坪頭水電站工程區工程地質特征分析

史 紅 光

(四川美姑河水電開發有限公司,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的最下游一個梯級水電站。電站采用閘壩引水式開發,正常蓄水位 913m,總庫容 62.09萬 m3,電站裝機容量 180MW,多年平均發電量 8.61億 kW·h。樞紐建筑物由進水口、引水隧洞、調壓井、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灰巖、砂巖、泥質灰巖、震旦系灰白色細晶白云巖、灰黑色含磷灰巖及第四系堆積物等地層。

坪頭水電站工程區在地質構造上屬涼山拗褶帶東亞區,區內無區域性斷裂分布,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,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現象,因此,結合坪頭水電站工程的設計資料及工程樞紐布置對工程區內地質現象進行針對性調查和分析是十分必要的。

2 工程地質調查

2.1 物理地質現象

根據地質調查,坪頭水電站工程區內不良地質現象較為發育,主要表現為卸荷、崩塌、滑坡和泥石流等。據初步統計,電站工程區內共有 11條規模性天然沖溝,在工程建設期,已發生泥石流和岸坡崩塌5起,其中規模最大的一次發生于 2005年 7月,泥石流造成美姑河斷流近 1h。

受地層發育條件影響,不良地質現象在不同區段具有不同的表現,與岸坡地表形態、堆積物、出露巖體的結構及風化卸荷狀況等相關。經過地質分析和對比發現,坪頭水電站工程區內岸坡地質條件具有較明顯的分區性,大致可劃分為兩個區段:

(1)閘址區～引水隧洞前段(4號支洞以上)。受巖體產狀控制,該區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。

該工程區段地層巖性主要為寒武系白云質灰巖、砂巖、頁巖夾泥質灰巖。白云質灰巖呈薄至中厚層狀,巖質堅硬,屬Ⅲ類圍巖;泥質灰巖呈薄層狀結構,巖質軟,風化、溶蝕作用相對較強,屬Ⅳ類圍巖,成洞條件較差。根據地質調查和分析,區內未見規模較大的斷層,局部發育規模較小的層間擠壓破碎帶。因此,控制該段巖體地質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,裂隙較為發育,施工過程中圍巖穩定性程度低,易發生局部坍塌。

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

坪頭水電站工程區典型地質條件分析剖面示意見圖1。

2.2 水文地質條件

在工程設計中,根據坪頭水電站工程區出露的地層巖性、裂隙及巖溶的發育狀況,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)薄層灰巖及粉砂巖,坡面為裂隙強透水層、深部為隔水層類型。

圖1 坪頭水電站工程區典型地質條件分析剖面示意

上述劃分有助于判斷樞紐所在區域的地下水賦存程度,從而根據工程區水力運動狀況評價施工過程中的圍巖穩定性。地質調查和分析表明,坪頭水電站工程區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 工程區地質條件特征分析及建議

3.1 閘址區～引水隧洞前段工程地質特征分析

對該區段地質條件進行歸納和分析發現,閘址區及引水隧洞前段無大型軟弱地質構造發育,巖體結構較為簡單,巖性主要為寒武系白云質灰巖夾泥質灰巖,巖石抗風化能力較強,風化作用主要沿結構面擴展,以裂隙式或層狀風化為主,在空間上分布不均一,風化程度隨深度變化較明顯。節理裂隙總體表現為“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,該區段巖體具有良好的力學性能,控制工程樞紐圍巖穩定的主要地質因素是地下水和裂隙切割作用。而從裂隙發育特征分析,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,使區段內水文地質條件較為簡單;地下水類型主要為基巖裂隙水及覆蓋層孔隙水,為樞紐圍巖穩定提供了良好的地質條件。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定問題,及時進行地質觀察預報和超前處理措施,使圍巖局部失穩得到盡可能的約束;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,應特別注意對坡面崩塌體失穩現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～廠址區工程地質特征分析

該工程區段巖層大致呈順坡向展布,裂隙較為發育,巖體結構破碎,客觀上為地下水提供了較好的運動通道,水文地質條件為可溶巖的巖溶發育提供了較好的物理條件。該工程區段內巖溶作用較為明顯,經過開挖揭露和驗證,在白云巖帶內沿結構面可見直徑 8～500cm的溶洞及溶隙,部分結構面兩側因地下水淋濾、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。

結合工程區內水文地質條件分析判斷,坪頭水電站引水隧洞后段及廠址區在地質構造上處于背斜構造核部,且兩翼巖體中結構面較為發育,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構面進行并向兩側擴展中,細晶白云巖出現整體溶蝕。受其影響,巖石強度大部分喪失,形成“砂包石”。該現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,該工程區段巖體強度受到較大削弱,圍巖穩定性降低,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育的特點,可以推測兩岸一定深度范圍內巖體透水性較強,因此,施工過程中應結合巖體地質構造、巖性、地下水等因素,分析綜合因素作用下的地質演變趨勢,采取相應施工防范措施,確保工程安全?？傮w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育程度較高的廠基等工程區域,地下水活動較強、補給穩定,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,必要時可采取聯合防滲手段。同時,對于建筑物穿越沖溝的地段,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,防止地質條件向惡化方向發展。

4.2 岸坡穩定問題

坪頭水電站引水及發電系統布置于左岸,工程區為順向坡,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生滑動變形。同時,位于滑面下一定范圍內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的加固和防護處理措施。

廠址區工程地質剖面示意見圖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較為普遍的地質現象,在已經開挖揭露的洞段,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問題是塊體穩定和地下水防滲問題。由于廠房垂直埋深 110～135m,調壓井、壓力管道等樞紐最小埋深僅 75m,巖體的風化卸荷及沿結構面的溶蝕程度隨埋深有所變化,越往上部塊體穩定問題更加突出。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,防止電站運行期內水外滲而加劇細晶白云巖的“淋濾”作用。

5 結束語

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,往往容易發生岸坡崩塌、圍巖失穩等地質災害現象,因此工程建設各方必須充分調查和研究建筑物布置區域內的地質構造條件,針對巖體發育特征,結合巖層產狀、巖性、硬度以及巖體完整性分析工程區內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定條件惡化,進而引發工程地質危害。

圖2 廠址區工程地質剖面示意