江坪河水电站坝址岩溶水文地质特征及防渗可靠性分析

王 亮，罗崇宏，梁承运，李学政，胡大可

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

江坪河水电站坝址位于溇水干流上游河段湖北省鹤峰县走马镇境内，水库正常蓄水位470 m，总库容13.66亿m3，装机容量450 MW。枢纽布置方案为：河床布置混凝土面板堆石坝，最大坝高219 m，右岸集中布置溢洪道和泄洪放空洞，左岸布置引水系统和岸坡式地面厂房。水电站库坝区水文地质条件复杂，碳酸盐岩地层广泛分布，水库岩溶渗漏[1]是工程的关键技术问题之一。

1 工程地质概况

水库位于武陵山余脉的丛山峻岭之中，属中山峡谷型水库。水库北侧为清江水系，分水岭宽厚，东北侧为渫水，西南侧为澧水北源。库段内溇水干流平面上呈“S”形展布，河流分别在茶园坪、沈家河、南渡江、白日垭、毛洞河及下坝址江坪河附近急转弯，于近坝右库岸构成河间(湾)地块。除库尾鹤峰小型盆地内河谷及南渡江～寻梅台河谷较开敞外，河谷多数为可溶岩分布的“U”形峡谷，少数为碎屑岩分布的“V”形峡谷。

库周震旦系地层分布在坝区；寒武系地层分布在库首至五峰山一带，约占库长的80%；奥陶～三叠系地层分布在五峰山至库尾段。其中，三叠系巴东组T2b、泥盆系D～志留系S、寒武系龙王庙组下段∈1l1至筇竹寺组∈1q、震旦系陡山沱组Zbd至南沱冰碛砾岩组Zant等碎屑岩为主的地层为隔水地层。主要岩性如下：

(1)震旦系地层。下统南沱砂岩组为厚层砾岩、砂砾岩、长石石英砂岩夹泥灰质砂岩；南沱冰碛岩组为块状冰碛泥质砂砾岩，下部夹板岩，顶部砂质硅质绢云母板岩。上统陡山沱组为厚层白云质及硅质磷块岩、灰岩、泥质灰岩、薄层泥灰岩、砂岩、炭质页岩，底部为白云岩；灯影组为薄～中厚层燧石条带白云岩夹硅质灰岩、磷块岩透镜体，中部为薄层燧石条带硅质灰岩，上部为中层微粒白云岩。

图1 库坝区水文地质概况

(2)寒武系地层。下统筇竹寺组为薄层硅质岩与炭质粉砂质板岩互层；沧浪铺组为炭质页岩与薄层泥灰岩、泥质灰岩；龙王庙组为厚层灰岩、白云质灰岩夹泥质灰岩，钙质粉砂岩及板岩。中统高台组为页状与薄层状泥灰岩、灰岩、泥质灰岩；孔王溪组为中厚层灰岩、白云岩夹泥质白云岩、白云质长石砂岩、硅质灰岩、灰岩。上统三游洞群为块状白云岩夹硅质白云岩、厚层块状白云岩夹燧石团块状及条带白云岩。

本区处于扬子准地台中段，湘西北弧形构造的东北端，属武陵山褶皱带的东北部。主要地质构造形迹为NE～NEE向斜列式较宽缓的褶皱和压性或压扭性断裂，主要有鹤峰复向斜、东山峰复背斜和桑植复向斜，由西北至东南斜列展布。水库区主要座落于东山峰复背斜上，坝址位于东山峰复背斜倾伏端。断裂以NE或NNE向压性或压扭性陡倾角断层为主，其次为NW或NWW向短小的张性或张扭性陡倾角断层。库坝区主要岩溶管道发育与延伸方向与上述2组构造方向基本一致，沿清官渡断裂F263SW段上游侧发育有357号岩溶系统。库坝区水文地质概况见图1。

库坝区岩溶地层广布，岩溶发育有以下3个显著特征。

(1)岩溶发育程度受地层岩性及其厚度控制，且相对隔水层对岩溶裂隙水起限制汇集和导向作用。碳酸盐岩纯度高的比含泥质硅质等较多的岩溶更发育；可溶岩单层或岩组厚度较大的比薄层或岩层厚度小的发育；纯碳酸盐岩组合的比含有非碳酸盐岩夹层的发育；碳酸盐岩纯度高的地层地下暗河、岩溶管道等发育，夹有弱岩溶的地层未形成规模较大的岩溶管道。

(2)岩溶发育受层面、断裂构造的控制[2]。层面及断裂构造影响岩溶发育强度，控制发育方向和格局。水库上游段地层走向、断层、节理裂隙的走向以NE向为主，岩溶发育方向也基本上呈NE向展布，发育有28、37、58号等地下暗河或岩溶管道。在河间(湾)地块区，因其处于东山峰复背斜SW倾伏端与隔人潭向斜(凉水口向斜)NE扬起端的交汇区域，受其影响，此区NE、NW或NWW向线状构造发育，地形上又居于分水岭地段，因而岩溶地貌形态和岩溶水文地质条件各异，在分水岭地段，沿构造线方向，形成线状或放射状的岩溶管道排泄系统，如沿清官渡断裂F263附近发育的357号岩溶管道、宋家冲～红鱼坪岩溶槽谷、沿NW或NWW构造方向发育的曲溪～银杏坪岩溶槽谷、201号(十八眼泉)岩溶系统等。

(3)岩溶的发育强度受挽近期地壳继承性间歇隆起及其伴随的掀斜作用的影响明显。伴随继承性间歇隆起形成的5级夷平面、5级阶地，发育有相应的溶洞层或地下暗河。受强烈抬升影响，岩溶多以垂直岩溶(落水洞、漏斗、天然竖井)为主，多层岩溶之间有一定的水力联系[3]。又因受NW或NE向的掀斜作用，溇水呈NW～SE向发育，向S侧侵蚀，北岸(左岸)支流多而长，南岸支流少而短，致使右岸与澧水北源分水岭单薄，岩溶槽谷及洼地从NW～SE其高程依次降低，如河间地块分布的主要岩溶槽谷底部高程：九洞坪～七男坪为760～800 m、梅坪为725～750 m、红鱼坪为640～720 m、曲溪为600～650 m、柘坪为550 m。

(4)岩溶发育强度还受岩溶水的补给径流和排泄条件控制。在平坦的岩溶化地面或平而宽微切割的局部分水岭地带，当冲沟发育且沟中又有松散沉积物时，更有利于吸收大气降水和拦蓄地表水下渗，易于地下水循环交替，故岩溶发育则强；反之坡面愈陡，越不利于地表水的入渗及其与地下水的循环交替，岩溶发育则相对减弱。

2 岩溶水文地质

2.1 水库渗漏问题

江坪河水电站的勘测设计工作已开展了30多年，河段规划工作始于上个世纪70年代，预可研、可研勘测设计成果[4]分别于2000年9月、2005年7月通过审查。各阶段均按要求进行了系统的水库渗漏研究。研究成果表明，左岸受隔水地层阻隔或地下分水岭水位高于正常蓄水位，右岸及河间地块地下分水岭水位高于正常蓄水位，不存在向临近水系渗漏的问题；可研阶段预测，坝址至河湾下游黑洞泉之间存在龙王庙组上段∈1l2-1含水层地下水位低槽，不存在高于正常蓄水位的地下分水岭，库水可通过该低槽带向河湾下游黑洞泉排泄。

施工期揭示，河床坝基防渗帷幕通过的∈1l2-1厚层灰岩岩体完整，发育的断层均为裂隙性断层，且胶结较好，两者岩溶均不发育；寒武系下统龙王庙组下段∈1l1-2层粉砂岩、板岩为隔水地层，透水率多小于3 Lu，为可作为防渗依托的隔水层。根据帷幕灌浆施工资料，河床坝基防渗帷幕岩溶水文地质条件与前期预测的基本一致。

2.2 帷幕岩溶特征

2.2.1左岸防渗帷幕

左岸防渗帷幕通过的岩体有寒武系中统孔王溪组下段∈2k1-1层、中统高台组∈2g层、下统龙王庙组上段∈1l2层等碳酸盐岩岩体和龙王庙组下段∈1l1-2粉砂岩、板岩岩体。

(1)∈2k1-1中厚层灰岩出露在左岸帷幕线上部和左坝肩，岩溶中等发育，未发育岩溶管道和大型溶洞，沿断层带局部发育溶蚀泥或与层间结构面交汇处发育顺层溶蚀夹泥，呈岩溶裂隙岩体特征。

(2)∈1l2-2、∈2g中厚层泥质、白云质灰岩夹灰岩出露在左岸帷幕线左坝肩、上部～中部，顺层岩溶发育强烈，表现为顺层溶洞、孔洞，左岸趾板、高程476 m灌浆平洞和坝肩帷幕灌浆施工揭露，∈1l2-2、∈2g层顺层溶蚀结构较发育。

(3)∈1l2-1厚层灰岩出露在左岸帷幕线中下部，沿断层F71在高程392～455 m该厚层灰岩中发育岩溶管道，宽5～15 m，充填大量的黄色粘土、钙华、块石及其他溶洞堆积物、钙化胶结物，泉水流量5～50 L/s；该厚层灰岩在左岸防渗帷幕其他部位岩溶不发育，表现为裂隙岩体。

(4)∈1l1-2层粉砂岩、板岩出露在左岸帷幕线底部，为隔水层，透水率多小于3 Lu，为可作为防渗依托的隔水层。

左岸垂直帷幕灌浆施工期灌前岩体透水率较勘察期钻孔压水试验岩体透水率略大，施工期灌前岩体透水率q<3 Lu的约占66.62%，勘察期钻孔压水试验岩体透水率q<3 Lu的约占73.92%。

2.2.2右岸防渗帷幕

右岸防渗帷幕通过的主要地层有寒武系中统孔王溪组下段∈2k1层、中统高台组∈2g层、下统龙王庙组上段∈1l2层等碳酸盐岩岩体和龙王庙组下段∈1l1-2层粉砂岩、板岩岩体。

(1)∈2k1-1、∈2k1-3、∈2k1-5中厚层灰岩出露在右岸帷幕线中上部，岩溶中等发育，未发育岩溶管道和大型溶洞，沿断层带局部发育溶蚀泥或与层间结构面交汇处发育顺层溶蚀夹泥，呈岩溶裂隙岩体特征。

(2)∈2k1-2、∈2k1- 4层白云岩、泥质及白云质灰岩出露在右岸帷幕线中上部、中部，岩溶中等发育，顺层溶蚀孔洞发育，以整体强风化或溶蚀、溶滤为主，部分已经形成白云岩粉。其中，∈2k1- 4层风化或溶蚀、溶滤程度没有∈2k1-2层强烈。∈2k1-2层强度较低，遇水易软化，允许水力坡降小，但透水性较差，灌前具有一定的隔水性能，在帷幕灌浆过程中出现较多回浆返浓现象(即吸水不吸浆)。

图2 施工揭露地下水示意

(3)∈2g、∈1l2-2中厚层泥质、白云质灰岩夹灰岩出露在右岸帷幕线中下部，顺层溶蚀孔洞发育，帷幕灌浆施工揭露，∈2g、∈1l2-2层顺层溶蚀结构较左岸发育弱。

右岸帷幕范围除∈2k1-2、∈2k1- 4、∈2g、∈1l2-2层层间结构面发育顺层岩溶外，其他断层均为裂隙性断层或胶结较好，岩溶不发育。

∈1l2-1厚层灰岩出露在右岸帷幕线近坝段中下部、远坝段底部，右岸防渗帷幕范围内，该厚层灰岩岩溶不发育，表现为裂隙岩体。右岸所有公路交通洞、导流洞、泄水建筑物洞室、4层灌浆平洞高程310、365、425、476 m、所有施工支洞等均未揭露大中型溶洞或管道系统，均揭露有地下水活动，前期预测的地下水位低槽部位的洞室揭露有地下水发育。右岸高程310 m灌浆平洞开挖揭露，桩号0+000～0+225为∈1l2-1厚层灰岩分别在桩号0+45、0+100、0+155、0+175、0+197、0+223有明显的滴水。桩号0+45距离河床约57 m，0+223距离河床约80 m，坝址区到下游黑洞泉之间距离超过4 km，按水力坡度推算，坝址到下游黑洞泉之间∈1l2-1厚层灰岩的地下水分水岭高程高于正常蓄水位470 m。施工过程中，在右岸高程310、365、425、476 m灌浆平洞，针对可能发育的溶蚀结构区域分别布置了1、3、2、2对共8对电磁波CT检测，均未发现明显的岩溶通道。从施工揭露的岩溶水文地质条件分析，未发现前期预测的坝址到黑洞泉之间∈1l2-1层含水层的地下水位低槽，比可研推测的结论要好。∈1l1-2层粉砂岩、板岩出露在右岸帷幕线近坝段底部，为隔水地层，透水率多小于3 Lu，为可作为防渗依托的隔水层。施工揭露地下水示意见图2。

右岸垂直帷幕灌浆施工期灌前岩体透水率与勘察期钻孔压水试验岩体透水率基本一致，施工期灌前岩体透水率q<3 Lu的约占86.09%，勘察期钻孔压水试验岩体透水率q<3 Lu的约占85%。

3 防渗方案

3.1 主要地质缺陷处理

防渗帷幕轴线在坝体沿混凝土面板堆石坝趾板布置，河床坝基防渗帷幕接下部隔水地层 ∈1l1-2层粉砂岩、板岩，并深入该层内透水率q≤3 Lu的岩体内5 m，形成全封闭式防渗帷幕。

左岸向山里延伸，穿发电引水洞后转为近垂直岩层走向方向向下游延伸接至隔水地层(即∈1l1-2层粉砂岩、板岩)顶板与正常蓄水位470 m交汇处，并深入∈1l1-2层粉砂岩、板岩内透水率q≤3 Lu的岩体内5 m。对断层F71岩溶洞穴等进行封堵、灌浆等处理，形成全封闭式防渗帷幕。左岸趾板、高程476 m灌浆平洞和左坝肩帷幕灌浆施工揭露，∈2g、∈1l2-2层顺层溶蚀结构较发育，对其进行了补灌或按溶蚀结构标准进行了封堵和处理。沿断层F71在高程392～455 m厚层灰岩中发育岩溶管道，宽5～15 m，泉水流量5～50 L/s，对其进行了溶蚀物清挖、回填混凝土、灌浆和上游排水处理。对左岸帷幕灌浆施工中出现的离散型局部孔段掉钻、失水、注入量大等部位，按溶蚀结构标准[5]进行了封堵和处理。

右岸穿导流洞后转为垂直溢洪道轴线方向，延伸接溢洪道，之后继续向山里延伸至正常蓄水位470 m与∈2k地层地下水位交汇处，过该点再转为近岩层倾向方向向上游延伸，即沿S60°W方向延伸，终点接至∈1l2-2层泥质及白云质灰岩、白云岩与∈1l2-1厚层灰岩分界线与高程170 m交汇处，封闭右岸河湾地块与库水直接接触的∈1l2-1层含水层，防止库水沿可研阶段预测的坝址到黑洞泉之间∈1l2-1层含水层的地下水位低槽带向河湾下游黑洞泉排泄。近坝段深入∈1l1-2层粉砂岩、板岩内透水率q≤3 Lu的岩体内5 m，即下部接隔水地层，远坝段深入透水率q≤3 Lu的相对不透水层内5 m。

右岸趾板高程383～404 m范围帷幕为 ∈2k1-2层强风化岩体。高程365 m灌浆平洞WD30+000～WD30+030段和WD30+160～WD30+295段分布该层岩体，该层岩体铅直厚度约18 m，发育层间错动、泥化夹层(f16、f26、f36、fn16)等软弱层间夹层。该层允许水力坡降小，但透水性较差，灌前具有一定的隔水性能，在帷幕灌浆过程中出现较多回浆返浓现象(即吸水不吸浆)。对该层范围内，右岸趾板帷幕增加了帷幕宽度和排数，加强了水泥灌浆和化学灌浆处理；用混凝土封堵了高程365 m灌浆平洞距离坝基较近的洞段，并加强了该层的水泥灌浆和化学灌浆处理。

右岸趾板∈2g、∈1l2-2层岩体受顺层溶蚀和爆破的影响，灌后一次合格率不满足要求，对其进行了二次补灌。右岸高程310 m灌浆平洞桩号YWD40+521.792～YWD40+572.042段受断层、节理及其交汇等影响，局部发育溶缝、溶蚀孔洞，局部孔段存在压水试验透水率大(个别不起压)、吸浆量大等现象，对该区域进行了补强灌浆处理。右岸帷幕灌浆施工中出现的离散型局部孔段掉钻、失水、注入量大等现象，按溶蚀结构标准进行了封堵和处理。

灌后防渗合格设计标准为：坝基及两岸坝肩地段透水率q≤1 Lu，远岸地段透水率q≤3 Lu。

3.2 防渗可靠性分析

河床坝基防渗帷幕底线接∈1l1-2层粉砂岩、板岩隔水地层，施工揭露岩溶水文地质条件与前期预测的基本一致。帷幕灌浆施工资料表明，灌后一次合格率较高。

左岸防渗帷幕底线接∈1l1-2层粉砂岩、板岩隔水地层，终点接至隔水地层顶板与正常蓄水位的交汇处，对∈2g、∈1l2-2层顺层溶蚀孔洞、F71岩溶管道、施工中出现的离散型局部孔段(掉钻、失水、注入量大等)地质缺陷进行了处理。处理后，左岸防渗帷幕可满足渗控要求。

右岸防渗帷幕底线近坝段接∈1l1-2层粉砂岩、板岩隔水地层，远坝段上部接正常蓄水位470 m与∈2k层地下水位交汇点，下部封闭了与库水直接接触的∈1l2-1层含水层。对沿线∈2k1-2层强风化岩体、∈2g、∈1l2-2层岩体内的顺层岩溶、高程310 m灌浆平洞桩号YWD40+521.792～YWD40+572.042段、离散型局部孔段(掉钻、失水、注入量大等)地质缺陷部位进行了工程处理。处理后，右岸防渗帷幕可满足渗控要求。

综上所述，河床坝基、左右岸防渗帷幕近坝段底线接粉砂岩、板岩相对隔水地层，右岸防渗帷幕远坝段上部接正常蓄水位470 m与∈2k层内地下水位交汇处，下部从该点向上游拐弯延长防渗帷幕，封闭右岸河湾地块与库水直接接触的∈1l2-1层含水层。从施工揭露的岩溶水文地质条件分析，未发现右岸河湾地块∈1l2-1层含水层地下水位低槽，施工过程中揭露的主要地质缺陷按要求进行了处理，实施的防渗方案是可靠的。

4 结 语

江坪河水电站库坝区水文地质条件复杂，碳酸盐岩地层广泛分布，水库岩溶渗漏是工程的关键技术问题，前期按要求进行了系统的水库渗漏研究。水库两岸分水岭宽阔，地下水分水岭高程高于水库正常蓄水位，不存在向邻谷水系渗漏问题。施工揭露，帷幕线的岩溶水文地质条件与前期推测的基本一致，但未发现右岸河湾地块 ∈1l2-1层含水层地下水位低槽。揭露的主要地质缺陷均按要求进行了处理，防渗方案是可靠的。