黄河甘泽坡水利枢纽岩溶发育特征研究

张书光,王登科,应敬浩

(黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)

黄河甘泽坡水利枢纽岩溶发育特征研究

张书光,王登科,应敬浩

(黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)

黄河甘泽坡水利枢纽位于黄河北干流南端,工程区为石灰岩区,广泛发育有岩溶,岩溶的发育对大坝造成不良影响,因此认识岩溶的发育特征显得十分重要。通过长期的野外地质勘察及大量的野外资料分析,论述了工程区岩溶的发育特征,并总结了工程区岩溶多顺构造发育,岩体透水性具有方向性,东西强、南北弱,呈“东西成带,南北脉联”的特点,为大坝的规划与设计提供了可靠的地质依据。

水利枢纽;北干流;岩溶;发育特征

0 引言

黄河甘泽坡水利枢纽位于黄河北干流南端,以黄河为界,左岸属山西省河津市,右岸属陕西省韩城市。黄河甘泽坡水利枢纽为黄河北干流规划的梯级电站之一。甘泽坡水利枢纽最大坝高104 m,水库正常蓄水位425 m。从20世纪60年代开始至今历经原北京勘测设计院、黄河水利委员会勘测设计院等单位的多次、多阶段地质勘察工作,工程区积累了丰富的地质资料。

工程区岩性主要为奥陶系碳酸盐岩,由于受多期地质构造及地表水、地下水溶蚀等的影响,该区广泛发育有岩溶。

1 工程区工程地质概况

工程区位于鄂尔多斯台向斜的东南边缘,东接山西台背斜。以韩城断裂为界,分为两个截然不同的地质构造单元。以南为汾渭地堑,高程在380 m左右,出露第四纪松散沉积物,厚度达470 m以上;以北为基岩山地,受区域构造的控制,库坝区总体上为一走向NE10°～30°,倾向NW,倾角3°～12°的单斜构造。甘泽坡坝址处于韩城断裂以北的基岩山区。

坝址附近河谷呈“U”型谷,河道常水位380～382 m,河床覆盖层厚29～37 m,最厚达47 m,最低基岩面高程330 m。两岸谷坡较为平缓。右岸发育有Ⅱ、Ⅲ级阶地,左岸发育有Ⅳ、Ⅴ级阶地,均为基座阶地,上覆黄土和卵石层。

奥陶系灰岩顶板高程左岸约520 m,右岸约480 m。其上为石炭、二叠系砂页岩煤系地层。正常蓄水位425 m高程以下两岸依次出露的地层为:左岸岩组;右岸岩组。岩组厚60 m左右,主要岩性为灰岩与泥灰岩互层岩组厚7～10 m,岩性为灰质白云岩;岩组厚13 m左右,主要岩性为泥质白云岩夹薄层泥灰岩;岩组厚117 m左右,主要岩性为厚层块状灰质白云岩夹少量薄层泥灰岩。坝基处基岩为岩组厚约140 m,主要岩性为泥灰岩和灰岩、白云质灰岩互层。

坝址区位于单斜构造上,岩层走向45°～60°,倾向NW,倾角一般10°左右。坝址区发育有次一级断层、褶皱,以近东西向为主,断层断距<5 m。发育的节理共有四组,以东西向一组最为发育。

工程区两岸地下水位基本与黄河水位一致,左岸略高于黄河水位,地下水补给黄河水;右岸地下水位与黄河水位一致,水力联系密切,呈互补关系。

2 工程区岩溶分类[1-3]

工程区属寒武—奥陶系碳酸盐岩建造,因受多次沉积旋回的影响,岩性存在差异,又因受加里东期、燕山期和喜马拉雅山期构造的影响,岩溶发育也不同。根据区域和坝段区资料,按其发育时代,将坝段区岩溶分为古岩溶和近代岩溶。

古岩溶主要是指受加里东期(燕山期亦有影响)的影响而产生的岩溶;近代岩溶则主要受喜马拉雅山期的影响产生的岩溶。

2.1 古岩溶

中奥陶纪末—中石炭纪初,本区上升为陆地,O2灰岩暴露于地表,长期经受风化、溶蚀、侵蚀等各种营力的作用,而促成该期岩溶的发育。根据坝段区调查资料分析,古岩溶的发育有如下特征:

(2)岩溶形态多呈漏斗状及囊状,也有裂隙状。其漏斗直径一般数米至十几米,高20～30 m。如在甘泽坡坝址上游左岸甘泽坡村抽水站处,古岩溶出露于地表之外形似囊状,下大上小,底宽15～20 m,发育在中上部;右岸套沟以北冲沟中古岩溶呈圆椅形,宽5 m,高15 m。

(3)古岩溶几乎全为石炭系中统铝土页岩、山西式铁矿或石英砾岩等所充填,且结合紧密,没有发现再溶蚀破坏及漏水现象。如甘泽坡坝址右岸ZK307、ZK309钻孔中,在层内有数米厚铝土页岩、碳质页岩等充填;左岸ZK214孔岩组中下部,在高程502.39～500.18 m处充填有厚2.1 m铝土页岩。与灰岩结合紧密,压水试验过程中也未发现异常渗漏迹象。

2.2 近代岩溶

近代岩溶可分为地表岩溶和地下岩溶。

2.2.1 地表岩溶

地表岩溶的表现形式主要以溶蚀、冲蚀和溶蚀综合形成的溶洞为主。洞径多数<1 m,部分2～5 m,延伸最长约20 m。通过对野外调查资料的分析与整理,将地表岩溶发育特征列于表1、表2、表3。

表1 坝段主要地表岩溶统计表Table 1 Statistical table of karst in surface

表2 溶蚀形成的溶洞分布规律Table 2 Distribution of karst caves formed by dissolution

表3 冲蚀、溶蚀形成的溶洞分布规律Table 3 Distribution of karst caves for med by dissolution and erosion

2.2.2 地下岩溶

通过钻孔揭露,坝段内地下岩溶主要有溶孔、溶蚀裂隙和溶洞三种形态。

溶孔直径一般1～3 cm,呈残核状、蜂窝状或网格状零星分布,绝大部分溶孔中见有方解石晶簇。溶孔在分布高程上无一定规律,分布多,广而散,几乎每孔、每层都存在,一般与岩性有关。从钻孔压水试验资料来看,溶孔发育部位与岩层透水率无明显关系,故可初步判定溶孔呈单独封闭状态,与岩层透水性关系不大。

溶蚀裂隙是原生构造裂隙经含CO2的地下水进一步扩容的产物。坝段内主要发育有近EN和S W两组高角度裂隙,且分布稳定,延伸较远,因此为溶蚀裂隙的发育创造了有利条件。从钻孔资料看,几乎每层均有发育,在ZK330-ZK314孔一线的钻孔内,集中出现强透水段。因此,溶蚀裂隙是影响地下水渗流的主要因素之一。

坝段内发现有溶洞的钻孔有ZK212、ZK109、ZK330、ZK336、ZK331、ZK125号孔和ZK501、ZK504号孔,其洞径一般为0.2～0.8 m。钻进过程中,在溶洞发育部位出现不回水,强漏水,涌砂或掉钻现象,如ZK125号孔遇溶洞后抽水量为234 m3/h,距该孔6 m处的观测孔,水位下降0.3 m。

从钻孔岩心也可看出,溶洞发育部位裂隙较发育,且透水量较大,一般为强漏水,反之,透水量较小,这说明,溶洞沿裂隙或构造带发育,增加了连通性,将会产生集中渗水的现象。

3 岩溶发育特征

坝段内岩溶发育主要受岩性、构造、地下水、地表水、渗流和覆盖岩层厚度等因素影响。

此外,岩溶的分布具有一定的高程带(多层性),而这些高程带和坝段及其附近各级阶地的阶面与基座有着一定的对应关系。甘泽坡坝址区岩溶分布与阶地发育对应关系见表4。

表4 岩溶发育高程带与阶地发育对应关系表Table 4 Corresponding relation between elevation zone of karst development and terrace development

由表4可以看出,坝段岩溶发育沿一定的高程带分布,与阶地基座高程具有较好的对应关系。反映了晚近期构造运动是间歇性上升,其间也有相对稳定阶段,该期间是地下水活动的历史,亦即岩溶发育的历史。岩溶沿地下水位高程分布,由于汾渭地堑不断下沉,龙门山地相对抬升,黄河及其支流河床不断下切,地下水位随之下降,故形成了多层溶洞。而另一方面,坝段内岩层总体上来说为灰岩与泥灰岩互层,产状也并非水平(倾角10°左右),故可知,在同一高程带内,溶洞互不连通,如520～550 m高程发育带分布于左岸,右岸则无。由此可以推断,坝段内溶洞连通性较差,但沿断裂或裂隙带发育的岩溶具有较好的连通性,成为地下水集中渗水的通道。

5 结语

通过以上对工程区岩溶发育特征的研究,工程区岩溶多顺构造发育,岩体透水性具有方向性,东西强、南北弱,呈“东西成带,南北脉联”,因此,可能导致地下水集中迳流,渗流型式既有裂隙式片流,又有集中管道流。对于近坝库区右岸管道性集中漏水段建议选择堵、截的防渗方案;坝肩、坝基部位裂隙式渗漏可采取灌浆帷幕的防渗处理方式。水库正常蓄水位以下奥陶系灰岩中存在三层相对隔水层,在进行防渗处理时,可将其视为不透水边界,充分利用其隔水性能。

[1] 成建民,等.华北地区岩溶发育阶段划分刍议[J].河北煤炭,1986(2):30-32.

[2] 张瑞成,田级生.古环境对河北古岩溶发育的影响[J].江苏地质,2007(3):213-221.

[3] 刘国林,周文国.华北型煤田岩溶陷落柱发育规律及其对煤矿安全影响的研究[J].华北科技学院学报,2001(4):29-32.

(责任编辑:于继红)

Study on the Characteristics of Karst Development in Ganzepo Hydro-junction of Yellow River

ZHANG Shuguang,WANGDengke,Y ING Jinghao
(Yellow River Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

The Ganzepo hydro-junction is located in the southern tip of north main stream of Yellow River,in the limestone region,with the feature of karst developed widely,which has harmful effects to the layout of the dam,so the study on the characteristics of karst development is very important.Based on long-ter m geological investigation in field and data analysis,the characteristics have been found out.It comes to the conclusions that the karstmainly develops along geological structure and the per meability of the rock has a certain direction,with the feature ofmore strongly in west-east direction than north-south,which provided a reasonable basis for the planning and designing of the dam.

Ganzepo hydro-junction;north main stream;karst;characteristics of karst development

P642.25;TV61

A

1671-1211(2010)05-0490-03

2010-07-01;改回日期:2010-07-31

张书光(1969-),男,高级工程师,工程地质专业,从事工程地质与水文地质勘察工作。E-mail:zsg565@sohu.com