張書光,王登科,應(yīng)敬浩

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南鄭州 450003)

黃河甘澤坡水利樞紐巖溶發(fā)育特征研究

張書光,王登科,應(yīng)敬浩

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南鄭州 450003)

黃河甘澤坡水利樞紐位于黃河北干流南端,工程區(qū)為石灰?guī)r區(qū),廣泛發(fā)育有巖溶,巖溶的發(fā)育對(duì)大壩造成不良影響,因此認(rèn)識(shí)巖溶的發(fā)育特征顯得十分重要。通過長期的野外地質(zhì)勘察及大量的野外資料分析,論述了工程區(qū)巖溶的發(fā)育特征,并總結(jié)了工程區(qū)巖溶多順構(gòu)造發(fā)育,巖體透水性具有方向性,東西強(qiáng)、南北弱,呈“東西成帶,南北脈聯(lián)”的特點(diǎn),為大壩的規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

水利樞紐;北干流;巖溶;發(fā)育特征

0 引言

黃河甘澤坡水利樞紐位于黃河北干流南端,以黃河為界,左岸屬山西省河津市,右岸屬陜西省韓城市。黃河甘澤坡水利樞紐為黃河北干流規(guī)劃的梯級(jí)電站之一。甘澤坡水利樞紐最大壩高104 m,水庫正常蓄水位425 m。從20世紀(jì)60年代開始至今歷經(jīng)原北京勘測(cè)設(shè)計(jì)院、黃河水利委員會(huì)勘測(cè)設(shè)計(jì)院等單位的多次、多階段地質(zhì)勘察工作,工程區(qū)積累了豐富的地質(zhì)資料。

工程區(qū)巖性主要為奧陶系碳酸鹽巖,由于受多期地質(zhì)構(gòu)造及地表水、地下水溶蝕等的影響,該區(qū)廣泛發(fā)育有巖溶。

1 工程區(qū)工程地質(zhì)概況

工程區(qū)位于鄂爾多斯臺(tái)向斜的東南邊緣,東接山西臺(tái)背斜。以韓城斷裂為界,分為兩個(gè)截然不同的地質(zhì)構(gòu)造單元。以南為汾渭地塹,高程在380 m左右,出露第四紀(jì)松散沉積物,厚度達(dá)470 m以上;以北為基巖山地,受區(qū)域構(gòu)造的控制,庫壩區(qū)總體上為一走向NE10°～30°,傾向NW,傾角3°～12°的單斜構(gòu)造。甘澤坡壩址處于韓城斷裂以北的基巖山區(qū)。

壩址附近河谷呈“U”型谷,河道常水位380～382 m,河床覆蓋層厚29～37 m,最厚達(dá)47 m,最低基巖面高程330 m。兩岸谷坡較為平緩。右岸發(fā)育有Ⅱ、Ⅲ級(jí)階地,左岸發(fā)育有Ⅳ、Ⅴ級(jí)階地,均為基座階地,上覆黃土和卵石層。

奧陶系灰?guī)r頂板高程左岸約520 m,右岸約480 m。其上為石炭、二疊系砂頁巖煤系地層。正常蓄水位425 m高程以下兩岸依次出露的地層為:左岸巖組;右岸巖組。巖組厚60 m左右,主要巖性為灰?guī)r與泥灰?guī)r互層巖組厚7～10 m,巖性為灰質(zhì)白云巖;巖組厚13 m左右,主要巖性為泥質(zhì)白云巖夾薄層泥灰?guī)r;巖組厚117 m左右,主要巖性為厚層塊狀灰質(zhì)白云巖夾少量薄層泥灰?guī)r。壩基處基巖為巖組厚約140 m,主要巖性為泥灰?guī)r和灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r互層。

壩址區(qū)位于單斜構(gòu)造上,巖層走向45°～60°,傾向NW,傾角一般10°左右。壩址區(qū)發(fā)育有次一級(jí)斷層、褶皺,以近東西向?yàn)橹?斷層斷距<5 m。發(fā)育的節(jié)理共有四組,以東西向一組最為發(fā)育。

工程區(qū)兩岸地下水位基本與黃河水位一致,左岸略高于黃河水位,地下水補(bǔ)給黃河水;右岸地下水位與黃河水位一致,水力聯(lián)系密切,呈互補(bǔ)關(guān)系。

2 工程區(qū)巖溶分類[1-3]

工程區(qū)屬寒武—奧陶系碳酸鹽巖建造,因受多次沉積旋回的影響,巖性存在差異,又因受加里東期、燕山期和喜馬拉雅山期構(gòu)造的影響,巖溶發(fā)育也不同。根據(jù)區(qū)域和壩段區(qū)資料,按其發(fā)育時(shí)代,將壩段區(qū)巖溶分為古巖溶和近代巖溶。

古巖溶主要是指受加里東期(燕山期亦有影響)的影響而產(chǎn)生的巖溶;近代巖溶則主要受喜馬拉雅山期的影響產(chǎn)生的巖溶。

2.1 古巖溶

中奧陶紀(jì)末—中石炭紀(jì)初,本區(qū)上升為陸地,O2灰?guī)r暴露于地表,長期經(jīng)受風(fēng)化、溶蝕、侵蝕等各種營力的作用,而促成該期巖溶的發(fā)育。根據(jù)壩段區(qū)調(diào)查資料分析,古巖溶的發(fā)育有如下特征:

(2)巖溶形態(tài)多呈漏斗狀及囊狀,也有裂隙狀。其漏斗直徑一般數(shù)米至十幾米,高20～30 m。如在甘澤坡壩址上游左岸甘澤坡村抽水站處,古巖溶出露于地表之外形似囊狀,下大上小,底寬15～20 m,發(fā)育在中上部;右岸套溝以北沖溝中古巖溶呈圓椅形,寬5 m,高15 m。

(3)古巖溶幾乎全為石炭系中統(tǒng)鋁土頁巖、山西式鐵礦或石英礫巖等所充填,且結(jié)合緊密,沒有發(fā)現(xiàn)再溶蝕破壞及漏水現(xiàn)象。如甘澤坡壩址右岸ZK307、ZK309鉆孔中,在層內(nèi)有數(shù)米厚鋁土頁巖、碳質(zhì)頁巖等充填;左岸ZK214孔巖組中下部,在高程502.39～500.18 m處充填有厚2.1 m鋁土頁巖。與灰?guī)r結(jié)合緊密,壓水試驗(yàn)過程中也未發(fā)現(xiàn)異常滲漏跡象。

2.2 近代巖溶

近代巖溶可分為地表巖溶和地下巖溶。

2.2.1 地表巖溶

地表巖溶的表現(xiàn)形式主要以溶蝕、沖蝕和溶蝕綜合形成的溶洞為主。洞徑多數(shù)<1 m,部分2～5 m,延伸最長約20 m。通過對(duì)野外調(diào)查資料的分析與整理,將地表巖溶發(fā)育特征列于表1、表2、表3。

表1 壩段主要地表巖溶統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of karst in surface

表2 溶蝕形成的溶洞分布規(guī)律Table 2 Distribution of karst caves formed by dissolution

表3 沖蝕、溶蝕形成的溶洞分布規(guī)律Table 3 Distribution of karst caves for med by dissolution and erosion

2.2.2 地下巖溶

通過鉆孔揭露,壩段內(nèi)地下巖溶主要有溶孔、溶蝕裂隙和溶洞三種形態(tài)。

溶孔直徑一般1～3 cm,呈殘核狀、蜂窩狀或網(wǎng)格狀零星分布,絕大部分溶孔中見有方解石晶簇。溶孔在分布高程上無一定規(guī)律,分布多,廣而散,幾乎每孔、每層都存在,一般與巖性有關(guān)。從鉆孔壓水試驗(yàn)資料來看,溶孔發(fā)育部位與巖層透水率無明顯關(guān)系,故可初步判定溶孔呈單獨(dú)封閉狀態(tài),與巖層透水性關(guān)系不大。

溶蝕裂隙是原生構(gòu)造裂隙經(jīng)含CO2的地下水進(jìn)一步擴(kuò)容的產(chǎn)物。壩段內(nèi)主要發(fā)育有近EN和S W兩組高角度裂隙,且分布穩(wěn)定,延伸較遠(yuǎn),因此為溶蝕裂隙的發(fā)育創(chuàng)造了有利條件。從鉆孔資料看,幾乎每層均有發(fā)育,在ZK330-ZK314孔一線的鉆孔內(nèi),集中出現(xiàn)強(qiáng)透水段。因此,溶蝕裂隙是影響地下水滲流的主要因素之一。

壩段內(nèi)發(fā)現(xiàn)有溶洞的鉆孔有ZK212、ZK109、ZK330、ZK336、ZK331、ZK125號(hào)孔和ZK501、ZK504號(hào)孔,其洞徑一般為0.2～0.8 m。鉆進(jìn)過程中,在溶洞發(fā)育部位出現(xiàn)不回水,強(qiáng)漏水,涌砂或掉鉆現(xiàn)象,如ZK125號(hào)孔遇溶洞后抽水量為234 m3/h,距該孔6 m處的觀測(cè)孔,水位下降0.3 m。

從鉆孔巖心也可看出,溶洞發(fā)育部位裂隙較發(fā)育,且透水量較大,一般為強(qiáng)漏水,反之,透水量較小,這說明,溶洞沿裂隙或構(gòu)造帶發(fā)育,增加了連通性,將會(huì)產(chǎn)生集中滲水的現(xiàn)象。

3 巖溶發(fā)育特征

壩段內(nèi)巖溶發(fā)育主要受巖性、構(gòu)造、地下水、地表水、滲流和覆蓋巖層厚度等因素影響。

此外,巖溶的分布具有一定的高程帶(多層性),而這些高程帶和壩段及其附近各級(jí)階地的階面與基座有著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。甘澤坡壩址區(qū)巖溶分布與階地發(fā)育對(duì)應(yīng)關(guān)系見表4。

表4 巖溶發(fā)育高程帶與階地發(fā)育對(duì)應(yīng)關(guān)系表Table 4 Corresponding relation between elevation zone of karst development and terrace development

由表4可以看出,壩段巖溶發(fā)育沿一定的高程帶分布,與階地基座高程具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。反映了晚近期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是間歇性上升,其間也有相對(duì)穩(wěn)定階段,該期間是地下水活動(dòng)的歷史,亦即巖溶發(fā)育的歷史。巖溶沿地下水位高程分布,由于汾渭地塹不斷下沉,龍門山地相對(duì)抬升,黃河及其支流河床不斷下切,地下水位隨之下降,故形成了多層溶洞。而另一方面,壩段內(nèi)巖層總體上來說為灰?guī)r與泥灰?guī)r互層,產(chǎn)狀也并非水平(傾角10°左右),故可知,在同一高程帶內(nèi),溶洞互不連通,如520～550 m高程發(fā)育帶分布于左岸,右岸則無。由此可以推斷,壩段內(nèi)溶洞連通性較差,但沿?cái)嗔鸦蛄严稁Оl(fā)育的巖溶具有較好的連通性,成為地下水集中滲水的通道。

5 結(jié)語

通過以上對(duì)工程區(qū)巖溶發(fā)育特征的研究,工程區(qū)巖溶多順構(gòu)造發(fā)育,巖體透水性具有方向性,東西強(qiáng)、南北弱,呈“東西成帶,南北脈聯(lián)”,因此,可能導(dǎo)致地下水集中逕流,滲流型式既有裂隙式片流,又有集中管道流。對(duì)于近壩庫區(qū)右岸管道性集中漏水段建議選擇堵、截的防滲方案;壩肩、壩基部位裂隙式滲漏可采取灌漿帷幕的防滲處理方式。水庫正常蓄水位以下奧陶系灰?guī)r中存在三層相對(duì)隔水層,在進(jìn)行防滲處理時(shí),可將其視為不透水邊界,充分利用其隔水性能。

[1] 成建民,等.華北地區(qū)巖溶發(fā)育階段劃分芻議[J].河北煤炭,1986(2):30-32.

[2] 張瑞成,田級(jí)生.古環(huán)境對(duì)河北古巖溶發(fā)育的影響[J].江蘇地質(zhì),2007(3):213-221.

[3] 劉國林,周文國.華北型煤田巖溶陷落柱發(fā)育規(guī)律及其對(duì)煤礦安全影響的研究[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào),2001(4):29-32.

(責(zé)任編輯:于繼紅)

Study on the Characteristics of Karst Development in Ganzepo Hydro-junction of Yellow River

ZHANG Shuguang,WANGDengke,Y ING Jinghao
(Yellow River Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

The Ganzepo hydro-junction is located in the southern tip of north main stream of Yellow River,in the limestone region,with the feature of karst developed widely,which has harmful effects to the layout of the dam,so the study on the characteristics of karst development is very important.Based on long-ter m geological investigation in field and data analysis,the characteristics have been found out.It comes to the conclusions that the karstmainly develops along geological structure and the per meability of the rock has a certain direction,with the feature ofmore strongly in west-east direction than north-south,which provided a reasonable basis for the planning and designing of the dam.

Ganzepo hydro-junction;north main stream;karst;characteristics of karst development

P642.25;TV61

A

1671-1211(2010)05-0490-03

2010-07-01;改回日期:2010-07-31

張書光(1969-),男,高級(jí)工程師,工程地質(zhì)專業(yè),從事工程地質(zhì)與水文地質(zhì)勘察工作。E-mail:zsg565@sohu.com