沁河河口村水库坝址区岩溶发育规律分析

王登科,郭其峰,梁 红

(黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)

沁河河口村水库坝址区岩溶发育规律分析

王登科,郭其峰,梁 红

(黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)

沁河河口村水库位于河南省济源市境内,是一座以防洪、供水、灌溉及发电为一体的综合性水利枢纽工程,特别是肩负着向华能集团沁北电厂供水的重要使命。由于沁河水流量有限,因此,河口村水库的防渗就显得特别重要,而坝址区两岸分布有灰岩地层,局部岩溶发育,因此,要做好水库的防渗处理,就要了解岩溶的发育规律,根据岩溶的发育规律,指导防渗帷幕的设置。

岩溶发育规律;地层岩性;地质构造;地壳运动

1 岩溶发育现状

坝址区碳酸盐岩地层多为间层状分布在馒头组(∈1m)地层中,均在现代河水位和地下水位以上,整体上岩溶不发育,但在这些岩层出露的岸边卸荷区及构造影响区岩溶发育。

1.1 右岸岩溶发育现状

河口村水库坝址区右岸为一缓倾角的单斜地层,受岩性及构造作用控制,岩溶主要发育在馒头组(∈1m)地层中,多为间层状分布,根据野外地质调查结合钻孔、平硐资料,坝址区右岸岩溶主要发育在馒头组 ∈1m1-∈1m3岩层中,馒头组 ∈1m4-∈1m6岩溶发育弱。

(1)馒头组∈1m3岩性为含燧石结核灰黄色泥灰岩及灰质白云岩。该层因层间滑动挤压,褶曲发育,岩体破碎,溶洞发育,呈蜂窝状,洞壁与裂隙中充填方解石晶体,孔径<10 cm的溶洞不计其数。在PD19平硐中揭露的较为典型,大者一般直径0.5～2 m,小者0.1 m左右,多无充填或半充填状。根据溶洞的统计资料,岩溶发育程度及连通性随距岸坡距离的增加而减弱。

(2)馒头组∈1m1+2岩性为厚层、薄层白云岩及角砾状白云岩,岩层厚度变化较大,高角度裂隙发育。该层岩溶多发育<2 cm的溶洞,大者5 cm左右,多为方解石半充填,少量无充填。根据压水试验成果该层岩溶连通性较好,原因可能与高角度裂隙发育有关系。

1.2 左岸岩溶发育现状

坝址区左岸由于断层、褶皱的发育,岩层产状凌乱。左岸岩溶发育主要受断层、褶皱等地质构造及地层岩性控制。

(1)左岸古滑坡体岩溶发育在强烈破碎的馒头组∈1m3岩层中,岩体溶蚀架空显著,多为0.5 m左右不规则的溶洞,其中有碎石、碎屑等呈半充填、半胶结状,透水性极为严重,有些呈无压渗漏。

(2)左岸因断层、褶皱等构造发育,岩体破碎,在馒头组∈1m1-3岩体中岩溶较发育,多呈不规则的小溶洞,局部呈蜂窝状,洞径一般1～3 cm,大者10 cm以上,多为方解石晶体半充填,由于裂隙等发育的岩溶连通性较好。

根据岩溶发育特征及充填物特征,坝址区发育的岩溶主要为晚更新世(Q3)及以前所形成的,第四系(Q4)以来所形成的岩溶主要表现为风化卸荷裂隙的溶蚀及钙质的淋漓等。

2 影响岩溶发育的因素[1]

岩溶作用是指地下水对可溶性岩石进行以化学溶蚀作用为主,机械侵蚀和重力崩塌作用为辅,引起岩石的破坏及物质的带出、转移和再沉积的综合地质作用。

岩溶的发育必须具备的一般条件:①岩石的可溶性;②岩石的透水性;③水的流动性。只有流动的水才能不断带走岩石中的可溶岩,进行溶蚀而不易饱和,从而形成溶蚀作用。

具体到河口村水库坝址区,影响岩溶发育的因素主要有:①地层岩性;②地质构造;③地壳的升降运动及地下水流动性。

2.1 地层岩性对岩溶发育的影响

坝址区可溶的碳酸盐岩地层,多为间层状分布在馒头组(∈1m)地层中,其下为非可溶的汝阳群碎屑岩,故从岩性上限制了岩溶的向下发育。在馒头组(∈1m)地层,可溶质纯的白云岩、灰岩的分布位置决定了馒头组(∈1m)中岩溶发育的层位,不可溶的泥灰岩及页岩等限制了岩溶发育的位置。可溶的灰岩、白云岩与不可溶的页岩等互层的地层特点,形成了坝址区馒头组(∈1m)地层岩溶间层状发育的特征。可溶的灰岩、白云岩的厚度也限制了岩溶的发育程度,如溶洞的大小等,如本区最为发育的∈1m3岩溶层,即是在两层泥灰岩中间夹的中厚层状灰质白云岩层。

2.2 地质构造对岩溶发育的影响

岩溶的发育还取决于岩体的透水性,岩体透水性主要取决于岩体的裂隙度,褶皱和断裂作用使岩石的破裂程度加大,使岩石的透水性大大增强,从而促进岩溶的发育。断层、节理等各组破裂面相互交织、延伸进而控制了岩溶发育的形态、规模、速度和空间分布。褶皱的不同部位,裂隙发育不均匀,岩溶发育程度不同,核部比翼部发育。大型褶皱控制了可溶岩的空间分布和地下水汇水范围及径流条件,影响着岩溶的发育。构造发育的地段往往岩溶作用强,构造线的方向,往往控制了岩溶发育的延伸方向。

坝址区岩溶主要受一组NWW向背斜影响,特别是在坝址区左岸,地质构造的发育对岩溶的影响最为直接,左岸断层、褶皱交替发育,造成左岸馒头组岩体岩溶发育程度高,岩体透水性强。

2.3 地壳运动对岩溶发育的影响

地壳的升降运动同样影响岩溶的发育,当地壳上升较快时,形成的岸坡地形往往较陡,河流两岸中的地下水位下降较快,地下水与可溶岩接触的时间较短,岩溶发育程度较弱,反之则岩溶发育程度较强。地壳升降运动的结果表现在河流的形态及河流阶地的发育程度。河流阶地是地壳运动相对稳定时期的产物,当时的河水代表着地下水的最低排泄基准面。在阶地的形成时期,地下水位在阶地面附近频繁波动,因而,在阶地面高程附近当时的地下循环也最频繁,地下水流动最活跃,故在阶地面高程附近岩溶发育程度较高。

沁河河口村水库工程位于太行山与华北平原的交接地带,地质构造上处于华北断块南缘的二级构造豫皖断块与太行断块的交接部位。据分析自喜马拉雅旋回以来,工程区的构造运动主要表现为大面积的升降运动。根据调查研究,河口村水库工程坝址区附近分布Ⅳ级阶地,但保留不完整,仅在凸岸有少量残留。Ⅰ、Ⅱ级阶地分布较低,发育在中元古界汝阳群及太古界登封群地层中。Ⅳ级阶地分布较高,Ⅳ级阶地的形成对坝址区岩溶发育影响不大。Ⅲ级阶地分布高程和坝址区岩溶发育高程基本一致,因此,Ⅲ级阶地的形成对坝址区岩溶发育影响较大,坝址区的岩溶主要是在Ⅲ级阶地形成时期发育的。

3 岩溶发育程度与距岸坡距离的关系(右岸)

岩溶的发育程度主要表现在岩体的透水性方面,另外,岩体的透水性也受断层及节理的影响。根据河口村水库钻孔压水试验资料,在岩溶发育的部位岩体的透水性主要受岩溶发育程度的影响;在岩溶不发育的部位岩体的透水性主要受节理发育程度的影响。由于岩体的透水性与岩溶的发育程度密切相关,因此,岩体的透水性与距岸边的距离间接反映岩溶发育程度与距岸边的距离。

河口村水库坝址区岩溶垂直发育下限受元古界中统汝阳群(Pt2r)岩层顶面控制,水平发育深度与距岸坡距离关系较为密切。由于河口村水库坝址区右岸断层等构造不发育,地层为近水平的单斜地层,各岩组地层厚度较稳定,分布有规律;而左岸因断层、褶皱等地质构造发育,地层分布较凌乱,各岩组地层厚度变化大,且山体单薄。为研究岩溶水平发育深度,对右岸寒武系馒头组∈1m1-∈1m3各地层透水率与距岸坡距离关系进行分析。

3.1 寒武系馒头组(∈1m1+2)

因∈1m1、∈1m2位于馒头组底部,岩性也较为相似,岩层厚度较小,做压水试验时在这两层中经常跨层,故将这两层的岩体透水率与距岸坡距离合并分析,见图1。

图1 右岸馒头组∈1m1+2岩体透水性与距岸坡距离散点图Fig.1 Scatter diagram between rock permeability of steamed bread stratum∈1m1+2in right bank and the distance to bank slope

3.2 寒武系馒头组(∈1m3)

寒武系馒头组∈1m3为坝址区岩溶最为发育的地层,岩层透水性强,为工程区库水渗漏的主要通道。该层透水率与距岸坡距离关系见图2。

从图2中可以看出,右岸馒头组∈1m3岩层中强透水段(透水率>100 Lu)集中在距岸坡距离280 m范围内,在距岸坡距离100 m范围内透水率>100 Lu段较密集,说明该段内岩溶发育较强烈,在距岸坡距离280 m以上岩体透水率陡然下降到<10 Lu范围内,故可认为∈1m3岩层受岩溶影响范围为距岸坡水平距离280 m内。

图2 右岸馒头组∈1m3岩体透水性与距岸坡距离散点图Fig.2 Scatter diagram between rock permeability of steamed bread stratum∈1m3in right bank and the distance to bank slope

4 坝址区岩溶发育规律

综合上述分析,坝址区岩溶发育规律为:

(1)坝址区可溶的碳酸盐岩地层多为间层状分布在馒头组(∈1m)地层中,由于可溶的灰岩、白云岩与不可溶的页岩等互层的地层特点,从而形成了坝址区馒头组(∈1m)地层岩溶间层状发育的特征。

(2)在坝址区馒头组(∈1m)地层中,岩溶发育程度具由下至上逐渐减弱,距河岸由近及远逐渐减弱的规律。

(3)构造作用特别是断层及褶皱对岩溶发育深度影响较大,右岸馒头组∈1m3因层间滑动,褶曲发育,岩体破碎,岩溶发育;左岸因断层、褶皱及滑坡影响,岩层产状凌乱,岩溶发育。有时断层的存在超越或加深该地层一般的岩溶水平发育深度。

(4)根据探硐及压水试验资料分析,右岸馒头组地层一般岩溶水平发育深度:∈1m1+2岩溶水平发育深度距岸坡300 m,∈1m3岩溶水平发育深度距岸坡280 m。

(5)各地层岩溶水平发育深度和程度与地壳运动即河流形成历史关系密切,地壳升降运动的速度影响岩溶的发育,当地壳上升较快时,形成的岸坡地形往往较陡,河流两岸中的地下水位下降较快,地下水与可溶岩接触的时间较短,岩溶发育程度较弱,反之则岩溶发育程度较强。坝址区右上部地形较陡,岩溶发育程度较弱,下部地形较缓,岩溶发育程度较强。

5 防渗帷幕的设置[2,3]

在水工设计中,防渗帷幕的设置要综合考虑岩体的透水性、库水渗漏对水库及水工建筑物的影响、渗透稳定及经济效益等因素,在这里仅从岩溶发育规律及发育程度即岩体透水性方面确定防渗帷幕的设置。

5.1 右岸防渗帷幕的设置

右岸为一向山体内缓倾(倾角3°～10°)的基岩谷坡地形,地形较陡,山体较宽厚,岩体较完整,不存在单薄分水岭。防渗主要考虑自岸边至山体岩溶发育程度由强变弱的发育规律,防渗帷幕应垂直河岸设置。

根据右岸岩溶发育规律,强透水层集中在近岸区,且主要集中在馒头组∈1m1-∈1m3岩层中,因此帷幕的设置,也应针对于此。右岸防渗帷幕自岸边沿垂直于河岸的方向延伸,水平长度约210 m,局部可适当延伸至300 m。纵向深度,上至库水位276 m,下至不透水层高程200 m左右。

5.2 左岸防渗帷幕的设置

左岸自坝轴线向上游800～900 m山体单薄,构造发育,岩体破碎,岩溶发育,岩体透水性很强,水库蓄水后存在严重渗漏问题。因此,左岸防渗帷幕的设置应近似平行河岸。由于水工建筑物均布置在左岸,因此,左岸防渗帷幕的设置要考虑水工建筑物的影响。

左岸防渗帷幕下游接坝体防渗帷幕,帷幕向上游经过溢洪道闸室段,穿越整个单薄分水岭,长度约900 m。防渗帷幕上至库水位276 m,下至不透水层高程220 m左右,局部由于断层带的影响,岩层透水性较强,帷幕线底部高程可降低至180 m。

6 结论

河口村水库坝址区两岸分布有寒武系地层,由于可溶岩的存在及地质构造作用,在馒头组下部(∈1m1+3)岩溶较发育,这种情况在中国北方水库工程中是比较少见的。认识并了解岩溶的发育规律,对河口村水库防渗帷幕的布置及防渗效果有重要的指导作用。通过对河口村水库几十年来大量勘探及试验资料的分析研究,基本了解了河口村水库坝址区岩溶发育的基本规律,为工程的防渗设计提供了参考依据。

[1] 黄静美.岩溶地区水库渗漏问题及坝基防渗措施研究[D].成都:四川大学,2006.

[2] 路杰.黄河上游河源区羊曲坝址岩溶形成机理研究[D].成都:成都理工大学,2008.

[3] 李玉申.岩溶地区水库渗漏难题获解[N].中国国土资源报,2001.

(责任编辑:于继红)

Analysis of Karst Development Law in Dam Site Area of Hekou Reservoir

WANG Dengke,GUO Qifeng,LIANG Hong
(Yellow R iver Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

Hekou Village reservoir,located in Jiyuan city in Henan province,is a comprehensive hydro-junction project for flood control,water supply,irrigation and power generation,especially undertakes a significant task of supplyingwater forQinbei power plant of China Huaneng Group.Because the water flow ofQin River is limited,anti-seepage is important for the reservoir.It is limestone for mation distributed in both sides of dam site area,partlywith karst development;so the development law should be analyzed first for setting up the impervious curtain.

karst development laws;for mation lithology;geological structure;crustalmovement

P642.25

A

1671-1211(2010)05-0481-04

2010-07-01;改回日期:2010-09-06

王登科(1963-),男,高级工程师,水利水电工程专业,从事工程地质及水文地质方面的研究工作。E-mail:wdkyrec@163.com