某水库坝址区白云岩岩溶发育特征及对工程影响

李爱国, 张少锋, 左玺龙， 张　雄

(1.长江岩土工程总公司(武汉)地质公司,湖北 武汉　430010; 2.上海勘测设计研究院,上海　200434)

1　工程背景及研究意义

某水库位于贵州省黔东南州龙江河的支溪上,属于中型水库,枢纽由挡水建筑物和泄水建筑物组成,均布置于河床,设计为碾压混凝土重力坝,最大坝高45 m。坝址区右岸基本上为孤山,左岸亦无大的漏水洼地,岩性为白云岩,根据以往工程经验,此类岩性岩溶形态一般以溶隙、溶槽、小溶洞为主要,岩溶往往不发育,但通过勘探发现,该坝址区工程地质条件却较复杂,除上述岩溶形态外,本工程区层间破碎溶蚀缝也较发育,同时也存在右岸地下水位低平、河床坝基下存在低水头承压含水层等问题。由于受地形限制,可选坝线局限在该支溪上下游开阔地带之间的200 m范围内,对坝址区存在岩溶等工程地质问题无法避让(图1),因此分析坝址区岩溶的发育特征对工程评价具有重要意义。

图1　坝址区工程、水文地质示意图

2　坝址区地质概况

坝址区河谷呈“U”型,水面宽约20 m,水深一般<2 m。左岸山体浑厚,基岩出露；右岸山体孤立,为两条支沟之间的河间地块,平面上呈“馒头状”。地层岩性由寒武系中统石冷水组第三段(∈2s3)薄—中厚层微晶、鲕状及砂屑白云岩组成,产状缓倾角倾向上游偏左岸。坝址上下游约300～400 m处分别发育F1、F2切河向陡倾角断层[1-2],顺河向和切河向的陡倾角裂隙较发育。

3　岩溶发育特征

3.1　岩溶形态及发育程度

坝址区岩溶形态有：溶洞、溶沟溶槽及溶缝或溶蚀裂隙等。

(1)溶洞：形态各异,以小型溶洞为主,长、宽、高(深)仅0.5～1 m左右,个别者洞径可达数米,多属被碎石和粘土充填。地表出露溶洞4个,左、右岸各2个。钻孔揭露溶洞共17个,皆分布在右岸(表1)。

(2)溶沟、溶槽：主要发育在两岸斜坡地带,其发育方向受裂隙控制,一般深1～3 m,宽0.5～2.0 m,局部与地下溶缝相连,深达4～5 m,被碎石和粘土充填。坝址区坝轴线附近共发育3条溶沟、槽,多沿陡倾角裂隙发育。

(3)溶缝：主要沿陡裂隙面、缓倾角层面溶蚀,一般呈长或高数米,宽厘米级—数米级的狭缝,地表多见无充填或充填粘土,或溶蚀风化呈白云砂状,局部延伸至地下溶洞；地层深部局部溶蚀,溶蚀范围及强烈程度有限,溶蚀缝多充填岩屑夹岩块状或岩块夹岩屑状。钻孔揭露层间破碎溶蚀缝共71个,左岸9个,河床42个,右岸20个。多为局部溶蚀,溶蚀范围及强烈程度有限,溶蚀缝充填物为岩屑夹岩块状或岩块夹岩屑状。溶蚀缝底界位于416 m以下的共68个,高于416 m高程的共3个(照片1、表2)。

照片1　钻孔电视揭示的层间破碎溶蚀缝

表1钻孔揭露溶洞发育特征统计表

Table 1The developing characteristics of karst caves revealed by drillings

位置溶洞编号洞高/m高程/m所在地层位置溶洞编号洞高/m高程/m所在地层右岸坝段右坝肩右岸坝肩下游右岸河间地块KW15．4379．02～384．42微晶、鲕状白云岩KW21389．45～390．65鲕状、微晶白云岩接触带KW34．6368．35～372．95微晶白云岩KW40．8434．42～435．22微晶白云岩KW52．1425．72～427．82微晶白云岩KW63．3431．03～434．33微晶、砂屑白云岩KW75．2424．33～429．53微晶、砂屑白云岩KW82．3393．93～396．23鲕状、微晶白云岩接触带KW91．5381．92～383．42微晶、鲕状白云岩接触带右岸河间地块KW100．9383．04～383．94微晶白云岩KW110．7450．35～451．05微晶白云岩KW121．4396．35～397．75微晶白云岩KW135427．02～432．02微晶白云岩KW140．7436．66～437．36微晶白云岩KW151．1412．87～413．97微晶白云岩右岸垭口KW165．9405．3～411．2微晶白云岩KW170．8390．2～391微晶白云岩

表2　钻孔揭露主要层间破碎溶蚀缝特征统计表

3.2　岩溶发育影响因素

(1)岩性：溶洞主要发育在微晶白云岩中,或微晶白云岩与鲕状白云岩、砂屑白云岩接触带的微晶白云岩一侧,而在鲕状白云岩和砂屑白云岩中,溶洞发育较少。

(2)构造：断层、裂隙构造密集带破坏了岩体完整性,为降雨垂直入渗和地下水渗流创造了有利条件,促进了岩体岩溶的发育,而层面及层间破碎岩体有利于地下水沿近水平渗流,该两组构造是影响坝区岩溶发育的主要因素。

(3)排泄条件及水力循环因素：该区域地下水类型包括岩溶水和孔隙水,岩溶水主要为岩溶裂隙水。河流构成了地下水的排泄基准面,地下水主要靠大气降水补给,降水沿裂隙、断层下渗补给地下水,然后以岩溶裂隙泉的形式向河谷排泄。在近岸地段地表水和地下水位变动带中,地下水向河谷排泄,交替活动强烈,有利于岩溶发育。如远岸区岩溶发育弱于近岸区。钻孔中揭露的溶洞多分布于近岸段。

3.3　岩溶发育规律

根据勘察研究,坝址区岩溶发育特征受地层岩性、地质构造、地形地貌控制,总体上具有如下特征：

(1)右岸岩溶裂隙地下水水位低平,呈“直线型”,左岸远岸处高,近岸段低；

(2)左岸岩溶发育远弱于右岸和河床,岩溶集中发育在近岸临河侧,岩溶形态主要为溶蚀缝隙,发育高程与地表水下深切基岩面高程基本一致,岩溶地下水类型为岩溶裂隙水(图2)；

(3)右岸岩溶发育程度强于左岸和河床,岩溶形态主要为小溶洞、溶蚀缝,发育高程主要位于地表水下切基岩面高程之上；

(4)河床岩溶发育高程远低于地表水枯水位,也低于地表水下切基岩面高程,岩溶形态为层间破碎溶蚀缝,岩溶裂隙地下水具一定承压性；

(5)岩溶发育方向呈现沿岩层层面发育的特征。

图2　主要岩溶洞、层间破碎溶蚀缝在坝轴线投影图

4　对工程的影响及建议

4.1　近坝段水库渗漏和坝基渗漏

坝址区右岸位于两条溪沟之间的河间地块,地下水位384.26～386.75 m,远低于水库正常蓄水位,岩溶发育最低高程齐平或低于下溪河深切基岩面,其间没有可靠的隔水层分布,溶洞和层间破碎溶蚀带多属中等—强透水性,存在近坝段右岸河间地块水库渗漏问题。左右岸及河床坝基下发育层间破碎溶蚀缝极发育,具中等—强透水性,存在坝基及绕坝渗漏问题。建议坝址防渗应结合坝基防渗向两岸进行延伸,向左接高水位或接至高于正常蓄水位的稳定隔水层,在右岸应贯通右岸孤立山丘延伸至水库页岩隔水层区。

4.2　坝基抗滑稳定

对71个层间破碎溶蚀缝,根据钻孔录像和钻孔声波探测可疑低波速区的分布情况,结合岩层产状,按对坝基抗滑稳定最不利情况进行考虑,将可能连通的层间破碎溶蚀缝进行合并,共存在4个,编号为Rb01、Rb02、Rb03、Rb04,皆缓倾角倾向上游偏左岸,主要为岩块夹岩屑或岩屑夹岩块,呈碎裂结构或散体结构,局部存在一定程度的溶蚀,物理力学性质相对较差,构成了大坝抗滑稳定的近水平底滑面段,坝后脚处破碎溶蚀缝埋深浅,间距小,斜穿破碎溶蚀缝及层间弱风化岩体则构成大坝抗滑稳定的斜坡底滑面段,可能引起坝基抗滑稳定问题。建议对坝基进行补强处理,尤其应加强坝后脚补强处理,并对开挖揭露的层间破碎溶蚀缝进行掏挖置换砼处理(图3)。

图3　大坝抗滑稳定分析示意图

4.3　河床坝基承压水

河床坝基下发育的层间破碎溶蚀缝,为岩溶地下水提供了储存空间,与上覆、下伏隔水层组合,其含水层具有一定承压性,钻探揭露承压含水层主要位于坝线上及其下游,坝线上承压水埋深浅、水头低、涌水量小,坝线下游承压水埋深较深、水头较高、涌水量较大。受地形限制坝线不具备上移条件,若坝线下移,由于层间破碎溶蚀缝延伸至下游,不但无法避让基坑涌水问题,而且会导致由于坝线下游影响坝基抗滑稳定的层间破碎溶蚀缝多,且埋深浅引起的坝基抗滑稳定问题严重,另外埋深较深、水头较高、涌水量较大的承压含水层主要分布在下游,对防渗帷幕有影响。建议对浅层的承压含水层进行围堵或抽排,对深层承压含水层采取避让,防渗帷幕不触及深层承压含水层。

4.4　坝基渗透变形

对Rb01、Rb02、Rb03和Rb04等层间破碎溶蚀缝,由于其具有一定宽度,且充填物为岩块夹岩屑或岩屑夹岩块,呈碎裂结构或散体结构,水库蓄水后,在坝前水压作用下,可能引起一定的渗透变形问题。

参考文献:

[1]贵州地质局108队.镇远幅G- 49- 71/20万区域地质测量报告[R].贵阳：贵州地质局108队，1965.

[2]贵州地矿局环境地质大队.贵州省玉屏—朱家场地区农田供水水文地质勘察报告1/5万[R].贵阳：贵州地矿局环境地质大队，1986.