1.6億元[1]。

2 區域地質概況

工程區位于四川盆地東部,大婁山脈北東側、武陵山脈北西緣,山脈走向與構造線一致呈北東—南西向,區內山嶺連綿、山體寬厚、溝谷深切,巖溶發育,成層特征明顯,地勢總體東高西低,由東南向西北傾斜,山頂海拔高程一般在1 000～1 200 m間,與烏江、諸佛江河谷相對高差600～800 m,最大可達1 000 m以上,屬侵、剝蝕中—低山地貌區。

諸佛江屬烏江右岸的一級支流,發源于黔江區王家灣尖峰山,經石中溪、王家巖進入彭水,在彭水境內由北東流向南西,在龍門峽氽入暗河,經短距離徑流后注入烏江,全長約60.7 km,落差555.5 m,流域面積761.6 km2。該水系呈樹枝狀,地表溪溝發育,河水流向與區域構造線基本一致,受諸佛正斷層控制明顯,在可溶鹽巖出露地區河谷兩岸山勢雄偉,峭壁林立,具有典型的巖溶地貌景觀,在碎屑巖河段河谷相對較開闊,多有一—二級基座型階地發育。

場地位于揚子準地臺,揚子臺褶帶之黔江拱褶斷束中的筲箕灘背斜內。區域上沉積巖發育,從寒武系—第四系除石炭系、侏羅系及第三系缺失外,其它各系均有出露,地層總厚度>7 000 m。

根據國家地震局1990年版《中國地震烈度區劃圖》(1∶400萬)將諸佛江流域劃定為Ⅵ度地震區,2001年版《中國地震動峰值加速度區劃圖》劃定的諸佛江流域地震動峰值加速度<0.05g,水工建筑物按Ⅵ度設防。

3 庫區巖溶水文地質條件

3.1 庫區地質條件簡述

庫區屬溶蝕—侵蝕峽谷中低山地貌,諸佛江兩岸山頂高程一般為550～1 000 m,河床高程370～470 m,相對高差230～550 m。河水自北北東方向流入庫區,在美羊河折轉為北東東—南西西方向流經燈籠巖,納支流干溪河后流經壩區,又在諸佛寺折轉,沿南東—北西方向流出,當正常蓄水位418.5 m時,干流最大回水長度約6.6 km。亭子口上游河段以斜向谷為主,亭子口至壩區河段以縱向谷為主。兩岸沖溝較發育,右岸主要有馬廠溝、黃泥溪,左岸主要有美羊河、干溪河,與諸佛江垂直或近于垂直相接,多為季節性水流,呈不對稱樹枝狀展布。庫區地貌受巖性、構造控制,河谷狹窄,岸坡地勢陡峻,局部地段形成的絕壁高度達120 m以上,河谷橫斷面多呈“V”字型或“U”字型,僅在亭子口以上一些相對寬緩的河谷發育少量漫灘和階地。

圖1 庫壩區巖溶發育圖Fig.1 Karst development map of reservoir area1.黑灰色頁巖夾粉砂巖;2.深灰色厚—中厚層部分為巨厚層結晶灰巖,近底部夾極薄層頁巖及燧石層;3.深灰色薄層結晶灰巖夾頁巖及燧石層;4.第四段+第五段,深灰色—紫灰色中厚—厚層灰巖夾微晶—致密灰質白云巖;5.第二段+第三段,深灰色—紫灰色中厚—厚層白云質灰巖夾薄層頁巖;6.地層分界線;7.斷層及編號;8.暗河及編號;9.水平溶洞及編號;10.泉水及編號;11.巖層產狀(傾角);12.壩址位置;13.水庫回水位線。

庫區范圍內出露下古生界寒武系上統毛田組(∈3m)、奧陶系下統紅花園組(O1h)、分鄉組(O1f)、南津關組(O1n),志留系下統龍馬溪組(S1ln)和第四系全新統地層。

庫區位于筲箕灘背斜北西翼近軸部,庫區地層產狀走向40°～60°,傾向320°～340°∠7°～11°,除局部微有起伏外,從南東向北西方向地層傾角局部變化較大。庫區主要涉及諸佛江斷層F1、F2、F3和F4等,以上斷層均順走向發育。

庫壩區主要發育4條規模較大的斷層,其中F1斷層為區域性大斷裂。

諸佛江斷層F1:正斷層,在下壩址下游200 m橫穿諸佛江,長度>31 km,斷層總體傾向350°,傾角80°,在壩址區破碎帶寬5～8 m,斷層上盤為志留系碎屑巖地層,下盤為奧陶系下統紅花園組(O1h)、分鄉組(O1f)和南津關組(O1n)碳酸鹽巖地層。斷層在地表巖溶發育,經過處一般形成凹槽,發育巖溶洼地、落水洞、暗河(KW4、KW15)。根據對KW2暗河的追索,在地下沿斷層帶有巖溶管道發育,為一條強烈溶蝕的導水斷層。

F2:正斷層,位于下壩址上游230 m處,橫穿諸佛江,其北端在石灰塘,終止于諸佛江斷層上,向南與F1近平行發育,長度>3 km。斷層總體傾向327°,傾角86°,壩址區右岸公路邊破碎帶寬約30 m,破碎帶主要由方解石、角礫巖、碎裂巖構成,膠結較差,有溶蝕,并發育小溶洞。

F3:正斷層,位于下壩址上游560 m,橫穿諸佛江,長1.8 km,斷層總體傾向313°,傾角85°,在壩址區破碎帶寬15～25 m,破碎帶主要由方解石、角礫巖和碎裂巖構成,膠結較差,具溶蝕現象,并發育有小溶洞。為一條溶蝕性導水斷層。

F4:正斷層,位于庫內,橫穿諸佛江,長1.4 km,斷層總體傾向50°,傾角86°,破碎帶寬5～10 m,破碎帶主要由方解石、角礫巖和碎裂巖構成。斷層上、下盤均為奧陶系下統南津關組地層。

3.2 庫區主要巖溶形態

庫區主要巖溶形態有:巖溶中山峽谷、落水洞、溶洞、巖溶大泉、巖溶泉。

3.3 主要巖溶系統

3.3.1 KW1毛石墩暗河巖溶系統

位于庫內諸佛江右岸毛石墩—汆頭壩一線,是一個溶洞及泉水發育帶。

暗河出口發育在毛田組(∈3m)地層中,KW1毛石墩洞口最大寬度約3 m,高約2.7 m,呈三角形狀,洞口高出河水面0.3～0.5 m。巖溶系統包括KW1(毛石墩,375 m)、KW3(仙人洞384.5 m)、K14(530.0 m)、KW4(汆頭壩,433 m)、KW4-1(433.50 m)、KW4-2(433.50 m)、K14(530.0 m)等溶洞及巖溶泉,基本沿同一層順走向及傾向發育,規模較大。其中KW4暗河進口流量250 L/min,經做連通試驗和測繪可知,暗河長1 183 m,KW1暗河為KW4暗河的出水口。

3.3.2 KW2涼風洞暗河巖溶系統

因洞內向外冒涼風得名,位于庫內諸佛江右岸涼風洞—石灰塘一線,是一個溶洞及泉水發育帶。

暗河出口發育在南津關組(O1n4+5)地層中,KW2涼風洞洞口寬1.5～1.7 m,高>3 m,呈裂隙狀,河床高程約370 m,出口高出河水面0.5～0.7 m。洞體均沿走向北東南西方向的層面延伸,經對暗河進行測繪及探洞可知,暗河全長1 028 m,巖溶系統包括KW2(涼風洞,374.45 m)、KW15(419.0 m)等溶洞及落水洞,基本沿同一層順走向及傾向發育,規模較大。其中KW15暗河進口流量0.25 L/min,經測繪探洞,KW2暗河為KW15暗河的出水口。

3.3.3 KW11泉壩暗河巖溶系統

暗河出口發育在毛田組(∈3m)地層中,位于右岸河床邊,KW11泉壩洞洞口寬0.3～0.7 m,高約1.2 m,向洞內延伸約5 m,人無法進入,洞口高程約385.5 m,出口高出河水面0.2～0.3 m,巖溶系統包括KW11,共計有7處,流量合計約6 200 L/min,泉水大量向上涌出。洞體沿F4斷層走向延伸,暗河雖規模小,但泉水流量大,為可疑的原水庫滲漏進口點之一。其補給區推測為平頂山以北與F1諸佛江斷裂以東的狹長地帶。

3.3.4 W13泉水

泉水位于庫內諸佛江左岸河床邊,發育在毛田組(∈3m)地層中,泉水受F4斷層切割影響出露于河床邊。泉口高程387.50 m,枯流量1 500 L/min。該泉水是左岸向水庫一側的最低排泄點。它們的補給區在諸佛江以南珍加鄉一帶。

4 水庫巖溶滲漏分析

通過對庫首河灣地塊結構的分析,上壩址主要存在從右岸河灣地塊向下游的巖溶管道滲漏。下壩址主要存在以下幾處可疑的滲漏地段:水庫從左岸沿F2斷層帶及兩盤向下游的巖溶滲漏;水庫從右岸沿F1斷層破碎帶及下盤向壩址下游的巖溶滲漏,F2斷層從右岸的巖溶滲漏分析歸入F1巖溶滲漏分析中。

4.1 上壩址從右岸河灣地段向下游的巖溶管道滲漏

通過勘察并結合連通試驗工作分析,上壩址蓄水后庫水具有通過KW11-KW14泉群入口(進口高程385 m),沿F2、F3、F4導水斷裂向上壩址下游KW1、KW2(出口高程376 m)滲漏的可能性,滲漏地層屬區域強巖溶地層——寒武系毛田組灰巖及白云巖,巖溶通道連通情況復雜,防滲處理的難度及工程量較大。

據枯水期觀測,河水經過KW11-KW14泉群后,流量約增加一倍,分析地下水從水庫右岸沿斷層帶發育的巖溶管道系統流出,水庫蓄水后存在庫水沿該巖溶系統向上壩址下游滲漏的可能性。

4.2 下壩址從左岸沿F2斷層破碎帶及兩盤的巖溶滲漏

F2斷層位于壩軸線上游275 m處,橫穿諸佛江,其北端在石灰塘、終止于諸佛江斷層上,長度>3 km。斷層總體走向57°,傾向327°,傾角86°,壩址區右岸公路邊破碎帶寬約30 m,破碎帶主要由方解石、角礫巖、碎裂巖構成,膠結較差,有溶蝕,并發育小溶洞。斷層上盤為奧陶系下統紅花園組(O1h)、分鄉組(O1f)、南津關組(O1n4+5)地層,下盤為奧陶系南津關組(O1n)、寒武系上統毛田組(∈3m)地層。F2穿越諸佛江河床處高程約371 m,無橫河向跌坎及深槽發育,但斷層在地表一般溶蝕后形成凹槽,發育落水洞(K15、K16),通過對KW2暗河的追索,在地下沿斷層帶有巖溶管道發育,并與沿F1發育的巖溶管道連通。

根據地表巖溶地質調查,F2在壩址區右岸巖溶強烈發育,并與F1的巖溶管道連通,在壩址左岸巖溶不發育,除地表分布有溶槽外,沿斷層帶無落水洞、水平溶洞發育。以下主要分析其沿左岸的滲漏問題。

左岸F2斷層上盤為奧陶系下統紅花園組(O1h)+分鄉組(O1f)灰巖夾少量頁巖,地表在庫內一側發育K17溶洞,洞口高程378.5 m,洞內無水,洞深約10 m,在下游庫外諸佛江左岸地表未見溶洞及泉水發育。據左岸防滲鉆孔ZK2揭示,全孔未見溶洞發育,僅見少量溶蝕裂隙及長大直立裂隙發育,鉆進過程中孔內循環水一直從孔口返出,終孔30天后穩定水位455.71 m(觀測日期2011年8月1日),高于設計正常蓄水位。因此蓄水后庫水不會沿F2斷層上盤向左岸諸佛江下游發生巖溶管道滲漏。

F2斷層破碎帶在左岸分水嶺最低處高程489.0 m,地表形成一凹槽,寬25～30 m,被粘土夾塊石覆蓋。破碎帶在庫內左岸諸佛江河邊未見泉水和溶洞發育。在庫外破碎帶內未見泉水及溶洞發育。補充勘察在凹槽內F2斷層上盤布置鉆孔HK3,通過鉆孔揭示破碎帶內發育9段方解石充填的溶蝕裂隙并形成小的溶洞,一般高0.2～0.8 m,鉆孔揭示溶蝕裂隙底界高程392.30 m,終孔30天后穩定水位389.10 m,低于設計正常蓄水位。分析認為F2斷層破碎帶在左岸河間地塊附近巖溶較發育;F2斷層破碎帶蓄水后庫水會沿F2斷層破碎帶存在從左岸向諸佛江下游發生巖溶管道滲漏的可能性,可作為蓄水后二期防滲考慮。

左岸F2斷層下盤為奧陶系南津關組(O1n)、寒武系上統毛田組(∈3m)地層,為灰巖夾灰質白云巖、白云巖,在庫內一側諸佛江左岸未見泉水和溶洞發育,河間地塊寬3～5 km,高程在550 m以上,山體寬厚,分析認為蓄水后庫水不會從F2斷層下盤發生巖溶滲漏。

綜合以上分析認為,蓄水后庫水沿F2斷層破碎帶發生巖溶管道滲漏的可能性存在,考慮到巖溶發育的復雜性,左岸防滲線F2斷層可作為蓄水后二期防滲考慮。

4.3 下壩址庫水從F1斷層破碎帶、下盤向下游河灣的巖溶滲漏

諸佛江斷層——F1為區域性大斷層,在大壩下游200 m橫穿諸佛江,總長度>31 km,斷層總體走向80°,傾向350°,傾角80°,在壩址區破碎帶寬5～8 m。斷層上盤為志留系碎屑巖地層,下盤為奧陶系下統紅花園組(O1h)、分鄉組(O1f)和南津關組(O1n)碳酸鹽巖地層。斷層穿越諸佛江處河床高程約369 m,無橫河向跌坎及深槽發育。斷層在地表巖溶發育,經過處一般形成凹槽,發育巖溶洼地、落水洞、暗河(KW4、KW15),根據對KW2暗河的追索,在地下沿斷層帶有巖溶管道發育,說明F1為一條強烈溶蝕的導水斷層。

F1斷層下盤為奧陶系下統紅花園組(O1h)、分鄉組(O1f)和南津關組(O1n)碳酸鹽巖地層。地表發育一泉水W18,高程428.1 m,枯流量5 L/min,地表未見溶洞發育,據右岸防滲鉆孔ZK4揭示,孔深29.0～31.7 m(高程453.49～450.79 m)發育一溶洞,無充填,在正常蓄水位以下未見溶洞及溶蝕裂隙,鉆進至該溶洞時孔口不返水,經調查W18巖溶泉流量略有增大,泉水攜帶少量巖粉流出,可以斷定鉆孔與W18巖溶泉相連通。終孔30天后對鉆孔水位進行穩定觀測,水位高程450.55 m(觀測日期2011年8月1日),高于正常蓄水位,因此庫水不會從F1斷層下盤發生向下游的巖溶管道滲漏。

F1斷層破碎帶在地表形成槽谷,上盤為志留系頁巖形成的陡崖,下盤為灰巖順層斜坡。斷層帶地表被覆蓋,未見有溶洞、落水洞發育,在塊石縫中發育2個泉水W17、W19,高程分別為383.5 m、394.5 m,流量8 L/min、15 L/min,分析泉水補給區為斷層帶及后緣斜坡。兩泉水受季節性影響明顯,特別是W17泉水在大雨后才流出。本次勘察在F1斷層破碎帶上布置了一個鉆孔以了解F1斷層破碎帶的巖性、透水性及地下水位,孔口高程433.0 m,鉆進至孔深3.1 m(高程429.9 m)時孔口不返水,經調查W19巖溶泉流量明顯增大,泉水攜帶大量巖粉流出,可以斷定鉆孔與W19巖溶泉相連通。鉆孔終孔5天后對水位進行觀測,水位高程419.40 m,略高于正常蓄水位。F1斷層帶在壩下游地表無巖溶管道出露,因此發生巖溶管道滲漏可能性較小,存在發生裂隙性滲漏的可能性,但即使發生裂隙性滲漏,也可通過常規灌漿進行防滲。防滲線路為一端接大壩帷幕,另一端接斷層上盤志留系頁巖。

鑒于本次勘察F1斷層帶無溶洞,地下水位較高,因此建議暫不考慮工程防滲處理措施,可作為蓄水后二期防滲考慮。

5 結束語

本文簡要對諸佛寺水電站庫區巖溶發育的成因、規模及對大壩成庫的影響進行了評述,上壩址建庫存在沿右岸發生巖溶管道滲漏的風險,防滲處理的難度及工程量大。壩址下移后,將可能發生滲漏的巖溶管道進、出口均放入庫內,庫水向庫外發生巖溶管道滲漏的可能性較小,存在裂隙性滲漏可能,現已通過蓄水證明以上分析符合實際。

[1] 郭貴，羅興建，王興峰，等.重慶市彭水縣諸佛寺水電站工程地質勘察報告(初步設計(代可研)階段)[R].重慶:重慶市水利電力建筑勘測設計研究院,2012.

(責任編輯：于繼紅)

Analysis of the Effect of Karst Development Degree of the Buddhist TempleHydropower Station Area on Reservoir Conditions

GUO Gui1, DENG Shaohui2, ZHENG Jinghui2

(1.ChongqingSurveyingandDesignInstituteofWaterResources,ElectricPowerandArchitecture,Chongqing401120;2.ChangjiangGeotechnicalEngineeringCorporation(Wuhan),Wuhan,Hubei430010)

Buddhist temple hydropower station is located in Pengshui County Buddha Township,has impoundment power station,the original dam is located in the upstream of the present dam about 600 m,original reservoir karst development is extremely,development degree of karst reservoir area determines the dam reservoir conditions.The down dam successfully avoided the karst leakage on the right bank.

karst; fault; leakage; hydropower station

2016-04-15;改回日期:2016-04-20

郭貴(1980-),男,工程師,水文地質與工程地質專業,從事水利水電勘察工作。E-mail:51094516@qq.com

P642.25

A

1671-1211(2016)03-0348-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.024

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.024.html 數字出版日期:2016-05-04 09:24