刘家拱桥水库施工期发现岩溶水文地质问题及处理情况.docx
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刘家拱桥水库施工期发现岩溶水文地质问题及处理情况
刘家拱桥水库施工期发现的
岩溶水文地质问题及处理情况
二○一三年三月一日
目录
1刘家拱桥水库岩溶水文地质基本情况简述1
2施工中发现的主要岩溶现象及水文地质问题2
2.1放空洞施工中岩溶发育情况2
2.2坝址左岸岩溶发育情况5
2.3坝址右岸岩溶发育情况7
2.4坝址右岸勘探平硐岩溶发育情况10
2.5月儿洞泉12
2.5.1月耳洞泉出露特征12
2.5.2流量、水质及动态特征12
2.5.3月耳洞泉成因分析13
2.5.4月耳洞泉对水库影响分析16
3设计单位采取的应对措施及研究情况16
3.1对施工新发现的问题展开调查和分析16
3.2月耳洞泉调查、试验和研究17
3.3现场试验17
3.4平洞勘探17
3.5下一步对岩溶研究和出露的计划17
4施工期研究的认识18
5刘家拱桥水库溶洞工程处理措施18
5.1对已发现的溶洞工程处理措施18
5.1.1导流、放空洞18
5.1.2坝基19
5.1.3趾板地基19
5.2趾板及两岸灌浆平洞防渗措施19
刘家拱桥水库施工期发现的
水文岩溶地质问题及处理情况
渠县刘家拱桥水库于2010年开始施工，到目前为止已完成导流洞开挖，并正在进行放空洞衬砌浇筑；完成大部分左、右岸趾板开挖；河床段趾板已挖至岩基。
在导流洞开挖、坝基开挖施工过程中发现一些岩溶现象，主要是规模不同的溶洞、溶蚀裂隙。
这些岩溶现象对工程有什么影响，设计、监理、施工各方都非常重视，设计单位对发现的问题进行了补充调查、现场试验和专家咨询。
从2012年6月开始，先后请工程地质勘察单位、岩溶专题论证单位、水电部工程地质勘察大师等有经验的水电地质专家到现场调查、分析。
现将施工开挖已揭示的岩溶现象，结合各方专家调查、分析的意见，对刘家拱桥水库岩溶问题阶段性工作及处理措施作汇报。
1刘家拱桥水库岩溶水文地质基本情况简述
渠县刘家拱桥水库位于渠县以东的琅琊镇金马村境内渠江左岸支流冷水河上，水库坝址以上流域面积38.20km2,工程是以灌溉为主并兼有解决人、畜饮水及发电等综观利的水利枢纽工程。
水库正常蓄水位488.00m，水库总库容1497万m3，调节库容1180万m3，调洪库容108万m3，死库容209万m3，最大坝高76.80m，电站装机容量2100kW，为Ⅲ等工程。
渠县刘家拱桥水库坝址和库区主要地层为三叠系嘉陵江组和雷口坡组，岩性主要为灰岩和白云岩，为典型的岩溶区修建水库。
渠县刘家拱桥库区碳酸盐岩分布较广，岩溶发育主要受地形、地层岩性、断裂构造控制。
岩溶发育的主要类型，有典型的岩溶峰丛地貌，河谷地带发育有溶蚀孔洞、小型溶洞，分水岭地带，发育有溶沟、石芽和落水洞等岩溶地貌。
水库坝体主要建筑在三叠系嘉陵江组地层上，岩性主要为灰岩、白云岩互层夹盐溶角砾岩。
坝址上下游之间无隔水地层，坝址位置嘉陵江地层岩溶较为发育，在进行坝基防渗处理时，着重考虑岩溶对水库渗漏的影响。
2施工中发现的主要岩溶现象及水文地质问题
2.1放空洞施工中岩溶发育情况
放空洞开挖揭示多处溶洞，根据现场地质工作调查情况，将放空洞发现的地质及岩溶情况介绍如下：
放空洞地层岩性：
放0+000～放0+010m为白云质灰岩（T1J4-2），0+010～0+040m为角砾状灰岩（T1J4-1）,0+40～0+70m为f1断层带，0+70～0+352.88m为灰岩（T1J3）。
放空洞施工中的岩溶地质问题：
（1）放空洞0+000～放0+010m为白云质灰岩（T1J4-2）。
灰黄色，岩石破碎，强卸荷，裂隙发育张开夹泥重。
溶洞较发育，在外边顶拱顶部揭露出有3#、4#溶洞（见图2-1、2-2）。
3#溶洞顺洞向宽3米左右，垂直洞向宽3米左右，为一落水洞，直通地表。
上部是空的，下部为泥夹块碎石充填。
4#溶洞顺洞向宽3米（桩号0+8米～0+11米），垂直洞向宽3米左右，高6米左右，亦为落水洞，上部是空的，下部为泥
夹块碎石充填。
图2-1导流洞3#溶洞
图2-2导流洞4#溶洞
（2）放0+10～0+40m为角砾状灰岩（T1J4-1）,岩石破碎强风化并有较多的夹泥，性状差。
未见溶洞。
（3）0+40～0+70m为f1断层带，断层产状N20—30ENW∟60-
70º，断层带宽10-15m左右，断层带由断层泥、糜棱角砾岩及碎块岩组成，有镜面、擦痕及构造透镜体，挤压强烈。
在水的浸泡下迅速泥化。
工程地质性状极差。
该断层带具有明显的隔水作用，应为相对隔水层。
0+70～0+352.88m为灰岩（T1J3）,岩层产状N20-30ENW∟50-70º层裂发育，另N50-60ESE∟30-50º裂隙密集发育，并多有方解石脉充填。
层面与该组裂隙常组合成不利的组合，使顶拱及边墙失稳，产生掉块或塌滑。
该层沿层面及裂隙发育众多的不规则的、大小不一的溶洞，后期大部分均被粘土充填满，仅局部有留下较小的空洞（见图2-3、图2-4）。
岩石多为强风化并夹次生泥。
图2-3导流洞5#溶洞
图2-4导流洞6#溶洞
在桩号0+301～0+293m段外侧顶拱拱座以上部位（438.4m）有一较大的溶洞（见图2-5），顺洞向可见长8m左右，垂直洞向宽3m左右、高3m左右，斜上向外。
上部是空的，底部堆积有块碎石粘土及石灰华。
干燥、无水。
图2-5导流洞2#溶洞
在桩号0+291～0+281m段里侧边顶拱拱座以上部位（438.36m高程以上）有一目前发现的最大溶洞之一。
顺洞向可见长10m左右，垂直洞向宽3-4m左右，高约3-4m斜向上游山里延伸，延伸方向约N60E，上部是空的，底部堆积块碎石、石灰华、粘土。
溶洞顶部还可见有落水洞相连。
从1#、2#溶洞出露形态来看，初步判断为向上游，向山里延伸（N60E方向）的溶洞，底板坡度可能较大。
另从1#、2#溶洞规模、形态及位置来分析很可能两者为同一溶洞。
另在放空洞出口外侧边墙（底板高程上），桩号0+361～0+348m有一落水洞，口宽3×2.5m左右椭圆形，深不见底，甩石头下去可听见水声（估计在冷水河边水位以下）。
此落水洞是从山里斜向冷水河边发育的。
初步结论：
坝址左岸溶洞发育方向主要为垂直河流走，规模不大，岩溶发育受f1断层带影响较大，f1断层带为相对隔水层，以f1为界里侧灰岩（T1J3）近f1断层带附近（约30m左右）为溶洞最发育的区段。
其次为f1断层带外侧白云质灰岩（T1J4-2）溶洞较发育。
2.2坝址左岸岩溶发育情况
坝基开挖中，在坝轴线下游地区发现较多的溶洞、落水洞，规模大小不一，规模稍大的溶洞见于坝左岸的f1断层附近。
根据现场开挖在坝址区左岸揭露三个溶洞（图2-6）。
其中，L1溶洞高程最高，经开挖以形成边坡，据施工人员介绍，该溶洞深度不大，可见底，发育方向大致倾向于冷水河一侧。
L2溶洞已被开挖后碎石充填。
L03发育于导流洞出口一侧，溶洞近层理发育，向里逐渐变窄，洞内黄泥半充填。
图2-6坝址区开挖揭露溶洞分布图
图2-7冷水河左岸L1溶洞
图2-8冷水河左岸L3溶洞
表2-1坝址区溶洞统计表
溶洞编号
溶洞位置
高程
相对河岸位置
坝0±X
轴0±Y
L01
131.726
62.55
461.437
左岸
L02
107.682
67.721
449.003
左岸
L03
--
--
--
左岸
R01
120.368
155.275
446.97
右岸
R02
118.968
155.839
446.756
右岸
R03
110.043
156.409
447.208
右岸
R04
88.019
156.81
448.082
右岸
R05
72.942
157.175
446.422
右岸
R06
69.323
158.122
444.679
右岸
R07
59.068
155.403
445.183
右岸
R08
48.275
150.628
444.396
右岸
2.3坝址右岸岩溶发育情况
坝址区右岸在开挖过程中揭露规模不同的溶洞，溶洞分布高程集中于444～448m。
各溶洞发育特征简述如下：
R01：
该溶洞已全部揭露，揭露面溶洞高1.5m，宽约1m，溶洞内由深色泥质物全充填。
为顺层理发育溶洞，四周基岩为深灰色中厚层
J2
J1
图2-9冷水河右岸R1溶洞
图2-10冷水河右岸R2溶洞
状灰岩，溶蚀孔洞发育，黄泥充填。
R02：
该溶洞已全部揭露，揭露面溶洞洞口高0.6m，宽约1m，溶洞内无充填，溶洞壁附黄泥。
洞口往里不足1m即见洞壁，洞内向上约1.5m溶洞尖灭消失。
溶洞口发育两组节理，分别为J1：
201°∠49°、J1：
29°∠71°，溶洞发育总体方向与J2一致，洞内往上即沿J2歼灭，但顺节理形成的溶蚀空洞可见。
图2-11冷水河右岸R3溶洞
图2-12冷水河右岸R4溶洞
R03、R04：
为沿同一岩层面形成溶蚀裂隙带，由多个小型溶洞组成，溶洞呈近似圆形，直径均在0.2m以下。
经开挖后溶洞出露位置为平台，与R01、R02为不同高程发育溶洞，从平面上看为一系列竖井，调查时为开挖碎石大部充填。
从下一级平台形成剖面可知，溶洞发育位置处发育两组节理：
J1：
194°∠31°，裂隙率为1条/m，裂隙宽度5～20mm，大部为黄泥充填，节理面有溶蚀现象。
该组裂隙发育不均一，裂隙密度发育大的地方溶蚀空洞发育，形成小型溶洞；裂隙密度小的地方溶蚀空洞相对不发育；并且同一裂隙面岩溶发育不一，呈现中间形成小型溶洞，上下溶蚀裂隙连通的葫芦状形式。
J2：
5°∠74°，裂隙率2条/m，裂隙宽5～30mm，形成多段溶蚀空洞，褐黄色粘土充填，粘土充填厚度可达20mm，溶蚀现象发育。
R05：
为顺层理面发育溶洞，洞口长0.45m，宽0.2m；洞内不规则，洞壁附黄泥，洞内为开挖块碎石充填，发育深度不详。
R06、R07溶洞均与R05一样为顺同一层理面溶蚀形成的溶洞，溶洞规模均较小，发育深度不大，上下均以顺层溶蚀裂隙的形式贯通。
值得注意的是，发育于同一层面的小型溶洞所处的演出产状近于直立，开挖揭露的完整岩层面上均附着一层黄泥，亦有水流痕迹，可见地下水活跃性较强。
J2
J1
图2-13R3、R4溶洞顺节理溶蚀扩大
图2-14冷水河右岸R5溶洞
R08：
洞口呈近似圆形，直径约0.45m，溶洞顺节理发育，溶洞四壁均为褐黄色粘土附着；洞口冒白气，温度明显高于外部，向下投掷石块均无反应；洞口向下延伸方向为J2节理面，溶洞上部节理面溶沟发育，泥质充填。
根据溶洞下方溪沟处观测，发育两组节理：
J1：
211°∠36°，裂隙率为1～2条/m，裂隙宽度5～20mm不等。
该段裂隙将基岩分成多块，溶蚀孔洞发育，褐黄色泥质充填。
裂隙连续性强，在可视范围内延伸至溪沟底部。
J2：
39°∠44°，裂隙率可达5条/m，裂隙连续性强，延伸至溪沟底部。
裂隙面平直，宽约5～10mm，与R08发育方向一致。
根据该溶洞的发育方向以及溶洞下方溪沟的裂隙发育方向，初步推断该溶洞主要顺J2发育，并在下部与J1贯通，延至河床底部，其连通性能为坝址区发现的溶洞中最强。
J1
J2
图2-15冷水河右岸R8溶洞
图2-16R8溶洞下方裂隙发育
2.4坝址右岸勘探平硐岩溶发育情况
对在坝址右岸435m高程正在施工的平硐进行调查，平硐设计洞深约50m，现已掘进约35m。
从平硐揭露情况分析，其岩溶发育主要表现在：
（1）洞口顺层岩溶裂隙发育，裂隙一般宽1～2mm，黄色粘土半充填或全充填；
（2）平硐约20m位置处发育充填型溶洞一个，洞内全为黄泥充填，溶洞呈扁长型，溶洞延伸方向与岩层倾角相反；
图2-17洞口顺层岩溶裂隙发育
图2-18平硐内充填型溶洞
（3）平硐约35m有一近垂直发育的溶洞，溶洞呈近似圆形，直径约60cm，洞向上延伸约2m，未与上部地表连通。
该溶洞未充填，黄泥附壁。
据对掘进平硐的工人访问，该溶洞未继续向河流下部延伸，平硐开挖的顶面基本为原溶洞底部。
图2-19冷水河右岸平硐岩溶发育示意图
2.5月儿洞泉
月耳洞泉位于刘家拱桥水库坝址下游约1km处冷水河河谷左岸，孙家沟与冷水河交汇处下游约30米左右。
2012年12月，2013年1月18-21日，为了解月耳洞泉成因，对坝址左岸岩溶发育进行调查。
2.5.1月耳洞泉出露特征
泉水出露点构造上位于华蓥山背斜北西翼，泉水出露地层为上三叠统嘉陵江组第四段（T3xj4）近底部，岩性为黄灰色、灰色薄层～中薄层状白云岩，产状280°∠65°，泉口附近岩层溶蚀裂隙发育。
泉口位置高出冷水河河床约2m，出露高程约400m，泉口呈不规则状，泉水从岩石顺层裂隙及溶蚀裂隙中以散股状形式流出（图2-20）。
2.5.2流量、水质及动态特征
月耳洞泉未进行过长期流量动态观测，但区域多次地质工作均实测了该泉流量。
本次通过现场流量测定，并结合收集的以往流量观测
表2-2月耳洞泉出露特征及流量观测统计表
标高
（m）
含水层
流量观测
露头处地形
及出水特征
泉水
类型
动态
变化
层位
岩性
日期
（年、月、日）
流量
（L/s）
400
T1j4
底部
白云岩
1991.9.3
110.00
冷水河左岸边溶洞口流出。
岩溶下降泉
终年不干
2007.11.24
223.49
2008.7.19
30.928
2012.12.14
10
资料（表2-2），来分析该泉的动态变化特征。
从月耳洞泉流量可以看出，该泉流量受季节影响变化较大，其流量不稳定系数可达22倍。
泉水无色无味，清澈透明。
2.5.3月耳洞泉成因分析
（1）月耳洞泉补给来源分析
据调查冷水河左岸岩溶极为发育，在左岸发育有大量的落水洞。
根据对孙家沟调查发现枯水期孙家沟出现部分河段有径流、部分河段干涸的现象，其下游干涸位置溪沟流向和岩层倾向一致（图2-21），溶蚀裂隙及溶洞顺层发育，沟水在流向下游过程中通过溶蚀裂隙和溶洞由地表径流转入地下，经地下岩溶管道流向相对位置低的冷水河河谷处排泄，因此可以推测沟水通过地下径流在月耳洞处向冷水河排泄。
图2-20月耳洞泉出泉口特征
图2-21孙家沟干涸段
另据当地人介绍，丰水期能从孙家沟和冷水河交汇位置处的沟谷里听到地下暗河流水声音。
（2）根据入渗系数法推算泉水流量
月儿洞泉的水文补给面积3.95平方千米，该地区入渗系数约为0.55，根据计算公式
入渗量=h*S/（30*24*3600）*λ
H—渠县多年平均月降雨量
S—月儿洞泉水补给水文单元面积
λ—研究区地表入渗系数
渠县地区多年平均降雨量数据见图2-22。
图2-22渠县多年平均月降雨量
因此次可以看出，月耳洞泉在南东侧的补给入渗量已经大于月儿洞泉的流量，因此，推测月耳洞泉主要补给来源是左侧孙家沟的补给。
计算所得的各月份入渗量见图2-23。
结合上述分析：
月耳洞泉主要是南东侧的孙家沟一带补给，但是否存在坝址上游地区的补给尚不能完全排除，因此下一步需对月耳洞泉展开调查并进行野外试验以查明其成因。
图2-23月耳洞泉补给水文单元月入渗量
图2-24月耳洞泉水文地质剖面图
（3）月耳洞泉径流通道分析
通过以上分析，推测补给月耳洞泉的地下径流通道主要是垂直于冷水河的地下岩溶管道的横向补给，即来自于坝址东侧的补给，其成因模式图见图2-25。
图2-25月耳洞泉成因模式图
2.5.4月耳洞泉对水库影响分析
补给月耳洞泉的地下径流通道主要是垂直于冷水河的地下岩溶管道的横向补给，即来自于坝址东侧的补给，因此月耳洞泉对水库蓄水影响不大。
但是冷水河左岸顺层岩溶比较发育，可能存在顺层岩溶系统，需在施工过程中进一步加强研究。
3设计单位采取的应对措施及研究情况
3.1对施工新发现的问题展开调查和分析
针对现场地质工作人员反映的地质情况，设计单位非常重视，并多次组织有丰富的工程地质、水文地质、水利水电相关专家到现场进行调查试验，并安排做了进一步相关工作。
3.2月耳洞泉调查、试验和研究
月儿洞泉位于坝址下游，十分敏感，发现月耳洞泉后，先后开展了泉域补充调查、联通试验准备，今后将结合工程施工进一步开展对月耳洞泉的研究工作。
3.3现场试验
R08在坝址区为发育相对完整溶洞，为了解溶洞发育方向及连通情况，结合现场岩溶调查，对R08进行了简易连通试验，明显注水出露点位于冷水河河床高程。
3.4平洞勘探
在发现问题后，设计单组织相关人员调查后，在河流左右两岸进行了补充开平洞勘探工作，于河流两岸设计两个平洞，右岸洞身长50米，左岸洞身长150米，目前已完工。
3.5下一步对岩溶研究和出露的计划
（1）对发现的岩溶进一步结合地质、水文地质进行深入研究。
（2）对在坝址中发现的溶洞和裂隙及时进行出露。
（3）结合帷幕灌浆，开展坝基渗透性试验和研究，查明坝基岩溶发育条件。
（4）结合帷幕灌浆试验，开展坝趾板位置河床段地基深层岩溶物探探测，查明帷幕灌浆合理深度范围。
4施工期研究的认识
（1）工程区碳酸盐岩可溶岩广布，岩溶总体比较发育，这些问题已在前期专题研究报告中明确，施工期发现新的岩溶现象和地质问题是岩溶区水电工程中常见的现象。
（2）施工期坝址发现一些规模不同的溶洞，但总体上看来，溶洞规模和其方向并未顺河流向延展，因此对筑坝工程影响有限，不会对大坝造成致命威胁，可以通过工程手段解决相关岩溶地质问题。
（3）初步认为，坝址下游河边出露月耳洞泉水主要来源于左岸地下水测向补给，尚无法排除存在少量上游地下水补给的可能性，将进一步对该泉进行调查，采取野外试验等方法以查明其确切的补给来源。
5刘家拱桥水库溶洞工程处理措施
5.1对已发现的溶洞工程处理措施
5.1.1导流、放空洞
由导流、放空洞洞身开挖过程发现的大大小小溶洞调查结果证明，所有溶洞均为落水洞，他不影响水库蓄水安全和渗漏，仅对隧洞围岩的稳定和支护衬砌结构造成影响。
一部分溶洞不仅体积小，而且洞内已填充了原生的土石，对这部分溶洞可不进行处理；一部分溶洞紧贴临时支护，在施工临时支护时已对该溶洞进行了回填充填处理；对余下的尚未处理的溶洞，在混凝土衬砌完成后，通过回填灌浆和固结灌浆一并处理。
5.1.2坝基
大坝地基开挖中已发现的溶洞也均为落水洞，不影响水库蓄水安全和渗漏。
由于所发现的溶洞体积均较小，较大洞R8位于坝轴线下游部位，对坝体的变形影响较小，故采用石块直接回填处理。
5.1.3趾板地基
目前已开挖的左、右岸趾板部位地基尚未发现溶洞存在，在开挖余下部分趾板地基中，若发现溶洞应采用回填混凝土和灌浆处理措施。
5.2趾板及两岸灌浆平洞防渗措施
为了进一步查明坝基防渗线下部地层会不会出现影响水库渗漏通道的贯穿性溶洞，拟结合趾板和左岸灌浆平洞的帷幕灌浆试验中，增加100~120M左右的深先导孔勘察，并进行压水试验，查明地层深处是否存在贯穿防渗线上下游的溶洞存在，并提出相应的处理措施。
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