河口村水库岩溶发育特征及其对水库渗漏和防渗设计的影响

刘庆军,万伟锋,王耀军,郭其峰,王勇鑫

(黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)

河口村水库岩溶发育特征及其对水库渗漏和防渗设计的影响

刘庆军,万伟锋,王耀军,郭其峰,王勇鑫

(黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)

岩溶地区的库区渗漏问题一直是水利工程中的热点和难点问题。河口村水库库坝区水文地质条件复杂,局部发育有较大规模的溶蚀现象,在总结岩溶发育空间分布规律的基础上,分析了影响岩溶发育的因素:本区的岩溶发育的分布与地质构造形迹的强弱、距离岸坡的远近、地表和地下水的强径流区以及风化卸荷作用密切相关,在此基础上分析了岩溶发育对水库渗漏量和水库防渗的影响,为水库渗漏问题的评价和防渗设计提供了依据。

水利工程;河口村水库;岩溶;渗漏;防渗设计

0 引言

随着中国水利工程建设的迅猛发展,近年来在岩溶地区修建水库越来越多[1,2]。岩溶地质现象的存在,给工程的建设和运行带来一系列工程地质问题,其中,岩溶渗漏是制约水库、电站能否兴建的关键问题[3],正确分析和认识岩溶的发育规律和特征对水库的渗控设计具有重要的指导意义。

河口村水库位于黄河一级支流沁河最后一段峡谷出口处,下距五龙口水文站约9 km,属河南省济源市,是控制沁河洪水、径流的关键工程,也是黄河下游防洪工程体系的重要组成部分。水库工程规模为大(Ⅱ)型,设计洪水位285.43 m,正常蓄水位275.00 m,最大坝高122.5 m,总库容3.17亿m3,电站总装机11.6MW。

水库库坝区出露的寒武系馒头组下部岩层溶蚀现象较为普遍,在局部地段发育有较大规模的溶洞,该层岩组透水性较强,是构成库坝区水库渗漏的主要层位,其岩溶发育程度和规模以及分布规律直接影响着水库的渗漏评价和防渗设计。

1 地质条件概况[4]

河口村水库是一个典型的峡谷河道型水库,区域性盘谷寺断层北支从坝址下游跨过沁河(距坝轴线最近约620 m),构成了中山峡谷区与低山、盆地区的地貌分界。库坝区出露的地层由下至上有:前震旦系太古界登封群、震旦系中元古界汝阳群、古生界寒武系、奥陶系及新生界第四系。

本区展布地质构造以近东西向高角度正断层为主,局部(在坝址龟头山附近)伴有逆断层、逆掩断层及小型褶皱。断层走向以270°～300°为主。在坝址区,构造形迹强弱分区性较为明显,在坝址区余铁沟—老断沟以北,为一单斜构造区,断层与褶皱不发育,构造形迹微弱;在两沟以南至五庙坡断层间,为龟头山褶皱断裂发育区,共发育4条压性逆断层及两组褶皱束;五庙坡断层以南至盘谷寺断层北支(F1)之间,为一断层密集带区(图2、图3)。

图1 沁河河口村水库地质构造示意图Fig.1 Tectonic map of Hekoucun reservoir on Qin River

含水层组划分 库坝盘基岩为一多层状透水与隔水相间的岩体:下部为太古界登封群及元古界汝阳群的变质岩、碎屑岩,是一相对不透水岩体;中下部为寒武系馒头组∈1m1、∈1m2、∈1m3及∈1m4下部,岩性为白云岩、泥灰岩及页岩,受构造影响,发育拖曳褶皱,岩体破碎,伴生有溶洞及溶孔,为透水层;上部为寒武系馒头组上部(∈1m4上部、∈2m5、∈1m6)、毛庄组、徐庄组灰岩、页岩、砂岩互层,为相对不透水岩体;库盘顶部为张夏组∈2z(包括徐庄组∈2x4)岩溶化灰岩,溶洞发育,透水性强,为透水层(表1)。

上层含(透)水层张夏组灰岩质纯,厚度约200 m,灰岩中溶洞发育,多为大裂隙所贯通,透水性强,地表支沟多为干谷,该含水岩组由于分布高程较高,在河口村水库库尾处底板高程275 m(水库水位设计高程275 m),对水库渗漏影响不大。

图2 河口村水库坝址区构造分区简图Fig.2 Diagram of tectonic division of dam area in Hekoucun reservoir

图3 盘谷寺断层至太行山背斜轴部之间构造形迹剖面示意图Fig.3 Profile section of structural features from Pangusi fault to Taihangmountain anticline

馒头组下部构造透水层总厚度32～34 m,分布在沁河河谷两岸,底板南高北低,高程180～232 m(坝址区河床高程约170 m)。在河口村水库的坝址区该透水层底板高于地下水位,成为透水而不含水的岩体,顺河出露延伸长度5.0 km,至库区吓魂滩附近,构造透水层下降至河面,向北倾入河底。在水库蓄水后,寒武系馒头组下部构造含水岩组将成为单斜构造区库水向外渗漏的主要通道。压水试验资料表明,该层透水率算术平均值(q)为1.37～15.3 Lu,少数局部孔段为无压漏水。

2 库坝区岩溶发育规律

2.1 库区岩溶发育概况

在库区上游区,规模较大的岩溶现象主要发育在上部中寒武统张夏组下段亮晶鲕粒灰岩中,发育规模以大型的溶洞为主,分布高程330～340 m,与河流四级阶地高程相吻合,并沿构造裂隙发育。由于其分布高程皆高于库水位,与水库渗漏无关。

在水库中游区,由于可溶岩与非溶岩相间叠置,垂直渗流不畅,且岸坡山体陡峭,岩性条件和地形特征限制了岩溶的发育,岩溶不太发育。

在近坝库区,同样存在可溶岩与非可溶岩相间迭置,但由于受盘谷寺断层和太行山背斜的影响,地质构造发育:在单斜构造区主要表现为馒头组下部岩层的层间小褶皱、小断层;在龟头山主要表现为褶皱、断层交错发育;五庙坡断层以南至F1断层之间主要表现为断层的密集发育,地质构造发育的规模和程度控制或影响着岩溶发育的规模。

在坝址下游区,受五庙坡断层带和F1断层影响,断层密集发育,岩溶发育亦多沿基底面以上断层带发育,主要表现为串珠状溶孔溶隙,且连通性较好。在断层的交汇处,多表现为规模较大的溶隙。在该区其它地段,岩溶发育现象不明显。

2.2 坝址区不同构造分区的岩溶发育规律

2.2.1 单斜构造区岩溶发育的空间分布规律

(1)岩溶发育的分布与地质构造行迹的强弱相一致 在余铁沟—老断沟以北的单斜构造区,层面向北缓倾,构造形迹微弱。但在馒头组下部,受太行山背斜影响,发育一拖曳褶皱层,其轴向一般280°～300°,褶皱起伏差,一般为1～2 m。层间小逆断层常常与褶皱相伴而生,往往下部是断层,上部变为皱(褶)。在层间“皱曲”发育的地段,由于岩体较为破碎,地下水径流条件好,岩溶现象也较为发育,溶孔溶洞多发育在“皱曲”的核部或者沿小断层发育。“皱曲”越发育的地方,岩溶发育现象就越明显,岩溶发育规模亦较大。

表1 库区岩层含(透)水特征划分表Table 1 Classification of aquifer and aquiclude in Hekoucun reservoir

(2)岩溶发育与距离岸坡的远近相关 岩溶发育与距离岸坡远近的关系,侧面反映着岩溶发育与地表水、地下水活动和风化卸荷作用近岸—远岸的强弱分布关系。

根据对坝址区右岸的钻孔、平硐的溶蚀现象的统计分析,溶洞发育的密度、规模都明显与岩体距岸坡远近有关。如馒头组中发育的角砾岩,探洞中揭露的较大规模的溶洞以及钻孔中的溶蚀现象,均随着远离岸坡逐渐减弱或变得不明显,总体上在距岸坡70～80 m后随距离增加有减弱趋势。另外,根据库坝区右岸钻孔压水试验的统计资料,相同岩层的透水性,从近岸—中远岸—远岸有逐渐减弱的趋势,这也从侧面说明坝址区右岸岩层的岩溶化程度由近岸向远岸逐渐减弱。

(3)规模较大的溶蚀现象与古河道等地下水强径流区分布相一致 除受岩性与构造作用控制外,右岸馒头组岩层的较大规模的岩溶现象与古河道、河流阶地等地下水强径流区的分布也有较大关系。

目前右岸揭露的规模较大的岩溶现象主要在PD19、PD25平硐中及吓魂滩对岸峭壁上,平硐中较大规模的溶蚀现象发育的硐段基本上和古河道的分布相一致(图4)。

图4 PD19和PD25平硐和古河道分布示意图Fig.4 Distribution chart ofNo.19,No.25 adits and old channel

此外,坝址区岩溶较为发育的地段及其高程基本上处于历史Ⅲ级阶地形成的一级斜坡区及古河道下部,历史河道底高程约在240～250 m,距岩溶发育层距离约5～25 m,处于地下水径流比较强的区域,具有岩溶发育的有利条件。

2.2.2 龟头山褶皱断裂发育区岩溶发育分布

在余铁沟—老断沟以南和五庙坡断层之间的龟头山褶皱断裂发育区,该地段断层、褶皱发育,岩层产状凌乱,岩溶发育不像右岸成层性明显。下部中元古界汝阳群碎屑岩顶面高程在225～260 m,该顶面以下为非岩溶化地层。岩溶发育主要表现为馒头组下部岩层中的岩溶及龟头山古滑坡体的岩溶。整体上处于五庙坡断层以北的龟头山一级斜坡区,其发育高程和河流三级阶地相吻合。

2.2.3 断裂带密集区岩溶发育分布

该区由于属于断裂带密集区,岩溶发育主要受断层及其发育规模控制,多集中在断层及其影响带内。在断层及其影响带附近,岩溶发育主要沿原有的构造裂隙发育,岩溶现象表现多为沿断层发育的串珠状溶洞,而在该区其它断层不发育的地段岩溶现象不明显。在较大的断层或者多条断层交汇处,往往有较大的溶隙发育,其延伸方向一般与断层走向相同。

2.3 库坝区岩溶发育的控制因素分析

2.3.1 地层岩性

地层岩性是岩溶发育的基础,可溶岩的位置决定了岩溶发育的分布,可溶岩可溶性的强弱及厚度限制了岩溶发育的规模。

馒头组岩层以下为相对不透水的前震旦系地层,构成了整个区域上的地下水排泄的基底面和溶蚀基准面。同时在馒头组地层,可溶的质纯白云岩、灰岩的分布决定了馒头组中岩溶发育的层位,不可溶的泥灰岩及页岩等限制了岩溶发育的位置,形成了坝址区馒头组地层岩溶间层状发育的特征。

2.3.2 地质构造

在水库库坝区岩溶发育的诸多影响因素中,地质构造对岩溶发育起着主导控制作用。

从3.2中不同构造分区的岩溶发育规律可以看出,三个构造分区的岩溶发育均受构造作用控制明显,余铁沟—老断沟一线以北的单斜构造区,受构造作用影响较弱,上部张夏组厚层鲕状灰岩中,溶洞主要沿一组走向为NWW的高角度节理裂隙发育,下部馒头组地层中仅在坝址区层间小褶皱发育或靠近古河道的局部地段可见有较为明显的溶孔、溶洞发育;在余铁沟—老断沟一线以南地区,由于靠近太行山背斜轴部及五庙坡断层带,同时受盘谷寺断层的影响,岩溶发育受构造作用控制明显,岩溶发育程度一般高,且主要沿断层发育,尤其是在断层间的交汇地段,岩溶现象更为明显。

2.3.3 地下水活动

河口村水库库坝区岩溶发育规模受区内河流及地下水活动的影响明显,较大规模的溶蚀现象一般发育在靠近古河道、河流阶地及岸坡等河流及地下水活动强烈的区域。

在水库上游区,规模较大的溶洞主要发育在高出沁河水面70～80 m的Ⅳ级阶地附近,分布高程330～340 m。在近坝库区,岩溶发育的高程与Ⅲ级阶地高程相吻合,同时较大规模的岩溶发育与古河道的分布相一致。

2.3.4 风化卸荷作用

在坝址区分布的馒头组下部岩层,其岩性为白云岩、泥灰岩及页岩互层,强度软硬相间,近岸坡地段风化卸荷作用表现较强。根据坝址区平硐、钻孔等勘探资料以及河谷两侧的岩溶发育现象的调查,随着由岸坡向山体内侧距离的增加,岩溶发育的规模及程度都明显降低。这主要是由于随着风化、卸荷、淋滤、溶蚀等外营力作用从岸边向远岸区逐渐减弱,造成岩体的变形、破碎程度和地下水活动也相应减弱,因而坝址区岩溶的发育也具有由岸边向远岸区减弱的特点。

综上所述,库坝区的岩溶发育与地层岩性、地质构造、风化卸荷作用以及河流和地下水的活动密切相关,地层岩性是本区岩溶发育的基础,地质构造作用对本区岩溶发育起主导控制作用,而风化卸荷作用、河流阶地和古河道分布区历史时期的地下水活动影响加剧了岩溶发育的程度及规模。

3 岩溶发育对水库渗漏的影响分析

3.1 岩溶发育对水库渗漏量的影响

岩溶发育的程度和规模直接影响着该层的透水性能,进而影响着水库的渗漏量。从前述地质条件可以看出,寒武系馒头组下部岩层,受构造影响发育拖曳褶皱,岩体破碎,伴生有溶洞及溶孔,是水库与坝肩集中渗漏的通道。

表2 不同渗漏段渗漏量估算结果Table 2 Estimation results of seepage amount at different leakage sections

在余铁沟—老断沟一线以北的单斜构造区,馒头组下部岩层产状平缓,岩溶发育受构造影响相对较弱,岩溶发育主要沿层间的“皱曲”发育,在有古河道、河流阶地等地下水强径流区岩溶较为发育。由于岩溶发育的规模和程度由近岸向远岸逐渐减弱,所以渗透性较强的岩体主要分布在近岸坡地段,主要的渗漏量主要集中在近岸区。从对库坝区渗漏量的估算结果(表2),对单斜构造区右岸,近岸渗漏段的渗漏量最大,中远岸次之,远岸区最小。

在两沟以南的龟头山褶皱断裂发育区,断层、褶皱发育,岩层产状凌乱,岩溶发育不像单斜构造区成层性明显。馒头组下部岩层中的岩溶发育多呈不规则的小溶洞,局部呈蜂窝状,该层由于裂隙发育,岩溶连通性较好,同时,该区分布的古滑坡体中,岩体溶蚀架空显著,岩溶较为发育,透水性极强,为左岸水库渗漏的主要通道。此外,由于龟头山以南为断层密集带区,地下水位较低,因此,龟头山段—五庙坡断层的渗漏将是最主要的渗漏部位,从表2可以看出,左岸五庙坡—龟头山断层带的渗漏量为196 025.2 m3/d,为整个右岸渗漏量的7倍。

3.2 岩溶发育对水库防渗线布设的影响

3.2.1 左岸

左岸由于含水层的层状结构被破坏,岩溶整体上相对较发育,从而形成一整体的透水性较强的含水岩体,透水性从上而下逐渐变小。在五庙坡断层带及其以南存在断层密集带区,由于断层及其影响带本身的强透水性,防渗帷幕线应尽量避免跨越断层。

根据左岸地质条件、岩溶发育特征及岩体透水性规律分析,左岸防渗帷幕线应于五庙坡断带以北,近平行五庙坡断层向东延伸,跨过老断沟,止于单斜构造区。

3.2.2 右岸

根据前述岩溶发育规律及钻孔压水试验资料,岩溶发育和岩层的透水性总的趋势是,近岸区岩溶较发育、透水性强;远岸区岩溶发育较弱,透水性亦相对较弱。建库后,库水通过下部透水层呈承压式向下游绕渗。由于构造透水层近岸区岩溶相对较发育,为防止集中渗流,应采取有效防渗措施进行帷幕灌浆处理。远岸区因岩溶发育和透水性有普遍减弱趋势,渗漏量不大,不再进行全面帷幕防渗。

4 结论

(1)在库坝区,岩溶发育的分布与地质构造形迹的强弱相一致,其发育的规模和程度由近岸向远岸逐渐减弱,规模较大的溶蚀现象与古河道等地下水强径流区分布相一致。

(2)不同构造单元区的岩溶发育现象差异明显,余铁沟—老断沟一线以北的单斜构造区馒头组下部岩溶总体上不甚发育,岩溶发育多沿层间的小断层和“皱曲”发育;两沟以南的龟头山褶皱区,岩溶发育主要受构造作用控制,馒头组下部岩层岩溶现象程度较高;在五庙坡以南的断层密集带区,岩溶多沿断层带发育。

(3)在库坝区,地层岩性是本区岩溶发育的基础,地质构造作用对本区岩溶发育起主导控制作用,而风化卸荷作用及河流阶地和古河道等地下水活动强烈区的分布则影响和加剧了岩溶发育的程度及规模。

(4)岩溶发育对水库渗漏的影响主要体现在渗漏量和防渗措施的布设,渗漏量较大的地段主要集中在岩溶较为发育的左岸龟头山褶皱断裂发育区以及右岸近岸区;而防渗措施的选取也重点集中在岩溶较为发育和岩体透水性强的地段。

[1] 邹成杰.水利水电岩溶工程地质[M].北京:水利电力出版社,1994.

[2] 付兵.四川省武都水库坝基岩溶发育特征及其对工程影响研究[D].成都:西南交通大学,2005.

[3] 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.

[4] 刘庆军,等.沁河河口村水库工程可行性研究报告[R].郑州:黄河勘测规划设计有限公司,2009.

(责任编辑:于继红)

Karst Development Characteristics and Its Influence on the Leakage and Anti-seepage Design of Hekoucun Reservoir

LIU Qingjun,WAN Weifeng,WANG Yaojun,GUO Qifeng,WANG Yongxin
(Yellow R iver Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

Leakage problem is a hotspot and difficulty for hydraulic engineering in karst area.The hydrogeological condition of Hekoucun reservoir is complex,larger scale karst develops locally.Based on the analysis of the spatial distribution law of the karst development in this area,the influencing factors were studied.The karst distribution was closely related to the geological structure,distance to the river bank,movement of the surface water and groundwater,and the unloading and weathering of the rock.Thus the influence of the karst on the reservoir leakage was analyzed,which provided a reasonable basis for the leakage evaluation and anti-seepage design.

hydraulic engineering;Hekoucun reservoir;karst;leakage;anti-seepage design

TV223.3+3;TV139.1

A

1671-1211(2010)05-0485-05

2010-07-01

刘庆军(1969-),男,高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事水利水电工程勘察和评估工作。E-mail:liuqj@yrec.cn