云南谷久濃水利樞紐工程壩址深厚覆蓋層特性及成因分析

周 旭, 任向宇, 李保方

(中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林 長春 130021)

云南谷久濃水利樞紐工程壩址深厚覆蓋層特性及成因分析

周 旭, 任向宇, 李保方

(中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林 長春 130021)

中國西南地區蘊藏著豐富的水能資源,在水能資源開發過程中,查明河谷深厚覆蓋層的基本特征、分布規律及其物理力學性質,對工程建設效益起到至關重要的作用。通過谷久濃壩址工程勘察實踐,概述壩址河谷覆蓋層組成及分布特性,結合大量文獻資料,分析探討其壩基深厚覆蓋層的成因機制,得出本地區河谷深厚覆蓋層的形成與氣候變化、新構造運動、冰磧作用、地質災害等因素有很大關系。

深厚覆蓋層;覆蓋層特性;成因機制

1 概述

谷久濃水利樞紐工程位于云南省德欽縣瀾滄江支流三岔河支流上,壩址位于德欽縣西各幾農村上游250～650 m(圖1)。大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩,是一座功能相對單一的兼具供水及灌溉任務的小(1)型水利樞紐工程,主要建筑物為4級,水庫建成后是德欽縣城鎮生活供水及農業灌溉的可靠水源。

圖1 谷久濃水利樞紐工程交通位置圖Fig.1 The traffic location map of Gujiunong water conservancy project

2 地質概況

工程地處橫斷山北段三江(怒江、瀾滄江、金沙江)并流區的雪山峽谷區,地貌形態主要受構造斷裂帶控制,山體陡峻雄厚,河谷深切,地形起伏,切割強烈。山頂大部基巖裸露,左岸地形坡度25°～53°,右岸地形坡度40°～50°,谷底寬度約80 m,水面寬2～5 m。

樞紐區出露地層主要為三疊系中統片理化流紋巖、輕微變質泥巖、輝長巖,上統輕微變質泥巖及第四系松散堆積物。

壩基及兩岸壩肩發育3條陡傾角斷層破碎帶,主要由碎裂巖、斷層角礫巖、碎塊碎屑狀破碎物組成,局部夾泥,斷層寬約8～20 m。

壩址兩岸壩肩地下水埋深為30～70 m。第四系松散堆積物除分布于河床部位的泥炭質土為中等透水層以外,其余均為強透水層。

3 覆蓋層基本工程地質特性

根據覆蓋層的物質組成和成層結構,壩址第四系松散堆積物自上而下可分為沖積層、湖積層、坡積層和冰水沉積層,覆蓋層總厚度河床約35～40 m,左岸35～45 m,右岸50～60 m。壩址河谷覆蓋層結構見圖2。

沖積層:為級配良好礫,漂、卵石含量約為40%～60%,礫石含量約為30%～50%,其余為砂,含量少于10%,層厚5～6 m,主要分布于河床部位。

湖積層:為泥炭質土,灰—灰黑色,飽和,呈軟塑狀態,有機質含量為12.5%,層厚15～18 m,主要分布于河床部位。

坡積層:主要為含細粒土礫,礫石含量一般在40%～50%,呈稍密—中密狀態,兩岸厚度不均,左岸層厚約為5 m,右岸層厚約為35～48 m,主要分布于兩岸岸坡及坡腳。

圖2 壩址河谷覆蓋層結構示意圖Fig.2 The structure map of valley cover of dam site

冰水沉積層:主要為含細粒土礫,碎、塊石含量約為25%～35%,角礫含量約為25%～40%,砂含量約為10%～20%,其余為粉、粘粒,含量約為5%～10%。主要分布于河床湖積層與左岸坡積層之下。河床段層厚約為15～20 m,左岸厚度約為30～70 m。

4 覆蓋層物理力學特性

沖積級配良好礫:該層呈中密狀態,動力觸探錘擊數N63.58～22擊,壓縮模量15 MPa,允許承載力280 kPa,天然密度1.85 g/cm3,粘聚力4 kPa,內摩擦角25°,滲透系數1×10-2cm/s。

湖積泥炭質土:呈軟塑狀態,標準貫入試驗實測錘擊數N63.510～15擊,壓縮系數為1.65,壓縮模量1.5 MPa,允許承載力100 kPa,天然密度1.46 g/cm3,干密度0.76 g/cm3,孔隙比2.31,飽和狀態抗剪強度建議值為粘聚力10 kPa,內摩擦角15°,滲透系數6×10-4cm/s。

坡積含細粒土礫:呈稍密—中密狀態,動力觸探錘擊數N63.517～19擊,壓縮模量30 MPa,允許承載力350 kPa,天然密度1.8 g/cm3,粘聚力6 kPa,內摩擦角30°,滲透系數1×10-3cm/s。

冰積含細粒土礫:呈中密狀態,分選差,壓縮模量35 MPa,允許承載力280 kPa,天然密度1.7 g/cm3,粘聚力8 kPa,內摩擦角25°,滲透系數1×10-3cm/s。

上述覆蓋層除泥炭質土厚度較大,性狀較差,對壩基變形穩定影響較大外,其余層物理力學參數可以滿足壩基承載變形及壩基穩定的要求。

5 深厚覆蓋層成因分析

有資料顯示,中國西南地區河谷覆蓋層厚度一般都在幾十甚至百米以上。據西南地區大渡河、岷江、雅礱江、金沙江、白龍江、怒江等約70座水電站資料統計,有多達60多座電站河谷覆蓋層厚度超過30 m,一般在38～86 m,覆蓋層厚度<30 m的僅有8座,有7座厚度達130 m,其中大渡河流域5座,金沙江流域2座,最厚為金沙江虎跳峽電站達250 m[1]。位于西藏境內拉薩河流域上的旁多水利樞紐工程壩址河谷覆蓋層厚度巨大,最厚達400多米,位于大渡河支流南椏河流域上的冶勒水電站壩址河谷覆蓋層厚度則≥420 m。

谷久濃壩址覆蓋層厚度大,成因較為復雜。河谷上部為現代河流相沖積物,底部為冰水沉積物,中部為崩坡積、湖積等混合堆積形成的沉積層。通過對西南地區大量深厚覆蓋層河谷的覆蓋層基本特征和發育規律分析研究,亦可以證明西南地區深厚覆蓋層的形成與構造運動、氣候變化密切相關。

上世紀末—本世紀初以來,隨著中國開發大西南戰略的實施,眾多專家學者和水電工程技術人員在西南地區水電工程勘測設計實踐過程中,對深厚覆蓋層的成因進行了較為深入細致的研究,提出深厚覆蓋層的形成具有“構造型” 加積和“氣候型”加積等形式[2],認為深厚覆蓋層的形成多與新構造運動、冰川作用、活斷層、地質災害等因素有很大關系[3],并將河谷深切和覆蓋層深厚堆積與全球氣候變化、地殼運動及海平面升降運動等有機地聯系起來,提出了冰期與間冰期海平面大幅度升降是導致河流深切成谷,形成覆蓋層深厚堆積的主要原因。近年來大量勘探資料揭示,中國西部地區現代河流演化史有別于傳統河流演化模式,尤其是在三級階地形成后經歷了強烈侵蝕,一次將河谷谷底下切到現今河床以下的基覆界面,然后進入堆積期(25—15 ka);15 ka以來,隨著冰川消融,河流在回填堆積體基礎上重新間歇性下切,分別形成二級階地、一級階地及現今的漫灘和河床堆積[4],河谷深厚覆蓋層即為這一過程中冰(冰水)積、崩坡積、沖積以及洪積、泥石流堆積(堰塞堆積)、物理風化重力堆積等近源物質混合堆積形成的產物,故不同河段,乃至不同流域河谷覆蓋層其堆積物特征縱有千差萬別,卻又往往大同小異。

谷久濃壩址地處青藏高原向云貴高原和四川盆地過渡地帶的三江并流區,東部屬三江褶皺系之瀾滄江構造帶白茫雪山褶斷束,西部屬岡底斯—念青唐古拉褶皺系之梅里石—燕門褶斷束,是藏滇地質構造轉折銜接的咽喉部位,也是寒溫帶氣候向亞熱帶氣候過渡地帶,由此形成了本地區高山峽谷、江河奔流、植被鮮明的獨特地貌景觀。區內冰峰林立、白雪皚皚、河谷深切、地勢險峻,眾多流量豐沛的干流與支流水系極為發育;不但具有山體巖層變質、褶皺發育、構造復雜的區域水文、工程地質條件,而且具有高應力和高地震烈度、活躍的冰緣泥石流以及強烈的谷坡外動力地質作用等鮮明的環境特色,更具有復雜的區域構造演變、區域第四紀氣候和河谷形成的演化歷史,這就為形成河谷深厚覆蓋層提供了良好的地質背景。可以說,適宜的地質環境是河床深厚覆蓋層形成的先決條件[5]。

一般來說,河流的侵蝕、堆積與該流域的地質構造運動和氣候變化有著十分密切的聯系。

青藏高原及其邊緣地區由于地質構造復雜,一般較大的河流都流經不同的地質構造單元,斷塊的差異運動(橫向)和隨著河流的演變歷史在時間上的差異運動(縱向),對河流的侵蝕與堆積給予強烈的影響。有研究表明,受印度板塊與歐亞板塊碰撞的影響,三江地區新構造隆升運動大致經歷了4個階段:上新世末—早更新世時期(第四紀初期)的相對穩定時期;早更新世—晚更新世早期(第四紀中期)的快速隆升時期;晚更新世中期(第四紀中晚期)的相對穩定時期;晚更新世晚期—全新世(第四紀末期)的快速隆升時期,地殼隆升運動的階段性表現較為明顯[6]。

通過對本地區河谷層狀地貌的調研可知,瀾滄江、怒江河谷分布有2～3級河谷階地,以江水面為零,一、二、三級階地分別上升了約56 m、100 m、152 m,表明本地區第四紀以來,地殼有強烈的上升運動。地殼強烈上升不僅表現為瀾滄江、怒江河谷的強烈下切,也表現在第四紀晚更新世晚末—全新世以來廣泛的冰川活動及冰蝕地形在不同高度上的顯示。根據冰川活動情況大致可分為4個小冰期,其對應的高程分別為3 000～3 800 m、3 800～4 200 m、4 200～5 000 m、5 000～6 740 m,近代冰川活動主要是高程5 000～6 740 m的第4小冰期。4個小冰期的活動與高程遞增情況除說明地殼劇烈上升外,也說明本地區全新世以來氣候變暖、雪線不斷抬升。在冰期,氣候寒冷,海平面大幅度下降,河流侵蝕基準面降低,河道比降變陡,河流動力作用增強,由此引發強烈的河谷溯源侵蝕下切,最終形成深切河谷。在間冰期,氣候變暖,海平面上升,河流侵蝕基準面亦隨之抬升,河道比降變緩,水流搬運能力減弱,溯源堆積作用增強,各種成因沉積物大量堆積,從而形成了本地區河谷的深厚覆蓋層。另外,高原地區特有的冰川對高原河谷的強烈刨蝕作用也會產生大量的碎屑物質,冰磧作用使它們暫時堆積在谷地和凹地中,再通過水流搬運堆積在河谷中,亦即“氣候型加積層”。

凡此種種表明,本地區現今河床底部基覆界面大約在20 ka前就已開始形成,而后河谷進入堆積期,晚更新世末期以來由于冰川作用盛行,河流剝蝕作用增強,重力堆積發育,山體滑坡、崩塌、泥石流等地質災害產物形成堰塞堆積,加之水流侵蝕與搬運能力減弱,使得河谷谷底形成了深厚堆積層。

6 小結

(1) 根據覆蓋層的物質組成和成層結構,壩址覆蓋層可分為沖積層、湖積層、坡積層和冰水沉積層,總厚度約40～60 m。

(2) 壩址覆蓋層除泥炭質土厚度較大,性狀較差,對壩基變形穩定影響較大外,其余層物理力學參數可以滿足壩基承載變形及壩基穩定的要求。

(3) 壩址覆蓋層成因較為復雜,河谷上部為現代河流相沖積物,底部為冰水沉積物,中部為崩坡積、湖積等混合堆積形成的加積層。

(4) 壩址河谷深厚覆蓋層成因是地質構造運動和氣候變化共同作用的產物。

[1] 許強,陳偉,張倬元.對我國西南地區河谷深厚覆蓋層成因機理的新認識[J].地球科學進展,2008,23(5):453- 454.

[2] 石金良.大渡河河床深厚覆蓋層及其工程地質問題[J].四川水力發電,1986(3):10-17.

[3] 羅守成.對深厚覆蓋層地質問題的認識[J].水力發電,1995(4):21-24.

[4] 王運生,黃潤秋,段海澎,等.中國西部末次冰期第一次強烈的侵蝕事件[J].成都理工大學學報(自然科學版),2006,33(1):73-76.

[5] 趙華,王運生.金沙江某水電站壩基覆蓋層的成因及其滲透穩定性[J].成都理工大學學報(自然科學版),2011,38(4):443-449.

[6] 楊寶嘉,呂偉.滇西北三江地區新構造運動特征[J].成都大學學報(自然科學版),2006,25(3):214-218.

(責任編輯：于繼紅)

Characteristics and Genetic Analysis of Deep Overburden in Dam Site of YunnanGujiunong Water Conservancy Project

ZHOU Xu, REN Xiangyu, LI Baofang

(ChinaWaterNortheasternInvestigation,Design&ResearchCo.,Ltd,Jilin,Changchun130021)

China is rich in hydropower resources in southwest,during the development of hydropower resources,it is important to find out the basic characteristics,distribution and physical and mechanical properties of the deep overburden of deep valley covering,and it plays a crucial role in the construction efficiency. The composition and distribution characteristics of dam site valley overburden are summarized through the investigation and practice of dam site in Gujiunong. Combined with a large amount of literature,by analyzing the formation mechanism of deep overburden layer of dam foundation,it can be seen that the formation of deep overburden in the valley is closely related to climate change,neotectonic movement,moraine action and geological disasters.

deep overburden; covering layer characteristics; genetic mechanism

2017-06-15;改回日期:2017-06-19

周旭(1975-),男,工程師,注冊土木工程師(巖土),礦山地質專業,從事水利水電工程地質勘察工作。E-mail:583781873@qq.com

TV223.2; TV61

A

1671-1211(2017)04-0392-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.008

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1325.010.html 數字出版日期:2017-06-20 13:25