构皮滩水电站坝址地下岩溶施工期预测预报探测技术

邓争荣，向能武，尹春明，何永刚，吴树良

(1．长江岩土工程总公司(武汉)，湖北武汉 430010;2．中国三峡集团中水电国际投资有限公司，北京 100033)

1 工程背景

构皮滩水电站位于贵州省余庆县境内，是乌江水电基地规划中最大的Ⅰ等大(1)型水利水电枢纽，是国家“十五”期间开工建设的重点工程和西电东送骨干电源。工程开发任务以发电为主，并具有航运、防洪等综合效益。水电站控制流域面积43 250 km2，占全流域面积的49．2%;大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高230．5 m，是目前国内复杂岩溶地区已建成的最高双曲拱坝;电站装机容量3 000 MW，多年平均发电量96．82×108kW·h;水库总库容 64．51 ×108m3，具有年调节性能。工程于2001年开始筹建，2004年11月截流，2008年12月工程蓄水验收，2009年初开始蓄水，2009年12月五台机组全部投产，2012年5月完成了工程竣工安全鉴定，2013年5月完成了水电站大坝安全注册登记，至今已安全运行近6年，经济效益和社会效益巨大。

水电站坝址区河谷狭窄，岩溶水文地质与工程地质条件复杂，分布奥陶系—二叠系地层，石炭系、泥盆系、志留系上统及奥陶系上统缺失，其中二叠系地层岩性以灰岩为主，志留系、奥陶系地层岩性以粘土岩、砂岩、页岩为主，岩性种类多。构造形迹主要有断层、层间错动、裂隙，均属断裂构造。坝址区岩溶发育强烈且复杂，岩溶形态多样，在长约500 m的筑坝河段两岸发育5个规模较大的岩溶系统，且存在多层多期岩溶管道或溶洞，深岩溶亦较发育。坝址河谷岸坡地形陡峻，谷坡岩体卸荷带发育。岩溶、断层、层间错动、软弱层带、谷坡岩体卸荷等地质问题对拱坝变形与抗滑稳定、洞室成洞条件及围岩稳定、坝基岩溶渗漏、工程边坡稳定等产生较大影响。

2 坝址区岩溶地质

水电站坝址区岩溶地质问题是主要地质问题之一［1］，也是最突出的地质问题。坝址区以二叠系等灰岩为主，灰岩属可溶岩碳酸盐岩类，可溶性较强，致使坝址区岩溶发育强烈且复杂。坝址区碳酸盐岩分布面积占总面积的70%以上，为岩溶作用提供了物质基础。各可溶岩组的岩溶发育程度、规模以及分布等，均与各自的地质环境和水动力条件密切相关。

2．1 岩溶形态

坝址区发育的岩溶以地下岩溶为主，主要的岩溶形态有:溶洞、暗河及岩溶泉、竖井(斜井)、溶缝及地表溶沟、溶槽等。

2．2 影响岩溶发育的因素

影响坝址区岩溶发育的主要因素是地层岩性、地质构造、地下水活动三个方面。地层岩性是岩溶发育的物质条件，对岩溶发育具有决定作用，可溶岩岩性越纯、易溶蚀成分含量越高就越易溶蚀;地质构造对地下水的入渗和循环运动的途径、方向起着明显的诱导作用，从而控制岩溶发育的方向和格局;地下水的运动方式和集中程度也会影响到岩溶发育［2］。

2．3 岩溶发育的特点

(1)岩溶以顺层发育为主。坝址区河谷为横向谷，且层间错动发育，决定了岩溶发育的方向以顺岩层走向为主，NW、NWW向断裂仅局部改变岩溶发育的方向。古侵蚀—强溶蚀带、层间错动以及不同岩性接触带为岩溶发育的主要部位，多具顺层发育特点。

(2)右岸岩溶比左岸发育。右岸处于中寨向斜的翘起端，横张断裂较左岸发育，且有岩溶干谷拦截地表水流，有利于降雨入渗和地下水渗流，因而其岩溶比左岸发育。主要表现为右岸岩溶系统较左岸相应层位的岩溶系统的规模大，溶洞数量亦较左岸多。

(3)溶洞发育具成层性。大型水平溶洞主要分布在高程430～445 m、460～480 m、500～515 m，与河床高漫滩、Ⅰ级阶地、Ⅱ级阶地相对应，各层水平溶洞间多以竖井、斜井及溶缝等相连通。

(4)深岩溶发育。坝址区处于乌江深切峡谷部位，补给区与排泄区的高差达400 m以上，地下水存在较大的势差，有利于地下水沿断裂向深部循环，形成深岩溶。深岩溶在两岸及河床部位均有发育，但主要发育于近岸地带及河床靠岸边部位。在河床高程以下50 m的范围内溶洞分布相对较多，约占揭露深岩溶总数的55．9%，其余溶洞则主要分布于河床以下50～110 m区间内，揭露深岩溶发育的最低高程为201．9 m，低于河床高程近210 m。在平面分布上，右岸深岩溶较左岸发育，其中W24岩溶系统在距离岸边近500 m左右发育虹吸式主管道及分支溶洞，分布于高程370～410 m段，低于河床高程近40 m，是右岸主要的深岩溶。

2．4 岩溶分布特征

2．4．1 岩溶的平面分布特征

(1)分带性。坝址区的岩溶洞穴，多沿一定的层位和断裂发育，在平面上具有带状分布的特点:①沿不同的岩性接触带成带状分布;②沿断裂成带状分布;③沿一定的层位顺层成带状分布。

(2)分区性。岩溶平面分布的分区性表现在两个方面:①两岸岩溶比河床发育;②右岸岩溶比左岸发育。

2．4．2 岩溶的垂向分布特征

(1)随深度增加而岩溶逐渐减弱。钻孔资料表明，近地表孔段，溶孔、溶蚀裂隙较发育，随孔深的增加，岩芯的溶蚀程度逐渐减弱。钻孔中揭露的溶洞，亦主要分布在近地表的饱气带中，而枯水期地下水位以下岩体中，溶洞分布较少。就孔深而言，溶洞主要分布在孔深180 m以上，该深度以下，溶洞分布相对较少。

(2)垂向成层分布。坝址区自第四纪更新世以来，地壳间歇性较强烈上升，随之乌江间歇性强烈下切，从而引起岩溶地下水垂直动力分带的相应变化，以及在岩溶的垂向分布上呈现出以水平溶洞为主的强岩溶带与以垂直型岩溶管道为代表的弱岩溶带相间分布的特点。

2．5 岩溶系统

坝址区各可溶岩组在岩溶发育过程中，由于受到隔水岩组和相对隔水岩组的阻隔，形成了具有各自汇水面积和岩溶通道的独立的岩溶网络系统——岩溶系统。根据岩溶洞穴的分布、地下水位动态和连通试验［3］资料等综合分析，坝址区在P2w1和P1m层灰岩中存在 5、6、7、8 号四个岩溶系统，在 P1q4、O2sh+b、O1m2层灰岩中分别存在W24、W2、W3、W4岩溶系统。

2．6 岩溶发育的强烈程度与复杂性

(1)岩溶发育的强烈程度。坝址区岩溶总体发育强烈，在长约500 m的筑坝河段两岸发育5个规模较大的岩溶系统。地表除溶沟、溶槽以及溶洞外，在两岸第一岸坡以外，落水洞与岩溶漏斗发育，局部呈串珠状。勘探平洞、钻孔、施工开挖共揭露溶洞数量分别为206个、355个、652个，坝址区所有碳酸盐岩地层中均有溶洞分布。除 5号、6号、W24、W2、W3、W4 岩溶系统发育管道状溶洞外，其余多为分支溶洞，通过溶缝、溶隙等与主管道或本系统的其它溶洞相连通。坝址区8个岩溶系统管道状溶洞及分支溶洞分布见图1。除岩溶洞穴外，沿断层、裂隙、层间错动及层面等结构面溶蚀夹泥现象极为普遍，夹泥宽度一般0．01～0．2 m，两岸溶蚀夹泥的断层与裂隙约占总数的30．6%，岸坡卸荷带内岩溶化程度更高，Fb91、Fb92、Fb86、Fb112、Fb113等层间错动具连续夹泥现象。

(2)岩溶发育的复杂性。①岩溶形态多样:坝址区岩溶形态多样，地表有溶沟、溶槽，地下有溶洞、溶缝、溶隙，溶洞有水平巷道状、厅堂状、斜井(或竖井)状。溶洞充填状况具多样性，有全充填、半充填以及溶蚀空洞，充填物以粘土夹碎块石为主，部分为粉细砂与砂砾石，有杂乱无章的充填，也有具层理的有序堆积充填;沿层面及构造溶蚀夹泥的程度各异，除夹泥的厚度有别外，夹泥的连续性也存在差别。②岩溶空间展布错综复杂:岩溶在垂向上具成层性，主要岩溶系统往往发育多层溶洞，最下一层多为过水管道，有水平状，亦有高差达100 m的虹吸式管道。在同一平面上受NW、NWW向断裂影响，岩溶发育的方向具不确定性，且分支管道发育。③各岩溶系统活跃性不同:有正处于活跃期的5号、6号岩溶系统，亦有已近衰退的7号、8号岩溶系统以及处于衰退阶段的W24岩溶系统。其地下水出露形式主要有暗河与岩溶裂隙泉，出口在枯水位附近，低于枯水位以及高于枯水位均有出现。④带来多种复杂的工程地质问题:岩溶破坏了岩体的完整性，降低了岩体强度，对边坡、洞室、地基稳定以及岩溶防渗等均有较大影响，存在大坝变形与抗滑稳定、大型地下洞室围岩稳定及岩溶涌水突泥、工程边坡稳定、高水头的岩溶防渗等诸多工程地质问题。

图1 坝址区岩溶系统管道及分支溶洞分布图

2．7 岩溶地质问题对工程的影响

(1)对大坝稳定的影响。大坝拱座岩体中溶蚀严重的NW及NWW向陡倾角断裂较发育，其走向与岸坡呈小锐角相交，左岸锐角指向上游，右岸锐角指向下游，起着侧向切割拱座岩体的作用，是影响大坝抗滑稳定的主要侧向软弱结构面，对拱座岩体抗滑稳定不利。大坝坝基岩体发育的岩溶洞穴、溶蚀断裂及溶蚀的软弱夹层是影响其变形稳定的主要因素之一，其中溶蚀断裂及沿层间错动发育的岩溶洞穴是主要的控制因素。

(2)对地下洞室围岩稳定的影响。左岸导流洞穿越5号、7号、W3岩溶系统，左岸泄洪洞穿越5号、7号岩溶系统，右岸导流洞穿越6号、8号、W2岩溶系统，地下厂房系统三大洞室穿越W24、8号岩溶系统，遇到规模较大的溶洞，顶拱部位易产生坍塌及溶洞充填物涌突现象，地下厂房系统洞室穿越的W24岩溶系统尚存在季节性涌水，影响洞室的成形和围岩稳定及施工顺利。

(3)对工程边坡稳定的影响。溶蚀的NW、NWW向断裂与岸坡近于平行，在岸坡卸荷带内一般多具一定开度，粘土或粘土夹碎石充填，构成不稳定体或潜在不稳定体的切割面，以及强溶蚀带在开挖边坡的坡面出露等，对工程边坡稳定不利。

(4)对防渗的影响。防渗帷幕线路穿越6、7、8号以及W24岩溶系统，遇到岩溶系统的分支管道;沿溶蚀的NW、NWW向断裂，形成局部的强透水带，均是线路上的重大渗漏通道，加大了防渗工作的难度及防渗工程量。

3 施工期地下岩溶预测预报探测技术

前期勘察论证充分采用多方法、多手段，查明了坝址区岩溶发育的地质条件和发育规律，尤其是重点查明了岩溶系统及其暗河管道发育的分布、特征及与建筑物的空间关系，为工程主要建筑物减少或避免岩溶地质问题的影响，选择了最合适或最佳的位置。但施工期主体工程针对施工安全技术及施工方案，单个的具体部位对未知地下岩溶须进一步明确其发育情况，必要时在施工过程中采用“边施工，边探测”的岩溶预测预报技术［4-5］，准确判明复杂未知地下岩溶发育分布、特征等情况。施工中结合工程实际，采用了多种切实可行的岩溶预测预报探测技术:①地质雷达探测;②钻孔CT物探探测;③超前钻孔探测;④导洞探测;⑤通道追索探测;⑥地质探测及综合分析。

3．1 地质雷达探测

地质雷达是利用高频电磁波(主频为数十、数百乃至数千MHz)以宽频带短脉冲的形式，由地面通过发射天线向地下发射，当它遇到地下地质体或介质分界面时发生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天线接收并由主机记录下来，形成雷达剖面图。

由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，即波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构特征。适用探测深度一般在15 m以内较为准确。

图2 典型地质雷达探测成果剖面图

在地下厂房大型地下洞室群开挖过程中，为进一步查明W24岩溶系统主管道发育特征，及其与主体建筑物的关系。在主厂房Ⅰ层、Ⅱ层、主变洞及主厂房1#机窝等开挖部位采用了地质雷达探测技术，为施工提供了准确的指导性资料。典型的地质雷达探测成果见剖面图2、表1。

表1 地下厂房洞室群典型地质雷达探测成果表

图3 3#施工支洞及1#-3#引水洞下平段区域CT物探钻孔布置图

3．2 钻孔CT物探探测

CT物探探测原理为:完整岩体对电磁波表现为低吸收，当岩体中存在断层破碎带、软弱夹层、岩溶洞穴时，电磁波响应会因其影响程度不同而发生相应变化，即对电磁波的吸收会增高，利用电磁波吸收系数β的变化，并结合地质情况即可推断解释岩溶分布及发育特征等。CT物探适用于30～50 m深的岩层中探测。

在地下厂房大型地下洞室群开挖过程中，为进一步查明W24岩溶系统主管道发育特征，及其与主体建筑物的关系。在3#施工支洞及1#-3#引水洞下平段区域、D52勘探平洞、主变室及进厂交通洞等区域实施了钻孔CT物探，探明了W24岩溶系统的发育以及对灌浆帷幕线的影响情况，为工程处理方案的优化制定提供了有效的依据。典型的CT物探钻孔布置见图3，典型成果见剖面图4、表2。

图4 3#施工支洞及1#-3#引水洞下平段区域电磁波CT吸收系数β成果剖面图

表2 3#施工支洞及1#-3#引水洞下平段区域CT物探成果表

3．3 超前钻孔探测

在地下厂房大型地下洞室群主厂房洞室开挖过程中，充分结合利用各种钻孔如爆破孔、锚索孔、预应力锚杆孔造孔过程中的异常情况进行超前探测，探明开挖掌子面附近区域遇到的W24岩溶系统管道溶洞发育状况;对于深层的岩溶管道，则在开挖过程中针对性布置超前勘探孔进行进一步探明。典型的超前钻孔探测成果见表3。

表3 典型超前钻孔探测成果表

3．4 导洞探测

主体工程洞室均采用导洞开挖方式，对各导洞尤其是主厂房、主变室及尾水调压室顶层导洞开挖揭露的地质情况，进行跟踪巡视，高度重视其揭示发育的溶蚀夹泥、岩溶洞穴、岩溶渗滴水等地质现象，并结合所处部位地质环境予以分析判断，预测预报相应洞段岩溶管道发育情况。

3．5 通道追索探测

在开挖施工过程中，揭露的部分岩溶管道存在断面狭小及发育情况不明朗现象，为了不影响主体工程洞室的正常施工及保证围岩稳定，采取了对断面狭小溶洞进行扩挖或增设施工支洞对发育情况不明朗的溶洞进行追索探测。如在调压室Ⅲ层开挖时对上游桩号Xcf0+115溶洞进行了扩挖追索，在上层排水1#廊道增加两条处理通道对主厂房上游桩号Xcf0+185溶洞上部情况进行探测追索、处理。在地下厂房大型地下洞室群中专设的主要岩溶处理通道达12条，总长达729．35 m。通道追索特性见表4。

3．6 地质探测及综合分析

地质探测及综合分析主要手段如下:①地质工程师根据岩层产状及岩层厚度等地质资料，结合地质测量数据和实地素描测绘，利用计算机三维空间模拟分析技术，绘制岩溶系统三维立体图与建筑物之间的空间关系进行分析推断;②对已揭露的溶洞进行分析，推测岩溶管道的发育情况，预测岩溶管道在其它部位的出露情况;③通过岩溶管道来水特性、充填物变化特性，推断岩溶管道的连通情况。

表4 地下厂房大型地下洞室群岩溶处理通道追索特性表

主体工程地下洞室，尤其是在地下厂房大型地下洞室群开挖过程中，采用此种探测方式，通过及时优化调整施工支洞的线路布置，有效避开W24岩溶系统的主管道;选择最佳部位开辟处理通道对岩溶洞穴进行清理回填，以减少施工干扰、降低处理难度;准确地对其岩溶管道进行截、堵处理，加快施工进度。该探测技术在主体工程地下洞室的开挖施工中岩溶预测预报起到了明显的突出作用。

4 结语

构皮滩水电站坝址区岩溶发育强烈且复杂，前期勘察查明了岩溶发育的地质条件和发育规律，尤其是重点查明了岩溶系统及其暗河管道发育的位置、特征及与建筑物的空间关系，为工程主要建筑物减少或避免岩溶地质问题的影响，选择了最合适或最佳的位置。但由于其地下岩溶发育的复杂性和前期勘察勘探工作的有限性，不可能查明地质体中发育的全部地下岩溶的分布及其特征，尚存在未知地下岩溶。

施工期主体工程针对单个的具体部位，对未知地下岩溶须进一步明确其发育情况，必要时在施工过程中“边施工，边探测”，结合工程实际，采用了地质雷达、钻孔CT物探、超前钻孔等多种切实可行的岩溶预测预报探测技术，准确判明了复杂未知地下岩溶发育分布、特征等情况，为施工安全技术、施工方案、工程处理方案的优化制定等提供了有效的依据和保障，取得了令人满意的效果。可为其它类似工程提供借鉴。

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

［2］ 彭土标，袁建新，王惠明，等．水力发电工程地质手册［M］．北京:中国水利水电出版社，2011．

［3］ 中华人民共和国建设部．水力发电工程地质勘察规范:GB 50287—2006［S］．北京:中国计划出版社，2006．

［4］ 刘立春．岩溶隧道地质雷达超前预测预报技术［J］．水利与建筑工程学报，2008，6(2):91-92，96．

［5］ 胡海波，李婕．岩溶地区隧道超前地质预测预报技术［J］．铁道勘察，2008，34(4):67-70．