向能武,劉春艷,謝建波
(1.長江巖土工程總公司地質公司,湖北武漢 430010;2.廣東省地質局七零六地質隊,廣東韶關 512028)
構皮灘水電站泄洪隧洞區(qū)工程地質研究及洞線選擇
向能武1,劉春艷2,謝建波1
(1.長江巖土工程總公司地質公司,湖北武漢 430010;2.廣東省地質局七零六地質隊,廣東韶關 512028)
構皮灘水電站泄洪洞工程位于碳酸鹽巖地區(qū),通過前期大量的工程地質勘察研究,查明了工程區(qū)工程地質條件與主要地質問題。在洞線選擇過程中,各建筑物最大限度地避開了主要地質缺陷,并對可能出現(xiàn)的問題進行了預處理。泄洪洞工程的成功實踐是地質與設計有機結合的典范,對工程建設具有借鑒作用。
泄洪洞工程;巖溶;地質研究;洞線選擇;構皮灘水電站
構皮灘水電站泄洪洞為輔助泄洪工程,布置在烏江左岸,進水口采用岸塔式結構,其后為長220.6 m的圓形有壓隧洞,洞徑12 m;過工作閘門室后為無壓隧洞,采用坡度i=0.206 3的陡槽式直坡與出口明渠段相接,無壓隧洞為城門洞型,斷面尺寸10 m×15 m;出口采用挑流消能型式。隧洞全長434.58 m,出口明渠及挑流鼻坎長144.7 m。隧洞進、出口底板高程分別為550 m、503.8 m,挑流鼻坎基礎最低高程為485 m。
工程區(qū)地勢西高東低,可分為上游峽谷段與下游寬谷段。上游為硬巖形成的“V”形峽谷,岸坡陡峻,臨江峰頂高程744~930 m;下游為碎屑巖形成的寬谷區(qū),總體為向烏江傾斜的寬緩斜坡,原始地形坡度一般為25°~36°,斜坡較順直完整。
自上游至下游依次為P2w1-1—O1m1各層,其中石炭系、泥盆系及志留系上統(tǒng)缺失。P2w1-1—P1q1層主要為中厚—厚層生物碎屑灰?guī)r,以堅硬巖為主,局部為中硬巖,P2w1-1底部為厚3~5 m 的粘土巖及0.5~1 m的透鏡狀劣煤層,P1m2-1底部為厚3.5~4.5 m 的Ⅲ01夾層組;P1L—O1m1層則主要為粘土巖、鈣泥質粉砂巖及頁巖等碎屑巖,分布于下游寬谷段。碎屑巖抗風化能力弱,強風化厚度一般為15~20 m。巖層走向29°~40°,傾向 NW,傾角 45°~55°。
斷層、層間錯動及裂隙為區(qū)內主要構造形跡。沿線未見規(guī)模較大的斷層發(fā)育,主要為NW與NWW向中、陡傾角裂隙性斷層,多由方解石膠結的角礫巖組成,沿斷層局部溶蝕較強。規(guī)模較大的層間錯動主要有 Fb115、Fb54、Fb81、Fb93、Fb88、Fb82、Fb112、Fb113、Fb114、Fb86、Fb91、Fb92,沿層間錯動大多性狀較差,風化溶蝕較強烈,其中在P1m層發(fā)育的層間錯動普遍具溶蝕,局部發(fā)育有縫狀溶洞,如 Fb91、Fb92、Fb82、Fb112、Fb113等。裂隙主要發(fā)育有 4 組,以走向 275°~300°、301°~330°兩組為主,走向331°~350°、20°~40°兩組次之,多為陡傾角,緩傾角裂隙不發(fā)育,裂隙平均線密度1~3條/m,長度一般0.8~3 m,寬度2~20 mm,以新鮮方解石充填為主,部分溶蝕夾泥。在岸坡卸荷帶以及規(guī)模較大的斷層、層間錯動附近,裂隙發(fā)育較密集且規(guī)模較大,普遍具溶蝕。
工程區(qū)以碳酸鹽類巖石為主,發(fā)育有5號、7號巖溶系統(tǒng)的溶洞。進口段及進口建筑物區(qū)位于P1m2-3層頂部的古侵蝕—強溶蝕帶內,為5號巖溶系統(tǒng)主要發(fā)育部位,帶內巖溶發(fā)育;在P1m1層發(fā)育有7號巖溶系統(tǒng)的溶洞,規(guī)模一般較小。
工程區(qū)主要地質問題有巖溶、層間錯動、NW與NWW向斷裂、軟弱夾層、強風化巖體以及谷坡巖體卸荷等。
(1)巖溶 工程區(qū)巖溶較集中發(fā)育于P1m2-3頂部的古侵蝕—強溶蝕帶內、Ⅲ01夾層組及 Fb91、Fb92、Fb112、Fb113、Fb82等層間錯動附近。其中進口區(qū)位于古侵蝕—強溶蝕帶內,發(fā)育5號巖溶系統(tǒng)的分支溶洞,KD21溶洞呈豎井狀,規(guī)模相對較大,其余均為規(guī)模不大的縫狀溶洞;P1m1層發(fā)育7號巖溶系統(tǒng)的溶洞,規(guī)模一般較小。巖溶對洞室圍巖、邊坡及地基等的穩(wěn)定均有影響。
(2)層間錯動 在P1m層發(fā)育的層間錯動構造巖多為角礫巖,且多具溶蝕夾泥現(xiàn)象,局部發(fā)育縫狀溶洞,為巖溶發(fā)育的主要控制因素,其中Fb91、Fb92為5號巖溶系統(tǒng)主要發(fā)育部位,F(xiàn)b112、Fb113、Fb114、Fb82為 7 號巖溶系統(tǒng)主要發(fā)育部位;在P1q層發(fā)育的層間錯動多為片狀構造巖,擠壓揉皺強烈。層間錯動對邊坡與洞室穩(wěn)定有一定影響。
(3)NW與NWW向斷裂 NWW及NW向裂隙性斷層主要發(fā)育于進出口區(qū),多溶蝕夾泥。區(qū)內NW、NWW向裂隙約占總數(shù)的62%,大多為中、陡傾角裂隙,在隧洞進、出口段及規(guī)模較大的斷層、層間錯動附近,裂隙發(fā)育較密集,且規(guī)模相對較大,溶蝕強烈。NW與NWW向斷裂對邊坡與洞室穩(wěn)定有一定影響。
(4)軟弱夾層 規(guī)模相對較大的軟弱夾層主要有兩條,P2w1-1層底部厚3~5 m 的粘土巖及0.5~1 m的透鏡狀劣煤層和 P1m2-1層底部厚 3.5~4.5 m 的Ⅲ01夾層組。其中P2w1-1層底部的粘土巖與劣煤層巖質軟弱,順層擠壓破碎,強風化呈土狀,受粘土巖相對隔水影響,粘土巖所有附近的碳酸鹽巖溶蝕一般較強,形成寬約10~20 m的強溶蝕帶。Ⅲ01夾層組分布連續(xù),呈強風化狀,巖體破碎,性狀較差,頂、底部泥化層多呈軟塑—流塑狀。此外,P1m2-1層下部及 P1m2-3層中、上部還分布有厚度不大的炭、泥質灰?guī)r、頁巖等軟弱夾層,一般分布不連續(xù)。軟弱夾層對邊坡及洞室圍巖穩(wěn)定有較大影響,對進口區(qū)洞線布置有較大影響。
(5)強風化巖體 強風化巖體主要分布在軟質巖段(S2h1~O1m1層)挑流鼻坎與導流洞交匯部位。粘土巖、砂頁巖等抗風化能力弱,強風化巖體厚度一般15~20 m,P1L、S1L層具相對隔水性能,沿不同巖性接觸帶地下水活動較強,粉砂巖、粘土巖強風化深度相對較大。2號導流洞出口邊坡上游側殘留有面積較大的強風化破碎巖體,在導流洞開挖過程中曾產生過垮塌,而挑流鼻坎段的開挖是在垮塌部位第二次開挖而成。強風化巖體對邊坡穩(wěn)定有較大影響。
(6)谷坡巖體卸荷 隧洞處于峽谷區(qū),谷坡巖體卸荷作用明顯,進、出口斜坡強卸荷帶水平深(寬)度一般15~25 m,弱卸荷帶可達60 m。強卸荷帶巖體中裂隙發(fā)育且規(guī)模較大,溶蝕較強烈,局部卸荷裂隙密集發(fā)育,屬完整性差或極差的巖體。巖體卸荷對邊坡及洞室圍巖的穩(wěn)定均有一定影響。
為了最大限度地減少主要地質問題對工程的影響,使建筑物更適應地形地質條件,采取了多線路比較設計,綜合分析地質條件、設計工況以及工程量等因素,選擇最合理的洞線以及隧洞進出口位置。具體如下:
(1)采用在有壓段轉彎的布置型式 如果采用無壓段布置型式,則應為直線布置,這樣進口位置應向山里側偏移較多,與第一級升船機的施工干擾較大,布置的范圍亦有限,同時無法避開P2w1-1底部的粘土巖夾層與P1m2-3層頂部的古侵蝕—強溶蝕帶。通過分析比較,設計采用了在有壓段轉彎的布置型式(圖1),使邊坡、閘室及隧洞等建筑物完全避開P2w1-1底部的軟弱夾層,同時也避免了施工干擾。下游直線洞段位于新鮮完整的灰?guī)r中,其洞向與巖層走向近正交,減少了NW、NWW結構面與層間錯動組合塊體的規(guī)模與數(shù)量,對圍巖穩(wěn)定有利。圍巖穩(wěn)定性普遍較好,除進出口段及Ⅲ01夾層組穩(wěn)定條件較差外,其余以基本穩(wěn)定的Ⅱ類圍巖為主,Ⅱ類圍巖占隧洞總長的70%左右。
圖1 泄洪隧洞洞線及簡易地質圖Fig.1 Simplified geological map of hole-line of spillway tunnel
(2)閘室地基的選擇 進口閘室地基應避開岸坡強卸荷與強溶蝕帶,選擇完整性好、地質缺陷不發(fā)育的巖體作為閘室地基,而且盡量減少邊坡開挖的工程量。該部位強溶蝕帶與強卸荷帶的水平深度約為40 m左右,選擇了水平深度45~65 m范圍內巖體作為閘室地基,能滿足上述要求。挑流鼻坎地基選擇應避開強風化巖體與深厚的第四系覆蓋層,選擇弱風化與微新風化的中硬巖作為地基,承載力能滿足要求(圖2)。
圖2 泄洪洞出口段軸線剖面圖Fig.2 Axis profile of exit section of spillway tunnel
(3)邊坡設計 進口邊坡設計呈喇叭口狀,下游側及正面邊坡為斜交順向坡,590 m高程以上邊坡位于強卸荷帶內,巖體工程地質條件較差,存在結構面組合的不穩(wěn)定塊體;590 m高程以下為閘室直立墻,基本挖除了強卸荷帶,邊坡穩(wěn)定性好。進口上游側邊坡合理避開了P2w1-1底部的粘土巖及劣煤層。
挑流鼻坎內側邊坡在2號導流洞出口邊坡部位第二次開挖而成,該部位邊坡早在2號導流洞開挖期間就出現(xiàn)過變形破壞,巖體風化破碎,穩(wěn)定條件較差,為了避免二次開挖影響邊坡穩(wěn)定,在開挖前考慮對其進行超前支護處理。
(1)進口邊坡 泄洪洞進口邊坡主要由P1m2-3層厚層灰?guī)r組成,正面坡與下游側坡為斜交順向坡,590 m高程以上邊坡位于岸坡強卸荷帶內,NW、NWW向長大裂隙較發(fā)育,并發(fā)育有Fb91、Fb92溶蝕夾泥的層間錯動,巖體完整性差,溶蝕程度亦較高,邊坡工程地質條件較差。共見兩個規(guī)模較大的不穩(wěn)定塊體,均為層間錯動與NW向長大結構面組合形成的,體積分別為850 m3、2 000 m3。590 m高程以下為閘室直立墻,巖體較完整,穩(wěn)定條件較好。上游側邊坡為斜交逆向坡,避開了P2w1-1底部的粘土巖及劣煤層,穩(wěn)定條件相對較好。
(2)進口閘室地基 進口閘室地基巖體為P1m2-3層淺灰色中—厚層微晶生物碎屑灰?guī)r。裂隙少量發(fā)育,以長大裂隙為主,多為陡傾角裂隙,大部分具溶蝕,線密度一般0.5條/m。溶洞為塔基主要地質缺陷,沿層間錯動發(fā)育一個規(guī)模較小的縫狀溶洞,深度不大,地震波資料顯示沒有淺埋溶洞發(fā)育。地基巖體為堅硬巖,巖體較完整,工程地質條件較好。進口閘室地基選擇恰到好處,如果向外側移則遇5號巖溶系統(tǒng)規(guī)模較大的溶洞,如果向內側移,則增加了邊坡開挖的工作量。
(3)泄洪隧洞 泄洪隧洞全長434.58 m,穿越P1m2、P1m1、P1q層,以堅硬巖為主,Ⅲ01夾層組風化、泥化較強,性狀差,為隧洞區(qū)主要地質缺陷。共揭露40個規(guī)模較小的溶洞,主要發(fā)育于Ⅲ01夾層組附近與Fb112、Fb113、Fb82層間錯動帶部位,以縫狀溶洞為主。斷裂以NW、NWW向中—陡傾角為主,共見17條,溶蝕較強;裂隙一般為新鮮方解石充填,溶蝕或局部裂隙僅15%左右,裂隙平均線密度1~3條/m。不穩(wěn)定塊體規(guī)模較小,多發(fā)育于邊墻部位,以片狀塊體為主。圍巖工程地質條件普遍較好,以基本穩(wěn)定的Ⅱ類為主,其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖分別占全洞長的 67%、28.4%、4.6%。
(4)出口建筑物 出口洞臉邊坡為P1q層灰?guī)r組成,為逆向坡,發(fā)育有規(guī)模不大的不穩(wěn)定塊體,早在第一次開挖后對邊坡進行了系統(tǒng)支護,對不穩(wěn)定塊體已進行了隨機支護處理,邊坡穩(wěn)定性較好。
出口明渠段主要為軟巖,開挖邊坡不高,處于穩(wěn)定狀態(tài),地基為微新巖體,承載力滿足要求。
挑流鼻坎地基范圍已挖除了強風化層,且避開了深厚的第四系覆蓋層,地基巖體主要為S1sh1層灰?guī)r夾粉砂巖、S1L層粉砂巖與粘土巖等,巖體以弱風化為主,裂隙中等發(fā)育,多短小,巖體完整性中等—較完整。地基工程地質條件較好,無大的地質缺陷,巖體承載力能滿足要求。
挑流鼻坎內側邊坡巖體風化破碎,穩(wěn)定條件較差,二次開挖前對其進行了超前支護處理,經處理后,邊坡在開挖過程中未出現(xiàn)變形破壞等現(xiàn)象,處于穩(wěn)定狀態(tài)。
(1)泄洪洞工程開挖揭示的地質條件與前期勘察成果一致,幾個主要地質問題及對工程影響的分析與實際相符合,各主要地質缺陷的分布位置、規(guī)模等預測基本正確,為洞線選擇與優(yōu)化設計提供了可靠的地質資料。
(2)洞線選擇與各建筑物布置很好地適應了地形地質條件,最大限度地避開了地質缺陷,對局部地質條件較差部位預先均有相應處理方案,如進口邊坡不穩(wěn)定塊體、Ⅲ01夾層組與挑流鼻坎強風化巖質邊坡等。在施工全過程中,沒有出現(xiàn)較大的設計變更,地質缺陷處理的工程量小,使工期得到了保障,并節(jié)約了工程投資,這些都得益于對地質條件清晰的認識。
(3)泄洪洞成功實踐說明了最優(yōu)設計必須要有可靠而準確的地質勘察成果,兩者只有有機結合,才能得到優(yōu)秀的設計產品,最終將會大大地節(jié)省工期與投資。
[1]龔大慶.烏江構皮灘水電站泄洪洞優(yōu)化設計工程地質專題報告[R].武漢:長江巖土工程總公司(武漢),2006.
[2]向能武.烏江構皮灘水電站下閘蓄水安全鑒定工程地質自檢報告[R].武漢:長江水利委員會長江勘測設計研究院,2008.
Geologlcal Research and Hole-line Selection of Spillway Tunnel of Goupitan Hydropower Station
XIANG Nengwu1,LIU Chunyan2,XIE Jianbo1
(1.Changjiang Geotechnical Engineering corporation,Wuhan,Hubei430010;2.706Geological Bridage,Guangdong Provincial Bureau of Geology,Shaoguang,Guangdong512028)
Spillway tunnel of Goupitan hydropower station is located in carbonate rock area.By a large number of engineering geological investigation of the early studies,the authors identify the main engineering geological conditions and geological problems in the project area.In the hole-line selection process the authors get all buildings to avoid major geological defects and pre-treat possible problems.Successful practice of spillway tunnel is a model for organic integration of geology and design,which has a reference value to engineering construction.
spillway tunnel;karst;geological research;hole-line selection;Goupiran hydropower station
P642;TV651.3
A
1671-1211(2011)04-0330-04
2011-02-18;改回日期:2011-03-02
向能武 (1970-),男,高級工程師,工程地質與水文地質專業(yè),從事水利水電工程地質勘察工作。E-mail:mrxnw@163.com
李 雯)