水力发电 第39卷弟3 2013年3月 瀑阳抽水蓄能岜玷工程地质特征及 重要工程地质问题 胡梦蛟 (中国水电顾问集团中南勘测设计研究院,湖南长沙410014) 摘 要:溧阳抽水蓄能电站工程地质条件十分复杂,各类结构面及蚀变岩脉普遍发育,岩体完整性差,地下水丰富。 地下洞室围岩稳定性、上水库渗漏、边坡稳定等工程地质问题突出。在阐述工程区主要工程地质特征的基础上,对 存在的主要工程地质问题进行简要分析和评价。 关键词:工程地质;围岩稳定;水库渗漏;边坡稳定;溧阳抽水蓄能电站 Engineering Geological Characteristics of Liyang Pumped-storage Power Station and Its Main Problems HU Mengjiao (HydroChina Zhongnan Engineering Corporation,Changsha 410014,Hunan,China) Abstract:The engineering geological condition of Liyang Pumped—storage Power Station is very complex.A lot of structural planes and altered rocks are widely developed in engineering orea which has poor completed rock and abundant groundwater. So the engineering geological problems are serious,including underground caverns excavation stability,upper reservoir seepage and slope stability.After introducing the main engineering geological characteristics in this power station,the main engineering geological problems are briefly analyzes and assessed herein. Key Words:engineering geological;surrounding rock stability;reservoir seepage;slope stability;Liyang Pumped—storage Power Station 中圈分类号:TV221.2;TV743(253) 文献标识码:A 文章编号:0559—9342(2013)03-0016—05 1工程区工程地质特征 1.1 地形地貌 工程区属构造剥蚀地貌,总体地形西高东低, 杂,岩性繁多。 上水库、引水发电系统及大部分尾水隧洞基岩 由志留系上统茅山组上段(s: )地层组成,岩性为 中细粒岩屑石英砂岩、泥质粉砂岩、岩屑砂岩、粉 砂质泥岩和泥岩。岩性相问分布,层厚多为0.5~3.0 区内地表最大高差达420 in。东西部因地层岩性不 同地形差异明显.西部是由志留系及泥盆系砂岩组 成的低山(伍员山),山顶高程250~440 n;东侧则 i主要由火山喷出岩风化剥蚀而形成的残丘组成。上 水库西侧与安徽省郎溪县交界,下水库东侧与沙河 水库为邻。上水库由两条冲沟组成,两冲沟在坝轴 线附近交汇。冲沟之间为一舌状小山脊,小山脊与 n,交错层理较发育。岩层产状较零乱,加上岩相 i变化.岩性分层较困难.根据泥质粉砂岩及粉砂质 泥岩的分布特征,地层大致分为4小层'1 1—1 (S一3m-S一)。 3m其中,s。a- L~s 以厚层~巨厚层为主,而位于尾水系 统工程区的s: 。则以薄层及中厚层为主。另外,T 程区零星出露有泥盆系上统五通组下段(D: )石英 两侧冲沟相对高差40~60 in。沟底平均坡降约17%。 下水库一带地形平缓.由河流堆积阶地、宽缓的浅 冲沟和残丘组成。残丘高程40~60 In,阶地及浅冲 沟地面高程18-25 in。 收稿日期:2013—01—08 作者简介:胡梦蛟(1962一),男,湖南桃江人,教授级高工, 主要从事水电工程地质勘察工作. 1.2地层岩性特征 工程区基岩由沉积岩、火成岩组成.地层较复 II要 merPo er Vo1.39No.3 第39卷第3期 胡梦蛟:溧阳抽水蓄能电站工程地质特征及主要工程地质问题 砂岩夹粉砂质泥岩。 断层是工程区的主要构造形迹,虽没有区域大 上水库及引水发电系统由于岩体整体完整性差, 地下水活动强烈,岩体普遍风化强烈,风化深度大。 强风化深度一般为30~60 1TI.厂区勘探平硐揭露强 风化下限水平深度达210 m:弱风化下限埋深多为 100~150 m,最深达300 ITI。弱风化带主要是沿断层 及节理裂隙面风化强烈.各类破裂面上普遍有铁锰 质浸染.部隙面附有次生黄色泥膜,而风化带 断裂通过,但断层发育组数及条数多,且部分断层 规模较大,断层带一般无胶结,以碎裂岩为主,绝 大部分断层夹有灰白色或黄色泥。断层主要发育特 征如下: (1)断层发育方向。按走向主要有NWW、NE、 NNE及NW向4组.但整体上发育方向较分散.这 4组断层仅占断层总条数的60%。按走向分布,每 10。区间内均有断层发育.以NW和NE向断层规模 最大,如F F (宽度8~10 m),其次为F (宽 度0.8-5.0 m)。 内岩块强度较高。尾水主洞一带以缓倾角的薄层~ 中厚层泥质砂岩与粉砂质泥岩为主。岩石风化深度 较浅,强风化下限埋深为9~20 m,弱风化下限埋深 一般为l5~50 m。 下水库及尾水出口段主要分布侏罗系龙王山组 (2)断层发育密度大。前期勘察在长1 200 In 勘探平硐内,揭露有大小规模不等的断层l11条. 断层平均发育密度达到近l条,10 m。 (J )火山岩,岩性复杂,有流纹质熔结凝灰岩、晶 屑凝灰岩、角砾凝灰岩等。 本区岩浆岩侵入活动较频繁,且具多期次、多 旋同的特点。侵入岩主要有安山斑岩、花岗斑岩、 正长斑岩等。 第四系覆盖层广泛分布。上水库输水发电系统 地表以残坡积覆盖物为主。厚0.5~5.0 m,且主要分 布于冲沟及坡底部位。下水库阶地及浅冲沟部位地 (3)除Fl0、F F F阶F。,,外,断层整体上 规模较小,破碎带宽度大部分小于0.3 m。破碎带宽 度变化较大.且断层一般在走向或倾向方向延伸不 长,大部分断层延伸长度小于50 m。如 断层破 碎带宽O.1加.2 m,其延伸长度仅20 m。 (4)断层倾角大于50。。其中,倾角大于70。的 约占70%。 表冲洪积物覆盖厚度3~12 m.其中靠近沙河水库部 1.3.3层间构造 区内历经多次构造运动,岩层强烈褶皱,断裂 错动频繁。因此,层面错动及层间小断层较多,形 位北段分布有淤泥质粉质粘土,厚3—7 m,对均质 土坝库内侧边坡影响较大。 1.3构造发育特征 工程区位于金坛一南渡断裂、溧阳一庙西断裂、 平桥一上沛断裂等区域断层所围限的断块内,区域 成顺层软弱结构面。层间软弱带(包括层间挤压破 碎带、泥化夹层、层间错动面等)发育。发育密度 主要与岩性及岩层厚度有关.一般发育间距为5~1O m.厚~巨厚层岩屑石英砂岩间距为15~30 m。尾水 构造背景复杂。褶皱、断层及节理裂隙密集发育, 严重破坏了岩体的完整性。 系统层问软弱带发育密度高,厚度大,性状差,厚 度为0.1-2.0 m。 1.3.1 褶皱 上水库及输水发电系统位于轴向为NE向的伍 员山背斜的南东翼,轴部距上水库约1.5 km,岩层 1.3.4节理裂隙 节理、裂隙发育是本工程的主要地质特征之一, 整体走向NE。由于次级褶皱及断层发育,志留系砂 岩岩层产状变化较大,部分地段产状较零乱。尾水 洞一带岩层产状则相对较稳定,走向一般为NE或 近EW向,倾角较平缓,一般为10。-30。。 组数多、密度大。从勘探平硐及第1层排水廊道揭 露和钻孔录像等资料反映,一般部位节理密度3~6 条/m.较密集部位达8~20条/m。90%以上的节理属 于陡倾角,缓倾节理相对较少。节理发育方向较分 1.3.2 断层 散.除了主要发育的几组节理以外,一些不规则、 表1 输水发电系统结构面分级 Water Power Vo1.39 No.3嘲 较短小的节理也十分发育。大多数节理属于硬性结 构面,贯穿性节理较少。节理裂隙的密集切割是岩 体完整性差的主要原因。 共发现有45条岩脉,宽度0.5~100 m不等。上水库 共发现有l6条,输水发电系统有25条。岩脉岩性 主要为安山斑岩(辉石安山斑岩、石英安山斑岩、 角闪安山斑岩),少量为花岗斑岩。主要特征如下: (1)分布范围变化大,规律性差。 1.4岩体结构特征 1.4.1 结构面分级 工程区无区域性断裂通过,即不存在I级结构 (2)多数沿NE向延伸,部分岩脉沿断层侵入。 面。根据岩体结构面的规模及其工程意义,将工程 区结构面划分为Ⅱ~V级共4个级别(见表1)。 同一条岩脉部分沿断层,部分未沿断层发育,如③ 号岩脉,勘探平硐PD5与第1、2层排水廊道揭露 其上界面沿F娩断层发育,界面规则平顺,但在高程 较低的交通洞、主变室、尾闸室等部位上界面则不 规则侵入。 1.4.2岩体完整性 工程区岩体质量指标(RQD)整体上较低,勘 探平硐统计平均RQD为24%~31%.其中RQD大于 50%的段长仅占统计段长度的10%,钻孔平均RQD 则小于37%,尾水隧洞部位有多个钻孔RQD为0。 RQD反映出工程区以完整性差的岩体为主。 (3)均有不同程度的蚀变。严重蚀变的岩脉呈 泥状或散砂状:中等程度蚀变岩脉则以岩块为主. 部分岩块因蚀变而强度降低:轻微蚀变岩脉则主要 以裂隙充填物蚀变为主。裂隙面上普遍充填厚2~5 1.4.3岩体结构类型 上水库及引水发电系统因各类地质结构面发育, 已将岩体切割成各种大小不一的块体。除断层及层 问软弱面以外.块体边界绝大部分由硬性节理面、 ITIm的白色高岭土。 (4)蚀变岩脉遇水后具有一定的膨胀性。 对工程影响较大的主要岩脉特征见表2。 层面构成。因此,大部分块体与块体之间具有较好 1.5水文地质特征 尾水主洞及下水库地下水位埋藏浅.岩体透水 性小,地下水活动较弱。上水库、引水发电系统及 的咬合力。波速测试表明,岩体波速以大于4 000 m/s为主,其所占比例大于70%。工程区大部分结 构面间距为0.1~0.4 In,岩体完整性差。大部分岩体 嵌合较紧密,属于镶嵌结构;断层影响带、节理裂 隙特别密集部位属于碎裂结构或块裂结构;断层破 尾水支洞一带以厚~巨厚层砂岩为主,地下水位埋藏 较深,岩体透水性整体较强,地下水活动强烈,地 下洞室区地下水渗水量大。工程区地下水主要表现 如下特点: 碎带、强烈蚀变岩脉则属于碎块状或碎屑状散体结 构。F 下盘部分岩体为厚层状,结构面中等发育, 结构面间距0.3~0.5 ITI,属于层状结构。 上水库及引水系统岩体以镶嵌结构为主。其中, 引水支洞及地下厂房区少部分岩体属层状结构,尾 水主洞一带岩体以碎裂结构为主.部分为散体结构: 下水库岩体则多属于镶嵌或碎裂结构。 (1)上水库及输水发电系统区地形西南侧高. 东北侧为冲沟和山谷洼地,地下水接受大气降水补 给顺地形起伏自西南流向东北。由于受NNE和 NEE向强导水断层的影响,并受地下厂房东侧相对 阻水的NW向F 。断层和NNE向③号岩脉控制,地 下水的排泄条件发生了改变。近乎正交的F 。(岩 1.4.4蚀变岩脉 上水库、输水发电系统及下水库岩浆岩脉普遍 发育,且存在不同程度的蚀变,成为影响库岸边坡 稳定、坝基不均匀变形以及地下洞室围岩稳定性的 脉)和⑧号岩脉阻止了地下水自西南向东北流动. 天然条件下地下水在这两条阻水带交汇的西侧区域 汇集、涌高,顺断层或岩脉走向并沿其与地形交汇 的低处以泉水形式向冲沟排泄。 (2)前期勘探平硐及工程开工后地下洞室的开 挖改变了引水发电系统区域地下水排泄条件,地下 重要因素。 上水库及输水发电系统前期勘察及施工开挖后 表2主要蚀变安山斑岩岩脉特征 编号宽度,m 主要特征 揭露部位 ③ 20-60 NE方向展布,蚀变程度不一,在进厂交通洞造成较大规模塌方 ④大于5呈树枝状分布,全风化,遇水后具一定的膨胀性 洞、⑩施工支洞、尾闸室、第 主坝坝基中间山脊.185 m高程平台 ③ 5—3O沿②号副坝坝基垭El及库内冲沟分布,全风化,遇水后粘性强,具一定膨胀性上水库②号副坝坝基 ④10-80少部分严重蚀变,大部分中等蚀变 ①引水井口竖井下部及引水上平段 ⑩ 20—25呈NE向展布,大部分强烈蚀变,与砂岩接触带在地下水作用下大规模塌方①、⑥施工支洞 5-90宽度变化大,靠近上界面一带强烈蚀变 引水钢管排水廊道,①、②引水竖井下部及下平段 阿WaterPower Vo1.39No.3 u 夕 :/' ̄IaU了田,J\苗日B 如上q-F-/. ^ 忖1上[ ,X工重.L任凡 lUJ疋些 水水位不断下降。勘探平硐PD5开挖后,地下水水 位下降到平硐高程,形成高程约70 m的地下水低 槽。随着工程的开工,各施工支洞、进厂交通洞、 组合块体均是影响厂区大型洞室围岩稳定的主要因 素。尾水系统穿越宽度较大的多条断层破碎带及蚀 变岩脉等不良工程地质洞段。 (4)地下水的强烈活动是本工程围岩稳定性最 排水廊道、引水下平段等洞室的相继开挖,厂房区 地下水水位已下降至一60 m高程左右,主厂房、主 变室、尾闸室等厂区洞室及引水竖井等大部分隧洞 均较干燥 不利的因素之一。由于地下水的影响。使相应围岩 质量降低半个或一个等级。尤其是具有阻水作用的 较宽的断层带和岩脉与地下水丰富的厚层砂岩接触 部位,在洞室揭穿软弱带进入强透水带时.出现突 然涌水,地下水的外压和对软弱带的冲刷作用.使 接触带部位的围岩易失稳。 (3)上水库及厂房区岩体多属弱透水介质.但 沿断层或张开裂隙多形成强透水带。前期勘察钻孔 压水试验表明,弱透水的试验段占75%以上,但勘 探平硐及地下洞室的开挖直观地揭露了岩体的透水 特点,地下水主要是沿断层及张开裂隙、尤其是沿 NNE、NEE两组断层带渗出,地表降水人渗对洞内 渗水量影响较小。 (4)地下水渗水量大。地下洞室开挖后,岩体 内丰富的地下水沿张开裂隙及透zk断层向洞内集中 排泄。厂区勘探平硐开挖时,最大渗水量约2 500 m3/d,开挖完成一段时间后,稳定渗水量约为2 000 m3/d。筹建期地下洞室开挖后,工程区地下水从交 通洞及⑧号施工支洞洞口排出,短时最大渗水总量 约6 000 m3/d。目前,输水发电系统区域总排水量 约为4 800~5 200 m3/d。 2主要工程地质问题 2.1 地下洞室围岩稳定 工程开工后.针对地下工程区的地质条件,通 过地质超前预报、提前开挖排水廊道及掌子面超前 钻孔等进行超前排水。采取小导管、大管棚等超前 支护措施.遵循“短进尺、弱爆破、勤支护”等施 工原则,绝大部分地下洞室施工进展较为顺利,确 保了洞室的围岩稳定。但因本工程地质条件整体较 差.且复杂多变,小型块体塌落、 “内鼓”、塌方等 围岩变形破坏现象在所难免。其原因如下: (1)由于岩体各类结构面发育,围岩整体质量 差.厂房及主变室围岩以Ⅲ~Ⅳ类为主,水道系统围 岩以Ⅳ类为主,部分为V类。围岩质量及整体稳定 性差。 (2)各类小型断层、节理裂隙发育,与层面及 层问错动面等相互组合,形成大小不等的不稳定块 体。虽然大多数块体体积较小,但因失稳块体普遍 存在。对工程影响较大。 (3)蚀变岩脉、断层破碎带、厚度较大的层间 泥化带等发育,在施工时极易造成塌方等不稳定事 故的同时,其流变特性影响地下洞室的长期变形与 稳定。厂房区F 断层斜穿三大主要洞室,断层破碎 带宽度最大达5 m,其本身的变形与其他结构面的 随着主厂房、主变室往下部的开挖施工,需要 充分重视以Ⅲ、Ⅳ类围岩为主、局部V类的洞室高 边墙的变形稳定问题。 2.2上水库渗漏 上水库库盆北、西、南三面均由山梁组成。地 形上具备筑坝成库条件,但库周山体尤其是南北两 岸较单薄,除主坝外.库周地表分水岭长度约1 900 m。其中,地面高程低于300 m段约占20%,低于 320 m段约占40%。北岸、南岸分别存在高程为 283、291 m的垭口。设计正常蓄水位291 m处,北 岸分水岭宽度40~100 m:南岸分水岭宽度为10~ 100 m;西岸稍宽厚,大于100 m。 由于小断层及节理裂隙切割.且断层一般无胶 结,节理裂隙,尤其是风化带内的节理裂隙有不同 程度的张开。使上水库岩体形成了较好的透水网络。 同时,F 、F:、F 、F 等断层穿越分水岭,蓄水后将 成为库水集中向库外渗漏的通道。 天然条件下.库周地下水位低于正常蓄水位 33~150 m。库内外泉水出露点多位于冲沟沟底附 近,高程均低于200 m,表明上水库地下水位低。 同时.随着地下厂房区勘探平硐及其他地下洞室的 开挖.上水库地下水位均有不同程度的持续下降, 原有泉点也大多干涸。 钻孔压水试验成果表明。岩体渗透系数不大于 3 Lu的试段占整个试验段的77%,其中1~3 Lu的 试验段为52%。以渗透系数不大于1 Lu为标准的库 周分水岭相对不透水层埋深为80~150 in,顶板高程 为161~275 m,低于正常蓄水位20~135 m。 综上所述,库周分水岭(尤其是南岸和北岸) 整体上较单薄,岩体内断层及节理裂隙密集发育, 形成了较好的透水网络,易形成库水外渗的集中通 道。上水库渗漏问题突出。因大部分地段相对不透 水层顶板低于地表分水岭高程70 m以上,采用垂 直防渗明显不合适,因此,经反复论证后,上水 库采用库底土工膜、库周混凝土面板的全库盆防 渗方案 2.3水库边坡稳定 2.3.1 上水库 库岸边坡自然坡度一般为30。~35。,由厚~巨厚 层状砂岩组成,基岩零星出露,岸坡无大的堆积体 分布,覆盖层较薄。除西南库岸为顺向边坡外,库 内绝大部分边坡走向与岩层走向斜交或正交,库内 2.3-2 下水库 地形相对较平坦,不存在自然边坡稳定性问题。 水库开挖后,水库周边边坡总长度约3 000 1TI,坡 高为20~60 lfn。边坡主要由全风化~微风化晶屑凝灰 岩组成。结构面以陡倾角为主,水库周边不存在对 开挖边坡稳定性起控制作用的缓倾角结构面,边坡 整体稳定性较好。岩体完整性较差,多呈镶嵌或碎 裂结构.断层、蚀变带的发育以及均质土坝坝基淤 泥质粉质粘土的分布,是影响库内边坡稳定性的主 要不利因素。施工开挖期问边坡多处出现变形破坏 岸坡整体稳定性较好。由于库容及防渗要求,上水 库库岸边坡需全面开挖,库底以上开挖边坡高度为 50~100 m.环库公路以上边坡坡高为0~50 m。库水 位以下.库岸边坡开挖坡比为1:1.4,混凝土防渗面 板将有利于边坡稳定。 现象.主要原因如下: (1)因开挖坡比较陡,岩体整体蚀变或软弱破 碎部位边坡变形开裂。 虽然绝大部分地段不存在边坡整体稳定问题, 但由于小断层、节理裂隙、层问错动及夹层等十分 发育,岩体完整性差,各类结构面相互组合的部分 小型块体对库周开挖边坡的稳定性不利。在施工过 程中 出现多处小型滑塌块体,同时由于受地形影 响.多处边坡不能按稳定坡比开挖,必须采用强支 护措施。此外,局部岸坡由蚀变风化强烈的岩脉组 成,需采取混凝土置换。 (2)边坡上部岩体完整性相对较好,而下部岩 体因蚀变或严重破碎较软,形成坡结构,上部岩体产生变形。 (3)因顺坡节理被切脚.岩体完整性相对较好 的部位与其他组节理组合的局部范围岩体失稳。 针对不同的岩体结构特征及不同的变形破坏 形式和规模,同时考虑水库蓄水后,库水频繁升降 对边坡稳定性的影响,对下水库不同部位的边坡采 取了上部卸载、混凝土置换、贴坡、预应力锚索、 “头重脚轻”的边 (1)右坝头库外边坡。此段分水岭长约150 113, 走向为60 ̄-80。,地面高程290~300 m,库内、库外 侧地形坡度为32。~36。,地表除局部有0.5~3.0 m厚 的零星残坡积物分布外,大部分地段强风化基岩裸 锚筋桩、系统喷锚等综合处理措施。对淤泥质粉 质粘土分布部位,采用高压旋喷抗滑桩处理 露,强风化带下限埋深为25~30 1TI,岩层产状30。~ 60。/SE 13。~20o.边坡走向与岩层走向交角较小. (加钢管) 为20 ̄-40。,岩层倾向库外,倾角与库外地形坡角基 本一致,并有层问错动发育,错动带充填1~5 mm 黄色泥。水库蓄水后,将恶化层间弱面的性状,在 水头作用下,受节理裂隙切割的岩体存在沿层间弱 面向库外滑动的条件,需采用预应力锚索等专门处 理措施。 3结语 溧阳抽水蓄能电站工程地质条件复杂,经过前 期大量的地质勘察工作,已基本掌握其主要的lT程 地质特征,对主要的工程地质问题有较深入的分析 和准确的评价。自工程开工以来。所揭露的工程地 (2)西南库岸边坡。岩层产状与边坡走向基本 一质条件与前期勘察成果基本相符。通过采取合理有 效的工程处理措施,经参建各方共同努力,目前工 致,岩层倾角与边坡防渗面板设计坡比基本一致。 边坡开挖不存在大范围切脚问题。施工开挖可能在 岩层扭曲导致产状变化部位造成局部切脚。需采取 程施工整体较顺利。本工程的顺利建成将为复杂地 质条件下的抽水蓄能电站建设积累丰富的经验。 锚索、锚筋桩等必要的支护措施。 (责任编辑杨健) 白市水电站工程通过初期蓄水验收 2013年1月29至30日,水电水利规划设计总院会同贵州、湖南两省发展改革委、能源局、五凌电力有限公司、中南勘测 设计研究院等有关单位和部门在贵阳市主持召开了贵州清水江白市水电站工程初期蓄水验收会议。 会议听取了五凌公司、中南院关于工程蓄水验收工作情况的汇报,贵州、湖南两省移民主管部门关于建设征地移民安置初 步验收情况的汇报、国家电力监管委员会大坝监察中心关于工程蓄水安全鉴定主要结论的汇报以及验收专家组意见。会议经过 讨论审议,形成了《贵州清水江白市水电站工程初期蓄水验收鉴定书》,初期蓄水通过验收。 白市水电站工程于2003年启动,2005年被列入贵州省重点工程,2008年3月获国家发展革改委核准,2013年2月21日 工程实现下闸蓄水。 (中国水电顾问集团中南勘测设计研究院) 融 w【 Powe r Vo【 39\{}_3