构皮滩水电站泄洪隧洞区工程地质研究及洞线选择

向能武，刘春艳，谢建波

(1.长江岩土工程总公司地质公司，湖北武汉 430010;2.广东省地质局七零六地质队，广东韶关 512028)

构皮滩水电站泄洪隧洞区工程地质研究及洞线选择

向能武1，刘春艳2，谢建波1

(1.长江岩土工程总公司地质公司，湖北武汉 430010;2.广东省地质局七零六地质队，广东韶关 512028)

构皮滩水电站泄洪洞工程位于碳酸盐岩地区，通过前期大量的工程地质勘察研究，查明了工程区工程地质条件与主要地质问题。在洞线选择过程中，各建筑物最大限度地避开了主要地质缺陷，并对可能出现的问题进行了预处理。泄洪洞工程的成功实践是地质与设计有机结合的典范，对工程建设具有借鉴作用。

泄洪洞工程;岩溶;地质研究;洞线选择;构皮滩水电站

0 引言

构皮滩水电站泄洪洞为辅助泄洪工程，布置在乌江左岸，进水口采用岸塔式结构，其后为长220.6 m的圆形有压隧洞，洞径12 m;过工作闸门室后为无压隧洞，采用坡度i=0.206 3的陡槽式直坡与出口明渠段相接，无压隧洞为城门洞型，断面尺寸10 m×15 m;出口采用挑流消能型式。隧洞全长434.58 m，出口明渠及挑流鼻坎长144.7 m。隧洞进、出口底板高程分别为550 m、503.8 m，挑流鼻坎基础最低高程为485 m。

1 前期勘察成果

1.1 工程地质条件［1］

工程区地势西高东低，可分为上游峡谷段与下游宽谷段。上游为硬岩形成的“V”形峡谷，岸坡陡峻，临江峰顶高程744～930 m;下游为碎屑岩形成的宽谷区，总体为向乌江倾斜的宽缓斜坡，原始地形坡度一般为25°～36°，斜坡较顺直完整。

自上游至下游依次为P2w1－1—O1m1各层，其中石炭系、泥盆系及志留系上统缺失。P2w1－1—P1q1层主要为中厚—厚层生物碎屑灰岩，以坚硬岩为主，局部为中硬岩，P2w1－1底部为厚3～5 m 的粘土岩及0.5～1 m的透镜状劣煤层，P1m2－1底部为厚3.5～4.5 m 的Ⅲ01夹层组;P1L—O1m1层则主要为粘土岩、钙泥质粉砂岩及页岩等碎屑岩，分布于下游宽谷段。碎屑岩抗风化能力弱，强风化厚度一般为15～20 m。岩层走向29°～40°，倾向 NW，倾角 45°～55°。

断层、层间错动及裂隙为区内主要构造形迹。沿线未见规模较大的断层发育，主要为NW与NWW向中、陡倾角裂隙性断层，多由方解石胶结的角砾岩组成，沿断层局部溶蚀较强。规模较大的层间错动主要有 Fb115、Fb54、Fb81、Fb93、Fb88、Fb82、Fb112、Fb113、Fb114、Fb86、Fb91、Fb92，沿层间错动大多性状较差，风化溶蚀较强烈，其中在P1m层发育的层间错动普遍具溶蚀，局部发育有缝状溶洞，如 Fb91、Fb92、Fb82、Fb112、Fb113等。裂隙主要发育有 4 组，以走向 275°～300°、301°～330°两组为主，走向331°～350°、20°～40°两组次之，多为陡倾角，缓倾角裂隙不发育，裂隙平均线密度1～3条/m，长度一般0.8～3 m，宽度2～20 mm，以新鲜方解石充填为主，部分溶蚀夹泥。在岸坡卸荷带以及规模较大的断层、层间错动附近，裂隙发育较密集且规模较大，普遍具溶蚀。

工程区以碳酸盐类岩石为主，发育有5号、7号岩溶系统的溶洞。进口段及进口建筑物区位于P1m2－3层顶部的古侵蚀—强溶蚀带内，为5号岩溶系统主要发育部位，带内岩溶发育;在P1m1层发育有7号岩溶系统的溶洞，规模一般较小。

1.2 主要地质问题

工程区主要地质问题有岩溶、层间错动、NW与NWW向断裂、软弱夹层、强风化岩体以及谷坡岩体卸荷等。

(1)岩溶 工程区岩溶较集中发育于P1m2－3顶部的古侵蚀—强溶蚀带内、Ⅲ01夹层组及 Fb91、Fb92、Fb112、Fb113、Fb82等层间错动附近。其中进口区位于古侵蚀—强溶蚀带内，发育5号岩溶系统的分支溶洞，KD21溶洞呈竖井状，规模相对较大，其余均为规模不大的缝状溶洞;P1m1层发育7号岩溶系统的溶洞，规模一般较小。岩溶对洞室围岩、边坡及地基等的稳定均有影响。

(2)层间错动 在P1m层发育的层间错动构造岩多为角砾岩，且多具溶蚀夹泥现象，局部发育缝状溶洞，为岩溶发育的主要控制因素，其中Fb91、Fb92为5号岩溶系统主要发育部位，Fb112、Fb113、Fb114、Fb82为 7 号岩溶系统主要发育部位;在P1q层发育的层间错动多为片状构造岩，挤压揉皱强烈。层间错动对边坡与洞室稳定有一定影响。

(3)NW与NWW向断裂 NWW及NW向裂隙性断层主要发育于进出口区，多溶蚀夹泥。区内NW、NWW向裂隙约占总数的62%，大多为中、陡倾角裂隙，在隧洞进、出口段及规模较大的断层、层间错动附近，裂隙发育较密集，且规模相对较大，溶蚀强烈。NW与NWW向断裂对边坡与洞室稳定有一定影响。

(4)软弱夹层 规模相对较大的软弱夹层主要有两条，P2w1－1层底部厚3～5 m 的粘土岩及0.5～1 m的透镜状劣煤层和 P1m2－1层底部厚 3.5～4.5 m 的Ⅲ01夹层组。其中P2w1－1层底部的粘土岩与劣煤层岩质软弱，顺层挤压破碎，强风化呈土状，受粘土岩相对隔水影响，粘土岩所有附近的碳酸盐岩溶蚀一般较强，形成宽约10～20 m的强溶蚀带。Ⅲ01夹层组分布连续，呈强风化状，岩体破碎，性状较差，顶、底部泥化层多呈软塑—流塑状。此外，P1m2－1层下部及 P1m2－3层中、上部还分布有厚度不大的炭、泥质灰岩、页岩等软弱夹层，一般分布不连续。软弱夹层对边坡及洞室围岩稳定有较大影响，对进口区洞线布置有较大影响。

(5)强风化岩体 强风化岩体主要分布在软质岩段(S2h1～O1m1层)挑流鼻坎与导流洞交汇部位。粘土岩、砂页岩等抗风化能力弱，强风化岩体厚度一般15～20 m，P1L、S1L层具相对隔水性能，沿不同岩性接触带地下水活动较强，粉砂岩、粘土岩强风化深度相对较大。2号导流洞出口边坡上游侧残留有面积较大的强风化破碎岩体，在导流洞开挖过程中曾产生过垮塌，而挑流鼻坎段的开挖是在垮塌部位第二次开挖而成。强风化岩体对边坡稳定有较大影响。

(6)谷坡岩体卸荷 隧洞处于峡谷区，谷坡岩体卸荷作用明显，进、出口斜坡强卸荷带水平深(宽)度一般15～25 m，弱卸荷带可达60 m。强卸荷带岩体中裂隙发育且规模较大，溶蚀较强烈，局部卸荷裂隙密集发育，属完整性差或极差的岩体。岩体卸荷对边坡及洞室围岩的稳定均有一定影响。

2 洞线选择

为了最大限度地减少主要地质问题对工程的影响，使建筑物更适应地形地质条件，采取了多线路比较设计，综合分析地质条件、设计工况以及工程量等因素，选择最合理的洞线以及隧洞进出口位置。具体如下：

(1)采用在有压段转弯的布置型式 如果采用无压段布置型式，则应为直线布置，这样进口位置应向山里侧偏移较多，与第一级升船机的施工干扰较大，布置的范围亦有限，同时无法避开P2w1－1底部的粘土岩夹层与P1m2－3层顶部的古侵蚀—强溶蚀带。通过分析比较，设计采用了在有压段转弯的布置型式(图1)，使边坡、闸室及隧洞等建筑物完全避开P2w1－1底部的软弱夹层，同时也避免了施工干扰。下游直线洞段位于新鲜完整的灰岩中，其洞向与岩层走向近正交，减少了NW、NWW结构面与层间错动组合块体的规模与数量，对围岩稳定有利。围岩稳定性普遍较好，除进出口段及Ⅲ01夹层组稳定条件较差外，其余以基本稳定的Ⅱ类围岩为主，Ⅱ类围岩占隧洞总长的70%左右。

图1 泄洪隧洞洞线及简易地质图Fig.1 Simplified geological map of hole-line of spillway tunnel

(2)闸室地基的选择 进口闸室地基应避开岸坡强卸荷与强溶蚀带，选择完整性好、地质缺陷不发育的岩体作为闸室地基，而且尽量减少边坡开挖的工程量。该部位强溶蚀带与强卸荷带的水平深度约为40 m左右，选择了水平深度45～65 m范围内岩体作为闸室地基，能满足上述要求。挑流鼻坎地基选择应避开强风化岩体与深厚的第四系覆盖层，选择弱风化与微新风化的中硬岩作为地基，承载力能满足要求(图2)。

图2 泄洪洞出口段轴线剖面图Fig.2 Axis profile of exit section of spillway tunnel

(3)边坡设计 进口边坡设计呈喇叭口状，下游侧及正面边坡为斜交顺向坡，590 m高程以上边坡位于强卸荷带内，岩体工程地质条件较差，存在结构面组合的不稳定块体;590 m高程以下为闸室直立墙，基本挖除了强卸荷带，边坡稳定性好。进口上游侧边坡合理避开了P2w1－1底部的粘土岩及劣煤层。

挑流鼻坎内侧边坡在2号导流洞出口边坡部位第二次开挖而成，该部位边坡早在2号导流洞开挖期间就出现过变形破坏，岩体风化破碎，稳定条件较差，为了避免二次开挖影响边坡稳定，在开挖前考虑对其进行超前支护处理。

3 开挖揭示各主要建筑物工程地质条件［2］

(1)进口边坡 泄洪洞进口边坡主要由P1m2－3层厚层灰岩组成，正面坡与下游侧坡为斜交顺向坡，590 m高程以上边坡位于岸坡强卸荷带内，NW、NWW向长大裂隙较发育，并发育有Fb91、Fb92溶蚀夹泥的层间错动，岩体完整性差，溶蚀程度亦较高，边坡工程地质条件较差。共见两个规模较大的不稳定块体，均为层间错动与NW向长大结构面组合形成的，体积分别为850 m3、2 000 m3。590 m高程以下为闸室直立墙，岩体较完整，稳定条件较好。上游侧边坡为斜交逆向坡，避开了P2w1－1底部的粘土岩及劣煤层，稳定条件相对较好。

(2)进口闸室地基 进口闸室地基岩体为P1m2－3层浅灰色中—厚层微晶生物碎屑灰岩。裂隙少量发育，以长大裂隙为主，多为陡倾角裂隙，大部分具溶蚀，线密度一般0.5条/m。溶洞为塔基主要地质缺陷，沿层间错动发育一个规模较小的缝状溶洞，深度不大，地震波资料显示没有浅埋溶洞发育。地基岩体为坚硬岩，岩体较完整，工程地质条件较好。进口闸室地基选择恰到好处，如果向外侧移则遇5号岩溶系统规模较大的溶洞，如果向内侧移，则增加了边坡开挖的工作量。

(3)泄洪隧洞 泄洪隧洞全长434.58 m，穿越P1m2、P1m1、P1q层，以坚硬岩为主，Ⅲ01夹层组风化、泥化较强，性状差，为隧洞区主要地质缺陷。共揭露40个规模较小的溶洞，主要发育于Ⅲ01夹层组附近与Fb112、Fb113、Fb82层间错动带部位，以缝状溶洞为主。断裂以NW、NWW向中—陡倾角为主，共见17条，溶蚀较强;裂隙一般为新鲜方解石充填，溶蚀或局部裂隙仅15%左右，裂隙平均线密度1～3条/m。不稳定块体规模较小，多发育于边墙部位，以片状块体为主。围岩工程地质条件普遍较好，以基本稳定的Ⅱ类为主，其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩分别占全洞长的 67%、28.4%、4.6%。

(4)出口建筑物 出口洞脸边坡为P1q层灰岩组成，为逆向坡，发育有规模不大的不稳定块体，早在第一次开挖后对边坡进行了系统支护，对不稳定块体已进行了随机支护处理，边坡稳定性较好。

出口明渠段主要为软岩，开挖边坡不高，处于稳定状态，地基为微新岩体，承载力满足要求。

挑流鼻坎地基范围已挖除了强风化层，且避开了深厚的第四系覆盖层，地基岩体主要为S1sh1层灰岩夹粉砂岩、S1L层粉砂岩与粘土岩等，岩体以弱风化为主，裂隙中等发育，多短小，岩体完整性中等—较完整。地基工程地质条件较好，无大的地质缺陷，岩体承载力能满足要求。

挑流鼻坎内侧边坡岩体风化破碎，稳定条件较差，二次开挖前对其进行了超前支护处理，经处理后，边坡在开挖过程中未出现变形破坏等现象，处于稳定状态。

4 结语

(1)泄洪洞工程开挖揭示的地质条件与前期勘察成果一致，几个主要地质问题及对工程影响的分析与实际相符合，各主要地质缺陷的分布位置、规模等预测基本正确，为洞线选择与优化设计提供了可靠的地质资料。

(2)洞线选择与各建筑物布置很好地适应了地形地质条件，最大限度地避开了地质缺陷，对局部地质条件较差部位预先均有相应处理方案，如进口边坡不稳定块体、Ⅲ01夹层组与挑流鼻坎强风化岩质边坡等。在施工全过程中，没有出现较大的设计变更，地质缺陷处理的工程量小，使工期得到了保障，并节约了工程投资，这些都得益于对地质条件清晰的认识。

(3)泄洪洞成功实践说明了最优设计必须要有可靠而准确的地质勘察成果，两者只有有机结合，才能得到优秀的设计产品，最终将会大大地节省工期与投资。

［1］龚大庆.乌江构皮滩水电站泄洪洞优化设计工程地质专题报告［R］.武汉：长江岩土工程总公司(武汉)，2006.

［2］向能武.乌江构皮滩水电站下闸蓄水安全鉴定工程地质自检报告［R］.武汉：长江水利委员会长江勘测设计研究院，2008.

Geologlcal Research and Hole-line Selection of Spillway Tunnel of Goupitan Hydropower Station

XIANG Nengwu1，LIU Chunyan2，XIE Jianbo1
(1.Changjiang Geotechnical Engineering corporation，Wuhan，Hubei430010;2.706Geological Bridage，Guangdong Provincial Bureau of Geology，Shaoguang，Guangdong512028)

Spillway tunnel of Goupitan hydropower station is located in carbonate rock area.By a large number of engineering geological investigation of the early studies，the authors identify the main engineering geological conditions and geological problems in the project area.In the hole-line selection process the authors get all buildings to avoid major geological defects and pre-treat possible problems.Successful practice of spillway tunnel is a model for organic integration of geology and design，which has a reference value to engineering construction.

spillway tunnel;karst;geological research;hole-line selection;Goupiran hydropower station

P642;TV651.3

A

1671－1211(2011)04－0330－04

2011－02－18;改回日期：2011－03－02

向能武 (1970－)，男，高级工程师，工程地质与水文地质专业，从事水利水电工程地质勘察工作。E－mail：mrxnw@163.com

李 雯)