清镇暗流河水电站工程地质条件综述

摘要:清镇暗流河水电站是修建在岩溶地区的一个小型水利枢纽,经过多年的勘察论证,其工程地质条件已基本查明,目前正处于建设之中。文章通过对坝址区工程地质、水文地质条件的综合分析与论述,简要概括了电站存在的主要工程地质问题。

关键词:工程地质学;地质问题;综述;暗流河水电站

中图分类号:TV221.2文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)12-0146-04

暗流河为猫跳河左岸一级支流,发源于清镇麦翁、九甲一带,属长江流域乌江水系。在清镇暗流乡,河流进入约8km的伏流,仅响水河丫口可见长约450 m的暗河天窗,伏流出口位于猫跳河第六级电站(红岩电站)下游的羊皮洞,以约50 m的落差跌入猫跳河中。清镇暗流河水电站为暗流河流域规划唯一电站,电站利用暗流河与鸭池河近300 m的天然落差,用长隧洞引水至鸭池河右岸厂房发电。坝址位于暗流乡伏流进口处,距贵阳市约60km,有卫城至暗流乡镇的公路相通,交通较方便。本工程主要以发电为主,在暗流河原柑子园电站(已废弃)坝址处建坝引水到鸭池河右岸建厂发电,枢纽建筑包括:挡水坝、输水系统、前池、压力管线和厂房。拟建坝高20 m,正常高蓄水位1 111.8 m,库容约12.6万m3,引水系统长6.26 km,利用落差266 m,设计引用流量6.77 m3/s,装机容量3×5 000 kW,多年平均发电量6 050万kW·h。

1区域地质情况

1.1地形地貌

工程区地处贵州中部,地势东南高,西北低,一般高程为770～1350 m,最高山为测区东部弓山,海拔高程1 469 m,最低点为测区西北部鸭池河,海拔高程为770 m。测区地貌主要处于山盆期剥夷面上,仅东南部及南部1400 m以上的山岭零星残留有大娄山期剥夷面,其地貌单元属中等切割的峰丛沟谷地貌,受乌江干流强烈的溯源浸蚀作用,鸭池河和猫跳河强烈切割山盆期剥夷面,于河流两岸2～3 km的范围内形成深切的峰丛中山峡谷地形。第四系以来,测区整体以间歇性上升为主,两岸地下水位为适应新的浸蚀基准面,在不同的高程上留置有水平溶洞。

河谷发育有一级阶地,位于坝址上游约300 m处的曾家沙坝,阶地高程约1 114～1 116 m,高出水面 3～5 m,宽10～100 m,阶面较完整,由砂质粘土夹卵砾石组成,地表多为农田分布。

1.2地层岩性

区域出露地层,从寒武系下统金顶山组到第四系积层序中,除缺失志留系、泥盆系和侏罗系外,余者均有分布。老地层分布于测区东南部,新地层则分布于测区中西部,第四系较集中分布于山间盆地、岩溶洼地及河流沿岸。其中以二叠系、三迭系地层分布广泛,岩性以碳酸盐类岩石分布最广。

1.3区域构造及地震

测区大地构造单元属扬子准地台-黔北台隆-遵义断拱-贵阳复杂构造变形区,受多期挤压应力作用,断裂构造十分发育,断裂面多呈弧形扭曲,测区主要发育的区域性断层有下浸口断层、暗流断层及龙场断层。

下浸口断层:自关寨以南,经红岩、下浸口、蜜蜂洞等地至粑粑店后与安乐场断层合二为一,长约50 km,亦被大关断层错断,左行位移1～5 km,总体走向约N30°E,倾向SE,倾角50～70°,为一扭性逆冲断层,地层断距多在500 m以上,最大达1 300 m,最小约100 m;沿断层带常见小构造断块和次级小断层组成复杂破碎带;上盘(南东侧)地层较老,多为二、三叠系地层,下盘(北西侧)均为三叠系地层,断层两侧新、老地层接触,接触带常见糜棱岩、角砾岩,宽可达20 m,挤压破碎带中多方解石脉,偶有重结晶和微弱硅化。该断层从测区北西部下浸口通过。暗流断层:经小箐、暗流、杨家寨等地,两端延出工程区外,长度大于80 km。暗流以北,走向约N450E,断距多在1 000 m以上,暗流以南,走向近SN,断距不到1 000 m。断面倾向SE,倾角30~50°,平面上波状弯曲。属压纽性断层,两盘接触多有破碎带和角砾岩,局部见糜棱岩,破碎带最宽达100 m,旁侧因强烈挤压小褶曲和小断层较为发育,多见方解石细脉,偶有硅化。龙场断层带:走向近东西向,东端与暗流断层交接,西端从测区西南部延出工程区外,长度大于36 km,断层面波状起伏,常见破碎带宽10~20 m,最大100 m,为压扭性断层。

该区历史上无大地震记录,无活动断裂分布。据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)(1/400万),该区地震动峰值加速度为0.05 g;地震动反应谱特征周期为0.35 s,相应地震基本烈度为Ⅵ度,区域构造稳定。

1.4岩溶水文地质条件

1.4.1 岩溶

区内碳酸盐岩广布,由于构造裂隙切割,地壳间隙抬升以及湿润多雨的气候条件,区内岩溶强烈发育,各种岩溶形态众多,其中以洼地最甚,溶洞、暗河、落水洞、溶隙均有发育。据地表调查,工程区溶洞较多,表明工程区岩溶发育程度高,溶洞主要分布于1 100～1 120 m及1150～1170 m,洞口一般有几米的水平段,说明岩溶发育经历了一个相对稳定的时期,岩溶具有成层性,其发育受控于不同时期的地下水排泄基准面,与阶地有较好的对应关系。区内发育的岩溶管道主要有:暗流河伏流,进口位于坝址下游约50 m处,出口为猫跳河左岸的羊皮洞,全长约8 km,进口处高约25 m,宽约15 m,进口底板高程约1 104 m,分布地层为三叠系下统夜郎组玉龙山段灰岩,沿途主要分布三叠系地层;马家湾岩溶管道,进口位于马家湾,高程约为1 170 m,出口位于库盆右岸,高程为1 115 m,高于正常蓄水位3 m左右,流量5～8 L/S。下浸口岩溶管道:进口位于下浸口田坝,进口高程为1 092 m左右;出口位于鸭池河右岸。区内岩溶发育具有以下规律:岩溶发育具明显的方向性。洼地长轴方向、溶洞走向与主要构造节理发育方向基本一致。岩溶在垂直剖面中具分带性。新构造运动上升的间隙期,岩溶的水平作用力加强,形成了以水平溶洞、岩溶洼地等特征的喀斯特水平带。岩溶发育具不均匀性和向深部减弱的规律。岩性的不均一变化,特别是构造破坏在不同的构造部位不一致,近代地质作用的选择性,使岩溶的发育在不同地段、同一地段的不同深度均不相同。

1.4.2 含水层类型及其分布

库盆主要分布T1y2灰岩地层,构造节理裂隙、岩溶十分发育,可视为强岩溶含水层。地下水主要为喀斯特水平循环带的潜水。地下水富存条件主要以岩溶管道水为主,局部富含基岩裂隙水。在河床裂点以上,地下水动力类型为补给型,地下水埋深浅,地下水垂直渗透带厚度不厚,一般小于50 m。河床裂点以下,地下水最低排泄基准面为猫跳河,地下水动力类型为补排型,地下水埋藏深,垂直渗透带厚度大,一般100～200 m,最厚达300 m。

1.4.3地下水循环条件与动态特征

测区地下水来源于大气降水,地表水与地下水流向基本保持一致。地下水主要赋存于岩溶管道中,以垂直循环为主,水力坡度大,径流速度快,地下水埋藏较深,地表水与地下水常相互转化补给。区内地下水的动态变化受气候和降水量控制。地下水动态变幅急剧,水量丰、枯变化大,雨季地下河出口及伏流出口流量成数十倍增加,而雨过流量迅速减小。

1.4.4水化学特征

据水质分析成果,该区河水为重碳酸钙型水,硬度6.5~10.7(德国度),水稳定性指数S>0,PH值均在7以上,HCO3含量在2.66~3.58 mg/L,无溶出性侵蚀,SO42-、Mg2-等离子含量小,无硫酸盐、镁盐侵蚀。

1.5物理地质现象

与水库工程地质有关的物理地质现象为崩塌堆积。建库河段基岩大多裸露,岩石以硬质岩为主,由于溶蚀作用,局部缷荷裂隙较发育,在重力作用下,部分缷荷岩块崩塌堆积于河床内或岸边,较集中分布有一处,位于坝址左岸坡,顺河向长约87 m,宽度45～60 m不等,堆积体顶部高程为1174 m,底部高程1115 m左右,据zk4揭露,垂直深度最深约8 m,规模约1.70万m3,成分为灰岩块石与残坡积粘土夹碎石混杂,块石直径一般0.5～1.5 m,最大可达3 m。

2水库区工程地质条件

2.1库区基本地质环境

拟建水库位于暗流河伏流进口至大寨河段,设计正常水位高程为1 111.80 m,与原有水库(已废弃的柑子园电站)水位一致,回水长约1.5 km,库容约12.6万m3。库区地貌为峰从洼地地貌区,地势总体北高南低,海拔高程1 090～1 300 m。建库河段河流由南流向北,于坝址下游约50 m处进入伏流。以伏流进口为界,河床比降由上游的0.67 %陡增到伏流段的6.1 %,最后在羊皮洞以岩溶瀑布跌入猫跳河中。建库河段(伏流进口上游1.5 km范围内)河床高程一般1 095～1 118 m,两岸山顶高程一般1160～1300 m,相对高差50～200 m,河谷总体为不对称的“V”型谷。水库廻水区河段出露地层主要为三叠系夜郎组玉龙山段(T1y2)灰岩,受农场断裂带和暗流断层的影响,岩层产状变化较大,倾角一般20～60°。为单斜状态,岩层总体倾向上游。第四系(Q)残、坡积砂质粘土、红粘土和冲洪积的砂卵砾石层主要分布于坡前阶地及河槽部位,暗流河沿河床两岸发育有一级阶,阶地高出河水面3～5 m。

2.2水库渗漏

库盆整体座落于强岩溶地层之中,岩溶发育强烈,但抬高水头不高,回水不长,未改变原有水库(已废弃的柑子园电站)水文地质特征,经水文地质测绘,库区发育的几处岩溶管道,出口均高于正常蓄水位高程,且有泉水补给河水,如马家湾岩溶管道(KS03),出口高程为1 115 m,流量为5～5 L/s。由库区泉水统计分析,河流两岸地下水大多以岩溶泉水的形式补给河水,说明暗流河两岸存在较高的分水岭,在抬高水头不高的情况下,具备成库条件。

2.3库岸稳定

坝址左岸分布一崩塌堆积体,成分为灰岩块石与残坡积粘土夹碎石混杂,块石直径一般0.5～1.5 m。堆积体形成的地表坡度约30～45°,顶部高程为1174 m,底部高程1 115 m左右,垂直深度最深约8 m,规模约1.70万m3,该堆积体现状稳定,若坝肩开挖,扰动堆积体底部块石,将会引发堆积体局部再次变形滑动,应采取相应处理措施。 库区主要为碳酸盐类,岩石强度较高,抗风化能力强。据收集资料反映,柑子园水库已蓄水30多年,两岸未发现大规模的滑坡和崩塌体,边坡稳定性较好。

2.4固体径流及水库淹没

库区两岸植被良好,库区无集中固体径流补给源。库区无工矿企业,无矿产分布,无民房淹没,因未改变原有水库(已废弃的柑子园电站)水位,无新增淹没地。

2.5水库诱发地震

工程区无活动断层通过,地震强度和频度较低,为弱震区。两岸分水岭地下水位总体高于水库正常蓄水位,库水向两岸入渗深度有限,水库诱发构造型地震的可能性极小。库区为可溶性碳酸盐岩分布,岩溶发育较强,地下岩溶管道及地下暗河系统较发育,但出口均高于正常蓄水位高程,库水无倒灌现象,岩溶塌陷型诱发地震的可能性小。原柑子园水库蓄水30多年,未产生有影响的诱发地震。

3坝址工程地质条件

前阶段共选上、下两个坝址的方案进行比选,上坝址位于暗流河伏流进口处,下坝址位于暗流河伏流出口与响水河伏流进口之间约450 m的河段上,经前期勘察,下坝址库区(暗流河岩溶管道)岩溶水文地质条件复杂,利用水头比上坝址低49 m,通过各专业综合比较,推荐上坝址为初设坝址。上坝址距暗流伏流进约50 m,受地形条件约束,所选坝线唯一,即原柑子园电站大坝所在位置,建坝方案有两种:对原大坝进行除险加固处理;拆除老坝重建新坝,若重建与其相适应的坝型为重力坝。

3.1坝址工程地质概况

3.1.1 地形条件和地层岩性

坝址处于暗流河盲谷伏流入口偏上游约50 m,河谷断面呈不对称的 “V”字型峡谷,两岸山体雄厚,右岸为高约50 m的悬崖陡壁,基岩裸露;左岸地形坡度相对较缓,坡角30～45°,坡高约65 m,岸坡为崩塌堆积体覆盖,成分主要为崩塌块石以及粘土夹碎石,块石一般直径0.5～1.5 m,最大粒径约3 m。据zk1揭露,崩塌体厚1～8m。河水面高程1 111.8 m,河床宽约25 m。据坝址钻孔zk2、zk3、zk4揭露,河床覆盖层主要为崩塌块石,冲洪积砂卵(砾)石层,厚一般6～10 m。下伏基岩为三迭系上统夜郎组玉龙山段上部(T1y2-3)厚～巨厚层块状灰岩。

3.1.2 构造及结构面

坝址岩层产状为N30～45°E/SE∠20～30,为纵向谷,岩层倾向右岸。坝址处无断层通过,主要发育的地质构造为节理裂隙,从地表调查综合分析,右岸山体完整,节理裂隙发育主要为N35°W /SW∠60°,裂隙延伸可见长20m左右,裂面张开,宽约5～10 cm,泥质半充填,发育密度1条/5～7 m;左岸岩体相对破碎,发育裂隙主要有:①N50～65°W/SW∠50～50°,②N30°E/SE∠60°,裂面起伏不平,泥质半充填,密度约1条/1～2m,裂隙与岩层层面局部构成不稳定岩体。

3.1.3 岩溶水文地质条件

坝址出露地层为强岩溶含水层(T1y2-3),根据地表地质调查,岩溶发育,伏流入口及1115m高程以上岩溶强发育,坝址处岩溶发育相对较弱,根据钻孔压水试验资料统计分析可知:强风化灰岩透水率一般大于5 lu,弱风化灰岩到新鲜基岩透水率一般1～5 lu,透水性随风化减弱而降低,地下水类型主要为基岩溶隙水。根据钻孔水位观测,ZK1地下水位较水面高程底,说明库水通过崩塌堆积体向下游绕渗严重,须采取防渗措施。

3.1.4 覆盖层及岩体风化特征

坝址右岸基岩裸露,左岸覆盖层为崩塌堆积体,成分主要为崩塌块石以及粘土夹碎石,厚1～8 m。河床覆盖层厚6.0～10.0 m,成份为崩塌堆积的块石和冲洪积砂卵石层,结构松散。坝址基岩为硬质岩体,层状结构,岩体抗风化能力强,岩体完整性较好,据钻孔揭露和物探声波资料,坝址岩体强风化厚一般2～5 m,强风化岩芯采取率一般为30～60%,RQD一般20～50 %,波速Vp=2 000～3 200 m/s,弱风化采取率一般为60～85%,RQD一般50～80%,波速Vp=3 200～4 500 m/s。

3.1.5 物理地质现象

坝址左岸1170 m～山顶(1183 m)在地貌上似一“三棱台”,岩性为三叠系夜郎组玉龙山段厚层灰岩,产状N30～45°E/SE∠20～30°,为顺向坡。位于1170m高程处的层面由于顺层溶蚀作用强烈,该层层面在地表大多张开5～20cm,使“三棱台”形成潜在危岩体,危岩体底面(层面)近似等边三角形,边长约37m,高约13m,方量约4000m3。经调查,该危岩体现状稳定,但若受施工爆破震动影响,可能产生顺层滑动,建议设计根据本报告提供的结构面参数验算该“三棱台”的稳定性,并根据验算结果提出相应的处理措施。

3.1.6 岩石(体)物理力学性质

对原坝体和坝址、厂址岩石取样进行物理力学性质试验,常规样13组,中剪样9组。坝基岩体物理力学参数建议值:据本次试验值结合已建工程类比,坝址区坝基岩(石)体有关物理力学参数建议值见表1。

3.2坝址工程地质条件评价

3.2.1 坝址工程地质特征

坝址位于原柑子园电站坝址处,河谷断面呈不对称的 “V”字型峡谷,两岸山体雄厚,右岸为悬崖陡壁,基岩裸露,岩性为夜郎组玉龙山段第三层(T1y2-3)中厚～厚层块状灰岩,逆向坡,自然边坡稳定;左岸坡角30～45°,覆盖层为崩塌块石和粘土夹碎石,厚1～8 m,下伏基岩岩性与右岸一至,边坡总体稳定。

坝基岩体为中厚～厚层块状灰岩,岩层产状为N30～45°E/SE∠20～30°。坝址处无断层通过,节理裂隙发育较弱,岩体较完整,强度高,弱风化岩石平均湿抗压强度Rw=30～40 MPa,Kv=0.40～0.70,承载力[σ0]=2.5～3.0 MPa,变形模量7～8Gpa,弹性模量为10～12 GPa,地震波波速一般为3 200～4 500 m/s,弱风化岩体质量属BⅢ类。坝基岩体开挖坡比建议值见表2。

3.2.2 老坝(柑子园电站大坝)工程地质条件评价

原柑子园电站筑坝材料为砌石夹砼砂浆,为浆砌石重力坝,坝体长为25.9 m,最大坝高为6 m,坝顶宽多为1.4～2.0 m,中间凸出部分宽2.5 m。坝基、肩渗漏严重,在枯水季节,库水全部由坝基、肩排向下游。根据坝体钻孔揭露,坝体砌石与砂浆间胶结大多较差,砂浆中气孔局部较多,密实较差。坝体砌石岩性主要为灰色灰岩,方解石脉充填裂隙较发育,部分裂隙贯通,局部缝合线构造发育,大多被紫红色浸染。据室内试验资料,砌石夹砼砂浆吸水率一般为7～11%,饱和抗压强度一般为RW=10.0～18.0 Mpa,试样室内测试声波波速一般为3000～3700 m/s。据钻孔揭露,大坝基础置于河床覆盖层上,覆盖层上部(与坝基接触带)成分为冲洪积砂卵石和崩塌块石,块石直径一般0.3～1.5 m,厚2～5 m,下部主要成分为砂夹砾石,砂约占60 %左右,厚约5～7 m。右坝肩置于强风化灰岩上,左坝肩置于崩塌体上,崩塌体成分主要为灰岩块石和粘土夹碎石,块石约占70%,直径一般0.5～1.5 m,垂直厚度8 m。 从大坝现状结合坝址工程地质条件分析,大坝地基为较松散的砂卵石和崩塌体,崩塌体和砂卵石渗透条件好,坝基渗漏严重。该大坝已运行30余年,未发现滑移变形,坝体现状稳定,说明大坝在现有水头压力下不会产生变形破坏,若坝前压力增大,坝体可能产生滑移破坏。

4结语

①工程区场地无活动性断裂通过,地震动反应谱特征周期为0.35 s。地震动峰值加速度为0.05 g,区域构造稳定。

②本工程未改变原柑子园水库水文地质特征,库区无不良物理地质现象,水库诱发地震的可能性小,具备成库条件。

③坝址左岸1170 m～山顶(1183 m)由于顺层溶蚀作用强烈,形成潜在危岩体,受施工爆破震动影响,可能产生顺层滑动,建议设计验算其稳定性,并根据验算结果提出相应的处理措施。

④厂基开挖后在后缘形成25 m高的永久边坡,上游侧形成顺向坡,受节理裂隙切割和施工外动力的影响易产生崩塌和滑坡,应采取相应的支护措施。

⑤工程区岩溶作用强烈,工程边坡及洞室围岩稳定问题较为突出。施工阶段应加强施工地质配合工作,以便及时作出地质预报和提出相关处理建议。

参考文献:

[1] 龚大庆.乌江构皮滩水电站工程地质[J].人民长江,2007,(9)

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