史 紅 光

(四川美姑河水電開發(fā)有限公司,四川 成都 610072)

1 前 言

坪頭水電站位于四川省涼山彝族自治州美姑、昭覺、雷波三縣交界處,是美姑河流域梯級水電開發(fā)的最下游一個梯級水電站。電站采用閘壩引水式開發(fā),正常蓄水位 913m,總庫容 62.09萬 m3,電站裝機容量 180MW,多年平均發(fā)電量 8.61億 kW·h。樞紐建筑物由進水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道及地下廠房等組成,主要布置于左岸。引水隧洞全長 12.761km,線路需穿越寒武系白云質(zhì)灰?guī)r、砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r、震旦系灰白色細晶白云巖、灰黑色含磷灰?guī)r及第四系堆積物等地層。

坪頭水電站工程區(qū)在地質(zhì)構造上屬涼山拗褶帶東亞區(qū),區(qū)內(nèi)無區(qū)域性斷裂分布,地形陡峻,岸坡風化、卸荷作用強烈。工程河段處于美姑河匯入金沙江干流的出口峽谷段內(nèi),受美姑河水流切割,河谷呈不對稱深切“V”形谷,左岸為順向坡,坡形相對寬緩,右岸為反向坡,岸坡較為陡峻。

在深切峽谷型地貌條件下,岸坡崩塌破壞和地下水不均勻滲漏是較為普遍的地質(zhì)現(xiàn)象,因此,結(jié)合坪頭水電站工程的設計資料及工程樞紐布置對工程區(qū)內(nèi)地質(zhì)現(xiàn)象進行針對性調(diào)查和分析是十分必要的。

2 工程地質(zhì)調(diào)查

2.1 物理地質(zhì)現(xiàn)象

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查,坪頭水電站工程區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)現(xiàn)象較為發(fā)育,主要表現(xiàn)為卸荷、崩塌、滑坡和泥石流等。據(jù)初步統(tǒng)計,電站工程區(qū)內(nèi)共有 11條規(guī)模性天然沖溝,在工程建設期,已發(fā)生泥石流和岸坡崩塌5起,其中規(guī)模最大的一次發(fā)生于 2005年 7月,泥石流造成美姑河斷流近 1h。

受地層發(fā)育條件影響,不良地質(zhì)現(xiàn)象在不同區(qū)段具有不同的表現(xiàn),與岸坡地表形態(tài)、堆積物、出露巖體的結(jié)構及風化卸荷狀況等相關。經(jīng)過地質(zhì)分析和對比發(fā)現(xiàn),坪頭水電站工程區(qū)內(nèi)岸坡地質(zhì)條件具有較明顯的分區(qū)性,大致可劃分為兩個區(qū)段:

(1)閘址區(qū)～引水隧洞前段(4號支洞以上)。受巖體產(chǎn)狀控制,該區(qū)段河道是右岸為凹岸、左岸為凸岸的河灣,兩岸山體雄厚,一般海拔高程為 900～1400m,相對高差 400～500m。

該工程區(qū)段地層巖性主要為寒武系白云質(zhì)灰?guī)r、砂巖、頁巖夾泥質(zhì)灰?guī)r。白云質(zhì)灰?guī)r呈薄至中厚層狀,巖質(zhì)堅硬,屬Ⅲ類圍巖;泥質(zhì)灰?guī)r呈薄層狀結(jié)構,巖質(zhì)軟,風化、溶蝕作用相對較強,屬Ⅳ類圍巖,成洞條件較差。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和分析,區(qū)內(nèi)未見規(guī)模較大的斷層,局部發(fā)育規(guī)模較小的層間擠壓破碎帶。因此,控制該段巖體地質(zhì)條件的主要因素是淺表層強風化卸荷及沖溝切割影響。受其作用和影響,在淺埋洞深地段圍巖完整性較差,裂隙較為發(fā)育,施工過程中圍巖穩(wěn)定性程度低,易發(fā)生局部坍塌。

(2)引水隧洞后段(4號支洞以下)～廠址區(qū)。岸坡達 600m以上,為斜向順層狀岸坡,巖層傾角30°左右。巖體中裂隙較為發(fā)育,垂直層面的“X”節(jié)理、平行岸坡的陡傾卸荷裂隙和層理組合,使岸坡卸荷表現(xiàn)得更為強烈,出露的巖體大多破碎松弛,中小規(guī)模的塌滑體較為常見,局部可見殘留的滑移拉裂巖體。

坪頭水電站工程區(qū)典型地質(zhì)條件分析剖面示意見圖1。

2.2 水文地質(zhì)條件

在工程設計中,根據(jù)坪頭水電站工程區(qū)出露的地層巖性、裂隙及巖溶的發(fā)育狀況,巖體滲透類型分為:(1)厚層狀白云巖溶隙～小型巖溶管道類型;(2)薄～中厚層白云巖溶隙～裂隙類型;(3)薄層灰?guī)r及粉砂巖,坡面為裂隙強透水層、深部為隔水層類型。

圖1 坪頭水電站工程區(qū)典型地質(zhì)條件分析剖面示意

上述劃分有助于判斷樞紐所在區(qū)域的地下水賦存程度,從而根據(jù)工程區(qū)水力運動狀況評價施工過程中的圍巖穩(wěn)定性。地質(zhì)調(diào)查和分析表明,坪頭水電站工程區(qū)地下水在橫向上接受岸坡補給,在縱向上接受美姑河河水補給。地表水流下滲到碳酸鹽巖體后,通過白云巖和巖體中的層理、裂隙順河向匯集形成徑流,最后在美姑河邊集中排泄,排泄點位于地下廠房附近的河邊基巖帶,出露帶寬度約 90m,共有7個泉點。

3 工程區(qū)地質(zhì)條件特征分析及建議

3.1 閘址區(qū)～引水隧洞前段工程地質(zhì)特征分析

對該區(qū)段地質(zhì)條件進行歸納和分析發(fā)現(xiàn),閘址區(qū)及引水隧洞前段無大型軟弱地質(zhì)構造發(fā)育,巖體結(jié)構較為簡單,巖性主要為寒武系白云質(zhì)灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r,巖石抗風化能力較強,風化作用主要沿結(jié)構面擴展,以裂隙式或?qū)訝铒L化為主,在空間上分布不均一,風化程度隨深度變化較明顯。節(jié)理裂隙總體表現(xiàn)為“二陡一緩”模式,第①組層面裂隙 N 30°～40°W/SW∠5°～15°,延伸長度一般大于 10m;第②組裂隙走向垂直于岸坡 N 15°～ 20°W/NE∠80°～ 85°,延伸長度 5m左右;第③組順坡向卸荷裂隙 N 60°～70°E/NW∠80°～85°,延伸長度一般大于 10m。

因此,該區(qū)段巖體具有良好的力學性能,控制工程樞紐圍巖穩(wěn)定的主要地質(zhì)因素是地下水和裂隙切割作用。而從裂隙發(fā)育特征分析,裂隙延伸長度一般為 10m左右,對圍巖的切割作用有限。其貫通性限制了地下水的遠距離運動,使區(qū)段內(nèi)水文地質(zhì)條件較為簡單;地下水類型主要為基巖裂隙水及覆蓋層孔隙水,為樞紐圍巖穩(wěn)定提供了良好的地質(zhì)條件。當然,對于淺表層巖體來講,一方面由于受裂隙較強切割和強烈風化作用,巖體完整性相對降低,塊體嵌合作用受到削弱,跨溝谷洞段應該注意圍巖穩(wěn)定問題,及時進行地質(zhì)觀察預報和超前處理措施,使圍巖局部失穩(wěn)得到盡可能的約束;另一方面受河谷深切作用影響,岸坡巖體大都處于臨空卸荷狀態(tài),應特別注意對坡面崩塌體失穩(wěn)現(xiàn)象的及時判斷和處理,以免造成不必要的工程損失。

3.2 引水隧洞后段～廠址區(qū)工程地質(zhì)特征分析

該工程區(qū)段巖層大致呈順坡向展布,裂隙較為發(fā)育,巖體結(jié)構破碎,客觀上為地下水提供了較好的運動通道,水文地質(zhì)條件為可溶巖的巖溶發(fā)育提供了較好的物理條件。該工程區(qū)段內(nèi)巖溶作用較為明顯,經(jīng)過開挖揭露和驗證,在白云巖帶內(nèi)沿結(jié)構面可見直徑 8～500cm的溶洞及溶隙,部分結(jié)構面兩側(cè)因地下水淋濾、溶蝕形成厚 1～2m的溶蝕帶。在細晶白云巖較為發(fā)育的巖體中,巖石性狀極不均一,巖體多呈“砂包石”或“沙糖”狀。

結(jié)合工程區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件分析判斷,坪頭水電站引水隧洞后段及廠址區(qū)在地質(zhì)構造上處于背斜構造核部,且兩翼巖體中結(jié)構面較為發(fā)育,有利于地表水下滲。而細晶白云巖為過渡類巖石,在白云巖化過程中,巖石體積減小,巖石空隙比增大,受地下水的溶蝕、淋濾作用,巖石內(nèi)易溶解的方解石被地下水帶走,相對較難溶解的白云石被保留下來,因此在巖溶沿巖體中的結(jié)構面進行并向兩側(cè)擴展中,細晶白云巖出現(xiàn)整體溶蝕。受其影響,巖石強度大部分喪失,形成“砂包石”。該現(xiàn)象隨著高程的降低和埋深的增加逐漸減弱,亦說明水流下滲的關鍵作用。

可見,該工程區(qū)段巖體強度受到較大削弱,圍巖穩(wěn)定性降低,樞紐開挖成洞條件較差。對此,應加強施工臨時支護措施,并關注局部孤石失穩(wěn)塌落對施工造成損失。

4 工程建設中應重視的主要問題

針對坪頭水電站兩岸平行岸坡巖體緩傾角卸荷裂隙較發(fā)育的特點,可以推測兩岸一定深度范圍內(nèi)巖體透水性較強,因此,施工過程中應結(jié)合巖體地質(zhì)構造、巖性、地下水等因素,分析綜合因素作用下的地質(zhì)演變趨勢,采取相應施工防范措施,確保工程安全。總體來講,應特別重視以下問題:

4.1 閘基和隧洞、廠房滲漏

在閘基、進水口等淺表部位以及巖溶發(fā)育程度較高的廠基等工程區(qū)域,地下水活動較強、補給穩(wěn)定,地下水徑流較為活躍,推測巖體具中等～強透水性,地下水流量大,且有一定流速,因此施工排水措施和建筑隔水措施較為關鍵,應研究和論證防滲帷幕形成效果,必要時可采取聯(lián)合防滲手段。同時,對于建筑物穿越?jīng)_溝的地段,應在施工過程中密切觀察圍巖和地下水變化,及時采取防滲和支護措施,防止地質(zhì)條件向惡化方向發(fā)展。

4.2 岸坡穩(wěn)定問題

坪頭水電站引水及發(fā)電系統(tǒng)布置于左岸,工程區(qū)為順向坡,岸坡主要受滑移—拉裂型破壞模式所控制。早期的河谷下切使得斜坡前緣產(chǎn)生臨空,在重力作用下,斜坡表層部分巖體容易以巖層面作為主滑面產(chǎn)生滑動變形。同時,位于滑面下一定范圍內(nèi)的巖體受壓碎和擾動變得較為破碎。因此,局部拉裂變形和崩塌破壞將較為常見,施工過程中應針對建筑物布置采取適當?shù)募庸毯头雷o處理措施。

廠址區(qū)工程地質(zhì)剖面示意見圖2。

4.3 針對細晶白云巖的防滲措施

細晶白云巖整體“砂化”是坪頭水電站廠址區(qū)較為普遍的地質(zhì)現(xiàn)象,在已經(jīng)開挖揭露的洞段,細晶白云巖普遍強風化,溶蝕作用較強烈,溶蝕夾層普遍發(fā)育,多呈“土夾石”,巖塊間嵌合力減弱,圍巖強度低,多為Ⅳ類圍巖,因此其主要工程地質(zhì)問題是塊體穩(wěn)定和地下水防滲問題。由于廠房垂直埋深 110～135m,調(diào)壓井、壓力管道等樞紐最小埋深僅 75m,巖體的風化卸荷及沿結(jié)構面的溶蝕程度隨埋深有所變化,越往上部塊體穩(wěn)定問題更加突出。因此,應注意施工方法,加強工程支護措施。同時,應提高過水斷面建筑物防滲設計標準,防止電站運行期內(nèi)水外滲而加劇細晶白云巖的“淋濾”作用。

5 結(jié)束語

在山地河谷條件下,河流深切侵蝕較為顯著,致使河床覆蓋層變薄,巖體風化卸荷強烈,地下水活動較為活躍,在工程建設過程中,往往容易發(fā)生岸坡崩塌、圍巖失穩(wěn)等地質(zhì)災害現(xiàn)象,因此工程建設各方必須充分調(diào)查和研究建筑物布置區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構造條件,針對巖體發(fā)育特征,結(jié)合巖層產(chǎn)狀、巖性、硬度以及巖體完整性分析工程區(qū)內(nèi)巖體的水力和化學作用,及時采取針對性處理措施,防止由此造成巖體穩(wěn)定條件惡化,進而引發(fā)工程地質(zhì)危害。

圖2 廠址區(qū)工程地質(zhì)剖面示意