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西部水利水电开发 与岩溶水文地质论文选集 主 编 曹安俊 伍法权 刘世凯 涂光美 陈 飞 钟子文 苏爱军 田九如 执 行 编 委 伍法权 刘世凯 涂光美 卜永喜 石 林 苏爱军 邓传立 熊友平 黄宝华 万军伟 主 办 单 位 中国地质学会工程地质专业委员会 湖北省地质学会 水文地质工程地质环境地质专业委员会 地质灾害与岩土工程专家咨询工作委员会 承 办 单 位 湖北省恩施土家族苗族自治州电力总公司 湖北省恩施土家族苗族自治州水利电力勘测设计院 湖北鹤峰桃花山水电有限责任公司 协 办 单 位 中国地质大学 武汉 武汉理工大学 长江水利委员会设计院 水利部长江勘测技术研究所 中南电力设计院 湖北省水利水电勘测设计院 湖北省水文地质工程地质大队 中国地质大学出版社 图书在版编目 CIP 数据 西部水利水电开发与岩溶水文地质论文选集/ 曹安俊等主编 . 武汉 中国地质大学出版 社, 2004. 8 ISBN 7-5625-1915-3 Ⅰ. 西⋯ Ⅱ. ①曹⋯ ②伍⋯ ③刘⋯ ④涂⋯⑤陈⋯⑥钟⋯⑦苏⋯⑧田⋯ Ⅲ. 水利水电-岩溶水文地质-西部地区-文集 Ⅳ. P64 西 部水利 水电开发 与 岩溶水文地质论文选集 曹安俊 伍法权 刘世凯 涂光美 陈 飞 钟子文 苏爱军 田九如 主编 责任编辑 贾晓青责任校对 张咏梅 出版发行 中国地质大学出版社 武汉市洪山区鲁磨路 388 号邮编 430074 电话 027 87482760 传真 87481537 E-mail cbo cug. edu. cn 经 销 全国新华书店 开本 787 毫米1092 毫米 1/ 16字数 480 千字 印张 19 图版 4 版次 2004 年 8 月第 1 版印次 2004 年 8 月第 1 次印刷 印刷 中国地质大学出版社印刷厂印数 11 050 册 ISBN 7-5625-1915-3/ P625定价 80. 00 元 如有印装质量问题请与印刷厂联系调换 序 我国西部水力资源十分丰富, 加强水利建设、开发水力资源是我国西部建 设的重要任务。岩溶问题是我国西部水利水电开发中十分广泛而又困难的问题。 中国地质学会工程地质专业委员会、湖北省地质学会、恩施土家族苗族自治州 电力总公司和恩施土家族苗族自治州水利电力勘测设计院等单位在湖北省恩施 联合举办“岩溶地区水利水电工程地质学术研讨会” , 并出版了 西部水利水电 开发与岩溶水文地质论文选集, 这对总结我国岩溶地区水利水电建设中工程地 质工作方法, 发展岩溶工程地质问题的处理技术具有重要的推动作用。我对这 次会议的召开和文集的出版表示衷心祝贺, 并感谢会议和文集的组织者们为我 国岩溶科学研究和工程实践作出的贡献。 我国可溶岩分布十分广泛。碳酸盐岩在云南、贵州、四川等 27 个省、区均 有出露, 分布总面积达到 344. 2 万 km 2 , 其中贵州省、广西壮族自治区、云南 省碳酸盐岩出露面积占省、区面积比例分别达到 51、33 和 26。这些地区 的许多水库都不同程度地遇到与岩溶相关的工程地质问题。金沙江流域以礼河 木槽子水库、广西龙江拔贡电站、陕西耀县桃曲坡水库等分别遭遇因岩溶引起 的向邻谷渗漏、坝区渗漏和库底渗漏问题, 成为我国著名的存在岩溶渗漏条件 的水库工程实例。上述这些水库以及湖北清江隔河岩水库、乌江渡水库、猫跳 河下游的红岩水库、广西红水河大化水库以及滇东黄泥河上的鲁布革水库等都 是通过充分的工程地质选址论证和合理的工程处理而避免发生岩溶渗漏的成功 例子, 也正是因为这些工作, 在我国培养和成长起一批岩溶工程地质工作者。 岩溶问题的工程地质研究与工程处理, 难点在于对岩溶发育规律性的认识。 我们知道 , 这一问题几十年来一直是学术界和工程界, 特别是水利水电行业的 一个国际性难题和热点问题, 目前还有许多基础性和应用性问题没有得到解决。 例如, 岩溶动力系统的运行和岩溶发育分布规律问题、深部岩溶问题、受水动 力学等条件影响的差异溶蚀作用规律问题、岩溶探测技术与成果解译方法、岩 溶渗漏处理技术与岩溶地基利用问题、岩溶地区水库诱发塌陷地震的机制问题 等, 都有待进一步的深入研究。同时这也告诉我们 , 岩溶工程地质有着十分广 阔的发展前景, 岩溶工程地质工作者肩负着十分艰巨的使命。 1994 年水利电力出版社出版了由邹成杰等编著的我国第一部 水利水电岩 溶工程地质 专著 , 对全国岩溶工程地质学术研究和工程实践进行了很好的总 结, 也对这一领域的研究工作和生产实践起到了重要的指导作用。岩溶地区的 水利水电工程地质问题, 长期以来是国际岩溶和工程地质学术界共同关注的问 题, 2000 年出版的 P. T. Milanovic 编著的 Geological engineering in Karst 一书, 总结了许多国家岩溶地区水利水电工程勘测、评价和治理的经验, 其中也收录 了我国的一些实例。我们今天出版的这本 西部水利水电开发与岩溶水文地质 论文选集, 展现了近年来鄂西地区和全国水利水电岩溶工程地质研究及工程实 践的新成果。本书以众多的工程实例为其特色, 汇集了岩溶渗漏勘察与分析、 岩溶区地下水资源评价、地质灾害治理和岩溶工程处理方面的研究成果与实践 经验, 是继 水利水电岩溶工程地质 之后一本与水利水电开发有关的岩溶工 程地质学术文集, 对这一领域的工作将具有十分重要的指导意义和参考价值。 21 世纪是我国经济建设蓬勃发展的世纪, 也是我国岩溶工程地质工作者大 有可为的世纪。我向大家推荐本书, 并热切地希望有更多成果涌现出来, 不断 推动岩溶工程地质学科的发展。 中国科学院院士 中国地质学会岩溶地质专业委员会主任 中国地质科学院岩溶地质研究所研究员 前言 在中国地质学会的大力支持下 , 中国地质学会工程地质专业委员会和湖北 省地质学会联合主办的“岩溶地区水利水电工程地质学术研讨会”在湖北省恩 施土家族苗族自治州召开。我国西部水利水电工程建设的尖兵 地质工作者 们带着 20 世纪 80 年代以来工作的丰硕成果汇集恩施, 展开交流, 切磋岩溶地 区工作经验与教训 , 进一步推动我国岩溶地区地质学科暨岩溶地区水利水电建 设的发展。 本次会议收到论文百余篇 , 选择优秀论文 44 篇出版了 西部水利水电开发 与岩溶水文地质论文选集。文集以岩溶地区工程实例为特色, 主要内容有 岩 溶水文工程地质、理论与技术方法应用、岩溶地区地质环境、经验与总结。本 论文集对岩溶地区水利水电建设有一定的指导意义和参考价值。 在论文集的编辑和出版过程中 , 中国科学院院士袁道先先生为论文集的出 版提出了宝贵意义并为文集作序, 伍法权研究员、徐福兴教授级高工、卜永喜 秘书长、刘世凯教授、涂光美教授级高工、苏爱军教授级高工、万军伟教授等 审阅了论文文稿并提出了宝贵意见 , 同时得到恩施土家族苗族自治州水利电力 系统的领导和学会有关的常务理事单位的大力支持和帮助, 恩施土家族苗族自 治州水利电力勘测设计院朱华军院长、邓传立总工、黄宝华工程师和中国地质 大学出版社贾晓青责任编辑为本文集的出版付出了辛勤的劳动。 没有上述各单位领导和专家的大力支持、关心和帮助, 这本论文集是难以 问世的, 在此谨向他们表示诚挚的谢意 谨以此文集献给致力于岩溶地区水电建设的地质工作者们 西部水利水电开发与岩溶水文地质论文选集 编辑委员会 2004 年 8 月 一、岩溶水文工程地质 水库岩 溶渗漏 问题研 究 ① 徐福兴 陈 飞 长江水利委员会, 武汉 430010 摘要 水库岩溶渗漏是碳酸盐岩地区建坝的主要工程地质问题之一。国内外工程实 例说明, 只要对这一问题进行勘察查明, 并进行相应的防渗处理, 一般都能发挥效 益。本文主要简述水库岩溶渗漏研究中的若干理论和实践问题, 如岩溶化岩体中地 下水的赋存条件、河谷岩溶水动力类型及分带、河谷区深部岩溶、岩溶渗漏的评价 方法等; 其次介绍水库岩溶渗漏勘察研究中常用的勘察技术和分析方法。 关键词 岩溶 水库 渗漏 研究 技术与方法 1 研究综述 从 1845 年法国在岩溶地区修建第一座坝以来的 100 多年间, 南斯拉夫、美国、前苏联、 意大利、土耳其等国, 在岩溶地区修建了大型水利水电工程 130 多座。据不完全统计, 其中 坝高大于 100m 的有 18 座,最高的是前苏联的英古里 и н г у р и 拱坝,最大坝高 271. 5m; 最大的水库为土耳其的凯班水库, 总库容 340 亿 m 3 。从水库岩溶渗漏分析可见, 早期修的 工程, 一般存在渗漏问题, 其中比较严重的如美国德克萨斯州的奥斯丁坝, 因坝基渗漏而导 致垮坝 1920 年坝高 20. 7m ; 西班牙的蒙特热克 坝高 72m , 水库蓄不住水; 卡马拉萨 高坝 坝高 103m , 蓄水后渗漏量 2～3m 3/ s, 并逐年增加到 11m3/ s, 经进一步处理后仍有 2m 3/ s。20 世纪 50 年代以后修建的坝高 100m 以上的 17 座大坝, 基本上都是成功的, 其中 渗漏量较大的有凯班水库 21m 3/ s、多康坝 6m3/ s、瓦格兰斯 4m3/ s , 但并不影响工 程效益的正常发挥。相对而言, 在大江大河上修建大型工程, 勘测工作比较深入, 渗漏问题 研究较清楚, 防渗工程也做得可靠, 一般都是成功的,而中小河流上的中小型工程问题较 多。 我国在 20 世纪 50 年代初修建官厅水库, 拉开了在岩溶地区修建水利水电工程的序幕。 20 世纪 50 年代末至 60 年代初,对碳酸盐岩分布为主的猫跳河梯级水电站进行了开发; 对 乌江、清江、红水河等流域进行规划, 开展了一大批大型工程的勘察设计; 对长江三峡工程 南津关灰岩坝区进行了详细的勘测研究, 在岩溶地区已修建了一大批中小型工程。20 世纪 60 至 70 年代, 猫跳河梯级水电站及一批坝高在 50m 以上或库容 1 亿 m 3 以上大中型水库的 建成, 为我国在岩溶地区建坝建库积累了经验。20 世纪 80 年代初, 乌江渡水电站的胜利建 成, 标志着我国在岩溶地区兴建高坝大库登上了新的台阶。其后, 隔河岩、岩滩、鲁布革、 3水库岩溶渗漏问题研究 ①第一 作者简 介 徐 福兴 , 男,1939 年 生,教授级 高级工 程师 , 长期 致力 于水利 水电 工程地 质勘察 工作 。 观音阁、万家寨、天生桥一级、二级、东风、江垭、江口等大中型水利水电工程相继建成, 更为我国在岩溶地区建坝建库积累了丰富的经验。目前在建的有构皮滩、彭水、洪家渡、水 布垭等大 型工 程,其 中 构 皮 滩 水电 站 坝 高 232m,库 容 达 65 亿 m 3 ,电 站 装 机 容 量 达 3 000MW,是我国在岩溶地区修建的最高薄拱坝和最大的水电站, 水布垭水电站是目前世界 上最高的混凝土面板坝, 最大坝高达 233m。 我国在岩溶地区兴建的大中型工程中, 出现较严重渗漏的有水槽子、桃曲坡、拉浪、拔 贡、大龙洞、猫跳河二级、四级、小排吾、肖家山、南川、温峡口等水库。其中大部分经第 二期处理后渗漏量明显减小, 发挥了正常效益。在岩溶地区兴建的中小型工程, 据云南省的 统计, 大多数是基本成功的; 贵州省库容 10 万 m 3 以上的水库 2 000 余座, 发生严重漏水的 约占 5 ; 在岩溶强烈发育的广西南宁地区, 50 万 m 3 以上的水库 93 座, 基本成功的占 40。发生严重漏水或失败的水库, 绝大部分是 20 世纪 50、60 年代兴建的, 建前未做详细 的地质勘察工作, 也没有采取必要的和有效的防渗措施。 经过 50 多年勘察研究和工程实践, 我国在岩溶渗漏的基本理论研究与实践、岩溶渗漏 问题的勘察研究、渗漏评价和防渗处理等方面都已达到了较高的水平。 2 水库岩溶渗漏的几个基本理论与实践问题的研究 2. 1 碳酸盐岩岩体中地下水的赋存条件、地下水位及岩溶系统 水系 地下水位、等水位线和岩溶系统, 是判断水库渗漏的重要指标。实践证明, 在岩溶不发 育的分水岭地段, 地下水位略低于设计蓄水位时, 可以由于蓄水后地下水位升高而不发生渗 漏 猫跳河一级电站。在地下水位低于分水岭较多, 但无明显的地下水位低槽, 即无岩溶 排水系统存在时, 可不发生严重渗漏或不渗漏, 如猫跳河六级电站右岸和隔河岩水电站右岸 河弯地块, 江口水电站右岸河间地块等; 但当存在岩溶管道时, 可发生管道性漏水, 如猫跳 河四级左岸和六级水电站的左岸。 不言而喻, 碳酸盐岩岩体中的地下水主要赋存于溶洞、溶隙中, 并且主要以岩溶管道或 岩溶裂隙泉的形式排泄。但对于岩溶岩体中有无统一地下水位, 即孤立水流和统一水面两种 观点曾发生过长期争论。勘探资料逐渐证明, 在岩溶化岩体中既有统一地下水面, 也有孤 立、半孤立水流, 随着岩溶的发育过程可以相互转化 卢耀如等。岩溶岩体各点之间只要 有水力联系 不论是通畅或不太通畅 , 就能形成统一的地下水面 袁道先。孤立水流和统 一水面共处于一个统一的岩溶含水体中 邹成杰、王家骏等。在岩溶化岩体中能否作等水 位 压 线图, 也是长期争论的问题, 直到今天认识也不完全一致。在没有水力联系的岩溶 管道系统间不能把各自的等水位线图连起来, 而对于被裂缝或岩溶管道串通, 具有或强或弱 水力联系的管道系统之间, 可以作等水位线图 袁道先。在临近排水面附近的岩溶平原或 开阔的大谷地, 因岩溶发育较均匀, 各向连通性好,即水力联系好, 一般都存在统一流场, 可以勾画出等水位线图 刘振中等。因此, 碳酸盐岩岩体中的地下水位、等水位线与岩体 岩溶化的程度有密切的关系, 与岩体中存在的岩溶排水系统密切相关, 在判断地下水位、编 绘地下水等水位线时应充分考虑这些因素。一般情况下, 等水位线的低槽部分是汇集地下水 的通道。岩溶地下水的排泄就是通过这些通道汇集而形成地下排水系统的, 即一般称为岩溶 系统 水系。因此, 不同岩溶排水系统之间是否存在水力联系、水力联系的通畅程度等是 4西部水利水电开发与岩溶水文地质论文选集 评价水库渗漏的重要依据, 而不仅是依据地下水位。 2. 2 河谷岩溶水动力类型及分带 碳酸盐岩河谷岩溶水动力类型的研究, 对了解岩溶发育规律以及岩溶渗漏预测评价有着 重要意义。 2. 2. 1 河谷岩溶水动力类型 根据我国岩溶地区河谷岩溶水动力条件的研究, 基本上可以分为以下类型 1 补给型 河谷两岸与邻谷间有地下水分水岭, 地下水补给河水, 如乌江、清江、北 盘江、澧水各梯级等。 2 补排型 河谷一侧有地下水分水岭, 地下水补给河水, 另一侧无地下水分水岭, 河 水补给地下水或排向下游河谷, 如云南绿水河、黄河万家寨等坝址。 3 排泄型 河谷两岸无地下水分水岭, 河水补给地下水或排向下游河谷, 如猫跳河四 级电站坝址, 位于岩溶塌陷形成的天然堆石坝前, 两岸地下水位低于河水位 18m, 河水补给 地下水, 从坝下游 K7落水洞一带排出; 山西桃曲波水库两岸地下水位低于河水位。 4 悬托型 岩溶含水层地下水位低于河谷底部, 河水排泄给邻谷或下游河谷, 如以礼 河水槽子水库库盆为较厚的粘土砾石层覆盖, 下部岩溶含水层地下水位低于河水面数十米, 建库后粘土砾石层被击穿, 库水沿岩溶通道向远邻谷金沙江渗漏。大宁河上游支流, 其中有 一段通过二叠系下统灰岩河谷时, 灰岩中地下水位低于河水位, 而局部成为悬托型河谷。 补排型、排泄型和悬托型河谷岩溶水动力类型一般存在水库渗漏问题。 2. 2. 2 河谷岩溶水动力分带 在经典岩溶学理论中, 把补给型河谷岩溶水动剖面自上而下分为四个带 垂直渗流带 饱气带、地下水位季节变化带、全饱水带和深循环带, 各个带发育与渗流状态相联系的岩 溶类型 见图 1。由于地壳升降造成河谷深切或埋藏, 各个带相应的岩溶形态会被后期的 地质作用所改造。这种分带也受到岩体岩性的差异, 特别是非岩溶层的制约, 因此, 在分析 判断河谷区岩溶发育形态、强度、深度等特征时, 应注意后期岩溶作用的叠加和改造。 图 1 补给型河谷区岩溶水动力及岩溶垂直分带示意图 2. 2. 3 河谷分水岭岩溶水动力剖面类型 在补给型河谷岩溶水动力类型地区, 研究河谷至分水岭的水动力剖面类型, 对确定岩溶 强烈发育带的位置、宽度, 进而确定防渗帷幕的重点部位、帷幕端点等有较大的实际意义。 5水库岩溶渗漏问题研究 图 2 河谷分水岭岩溶水动力分带示意图 河谷分水岭的水动力剖面基本上可分为三种 类型 图 2。 1 均匀渗流剖面 岩溶不发育,地下水 位线呈凸型由河岸向分水岭迅速升高, 坡降较 大; 2 平缓渗流剖面型 岩溶较发育, 近河 处地下水位线呈低平型, 坡降一般 3 ; 3 局部平缓段或低槽段的渗流剖面型 近岸坡岩溶发育, 地下水位低平, 或发育有汇 流通道, 形成地下水低槽,向山内一定距离岩 溶才减弱, 地下水面上翘。 2. 3 河谷区深部岩溶 河谷区深部岩溶对大坝防渗具有重要意义。20 世纪 70 年代, 乌江彭水坝址在河床枯水 位以下 60～100m 揭露了溶洞和较畅通的溶蚀裂隙, 而乌江渡水电站的防渗帷幕钻孔, 在枯 水位以下 212m 揭露了直径达 9. 33m 的溶洞。由此开始, 河谷区深部岩溶才引起人们的重视 和研究。 “河谷区深部岩溶”的划分标准目前尚没有统一的认识, 从水利水电工程实际出发,为 便于掌握和统一, 建议以低于当地排水基准面的岩溶称为“河谷区深部岩溶” 。 2. 3. 1 河谷深部岩溶形成的主要因素 河谷深部岩溶的成因主要与地下水的虹吸循环有关, 并且与岩溶排水系统有联系。河谷 深部岩溶形成的主要因素有 1 有利的岩溶水文地质结构, 如溶蚀层面、透水断层带等。 2 有利的地下水虹吸循环条件, 如有承压水等。 3 有利于深部岩溶发育的水化学条件, 如混合溶蚀, 以及由不同浓度的水溶液间造成 的渗透, 促进地下水向深部交替循环, 深部具较强侵蚀的地下水等。 4 温差效应 常与有利的水化学条件相伴存在 造成冷热水对流, 促进交替循环, 如 彭水枢纽的两个坝址, 在温泉与冷水交汇部位深部岩溶发育。 5 河谷至分水岭地形相对高差大, 两岸地下水具有较高的渗透压力。 6 深循环温泉在河谷出露与浅层地下水混合形成较深岩溶。 2. 3. 2 河谷深部岩溶的分布特征 1 河谷区深部岩溶的平面分布。深切上升峡谷区深部岩溶主要分布在河谷两侧, 并与 岩溶系统相联系, 河床下岩溶发育较弱, 如彭水枢纽的两个坝址、乌江渡电站等。 宽河谷区深部岩溶在河床下及两岸均较发育, 其原因可能地壳相对稳定时期较长, 河谷 由峡谷演变为宽谷的过程中, 原来位于两岸的深部岩溶, 当今却位于河床之下, 如湖南澧水 三江口坝址和辽宁太子河观音阁坝址等均属于此。 2 河谷区深部岩溶的垂向分带。河谷深部岩溶发育强度一般有随深度的增加而逐渐减 弱的趋势。较强烈发育带的深度一般在排水基准面以下 50～60m 范围, 中等弱岩溶发育 带深度 50～100m 左右, 100m 以下岩溶发育程度大为减弱。 6西部水利水电开发与岩溶水文地质论文选集 2. 4 岩溶渗漏量计算 岩溶渗漏量计算目前仍是一个难题。尽管在几十年的实践探索中, 运用地下水动力学方 法、水力学方法、逻辑信息法、模糊综合评判、数量化理论、汇流理论等方法进行分析计 算, 都不能达到令人满意的结果。究其原因是岩溶渗漏计算的边界条件太复杂, 计算参数很 难确定, 计算方法本身也不够严密和完善。 首先是渗流介质, 是岩溶管道还是岩溶裂隙, 或者是岩溶管道和裂隙兼有。其次要确定 介质的连续性和均匀性, 如岩溶管道是否由库内直通库外, 各段的数量、形态、大小无法确 定, 其间是否有瓶颈控制。又如岩溶裂隙, 其方向性、连通性与渗透系数关系密切, 且裂隙 岩体中有无“一墙之隔” 。此外, 同一渗漏岩体,在地下水位以下和水位以上也会有很大的 区别。鉴于此, 目前岩溶渗漏量的计算成果只能作为宏观判断的参考。 2. 5 岩溶渗漏评价方法与标志 早期岩溶水库勘察评价中, 主要依据河间地块或河弯地块地下水有无分水岭及分水岭地 下水位与水库正常蓄水位的关系确定, 分水岭地下水位低于水库正常蓄水位就会发生渗漏。 随着工程实例和经验的不断积累, 不少分水岭水位低于水库正常蓄水位的水库不漏水或没有 明显漏水, 如猫跳河六级和清江隔河岩电站右岸河弯地块, 芙蓉江江口水电站右岸与乌江河 间地块地下水位均低于设计蓄水位, 但都未发生明显渗漏。发生岩溶渗漏的水库, 一般是在 天然状态下就存在向低邻谷渗漏, 如水槽子水库, 或者沿着原来的岩溶系统 管道 发生渗 漏, 尤其是库内外岩溶管道曾发生过互相袭夺, 且袭夺点管道高程低于水库设计蓄水位, 会 产生严重的管道性渗漏, 如猫跳河四级电站左岸上游窄巷口岩溶管道向下游花鱼洞 KW1 1 渗漏。因此, 在评价水库渗漏时, 查明库内外有无岩溶系统发育及岩溶系统的相互关系是非 常重要的。 水库岩溶渗漏可归纳为三种类型 不渗漏或微弱渗漏、溶隙性渗漏和管道型或管道溶 隙混合型渗漏。依河谷岩溶水动力类型、岩溶系统及岩体岩溶化程度、分水岭地下水位、隔 水层及相对弱岩溶层的展布等特征, 对上述条件进行综合分析以判别水库是否渗漏及可能的 渗漏形式 表 1。 表 1 水库岩溶渗漏判别条件简表 渗漏类 型渗 漏判 别条件备 注 不渗漏 或 微弱渗 漏 18 .. 水库 有隔水 层或 相对隔 水层 封闭 2.. 邻谷 间地下 水分 水岭高 于设 计蓄水 位 3.. 补给 型河谷 , 与 邻谷间 地下 水分 水 岭 水 位略 低 于 设 计蓄 水 位, 但 分水 岭中部 有弱 岩溶化 岩体 具备其 中 任 一 条,水 库 均 不 会 发 生 渗漏 。如 毛 家 村 、猫 跳 河 一 级 、 六 级、江 口等 水电站 溶隙 型渗漏 18 .. 补给 型河谷 。与 邻谷间 无隔 水 层 或 相对 隔 水 层 封闭 , 分 水 岭地下 水位 低于设 计蓄 水位,库内 外未见 岩溶系 统发 育 2.. 补排 型、排 泄型 河谷。 岩体 岩 溶 化较 弱 , 库 内 外 未 见岩 溶 系统发 育 具 备其 中 任 一 条 即 可 能 产 生 溶 隙 性 渗漏,如猫 跳 河 三 级 电 站 渗 漏 进 出 口无溶 洞 管 道型或 管道 溶隙混 合型 渗 漏 18 .. 悬托 型河谷 。库 内岩溶 含水 层通向 库外且 有岩 溶系统 发育 2.. 补排 型、排 泄型 河谷。 库内 外 或 下游 有岩 溶系统 发育 3.. 补给 型河谷 。 分 水 岭地 下 水 位 低 平,且 低 于 设 计 蓄 水 位, 库内外 在同 一含水 层有 岩溶系 统发 育 具备其 中 任 一 条,可 能 产 生 管 道 型 或管 道 溶 隙 型 渗 漏 。 如 猫 跳 河 四 级, 水 槽 子 水 库,胡 家 渡 水 库 等 渗 漏进 出 口 有 溶 洞 ,或 出 口 有 溶 洞 、 或进口 有溶 洞 7水库岩溶渗漏问题研究 3 水库岩溶渗漏勘察研究的主要内容与方法 3. 1 水库岩溶渗漏勘察研究的主要内容 岩溶地区兴建水库进行勘察研究时主要应包括以下方面。 1 查明库坝区 包括可能渗漏的邻谷 的岩溶水文地质结构, 以确定岩溶分水岭和隔 水层的空间展布, 查明断裂带的延伸情况等,以便确定水库的封闭条件和水库可疑渗漏地 段, 对可疑渗漏地段进行重点研究。 2 对可能渗漏地段的地表地下水系进行详细调查研究, 如地表、地下水系的补给、排 泄条件、相互转化关系以及地下水系有无袭夺迹象等。对河谷区的岩溶水动力条件、岩溶排 水系统、河谷区深部岩溶的发育程度和深度、河弯或河间地块分水岭的岩溶化程度和地下水 位等进行勘察研究, 以进一步确定渗漏的可能性、可能的渗漏途径、渗漏的性质及规模等, 并对渗漏的危害性作出预测评价。 3 对存在岩溶渗漏的水库进行防渗处理方案与措施研究。其中确定防渗方案 铺盖或 防渗帷幕、堵洞或截水墙等、防渗范围 如帷幕的深度和平面接头等 和防渗的技术参数 如帷幕灌浆的孔距、排距和灌浆压力等 等。 4 建立地下水长期观测系统, 对可疑渗漏地段, 蓄水前应建立地下水长期观测网, 如 对钻孔水位及岩溶泉、暗河等地下水排泄点的观测, 水库蓄水后进行对比, 验证勘察阶段的 结论。 3. 2 水库岩溶渗漏的主要勘察研究方法 1 地面地质调查。地面地质调查是岩溶渗漏分析研究工作的基础, 其主要任务是查明 测区的岩溶水文地质结构, 对岩溶地貌及各类岩溶形态、地表水及地下水露头 泉水、暗 河、溶潭等 进行调查, 包括对岩溶洞穴进行追索。岩溶层与隔水层的厚度及空间展布、断 裂带的溶蚀和水文地质特征等进行详细的调查, 在此基础上确定水库封闭条件及可疑渗漏地 段, 并开展进一步的勘察研究。 2 勘探。根据具体条件, 选择合适的勘探手段, 如常用的钻探, 主要用以了解岩溶的 发育程度, 岩体的透水性和地下水位, 测量水温、水化学成分等, 并可用于地下水位、水温 的长期观测。物探工作常用于探测含水层地下水位、岩溶洞穴的位置、岩体岩溶化的程度和 深度等, 但物探工作的限制条件较多。硐探, 可用于追索溶洞, 并选择合适的位置进行堵洞 试验等。 3 岩溶水文地质试验。岩溶水文地质试验主要是了解岩溶化岩体的透水性、岩溶通道 的连通性及相互关系, 如钻孔压水试验、灌水试验、抽水试验 溶潭地下水出露点也可进 行、溶洞堵洞试验、连通试验等。 4 岩溶水动态观测。岩溶水动态观测是岩溶地下水研究的重要内容, 包括地下水位、 水温、水化学成分等随季节和天气的变化, 在雨季可进行单项相关观测, 如降雨量与岩溶泉 流量关系观测。地下水动态观测时间应超过一个水文年,且观测时间愈长积累的资料愈宝 贵。 在水库岩溶渗漏勘察研究中常用的分析方法见表 2。 8西部水利水电开发与岩溶水文地质论文选集 表 2 常用的岩溶水文地质分析研究方法 序 号 水文 地质分 析 研 究方法 主 要研 究目的运用程 度及 主要工 程实 例 1* 地 貌 及 水 文 网 分 析 通过岩 溶形 态、地 貌及 地 表 地 下 水 网 发 育 展 布 现 状 和演化 过程 的分 析 , 研 究 岩 溶 发 育 分 布 规 律、 水 动 力 类型及 特点 、岩 溶地 下 通 道 位 置 , 判 断 地 下 水 系 的 补 给、径 流、 排泄区 域范 围 和 地 下 水 分 水 岭 位 置,评 价 地区 段渗漏条 件 广 泛运 用 猫 跳河 天 生桥 二级 江 口水 电站 2* 岩 溶 地 下 水 同 位 素 分析 利用地 下水 中存 在的 多 种 放 射 性 同 位 素,测 定 计 算 地 下水的 年龄 、运 移途 程 和 时 间 , 分 析 寻 找 岩 溶 渗 漏 通 道 带 , 常用 的同位 素有 氚、氘 、 14C 等 猫 跳河 四级 乌 江渡 江 垭 3* 岩 溶 地 下 水 动 态 研 究 及 水 均 衡 分 析 通过地 下水 动态 长期 观 测 及 水 均 衡 计 算,研 究 岩 溶 水 流性质 、特 点、含 水介 质 类 型 及 岩 溶 水 量 等,为 渗 漏 评价提 供依 据 广 西各 工程 洛 塔岩 溶水开 发利用 金 觉峰 4* 岩 溶 水 化 学 场 分 析 根据岩 溶水 化学成 分 和 水 文 地球 化 学 环 境 等 密 切 相 关 的特点 , 分 析 研 究 含 水 介 质 类 型 、 通 道 性 质 及 补 给 、 径流、 排泄 区范围 , 判 断 地 下 水 分 水 岭 位 置、 补 给 条 件, 预 测溶 蚀空洞 体积 等 江 垭 彭 水 万 家寨 猫 跳河 四级 5*岩 溶水温 场分析 利用地 下 水 的 热 对 流 、 辐 射、 传 导 所 形 成 的 地 温 场 , 研究岩 溶水 介质 类 型 、性 质 , 分 析 渗 漏 带 及 通 道 的 位 置、热 水成 因及分 布规 律 猫 跳河 四级 江 垭 东 风 彭 水 6*岩 溶渗流 场分析 利用地 下水 在岩 溶含 水 层 中 渗 流 的 不 同 特 点,研 究 岩 溶发育 程度 及岩 体 透 水 性,为 制 定 防 渗 处 理 方 案、 选 择帷幕 线路 及接 头方 式 等 提 供 依 据 , 常 用 的 有 平 面 渗 流场、 剖面 渗流场 、电 阻网络 模型试 验等 猫 跳河 四级 江 垭热 水成因 隔 河岩 罗家坳 河间地 块 7* 岩 溶 洞 穴 堆 积 物 分 析 通过洞 穴充 填程 度 及 充 填 成 分、 颜 色 、 颗 粒 级 配、 包 含物 化石、 孢粉 等 、固结 程度 及物 理 力学 性 质等 研 究岩溶 发育 平面 和垂 向 分 布 规 律 , 分 析 岩 溶 和 新 构 造 运动、 古地 理气候 环 境 及 洞 穴形 成 水 动 力 条 件 等 的 关 系, 为 防渗 方案的 选择 提供依 据 乌 江渡 三 江口 江 垭 8* 岩 溶 地 下 水 示 踪 试 验 研究岩 溶地 下水 的 补 给、 径 流、 排 泄 条 件,计 算 地 下 水渗流 速度 , 根据 示 踪 过 程 分析 判 定 岩 溶 含 水 介 质 类 型、通 道性 质、规 模及 地下水 量等 广 泛运 用, 猫 跳 河四 级 、阿 岗 、 岩 滩、 大化、 隔 河岩 、 万家 寨 、 水 槽 子 、 江 垭、 乌 江 渡、 彭 水 等 9* 岩 溶 堵 洞 抬 水 或 抽 水试验 利用人 工堵塞 暗河 、溶洞 抬高 水位 或大 降 深抽 水 试验 , 观测地 下水 渗流 场,为 兴 建 溶 洼 水 库 、 溶 洞 水 库,渗 漏评价 和论 证某些 专门 岩溶地 质问题 提供 依据 湖 南广 西溶洼 水库中 广泛 运用 彭 水坝 址 右 岸 野 猫 洞 堵 洞 试 验 论 证页 岩“构 造窗” 渗漏 问题 东 风水 电站右 岸渗漏 研究 9水库岩溶渗漏问题研究 清江 招徕河 河段岩溶 水文 地质及 坝址选择 ① 刘世凯 武汉理工大学, 武汉 430063 摘要 该文是在较大面积工程地质测绘的基础上, 对 30 余公里长的河段内进行了 河床地球物理勘探工作, 从拟定的 6 个坝址中, 选择一个地质上可靠、水工布置上 可行、施工上可能的比较合理的坝址。由此, 在众多坝址研究比选过程中, 得出一 个启示 在岩溶地区选坝, 尤其是在岩溶水文地质条件复杂地区, 首先应考虑库坝 渗漏问题, 这样有利于加快水利水电工程建设的步伐。 关键词 岩溶 水文地质 坝址选择 1 引言 清江招徕河河段地形地貌、地质构造、地层和岩溶水文地质条件较为复杂, 经历数次查 勘, 在 30km 长的河段内选择了水布垭、盐池河、招徕河、石板溪、芭王沱、长岩屋 6 个坝 址。 清江招徕河河段是开发清江中游水力资源的重要梯级选坝地段。为此, 需在此河段选择 一个地质上可靠、水工布置上可行、施工上可能的比较合理的坝址。 该文系笔者在 20 世纪 80 年代作清江流域规划进行坝址比选时, 在 人民长江 上已发 表的论文, 1987 年曾作为水电部推广应用文章。现今再次发表, 对岩溶地区水利水电工程 岩溶水文地质分析论证及坝址选择仍有借鉴价值。 2 地质概况 清江招徕河河段地处鄂西中高山石灰岩峡谷地区。相对高差 170～1 700m。河谷深切, 山势险峻, 两岸悬崖壁立, 谷深壑幽, 可与长江三峡媲美的半峡就在其间。整个河段灰岩广 布, 更有奇峰异洞星罗棋布, 组成多姿多彩的岩溶地貌景观。 招徕河河段位于鄂西南新华夏系构造与长江中下游东西向构造西延部分的联合、复合部 位, 长阳复背斜是河段内的控制性构造。以渔峡口为界, 东段系长阳复背斜南翼的一系列东 西向构造, 其间叠加一套北北东向褶皱, 而西段则为北北东向构造 见图 1。从卷入的地 01西部水利水电开发与岩溶水文地质论文选集 ①作者 简介刘世凯 , 男 , 1940 年 10 月生 , 教授 , 长 期从事 工程 地质科 研和 教学工 作。 层看, 新华夏系与东西向构造体系两构造形迹形成时间应在印支晚期或燕山早期。喜马拉雅 运动以来, 鄂西山地处于大面积间歇性抬升中, 使区内呈现多级夷平面与不同的岩溶发育 期。 图 1 清江招徕河河段地质图 ∈2 寒武系 中统 ; ∈3 寒武 系上统 ;O1 奥陶 系下统 ;O2 3奥陶 系中、 上统 ; S1 志留 系 下统 ; S2 志留 系 中 统; S3志 留系上 统;D2 3泥盆 系中 、上统 ; C2 石碳系 中统 ; P1二 叠系下 统;P2 二叠 系上统 ;T1 三叠 系下 统;T2j 三叠 系中统 嘉陵 江组; I坝 址 河段内出露的地层, 古生界、中生界和新生界均有, 以古、中生界分布最广, 且多属碳 酸盐岩类和碎屑岩, 部分含煤层。古生代地层有寒武系中上统, 以白云质灰岩为主, 次为泥 质灰岩, 厚度约 1 400m; 奥陶系底部和中上统为泥质灰岩及页岩, 其他均为石炭岩, 厚度 约 380m; 志留系以砂岩、页岩为主, 厚约 1 600m; 泥盆石炭系, 除石炭系有 8m 厚的灰 岩外, 泥盆系为泥灰岩、砂岩及页岩, 厚约 130m; 二叠系除顶、底部为页岩夹煤层外均为 灰岩, 厚约 400m。中生界地层有三叠系, 除底部为薄层灰岩夹页岩外, 均为石灰岩, 厚约 1 500m。这些灰岩与白云质灰岩给岩溶发育提供了良好的物质基础。 3 岩溶水文地质 河段内碳酸盐岩类分布约占 70 , 其中以上寒武统三游洞组灰岩、奥陶系南津关组灰 岩、二叠系栖霞茅口组灰岩及三叠系大冶嘉陵江组灰岩及灰质白云岩岩溶最发育; 中寒 武统覃家庙群及奥陶系中、上统泥质灰岩, 岩溶发育次之。由于受岩性、构造及挽近期地壳 运动的控制, 使区内呈现多类岩溶形态共生的复杂组合形式。 岩溶含水岩组, 总厚 3 600m。含水岩组的富水程度主要取决于地质构造条件。在背、 11清江招徕河河段岩溶水文地质及坝址选择 向斜核部及大的断裂带岩溶发育, 且背斜核部往往侵蚀-溶蚀成谷,与向斜核部一样具有良 好的汇水条件, 因此这些部位有大量的泉水和暗河出现, 成为强富水带。整个河段内强富水 带大致有 1 三友坪向斜轴部, 分布岩溶发育的二叠系下统灰岩, 沿近南北向断裂形成多个岩溶 通道, 出现多股常年不干、流量较大的岩溶泉排泄于清江。 2 半峡背斜核部及两侧, 岩溶多顺层和沿断裂带集中发育, 在清江两岸及招徕河之 间, 枝柘坪龙王冲柳家山一带, 见多处岩溶泉及地下暗河分别排泄于清江和招徕河, 如 迷水洞及虎洞暗河就是实例。在此地带沟谷干涸, 地表水流甚少。 3 渔峡口一带, 恰为两个构造体系联合复合部位, 褶皱较强烈, 断裂发育。因而在黑 炭河口一带的二叠系灰岩中岩溶上升泉呈南北向线状分布, 其中有三处泉水流量较大, 终年 不干, 成为该河段别具一格的岩溶水文地质特征。 4 燕子岩向斜轴部, 位于黑、白炭河之间,三叠系大冶嘉陵江组灰岩中, 岩溶发 育, 多处岩溶泉水主要集中在向斜轴部, 总排水量估计达 150L/ s 左右, 在向斜轴部一带分 别向黑、白炭河排泄。 隔水岩组主要有泥盆志留系砂岩、页岩及二叠系龙潭组页岩, 大冶组底部页岩, 总厚 1 800 余米。含水岩组和隔水岩组基本处于相间分布,构成不同特征的地下水动力单元,特 别是巨厚的志留泥盆系隔水岩组的间隔, 使区内大致可分为三个大的岩溶水文地质单元, 即水布垭
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