平寨水庫右岸KS7巖溶管道發育特征及對建筑物的影響分析

武興亮，劉子金，潘長貴

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

平寨水庫右岸KS7巖溶管道發育特征及對建筑物的影響分析

武興亮，劉子金，潘長貴

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

平寨水庫右岸KS7巖溶管道穿越庫首右岸多條隧洞建筑物，前期勘察和施工期對其進行了大量的工程地質研究工作,基本查明該管道的分布特征,為分析該巖溶系統以及溶洞的處理提供了真實、可靠的地質依據。通過對KS7巖溶系統發育特征的分析,初步闡述其對右岸隧洞建筑物在施工期、運行期等方面可能產生的不利影響,對于指導類似工程的實施具有重要意義。

平寨水庫；巖溶管道；隧洞建筑物；影響分析

平寨水庫位于貴州省西部，屬烏江南源三岔河中上游，處在六枝特區馬場鎮與織金縣雞場鎮的交界河段，為黔中水利樞紐一期水源工程，壩型為面板堆石壩，壩高157.5 m，水庫正常蓄水位1331 m時，相應庫容11.89億m3，屬大(1)型水利樞紐工程[1]。

庫首區主要分布三疊系永寧鎮組(T1yn)碳酸鹽巖，地表巖溶發育，主要發育大型洼地、落水洞以及豎井等。庫首區右岸僅發育1條主要巖溶管道系統，根據庫壩區泉點編號，現狀條件下，該系統出口泉點編號為KS7，進口洼地被當地稱為“爛田壩”，因此，該巖溶管道系統叫KS7巖溶管道，也叫爛田壩巖溶管道。

1 地質簡述

1.1 地形地貌

壩區屬貴州省西部丘原盆地，KS7巖溶管道順右岸爛田壩槽谷發育，地表高程1365～1380 m，槽谷延伸方向NE47°，南西方向被分水嶺阻隔，地表分水嶺埡口高程為1420 m，北東方向敞開，與右壩肩剝夷面形成一體。槽谷與兩側山體相對高差一般約170 m，最高約230 m。

1.2 地層巖性

巖溶管道沿線巖性主要為：①永寧鎮組第四段(T1yn4)，深灰色薄至中厚層白云巖夾灰質白云巖、泥質白云巖、角礫狀白云巖等，厚度大于40 m；②灰色薄至中厚層狀的灰巖、泥質灰巖夾泥質白云巖，厚155 m；③T1yn2灰色薄至中厚層泥質灰巖、鈣質泥巖夾灰巖，厚度80～120 m。

1.3 地質構造

KS7巖溶管道的北東和南西側分別發育雞場背斜和三塘向斜，褶皺軸線方向與槽谷方向基本一致，距槽谷中心線距離分別為400 m和750 m。

三塘向斜軸線方向延伸長約15 km，呈EW向展布，壩區核部出露的地層為T1yn3中厚至厚層灰巖，南翼傾角20°～25°，北翼在河流右岸巖層受F3斷層的影響，傾角變陡，傾角約45°。

雞場背斜軸線方向延伸長約6 km，與該段河流流向交角約60°，核部出露的地層在河床及兩岸為T1yn1中厚層灰巖，上游為北翼，巖層傾向上游偏右岸，傾角谷底陡∠48°～54°，向上游及高處逐漸變緩；下游為背斜的南翼，巖層傾向下游偏左岸，傾角14°～25°，為傾斜褶皺。

1.4 巖溶發育

庫首區分布可溶巖地層有：T1yn3、T1yn1巖溶強發育，T1yn2巖溶發育較弱，地表較大型的巖溶形態主要為巖溶洼地、落水洞等。巖溶洼地主要分布于溢洪洞進口明挖段，如W26號橢圓形巖溶洼地，洼地長軸長約300 m，短軸長約200 m，洼地底部發育有K14落水洞，洞徑約5 m，溢洪洞穿過此巖溶洼地段長約60 m。此外，隧洞東部至小馬場槽谷底部(爛田壩巖溶管道系統一帶)發育洼地有W26、W27和W28，洼地底部高程分別為1339.2 m、1375 m和1379.5 m，洼地長軸方向均為NE向。

1.5 水文地質

庫首右岸純碳酸鹽巖單斜構造，隔水層夾持在透水層之間，呈條帶狀分布，巖性對地下水徑流起著主要的控制作用[2]。巖體透水性主要取決于巖體的完整性和巖溶化程度，巖體的巖溶化程度在不同巖組，或同一巖組不同地貌部位截然不同。所以，巖體透水性在不同巖組、不同地段也會差別很大。根據本巖溶地區的這一水文地質特點，含水介質可分為管道性(包括溶洞)和裂隙性兩大類。裂隙性介質主要賦存裂隙水，地下水徑流形式為分散滲流，在分散滲流地帶往往形成高水位區，并且具有基本統一的潛水面；管道性介質其地下水徑流形式為脈狀及管道水匯流，地下水徑流量大，除部分孤立管道之外，不具備統一的地下水面。根據壩址區巖溶水文地質結構將可溶巖組劃分為以下4個含水巖組和2個相對隔水層巖組，即T1yn4、T1yn3、T1yn2-4、T1yn2-2含水巖組， T1yn2-3、T1yn2-1相對隔水層巖組。

地下水位高程位于1185～1200 m之間，谷坡中T1yn3、T1yn4巖溶含水層中，未見泉水出露水，除KS7巖溶管道明流入伏補給外，沿線徑流區接受地表洼地落水洞垂向補給，岸坡巖溶含水層主要位于垂直滲流帶。

2 巖溶管道分布特征及發育復雜性

2.1 巖溶管道系統分布特征

根據前期勘察及施工階段開挖揭露，庫首右岸發育的KS7巖溶管道，管道進口位于爛田壩槽谷底部一帶，多個落水洞與該巖溶管道連為一體，形成串珠狀。落水洞口地表高程一般為1375～1380 m，進口地帶地表集水面積約1.89 km2，近壩右岸的斜坡及平臺通過溢洪道進口洼地補給該巖溶管道系統，地表集水面積約0.21 km2。前期勘察工作中，經示蹤試驗證實，巖溶管道系統出口有兩處，主管道出口位于壩址上游約800 m的右岸KS7泉點，泉點高程1199.0 m，流量為0～400 L/s，進出口管道長約2.38 km，平均比降為7.5%；分支管道出口位于大壩趾板右岸坡與水平段交接位置附近的KS7+，泉點高程1190 m，流量1～2 L/s，管道長約2.35 km，平均比降為8.0%，分布如圖1所示。

2.2 巖溶管道發育的復雜性

2.2.1 建筑物的布置

根據庫首區的地形地質條件，隧洞建筑物主要集中布置在右岸，布置的隧洞共8條，底板高程從高到低排列為開敞式溢洪道、發電引水隧洞、泄洪放空洞、低部位放空洞、導流洞，另外還布置3層帷幕灌漿平洞。

2.2.2 巖溶管道發育的復雜性

通過前期大量的勘察、試驗及建筑物開挖揭露，平寨水庫庫首區存在多層巖溶含透水層分布，淺層溶洞、深部巖溶與巖溶管道交叉連通，管道水隨季節交替存在較大的變化[3]，管道自身空間分布形態褶曲多變，在庫首右岸穿越多個建筑物，如圖1所示。

從庫首區地形條件分析，地表水接受爛田壩槽谷匯聚作用，下滲至巖溶管道，集中向三岔河排泄。隨著河道的下切，巖溶管道排泄口高程也逐漸趨于河水面高程，在長期地下水作用下，近岸坡形成強巖溶地帶,巖溶管道主要表現為進口最高高程為1380 m，出口最低高程為1190 m，高差近200 m。

從地層巖性、產狀等地質條件分析，近壩區地表為T1yn3中厚層灰巖，下伏地層T1yn2泥巖夾灰巖，T1yn2地層為相對隔水層，巖層傾上游偏右岸，傾角20°～50°，地下水下滲過程中受泥巖的阻隔，在兩套地層接觸帶頻繁活動。因此，在接觸帶附近的T1yn3地層中發育較多的溶洞，且溶洞多順層發育，在卸荷裂隙溶蝕的影響下，切層溶蝕寬縫與順層溶洞逐漸匯通連接，地表水暢通入滲后，巖溶進一步加強，溶洞加大，通道變暢。根據各建筑物開挖揭露的溶洞發育高程，結合前期勘察資料鉆孔掉鉆高程，以及地表落水洞和泉點的分布，綜合分析得出：右岸近壩區溶洞多呈互通的網狀結構，各溶洞直接或通過溶蝕裂隙間接與KS7巖溶管道連通，地表降雨經溶洞及裂隙匯聚至該巖溶管道，溶洞統計見表1。

圖1 KS7巖溶管道系統與建筑物分布相對位置圖

建筑物名稱樁號或位置高程/m發育地層備注導流隧洞K0+12511947T1yn3K0+18511960T1yn3K0+30511880T1yn3K0+409～K0+41511975T1yn3低部位放空洞K0+291230～1240T1yn3K0+1101230～1238T1yn3泄洪放空洞K0+3351260以下T1yn3工作閘室1290～1300T1yn3引水發電隧洞K0+080～K0+1301278～1341T1yn3K0+3154-K0+3301177～1260T1yn1-2開敞式溢洪洞K0+1801298～1300T1yn3K0+287～K0+3141283～1305T1yn3底部發育高程可能還要低右岸灌漿平洞YPD1K0+0551278～1341T1yn3YPD2K0+1101278～1341T1yn3YPD3K0+1021226以下T1yn3

隨著河流的下切，高程較低的地下水排泄系統逐漸襲奪上層巖溶管道系統，上層巖溶管道系統在長期沒有水流沖刷條件下，充填物逐漸堆積充填溶洞，而巖溶管道出口也逐步被新的地下水排泄口所代替，最終出口與最低排泄基準面一致，因而形成多層巖溶管道。根據統計分析，庫首右岸巖溶分支管道目前可分三層，最高一層出口高程約1270 m(目前地表未發現明顯出口)；第二層出口高程約1220 m，地表溶洞口干凈，無溶洞充填物；最低層出口為泉點KS7+，高程約1190 m，前期連通試驗已證明該泉點與爛田壩巖溶管道系統連通，如圖2所示。

圖2 KS7巖溶管道系統與各建筑物的布置關系剖面圖

3 建筑物影響分析

3.1 施工期影響

從導流洞開始，2010—2013年期間主要為隧洞開挖時間段，先后揭露KS7巖溶管道及與之相連的溶洞，施工期的影響主要體現在巖溶管道水以及溶洞充填物工程地質條件較差帶來的洞室穩定和安全問題。

汛期暴雨時，巖溶管道水急劇增加，2010年導流洞開挖時，在0+125、0+185右側壁揭露巖溶管道，暴雨最大涌水量達200 L/s，綜合水量達1000 L/s以上，大量水流涌向河床，使得洞口的臨時圍堰坡口，一周無法施工。2013年汛期暴雨時，泄洪放空洞樁號0+330處溶洞出現大量涌水，流量最大達800 L/s，同時第三層灌漿平洞樁號K0+102處也出現了涌水，相應的施工面無法施工；開敞式溢洪洞混凝土澆筑時，右岸帷幕已基本形成，導流洞開始運行，泄洪放空洞固結灌漿基本完成，管道被灌漿封堵，原通暢管道被回填，變得不通暢或封堵，暴雨時，大量水從底板涌出，影響混凝土的澆筑。

發電引水隧洞開挖斷面8.1 m，上平段樁號k0+080～k0+130段發育規模較大的溶洞，洞內充填物主要為軟塑狀黏土夾塊石，隧洞開挖時，圍巖自身穩定性差，采用管棚加鋼支撐，短進尺掘進，施工進度緩慢。

3.2 運行期影響

通過對溶洞的回填處理、建筑物結構的襯砌、圍巖的固結灌漿，以及施工震動干擾等，改變了KS7巖溶管道原有的補、排、徑條件，特別是造成原有的排泄通道變得不暢通或封堵，巖溶管道水可能滯留，汛期暴雨時，可能造成巖溶管道與建筑物交叉處水壓力過高而破壞襯砌混凝土，以及巖溶管道進口洼地產生內澇等。

洞室開挖揭露出汛期溶洞滲水、涌水現象，進一步證實了KS7巖溶管道與各洞室建筑物的交叉關系。汛期暴雨時，巖溶管道地下水因原排泄通道受阻迅速形成較高壓管道水。鑒于溶洞發育在空間上的復雜性，以及隧洞固結灌漿、溶洞封堵等施工質量問題，高壓水可能直接作用在隧洞襯砌混凝土結構上，當結構混凝土無法承受高壓時，發生開裂，這就帶來隧洞建筑物的破壞以及水庫滲漏，嚴重時會威脅主要建筑物的安全穩定運行。

當地巖溶地下水受阻，不能及時排泄時，巖溶管道進口洼地可能形成內澇，長時間內澇可能影響附近農作物的生長，嚴重時，會影響附近村民的安全，易引發矛盾糾紛，對水庫運行存在影響。

4 結 論

我國西南山區，巖溶發育千姿百態，空間分布極其復雜，巖溶管道成了地下水運移的大動脈，對水利水電工程建設帶來了不少難題，既影響到水庫的成庫條件，也影響工程地質安全。分析和研究巖溶管道發育規律和特征，對水利水電工程建設尤為重要。由于巖溶的復雜性和發育規律的多樣性，巖溶管道發育沒有一成不變的，需要更多的去發現和分析，結合建筑物的特點，找出更合適的方法去處理。

[1] 袁代江，武興亮，劉子金，等.黔中水利樞紐一期工程地質勘察報告[R].貴陽：貴州省水利水電勘測設計研究院，2009.

[2] 王大純，張人權， 史毅虹，等. 水文地質學基礎[M].北京：地質出版社,1990.

[3] 鄒成杰.水利水電巖溶工程地質[M].北京：水利電力出版社，1994.

武興亮(1978-)，男，貴州江口人，高級工程師，主要從事水利水電水文地質與工程地質勘察工作。E-mail:7472702@qq.com。

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2096-0506(2017)04-0090-05