牛栏江干河地下泵站建设中的岩溶问题

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(1.云南省牛栏江-滇池补水工程 建设指挥部，昆明 650051； 2.云南农业大学 水利学院，昆明 650201；3.云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 650021)

1 工程概况

牛栏江-滇池补水工程是滇池流域水环境综合治理6大工程措施的关键性工程，该工程位于云南省曲靖市和昆明市境内，主要由库容4.5亿m3的德泽水库水源工程、大型地下泵站提水工程及总长为115.85 km的输水线路工程3大部分组成。其中大型地下泵站——干河泵站是提水工程中的关键建筑物，设计采用一级提水，最大设计扬程为233 m，安装4台机组，单机功率22.5 MW，总装机90 MW，总提水流量23 m3/s。泵站位于牛栏江一级支流干河上游的德泽水库库区干河村附近，最大埋深约150 m，泵址为纯碳酸盐岩区，泵址区出露地层岩性为纯碳酸岩盐，岩溶发育强烈。工程建筑物除副厂房外均布置于地下，主厂房地下洞室群布置于干河右岸山体内，主要由主厂房，球阀室，进、出水洞室，主、副交通洞，工作竖井，1，2，3层灌浆排水廊道，5条施工支洞及相关竖井等组成[1]。主厂房洞室长69.25 m，宽20.2 m，高39.15 m，洞室顶高程1 756 m，底板高程1 717 m，集水井底部高程1 707 m，埋深约150 m[2]，位于地下水位以下，低于库水位34～83 m。干河泵站主厂房地下洞室群平面布置如图1所示。由于没有可比选的其它位置，建设场址地处岩溶发育区，地下洞室群中各洞室密集交叉，主厂房埋深大、跨度长，岩溶发育且处在地下水位以下，建设环境、建设条件极差。前人在地下主厂房洞室开挖施工及主厂房防渗排水体系设计方面都作了研究，但未结合泵址出露的特殊岩溶地质特征进行系统性分析，因此，通过研究该区域的岩溶发育特征及规律，针对岩溶问题制定科学的设计、施工及建设管理方案显得极其重要。通过本工程的研究实践，为在大面积岩溶区处理类似岩溶问题提供有益例证。

图1 干河泵站主厂房地下洞室群平面布置

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

干河泵站泵址属岩溶峡谷地貌，地势整体西高东低。干河河道呈自北向南突出的不规则半圆弧形延伸汇入牛栏江，河谷呈“U”形，两岸断续分布有Ⅰ级阶地，河床高程约1 770 m，谷坡陡峭，地形坡度40°～70°，两岸临干河山顶高程1 926～2 032 m，相对高差约300 m。地下主厂房距离干河河床约140 m。

2.2 地层岩性及地质构造

泵址及牛栏江两岸出露地层为二叠系下统阳新组(P1y)，岩性为浅灰-深灰色厚层状灰岩、白云质灰岩，弱至微风化，地表基岩裸露，岩溶发育强烈，多呈陡崖、溶蚀斜坡或石芽陡坡出露。泵址以西约2 km大塘子村附近为SN向展布的小江断裂一级分支鲁冲-车乌压扭性断裂，区内发育白石岩-小河水复式向斜，轴向近N30°E，距泵站地下主厂房约950 m。主厂房山体位于白石岩-小河水向斜西翼，岩层总体倾向NE，产状N87°W，NE∠16°，呈单斜产出，岩层中有次级小褶曲发育，产状局部有变化，详情见图1及图2。

图2 干河泵站区域地质平面图

2.3 岩溶水文地质条件

干河及泵址区一带牛栏江两岸岩溶较强，透水性大，地下水类型为岩溶水，分布及贮存受岩溶发育控制。牛栏江河床高程约1 720 m，泵址区山顶夷平面高程约2 000 m，泵址区地下水位高程约1 760 m，略低于干河河水位，地表水与地下水循环带高程为1 720～2 000 m。尤其在干河南部的白石岩村一带，沿NE方向分布有几十个小型岩溶洼地，出露高程约2 040 m，每个洼地均为典型的岩溶漏斗，成为洪水入渗地下的主要通道，牛栏江与白石岩村高差约300 m，白石岩村以西的鲁冲-车乌断裂透水性微弱形成隔水带，入渗的地表水及地下水大部分向北部干河和牛栏江排泄，泵站厂房区下游伏流FL1即接受海嘎村、白石岩村一带的地下水补给，泵站地下主厂房洞室群岩溶水文地质条件受此控制。地下水主要接受大气降水补给，补给区位于南部的白石岩村-大塘子村一带灰岩山区。干河为区内悬托型河流，牛栏江为区内最低排泄基准面。

3 岩溶发育特征及规律

3.1 区域岩溶及泵址岩溶特征

牛栏江-滇池补水工程位于滇东高原，处于中山山地岩溶区之高原岩溶亚区，地面高程1 500～3 200 m。区域岩溶发育经历了古岩溶发育期和新岩溶发育期。古岩溶残留在高程3 000 m以上的峰顶面，大多为后期沉积物充填，对工程建筑无影响。对工程建筑有影响的为第三纪以来的新岩溶发育期，区域岩溶显示，早第三纪初至晚第三纪初为新岩溶发育的“师山期”，晚第三纪末至早更新世为“昭鲁期”，第四纪以来为“金沙江期”。“师山期”岩溶发育高程在2 000～3 000 m，岩溶发育强烈，岩溶形态主要为丘峰溶原、峰丛洼地；“昭鲁期”岩溶发育高程在1 500～2 100 m，岩溶形态以岩溶盆地为主，在盆地边缘斜坡地带及河谷两岸，溶洞和岩溶大泉广泛分布；“金沙江期”岩溶发育高程在1 500 m以下，由于地壳上升速度较快，河谷地带岩溶发育，其他地区相对较弱。泵站工程分布高程为1 700～2 000 m，属区域“昭鲁期”岩溶控制区。

干河泵站出露P1y阳新组纯碳酸盐岩组，由厚层状灰岩、白云质灰岩组成该区岩溶物质基础，河谷深切，相对高差较大，地表岩溶发育主要表现为溶洞、落水洞、溶沟、溶槽，山顶多见落水洞，泵址区地表发育较大水平溶洞4个，落水洞3个，口径大于2 m，最大见8 m，伏流2个。溶沟、溶槽形态长短不一，宽一般0.5～2.0 m，可见深度一般0.5～2.0 m，多为红色砂质黏土、碎石充填或半充填。干河两岸1 780～1 792 m一线水平溶洞较发育，主要沿层面发育，干河在泵站上游1 km处形成约700 m长天生桥伏流，见图1，图2。为查明深部岩溶特征，在主厂房地下洞室群山体布置了相关勘探，并做了物探穿透剖面，对工程部位深部岩溶发育情况作了研究，见图1[3]。

勘探结果显示，泵址区高程1 760 m以上有大规模岩溶管道、溶洞发育，结构面溶蚀风化强烈，岩体完整性较差，属强烈溶蚀风化带；1 695～1 760 m位于地下水位以下，地下水深部循环差，岩溶发育次之，多沿结构面溶蚀风化，溶隙普遍夹泥，属裂隙性溶蚀风化带；1 695 m以下低于区域最低排泄基准面牛栏江约35 m，地下水循环微弱，岩溶弱发育，属微新岩体。

伏流FL1对干河泵站地下洞室群设计有重大影响，为季节性伏流，雨季出流量约4 m3/s，出口位于地下主厂房南端约130 m，高程约1 773.2 m，进口位于海嘎刺蓬河伏流入口，走向近EW，枯季流量0.02～0.03 m3/s。在BZK23,BZK24及BZK25钻孔之间进行的电磁波CT剖面测试显示：高程1 765～1 790 m内岩溶发育，与BZK24钻孔内岩溶发育区高程一致，伏流发育于BZK24钻孔附近，底板高程约1 765 m，延伸后未从地下厂房穿过，距离地下主厂房西南角最近距离约45 m，但地下厂房4#，5#施工支洞与FL1伏流斜交无法避开，见图1。

图3 钻孔地震波CT色谱

受伏流FL1影响，厂房西南端BZK6，BZK15，BZK18，BZK22钻孔中岩溶发育较深，1 700 m高程附近局部有溶洞发育，BZK18钻孔内高程1 721.57～1 768.79 m段压水试验不起压，为强透水区。在BZK17，BZK18钻孔间进行的地震波CT剖面成果表明，BZK18钻孔附近高程1 703～1 710 m，1 714～1 722 m属岩溶发育区及强透水区，见图3(图中孔深标注以BZK18钻孔孔口为0 m起算)。因此，厂房西南端与主交通洞连接段存在岩溶低槽区，高程1 700 m以上为强岩溶带，1 675～1 700 m为弱岩溶带，1 675 m以下为微岩溶带。

3.2 泵址岩溶发育规律

通过上述分析，干河泵站泵址区岩溶发育规律如下：

(1) 干河泵站区岩溶发育在垂直方向上按高程可分为3层。①强岩溶带：分布高程1 760 m以上，高于地下水位，有大规模岩溶管道、溶洞、溶隙及伏流发育，结构面溶蚀风化强烈，岩体完整性较差；②弱岩溶带：分布高程1 695～1 760 m，位于地下水位以下，地下水深部循环差，岩溶形态以溶隙、溶孔、小溶洞为主，沿结构面多有溶蚀风化，溶隙普遍夹泥；③微岩溶带：分布高程1 695 m以下，已低于区域最低排泄基准面牛栏江约35 m，岩溶弱发育，属微新岩体。

(2) 伏流FL1发育于主厂房西南端，走向近EW，距拟建地下主厂房西南角约45 m(见图1)，未从地下厂房洞室穿过，但地下厂房4#或5#施工支洞与FL1伏流斜交无法避开。

(3) 受FL1伏流发育影响，地下主厂房西南端与主交通洞连接段强岩溶带发育变深，存在岩溶低槽带，该低槽带高程1 700 m以上为强岩溶带，1 675～1 700 m为弱岩溶带，1 675 m以下为微岩溶带。

4 应用与验证

根据泵址区岩溶发育规律和泵站地下主厂房洞室群深部的岩溶发育特征，在干河地下泵站建设管理中采取的主要措施有：

图4 主厂房轴线剖面示意

(1) 大跨度地下主厂房在设计时将其布置在弱岩溶带内，避开了强岩溶区、FL1伏流及西南端的强岩溶低槽带，为主厂房洞室顺利安全开挖打下了坚实基础，参见图4。在后期施工开挖过程中，主厂房洞室除在西端起点桩号0+014 m附近段岩体相对破碎外，其余段揭露的围岩相对完整，整体以Ⅲ类为主，围岩中未遇较大岩溶管道或岩溶洞穴，主厂房安全顺利地按工期计划完成了开挖支护。

(2) 在地下洞室群施工中发挥了超前指导作用。如在地下主厂房4#施工支洞开挖过程中，于0+097.2～0+120 m桩号段按预计遇到伏流FL1管道，采取了针对性工程处理措施；在主交通洞进入主厂房西端岩溶低槽带，遇约30 m长夹泥强溶蚀破碎带时，采用ø108 mm注浆大管棚进行了超前支护等，为顺利完成洞室开挖奠定了坚实基础。

(3) 在建设泵站地下主厂房防渗体系时，将微岩溶带高程1 695 m以下10～20 m确定为地下泵站主厂房防渗帷幕设计底界[4]，保证了防渗底界的安全可靠。

(4) 依据岩溶发育特征及规律，结合工程部位布置了安全监测设备，为后期永久地下洞室安全监测重点地段指明了方向。

泵站工程于2010年1月10进场施工，2011年9月30日地下洞室群开挖完成，2013年9月25日泵组投入运行。目前，德泽水库库水位已达正常蓄水位1 790 m，主厂房土建施工完成已近2 a，开挖期及运行期间各洞室监测数据显示主洞室群稳定性及地下防渗帷幕体系效果良好。

5 结 论

根据泵址的岩溶发育特征及规律,考虑主厂房地下洞室群之间的施工，采用了科学合理的施工方案、施工措施，历时1 a的顺利完成开挖，并得到以下主要结论：

(1) 干河地下泵站泵址区岩溶发育1 760 m高程以上为强岩溶带；1 695～1 760 m高程为弱岩溶带；1 695 m高程以下为微岩溶带。受FL1伏流发育影响，地下主厂房西南端与主交通洞连接段存在岩溶低槽带，高程1 700 m以上为强岩溶带，1 675～1 700 m为弱岩溶带，1 675 m以下为微岩溶带。

(2) 设计阶段通过布置勘探斜井、必要的钻探、有效的物探等措施查明泵址区岩溶发育特征、规律及地下厂房的基本地质条件，认真分析、合理选址，使大跨度地下主厂房避开了强溶蚀带及破碎带，在开挖过程中未遇较大管道及岩溶洞穴，揭露的围岩相对完整，为安全顺利完成主厂房开挖奠定了坚实基础。

(3) 在地下洞室群开挖过程中依据岩溶发育特征对不良地质洞段进行了超前支护，是洞室安全顺利完成开挖的重要保证。

(4) 确定微岩溶带作为主厂房防渗帷幕底界是正确可靠的，目前在水库正常蓄水位条件下帷幕防渗效果良好。

(5) 在查明深部岩溶特征基础上，为工程后续运行明确了安全监测重点地段。说明地下工程在岩溶区运用岩溶发育特征及规律指导建设、设计、施工及监测等是可靠的、必要的，是工程后续科学可靠运行坚实的技术基础。

(6) 根据牛栏江干河地下泵站的岩溶发育特征及规律，在建设中采取相应措施，有效控制了工期、投资，保障了工程的质量安全，对类似地质条件下的工程项目有很好的借鉴和参考价值，是牛栏江-滇池补水工程建设的最主要亮点之一。

参考文献：

[1] 李明华，尹 浩. 干河泵站工程地下厂房开挖施工[J]. 云南水力发电，2013，29(3)：38-40. (LI Ming-hua，YIN Hao. Excavation of the Underground Powerhouse for Ganhe River Pumping Station Project [J]. Yunnan Water Power，2013，29(3)：38-40. (in Chinese))

[2] 章 魏，刘俊华. 干河泵站地下厂房谐向应分析[J]. 人民长江，2013，44(12)：21-23. (ZHANG Wei，LIU Jun-hua. Harmonious Respond Analysis for Ganhe River Pumping Station Underground Power Plant[J]. Yangtze River，2013，44(12)：21-23. (in Chinese))

[3] 陈 绩，陈兴聪. 牛栏江-滇池补水工程初步设计报告[R]. 昆明：云南省水利水电勘测设计研究院，2010.(CHEN Ji，CHEN Xing-cong. Preliminary Design Report for the Water Replenishing Project of Niulan River and Dianchi Lake [R]. Kunming: Yunnan Provincial Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Research Institute，2010. (in Chinese))

[4] 梅 伟. 干河泵站地下厂房防渗排水体系设计[J]. 人民长江，2013，44(12)：24-26.(MEI Wei. Seepage Control and Drainage System Design for Ganhe River Pumping Station’s Underground Powerhouse [J]. Yangtze River，2013，44(12)：24-26. (in Chinese))