于景宗,史海燕,楊瑞剛
(中水東北勘測設計研究有限責任公司,長春 130021)
大藤峽水利樞紐位于珠江流域西江干流黔江河段峽谷出口下游,大瑤山和桂平溶蝕平原交接處,水庫正常蓄水位61m,庫容約28億方,裝機容量1600MW。樞紐建筑物主要由黔江主壩、黔江副壩、南木江副壩、兩岸廠房、通航建筑物等組成。
由于工期緊張和占地等原因左岸可溶巖區(qū)勘察工作受到了一定影響,部分勘察工作直至開工后尚未進行。在巖溶調查的時候發(fā)現(xiàn)周邊10-20km范圍內同一地層有多處灰?guī)r負開采料場且部分料場緊鄰江邊,開采深度30-40km,巖溶發(fā)育相對較弱,巖溶涌水量不大。在類比大藤峽樞紐區(qū)巖溶發(fā)育程度時,產生了一定的誤導,雖認為樞紐區(qū)位于可溶巖和非可溶巖交接部位巖溶發(fā)育要相對強烈,但認識仍是不足[1]。
大藤峽水利樞紐地處亞熱帶季風氣候區(qū),雨水充沛,流域多年平均降雨量1600-1800mm。大瑤山地層由寒武系和泥盆系組成,巖性主要為砂巖、泥巖,接受大量降雨入滲形成地下水,是樞紐區(qū)地下水的主要補給來源。第四系松散層中主要為潛水,局部黏土層厚,有微承壓的特點。巖溶裂隙溶洞水主要運移于巖溶管道內,水位較穩(wěn)定,淺表巖溶發(fā)育區(qū)以潛水為主,深部巖溶管道為承壓水。巖溶管道規(guī)模不均一,屬于溶隙串聯(lián)溶洞,地下水運動復雜。
工程建設前地下水埋深約10-15m,枯水期和汛期水位變化較大,長期觀測孔地下水位與江水位變幅趨勢一致,說明工程區(qū)地下水位與江水位關聯(lián)性強、連通性好。船閘基坑開挖后,地下水最大降深達35m,使船閘周圍地下水降幅較大,地下水動力條件變強,加大了水力比降和流速,形成以船閘基坑為中心的地下水降落漏斗[2]。
樞紐區(qū)可溶巖地層主要為泥盆系郁江階下段(D1y1)和中段(D1y2)地層,巖性主要為灰?guī)r、白云巖和少量的泥質灰?guī)r,地表覆蓋層厚,僅在江邊有小面積基巖出露。其中灰?guī)r、白云巖溶蝕強烈,可見的溶蝕現(xiàn)象有溶洞、溶溝、溶牙及蜂窩狀溶孔。左岸船閘及下引航道、廠房尾水渠、左岸消力池下游部分均位于可溶巖區(qū)。
由于可溶巖區(qū)覆蓋層厚,地面可見的巖溶現(xiàn)象較少,從地表沖溝的分布情況可以看出,沖溝多為NW向;船閘基坑開挖降水受施工影響地表發(fā)生多處塌陷,塌陷坑的多呈線狀分布,走向亦為NW向。沖溝和塌陷坑的分布與NW向構造關系密切,一定程度上受該構造控制。
通過工程區(qū)的開挖揭露可以看出,巖溶發(fā)育是不均勻的,在構造和地下水活動的地方巖石溶蝕強烈,在構造不發(fā)育和地下水活動弱的地方巖體溶蝕不發(fā)育,在一個小的巖溶通道上,是溶隙與溶洞串聯(lián),溶蝕的發(fā)育規(guī)模相差較大。巖溶的不均勻性主要受地下水活動和構造的影響,但常被地表水侵蝕的可溶巖地區(qū)表層巖溶發(fā)育較均勻[3]。
可溶巖基巖面起伏大,高程一般15-30m,船閘基坑開挖揭露的基巖面陡起陡降,溝槽發(fā)育。高程5m以上為強烈溶蝕帶,溶溝、溶槽、溶洞發(fā)育,多充填黏土、卵石混合土等,規(guī)模相對較大;高程5m--10m為弱溶蝕上帶,發(fā)育溶隙、溶洞和少量切割較深的溶槽,多充填黏土,少部分無充填;高程-10--30m為弱溶蝕下帶,發(fā)育溶隙和少量小規(guī)模溶洞,多無充填。
船閘基坑開挖至基巖面時開始出現(xiàn)涌水點,涌水量0.15m3/s;隨開挖高程下降出現(xiàn)的涌水點增多,開挖高程至2m時主要的涌水點有4個,分布在船閘左側,涌水量約0.80m3/s,汛期最大涌水量約1.20m3/s;開挖到設計建基面高程-5m--2m時,出現(xiàn)涌水點21個,多分布在下閘首,涌水量穩(wěn)定在2.0m3/s。
發(fā)現(xiàn)的21個涌水點均為承壓水,主要來源為深部巖溶水和倒灌的黔江水。對涌水點進行水溫監(jiān)測發(fā)現(xiàn),3#、4#、15#、16#、21#涌水點水溫較高恒定在23.5-24℃之間,不隨外部環(huán)境溫度變化而變化,說明這5個涌水點地下水為來自深部的巖溶水。其他涌水點水溫較低,隨黔江水溫變化,高出黔江水溫1℃左右,可以推斷該部分水來自于黔江。
溶洞和溶隙部位地下水以涌水點的形式集中出露,說明地下水的賦存、運移主要在巖溶裂隙和管道中。通過對地下水位長期觀測資料和地下水等水位圖分析,可以發(fā)現(xiàn)船閘基坑附近處在5個地下水位低槽,在綜合構造、巖溶塌陷、巖溶洼地等巖溶現(xiàn)象,可推斷出5條地下水的集中運移通道。
巖溶涌水處理主要采用了3種方法,即排、堵、防。集中抽排,在船閘基坑設置集水井,采用固定泵站和浮動式泵站相結合的方式,對涌水進行集中抽排;封堵,在船閘周邊結合圍堰防滲設置擋水帷幕,對地下水集中滲流通道、涌水點通過灌漿、混凝土回填等手段進行封堵;防止地表水直接流入基坑,基坑周邊開挖截水溝,將降雨形成的地表水直接排走,對周邊的池塘、積水坑、塌陷坑進行引排、回填、封堵,減少、截斷地表水匯入通道[4-5]。
大藤峽船閘為國內最大的單級船閘,建基面選擇主要考慮2個方面因素:①巖體完整程度要求達到較完整巖體,即巖體波速>4.2km/s;②巖體溶蝕程度不高于弱溶蝕,鉆孔統(tǒng)計的線巖溶率應<10%,面溶蝕率<10%。
前期勘察通過鉆孔巖心和巖體波速確定的建基面高程為0-2m,基坑開挖后通過物探聲波測試、探地雷達、電磁波CT探測和地質編錄揭示船閘巖溶發(fā)育程度存在差異,閘室樁號0-183m上游側溶蝕相對較強,建基高程最終確定為-5m,下游側建基高程確定為1.45m。保證了上、下閘首建基于弱溶蝕的下部,閘室建基于弱溶蝕的中上部。由此可以看出前期勘察工作存在不足,若前期勘察能多布置一些物探孔間CT探測和豎井,對巖溶發(fā)育程度和規(guī)律的認識將更清晰,提供更可靠的設計依據(jù)。
建基面揭露了4條溶槽、3條溶溝和18個溶洞,對發(fā)育深度較淺的溶溝和部分溶槽、溶洞進行挖除并回填混凝土處理;對發(fā)育較深的溶槽、溶洞在底部鋪設鋼筋網采用混凝土塞進行處理;對發(fā)育較深且寬度較大的溶槽采用鋼筋混凝土厚板跨蓋處理;對溶隙、裂隙發(fā)育的較破碎巖體、破碎巖體進行固結灌漿加固處理。
巖溶塌陷的形成條件主要是巖溶化與巖溶發(fā)育地層、上覆土層、地下水活動、誘發(fā)因素(降雨、振動、抽水等)這幾個方面。巖溶地面塌陷的發(fā)生,實質上是土洞(或巖洞)的抗塌力小于致塌力的結果。致塌力有洞頂巖土體的自重力,地下水的滲透壓力、荷載力、振動力和氣體負壓力等??顾χ饕袔r土體的內聚力,摩擦力和地下水浮力等。地面塌陷的形成過程,實際上就是土洞(或溶洞)的形成發(fā)展及破壞過程。由于致塌力和抗塌力的多樣性和復雜性,導致巖溶地面塌陷的機理十分復雜。對一個具體塌陷而言,不可能同時受到上述所有力作用,也很少是單一機制形成。大藤峽工程樞紐可溶巖區(qū)發(fā)生10多處地面塌陷,分析原因主要有3類:①船閘防滲帷幕施工,潛孔錘造孔時氣壓達2MPa,使地下水變動劇烈,土洞空腔內壓力變幅大,致使土洞發(fā)生、發(fā)展形成地表塌陷;②施工開挖,使黏土層變薄,土層的抗塌性變弱,基坑降水使地下水位下降,浮托力喪失,且地表水入滲產生破壞,加之工程活動帶來的爆破震動等綜合因素導致塌陷;③船閘降水巖溶管道內充填物被水加速帶走,開始地表出現(xiàn)凹陷、裂縫,范圍慢慢擴大最終形成塌陷,這類塌陷一般過程相對較長。
巖溶塌陷環(huán)境是非常復雜的系統(tǒng)環(huán)境,其影響因素眾多而且往往是多種效應的組合疊加,各因素的影響和作用大小不同,且具有很強的不確定性。因此,巖溶塌陷評價是一項復雜的系統(tǒng)工程,必要遵循綜合性、客觀性、重要性、類比性和實用性原則。根據(jù)各種影響因素的不同,巖溶塌陷發(fā)育的歷史、規(guī)模和活躍程度,對巖溶塌陷的現(xiàn)狀評估,將評價區(qū)劃分為不易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)共4個塊段,其中不易發(fā)區(qū)占18%,低易發(fā)區(qū)占38%,中等易發(fā)區(qū)占34%,高易發(fā)區(qū)占10%。根據(jù)不同的分區(qū)采取不同的工程措施,高易發(fā)區(qū)進行監(jiān)測,及時進行數(shù)據(jù)分析,盡量不進行工程活動;中等易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)進行定期觀測,減少工程活動干擾;低易發(fā)區(qū)可正常進行工程活動。
1)可溶巖區(qū)勘察應充分認識到他的復雜性和困難性,勘探方法的選擇應多樣化,物探孔間CT探測在大藤峽得到了很好的應用,對判斷巖溶發(fā)育程度起到了重要作用。
2)基坑涌水處理擋水帷幕和排水設計一般都比較重視,往往容易忽略對基坑周圍的截水溝,雖設置了截水溝但不能有效的防止地表水直接涌入。
3)工程施工對大藤峽樞紐區(qū)巖溶塌陷起到了決定作用,可以說沒有工程施工影響就不會發(fā)生巖溶塌陷,因此應重視工程施工對地質環(huán)境造成的改變,進而引起的一些地質災害。
4)重視開施工期的編錄和分析工作,及時預見地質條件的變化,為避免地質災害的發(fā)生和設計方案的調整提供依據(jù)。