巖溶區(qū)水庫(kù)阻水性斷裂構(gòu)造的利用及實(shí)踐

董建忠

摘 要：文章詳細(xì)分析了斷裂構(gòu)造阻水性在巖溶區(qū)實(shí)際工程中的應(yīng)用。巖溶區(qū)在我國(guó)分布廣闊，且地形復(fù)雜，巖溶區(qū)水庫(kù)滲漏取決于水庫(kù)的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下水水動(dòng)力條件，地質(zhì)結(jié)構(gòu)中斷裂構(gòu)造對(duì)于巖溶區(qū)滲漏問(wèn)題影響尤為關(guān)鍵。云南施甸縣龍門(mén)口水庫(kù)位于云貴高原西部邊緣，工程區(qū)地貌類型為溶蝕斷塊山地貌，屬巖溶區(qū)水庫(kù)。通過(guò)詳細(xì)分析工程區(qū)的地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，選擇阻水性可靠的斷裂構(gòu)造作為天然防滲體，可有效地降低工程造價(jià)，同時(shí)完善工程設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：巖溶區(qū);水庫(kù);斷裂構(gòu)造;阻水性;利用

中圖分類號(hào)：TV64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）07-0105-02

0引言

隨著人類社會(huì)的進(jìn)步和建筑科技的日益發(fā)展，人類對(duì)于地質(zhì)環(huán)境的了解逐步加深，已經(jīng)不再是一味地向地質(zhì)環(huán)境索取，而是因地制宜，實(shí)現(xiàn)了與地質(zhì)環(huán)境的相互協(xié)作，斷裂構(gòu)造在巖溶區(qū)的阻水性應(yīng)用就是一個(gè)很成功的例子。巖溶區(qū)水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，由于巖溶通道的發(fā)育，容易導(dǎo)致建設(shè)的水庫(kù)蓄水困難或成為空庫(kù)。如果通過(guò)灌漿進(jìn)行防滲處理，不僅增加建設(shè)成本，同時(shí)形成灌漿體的強(qiáng)度和耐久性相對(duì)較差。斷裂作為地殼演變的重要產(chǎn)物，斷裂帶特性為兩盤(pán)巖石擠壓強(qiáng)烈破碎，碎裂巖明顯，局部沿?cái)嗔褞D壓成斷層泥，如此形態(tài)的斷裂具有較好阻水性，且強(qiáng)度更大，耐久性更好，龍門(mén)口水庫(kù)工程是我們研究斷裂結(jié)構(gòu)對(duì)巖溶區(qū)水庫(kù)巖溶滲漏的地質(zhì)應(yīng)用的一個(gè)成功范例。

1 工程地質(zhì)概況

云南施甸縣龍門(mén)口水庫(kù)是典型的巖溶區(qū)水庫(kù)，水庫(kù)位于云貴高原西部邊緣，橫斷山脈南段，挾持于怒江和瀾滄江兩大水系之間。壩址海拔1869m，水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容173萬(wàn)m3，樞紐建筑物由大壩、輸水隧洞和溢洪道構(gòu)成，擬建壩型為當(dāng)?shù)夭牧暇|(zhì)土壩。

水庫(kù)庫(kù)盆及周邊分水嶺分布的地層主要為古生界泥盆系下統(tǒng)（D1）碳酸鹽巖夾碎屑巖，厚度130～300m，巖性包括灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r、鈣質(zhì)砂巖、泥灰?guī)r夾頁(yè)巖，巖層走向呈北西-南東向展布，與庫(kù)區(qū)河谷走向近于一致。野外工作根據(jù)巖性特征劃分為以下8個(gè)層位：層D1-①：砂質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r;層D1-②：鈣質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖夾薄層泥灰?guī)r;層D1-③：砂質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾數(shù)層鈣質(zhì)砂巖;層D1-④：粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)粉砂巖，夾砂泥質(zhì)灰?guī)r（D1-④-1）;層D1-⑤：砂質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾鈣質(zhì)砂巖;層D1-⑥：粉砂質(zhì)泥巖、紫紅色鈣質(zhì)粉砂巖;層D1-⑦：鈣質(zhì)頁(yè)巖夾薄層泥灰?guī)r;層D1-⑧：砂質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r。其中層③為庫(kù)盆主要層位，巖溶發(fā)育，庫(kù)底ZK4鉆孔深度85m，未揭露相對(duì)隔水層。

工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，主要由若干長(zhǎng)期活動(dòng)的南北向壓性、壓扭性斷裂及與之平行的次級(jí)斷裂和褶皺相間構(gòu)成。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，工程區(qū)主干斷裂為胡家山—施甸斷層F（Ⅱ-3）和獅子山-烏木龍斷層F（Ⅱ-6），沿主干斷裂旁側(cè)糜棱巖、斷層泥可見(jiàn)，起著隔水作用，已構(gòu)成地下水的分水嶺，沿?cái)嗔殉？梢?jiàn)泉水出露。水庫(kù)壩址一帶發(fā)育有F1、F2、F3、F4四條次級(jí)斷層（見(jiàn)表1）。

工程區(qū)河流侵蝕作用強(qiáng)烈，巖溶發(fā)育，水庫(kù)上游及兩岸巖溶洼地和落水洞較常見(jiàn)。區(qū)域水文地質(zhì)條件復(fù)雜，在巖性的基礎(chǔ)上，受斷裂構(gòu)造、地貌等多種因素控制，其中斷裂構(gòu)造起主導(dǎo)作用。

2水庫(kù)滲漏分析

2.1庫(kù)區(qū)巖溶發(fā)育特征

庫(kù)盆地層以泥盆系下統(tǒng)（D1）為主，總體上屬互層型不純碳酸鹽巖類型，地表覆蓋層薄，多見(jiàn)強(qiáng)-弱風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r露頭，巖溶形態(tài)類型主要為溶蝕裂隙，沿碎屑巖和碳酸酸鹽接觸帶見(jiàn)有小型溶蝕洼地、落水洞。

水庫(kù)設(shè)計(jì)正常蓄水位高程1904.35m，正常蓄水范圍主要分布層D1-③和層D1-④，巖層走向與河流流向及庫(kù)岸山體走向近于一致，傾向庫(kù)盆左岸。不同巖性段，地下水位埋深差異大，巖溶管道系統(tǒng)多呈順層發(fā)育，巖溶發(fā)育深度較深，受相對(duì)隔水層（或構(gòu)造）及形成巖溶發(fā)育時(shí)期地下水排泄基準(zhǔn)面的控制[1]。

2.2水庫(kù)東部（庫(kù)尾）滲漏分析

水庫(kù)庫(kù)區(qū)東部（即河流上游方向）山體寬厚，分水嶺海拔相對(duì)較高，均在2100m以上，地層巖性復(fù)雜多樣，但區(qū)域性獅子山—烏木龍斷裂從水庫(kù)上游1.1km處河谷切過(guò)，斷裂面傾向上游，上盤(pán)地層地下水位高于下盤(pán)地下水位，并在2026.2m高程有地下泉水出露，說(shuō)明斷裂構(gòu)造的阻水性，東部無(wú)低鄰河谷、無(wú)單薄分水嶺，上游地下水位高于下游地下水位，庫(kù)盆鉆孔地下水位也同樣為上游高、下游低，地下水流向?yàn)樽陨嫌蜗蛳掠畏较颍畮?kù)蓄水后不存在向上游方向反向滲漏的地質(zhì)條件。

2.3水庫(kù)右岸（北岸）滲漏分析

水庫(kù)右岸分水嶺最高海拔2036m，較正常庫(kù)水位高約132m，向該方向有低鄰谷山邑河谷，谷底高程1884m，該岸分水嶺最小寬度790m。由于F1斷裂向北東方向延伸在該岸分水嶺山脊竹林村交于F（Ⅱ-6）斷裂，從而形成該岸地下分水嶺以兩條斷裂為邊界格局。經(jīng)地質(zhì)調(diào)查，該岸高程1945～2005m一帶分布D1-②鈣質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖夾薄層泥灰?guī)r，粉砂巖、頁(yè)巖屬弱-微透水性巖層，巖層走向與庫(kù)岸一致且傾向庫(kù)內(nèi)，具有阻水性，該層多見(jiàn)散浸小泉點(diǎn)分布，說(shuō)明該岸地下水位高于正常蓄水位，因此向北岸鄰谷方向不會(huì)產(chǎn)生滲漏問(wèn)題。

2.4水庫(kù)左岸（南岸）滲漏分析

水庫(kù)左岸最高海拔2069.8m，最低磨刀石埡口為1914m，該岸分水嶺較單薄，以正常蓄水位高程計(jì)，分水嶺最單薄處寬僅90m，其外側(cè)磨刀石洼子分布有溶蝕洼地，低鄰谷為施甸壩（高程1510m）。

左岸巖層走向大致沿345°～350°延伸，以46°傾向庫(kù)外。分水嶺內(nèi)側(cè)分布地層主要為層D1-④粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)粉砂巖，夾砂泥質(zhì)灰?guī)r（D1-④-1）;該岸布置ZK1、ZK3、ZK9、ZK21共4個(gè)勘探鉆孔，鉆孔壓水試驗(yàn)資料反映左岸D1-④鈣質(zhì)砂巖、粉砂巖屬弱微透水層，為水庫(kù)左岸主要隔水地層。D1-④-1砂質(zhì)灰?guī)r因弱巖溶發(fā)育為中等透水層，層內(nèi)地下水位1865.96m，低于正常蓄水位38.39m，形成地下水低槽，該層地表出露高程大多在1920m以上，高于正常蓄水位，不會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)滲漏，局部地段出露高程1900.6m，低于正常蓄水位，水庫(kù)在高水位運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生滲漏問(wèn)題，布置90m長(zhǎng)帷幕進(jìn)行防滲灌漿處理。分水嶺外側(cè)分布層D1-⑤砂質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾鈣質(zhì)砂巖，發(fā)育串珠狀巖溶洼地和落水洞，受D1-④粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)粉砂巖阻隔，與水庫(kù)不存在水力聯(lián)系。

通過(guò)地質(zhì)勘察分析，龍門(mén)口水庫(kù)右岸和庫(kù)尾由于F1斷層和獅子山—烏木龍斷裂的包圍分割，以及D1-②弱透水巖層的阻隔，地下水的徑流、補(bǔ)給和排泄與地表分水嶺一致，不存在庫(kù)岸滲漏問(wèn)題。水庫(kù)左岸單薄分水嶺當(dāng)庫(kù)水位至1900.5m高程以上時(shí)，存在滲漏條件，需進(jìn)行防滲處理。庫(kù)底巖層為D1-③泥質(zhì)灰?guī)r，河谷底部鉆孔ZK2孔深85.0m、ZK4孔深31.3m，壓水試驗(yàn)為中～強(qiáng)透水，兩孔均未揭露相對(duì)隔水層。因此水庫(kù)底部巖溶層防滲問(wèn)題成為本工程建庫(kù)關(guān)鍵。

3阻水?dāng)嗔褬?gòu)造的選擇

水庫(kù)壩址一帶發(fā)育的F1-F4四條斷層，皆為壓性斷裂帶，其中F1為壩址區(qū)主干斷裂，F(xiàn)2、F3、F4均復(fù)合于F1斷層，為其次級(jí)小構(gòu)造。F1斷層橫切壩址河谷，傾向河床下游。向西穿越左岸分水嶺進(jìn)入砂泥巖隔水層，向東交于F（Ⅱ-6），延伸長(zhǎng)度約1.8km，根據(jù)地質(zhì)追索和高密度電法剖面探測(cè)，F(xiàn)1連續(xù)性好，斷裂深度大于100m。F1斷層破碎帶寬10-15m，破碎帶成分以斷層角礫、構(gòu)造透鏡體夾斷層泥組成，沿?cái)嗔褞в械叵滤@孔鉆至斷層破碎帶時(shí)，沒(méi)有松軟、塌孔現(xiàn)象，破碎帶擠壓密實(shí)，其力學(xué)強(qiáng)度滿足一般土石壩對(duì)地基要求。根據(jù)7個(gè)鉆孔28段次壓水試驗(yàn)指標(biāo)反映的透水性，極大值14.55Lu，極小值0.9Lu，平均值3.9Lu，大值平均值8.32Lu，小值平均值2.13Lu，有26段次透水率小于10Lu，弱透水性所占比率達(dá)92.9%，其中小于5Lu段次22段（占78.6%），小于1Lu段次3段（10.7%），僅有2段次透水率大于10Lu，分別為13.3Lu、14.55Lu，且該兩段位置靠近破碎帶的頂?shù)酌妫f(shuō)明F1斷層破碎帶以小于5Lu的弱透水層為主，壓水壓力1.5MPa以上沒(méi)有產(chǎn)生滲透破壞，斷層破碎帶抗?jié)B穩(wěn)定。壩址河床ZK6鉆孔揭穿斷層帶時(shí)，鉆孔產(chǎn)生涌水現(xiàn)象，涌水高度1.0m，涌水量19.8L/min。根據(jù)地質(zhì)勘察分析和水文地質(zhì)試驗(yàn)，F(xiàn)1斷層具有可靠的阻水性，地下水沿庫(kù)底D1-③泥質(zhì)灰?guī)r巖溶通道滲漏至F1斷層被阻斷，F(xiàn)1斷層可以作為壩基和庫(kù)區(qū)天然防滲體利用。

4壩線選擇及防滲方案

由于F1斷層恰位于河谷收窄河段前緣，根據(jù)地形條件，工程進(jìn)行了上下兩條壩線布置，上、下壩線均具備建壩的地形地質(zhì)條件。經(jīng)綜合比較，上壩線壩軸線基本與F1斷層重合，直接利用F1作為水庫(kù)防滲體，防滲邊界可靠，F(xiàn)1斷層破碎帶及擠壓影響帶形成阻水帶寬度達(dá)10～15m，其防滲效果不是幾排帷幕灌漿所能達(dá)到，且斷裂帶由破碎巖體混斷層泥組成，其耐久性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)水泥結(jié)石體。而下壩線地形條件較好，但對(duì)上游F1天然防滲體未能進(jìn)行利用，存在嚴(yán)重的壩基滲漏問(wèn)題必須實(shí)施帷幕灌漿進(jìn)行防滲，且兩岸邊界遠(yuǎn)，底界深，防滲體系工程量大，因此地質(zhì)建議采用上壩線方案作為推薦方案，壩型為風(fēng)化料均質(zhì)壩[2]。

工程最終按推薦的上壩線方案實(shí)施，壩軸結(jié)合槽與F1斷層重合，壩基沒(méi)有進(jìn)行防滲帷幕灌漿處理，僅沿結(jié)合槽澆筑混凝土蓋板，進(jìn)行5.0m淺孔固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿目的主要為解決大壩與F1防滲體接觸帶結(jié)合問(wèn)題。

5工程實(shí)踐效果

龍門(mén)口水庫(kù)工程于2015年10月7日攔河壩工開(kāi)始施工，2017年6月3日完成施工。施工期揭露地質(zhì)情況和前期工作勘察成果較為吻合，未進(jìn)行過(guò)補(bǔ)充勘察。2017年8月，水庫(kù)試蓄水至1899.4m時(shí)，壩后倒濾棱體滲水觀測(cè)流量為4.2L/min，2019年9月至正常蓄水位1904.35m時(shí)觀測(cè)流量為4.7L/min，滲流正常，F(xiàn)1斷層防滲體阻水效果較好。經(jīng)過(guò)兩年的蓄水檢驗(yàn)水庫(kù)蓄水正常。

6結(jié)語(yǔ)

巖溶區(qū)一般地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，巖溶區(qū)水庫(kù)的滲漏受多種因素影響，其中斷裂構(gòu)造的影響尤為重要。利用壓扭性斷層的阻水性，靈活的將其特性運(yùn)用在巖溶區(qū)水庫(kù)的建設(shè)當(dāng)中，既可以減少滲漏現(xiàn)象的發(fā)生，又可以節(jié)省工程成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧耀如.巖溶地區(qū)主要水利工程地質(zhì)問(wèn)題與水庫(kù)類型及其防滲處理途徑[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1982（04）：15-22.

[2] 韓行瑞.巖溶水文地質(zhì)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2015.

Sand Measuring Device for Sand Ingestion Test of? a Helicopter Auxiliary Power Unit

XIAO Xuan，LI Lin，ZHANG Huan，ZHONG Fa-bao

（AECC Hunan Aviation Powerplant Research Institute， Zhuzhou? Hunan? 412002）

Abstract：Aircraft engines should have the ability to swallow sand dust particles of a certain proportion without affecting its work， and it is necessary to simulate sand and dust environment on the ground test bench for verification. In order to explore the influence and performance change rule in the process of swallowing sand and dust particles.The design of the sand measuring device is based on the sand ingestion test of an auxiliary power unit.The characteristics of sand ingestion equipment is obtained from debugging data，which can provide the basis for further engineering research.

Key words：APU sand measuring;device;design