周 旭, 任向宇, 李保方

(中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林 長(zhǎng)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(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林 長(zhǎng)春 130021)

中國(guó)西南地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的水能資源,在水能資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中,查明河谷深厚覆蓋層的基本特征、分布規(guī)律及其物理力學(xué)性質(zhì),對(duì)工程建設(shè)效益起到至關(guān)重要的作用。通過(guò)谷久濃壩址工程勘察實(shí)踐,概述壩址河谷覆蓋層組成及分布特性,結(jié)合大量文獻(xiàn)資料,分析探討其壩基深厚覆蓋層的成因機(jī)制,得出本地區(qū)河谷深厚覆蓋層的形成與氣候變化、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、冰磧作用、地質(zhì)災(zāi)害等因素有很大關(guān)系。

深厚覆蓋層;覆蓋層特性;成因機(jī)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(nóng)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(duì)單一的兼具供水及灌溉任務(wù)的小(1)型水利樞紐工程,主要建筑物為4級(jí),水庫(kù)建成后是德欽縣城鎮(zhèn)生活供水及農(nóng)業(yè)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(zhì)概況

工程地處橫斷山北段三江(怒江、瀾滄江、金沙江)并流區(qū)的雪山峽谷區(qū),地貌形態(tài)主要受構(gòu)造斷裂帶控制,山體陡峻雄厚,河谷深切,地形起伏,切割強(qiáng)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(qū)出露地層主要為三疊系中統(tǒng)片理化流紋巖、輕微變質(zhì)泥巖、輝長(zhǎng)巖,上統(tǒng)輕微變質(zhì)泥巖及第四系松散堆積物。

壩基及兩岸壩肩發(fā)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(zhì)土為中等透水層以外,其余均為強(qiáng)透水層。

3 覆蓋層基本工程地質(zhì)特性

根據(jù)覆蓋層的物質(zhì)組成和成層結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

沖積層:為級(jí)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(zhì)土,灰—灰黑色,飽和,呈軟塑狀態(tài),有機(jī)質(zhì)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(xì)粒土礫,礫石含量一般在40%～50%,呈稍密—中密狀態(tài),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(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure map of valley cover of dam site

冰水沉積層:主要為含細(xì)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(xué)特性

沖積級(jí)配良好礫:該層呈中密狀態(tài),動(dòng)力觸探錘擊數(shù)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(nèi)摩擦角25°,滲透系數(shù)1×10-2cm/s。

湖積泥炭質(zhì)土:呈軟塑狀態(tài),標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)實(shí)測(cè)錘擊數(shù)N63.510～15擊,壓縮系數(shù)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(tài)抗剪強(qiáng)度建議值為粘聚力10 kPa,內(nèi)摩擦角15°,滲透系數(shù)6×10-4cm/s。

坡積含細(xì)粒土礫:呈稍密—中密狀態(tài),動(dòng)力觸探錘擊數(shù)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(nèi)摩擦角30°,滲透系數(shù)1×10-3cm/s。

冰積含細(xì)粒土礫:呈中密狀態(tài),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(nèi)摩擦角25°,滲透系數(shù)1×10-3cm/s。

上述覆蓋層除泥炭質(zhì)土厚度較大,性狀較差,對(duì)壩基變形穩(wěn)定影響較大外,其余層物理力學(xué)參數(shù)可以滿足壩基承載變形及壩基穩(wěn)定的要求。

5 深厚覆蓋層成因分析

有資料顯示,中國(guó)西南地區(qū)河谷覆蓋層厚度一般都在幾十甚至百米以上。據(jù)西南地區(qū)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(tǒng)計(jì),有多達(dá)60多座電站河谷覆蓋層厚度超過(guò)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(dá)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(dá)250 m[1]。位于西藏境內(nèi)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(dá)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(fù)雜。河谷上部為現(xiàn)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(guò)對(duì)西南地區(qū)大量深厚覆蓋層河谷的覆蓋層基本特征和發(fā)育規(guī)律分析研究,亦可以證明西南地區(qū)深厚覆蓋層的形成與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、氣候變化密切相關(guān)。

上世紀(jì)末—本世紀(jì)初以來(lái),隨著中國(guó)開(kāi)發(fā)大西南戰(zhàn)略的實(shí)施,眾多專(zhuān)家學(xué)者和水電工程技術(shù)人員在西南地區(qū)水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程中,對(duì)深厚覆蓋層的成因進(jìn)行了較為深入細(xì)致的研究,提出深厚覆蓋層的形成具有“構(gòu)造型” 加積和“氣候型”加積等形式[2],認(rèn)為深厚覆蓋層的形成多與新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、冰川作用、活斷層、地質(zhì)災(zāi)害等因素有很大關(guān)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(yùn)動(dòng)及海平面升降運(yùn)動(dòng)等有機(jī)地聯(lián)系起來(lái),提出了冰期與間冰期海平面大幅度升降是導(dǎo)致河流深切成谷,形成覆蓋層深厚堆積的主要原因。近年來(lái)大量勘探資料揭示,中國(guó)西部地區(qū)現(xiàn)代河流演化史有別于傳統(tǒng)河流演化模式,尤其是在三級(jí)階地形成后經(jīng)歷了強(qiáng)烈侵蝕,一次將河谷谷底下切到現(xiàn)今河床以下的基覆界面,然后進(jìn)入堆積期(25—15 ka);15 ka以來(lái),隨著冰川消融,河流在回填堆積體基礎(chǔ)上重新間歇性下切,分別形成二級(jí)階地、一級(jí)階地及現(xiàn)今的漫灘和河床堆積[4],河谷深厚覆蓋層即為這一過(guò)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(fēng)化重力堆積等近源物質(zhì)混合堆積形成的產(chǎn)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(wàn)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(guò)渡地帶的三江并流區(qū),東部屬三江褶皺系之瀾滄江構(gòu)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(mén)褶斷束,是藏滇地質(zhì)構(gòu)造轉(zhuǎn)折銜接的咽喉部位,也是寒溫帶氣候向亞熱帶氣候過(guò)渡地帶,由此形成了本地區(qū)高山峽谷、江河奔流、植被鮮明的獨(dú)特地貌景觀。區(qū)內(nèi)冰峰林立、白雪皚皚、河谷深切、地勢(shì)險(xiǎn)峻,眾多流量豐沛的干流與支流水系極為發(fā)育;不但具有山體巖層變質(zhì)、褶皺發(fā)育、構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域水文、工程地質(zhì)條件,而且具有高應(yīng)力和高地震烈度、活躍的冰緣泥石流以及強(qiáng)烈的谷坡外動(dòng)力地質(zhì)作用等鮮明的環(huán)境特色,更具有復(fù)雜的區(qū)域構(gòu)造演變、區(qū)域第四紀(jì)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(zhì)背景。可以說(shuō),適宜的地質(zhì)環(huán)境是河床深厚覆蓋層形成的先決條件[5]。

一般來(lái)說(shuō),河流的侵蝕、堆積與該流域的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和氣候變化有著十分密切的聯(lián)系。

青藏高原及其邊緣地區(qū)由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,一般較大的河流都流經(jīng)不同的地質(zhì)構(gòu)造單元,斷塊的差異運(yùn)動(dòng)(橫向)和隨著河流的演變歷史在時(shí)間上的差異運(yùn)動(dòng)(縱向),對(duì)河流的侵蝕與堆積給予強(qiáng)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(qū)新構(gòu)造隆升運(yùn)動(dòng)大致經(jīng)歷了4個(gè)階段:上新世末—早更新世時(shí)期(第四紀(jì)初期)的相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期;早更新世—晚更新世早期(第四紀(jì)中期)的快速隆升時(shí)期;晚更新世中期(第四紀(jì)中晚期)的相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期;晚更新世晚期—全新世(第四紀(jì)末期)的快速隆升時(shí)期,地殼隆升運(yùn)動(dòng)的階段性表現(xiàn)較為明顯[6]。

通過(guò)對(duì)本地區(qū)河谷層狀地貌的調(diào)研可知,瀾滄江、怒江河谷分布有2～3級(jí)河谷階地,以江水面為零,一、二、三級(jí)階地分別上升了約56 m、100 m、152 m,表明本地區(qū)第四紀(jì)以來(lái),地殼有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。地殼強(qiáng)烈上升不僅表現(xiàn)為瀾滄江、怒江河谷的強(qiáng)烈下切,也表現(xiàn)在第四紀(jì)晚更新世晚末—全新世以來(lái)廣泛的冰川活動(dòng)及冰蝕地形在不同高度上的顯示。根據(jù)冰川活動(dòng)情況大致可分為4個(gè)小冰期,其對(duì)應(yīng)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(dòng)主要是高程5 000～6 740 m的第4小冰期。4個(gè)小冰期的活動(dòng)與高程遞增情況除說(shuō)明地殼劇烈上升外,也說(shuō)明本地區(qū)全新世以來(lái)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(zhǔn)面降低,河道比降變陡,河流動(dòng)力作用增強(qiáng),由此引發(fā)強(qiáng)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(zhǔn)面亦隨之抬升,河道比降變緩,水流搬運(yùn)能力減弱,溯源堆積作用增強(qiáng),各種成因沉積物大量堆積,從而形成了本地區(qū)河谷的深厚覆蓋層。另外,高原地區(qū)特有的冰川對(duì)高原河谷的強(qiáng)烈刨蝕作用也會(huì)產(chǎn)生大量的碎屑物質(zhì),冰磧作用使它們暫時(shí)堆積在谷地和凹地中,再通過(guò)水流搬運(yùn)堆積在河谷中,亦即“氣候型加積層”。

凡此種種表明,本地區(qū)現(xiàn)今河床底部基覆界面大約在20 ka前就已開(kāi)始形成,而后河谷進(jìn)入堆積期,晚更新世末期以來(lái)由于冰川作用盛行,河流剝蝕作用增強(qiáng),重力堆積發(fā)育,山體滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)物形成堰塞堆積,加之水流侵蝕與搬運(yùn)能力減弱,使得河谷谷底形成了深厚堆積層。

6 小結(jié)

(1) 根據(jù)覆蓋層的物質(zhì)組成和成層結(jié)構(gòu),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(zhì)土厚度較大,性狀較差,對(duì)壩基變形穩(wěn)定影響較大外,其余層物理力學(xué)參數(shù)可以滿足壩基承載變形及壩基穩(wěn)定的要求。

(3) 壩址覆蓋層成因較為復(fù)雜,河谷上部為現(xiàn)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(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和氣候變化共同作用的產(chǎn)物。

[1] 許強(qiáng),陳偉,張倬元.對(duì)我國(guó)西南地區(qū)河谷深厚覆蓋層成因機(jī)理的新認(rèn)識(shí)[J].地球科學(xué)進(jìn)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(zhì)問(wèn)題[J].四川水力發(fā)電,1986(3):10-17.

[3] 羅守成.對(duì)深厚覆蓋層地質(zhì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)[J].水力發(fā)電,1995(4):21-24.

[4] 王運(yùn)生,黃潤(rùn)秋,段海澎,等.中國(guó)西部末次冰期第一次強(qiáng)烈的侵蝕事件[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,33(1):73-76.

[5] 趙華,王運(yùn)生.金沙江某水電站壩基覆蓋層的成因及其滲透穩(wěn)定性[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,38(4):443-449.

[6] 楊寶嘉,呂偉.滇西北三江地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,25(3):214-218.

(責(zé)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(cè)土木工程師(巖土),礦山地質(zhì)專(zhuān)業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)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(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1325.010.html 數(shù)字出版日期:2017-06-20 13:25