乌江构皮滩水电站工程地质（龚大庆,尹春明,向能武,李俣继）

摘要: 构皮滩水电站经过40余年的勘察研究，经历了从规划、预可行性研究以及可行性研究3个完整的勘察阶段，取得了丰富的勘察成果，查明和解决了所有与工程有关的重大地质问题。其间还进行了区域构造稳定性及地震、坝址比较、拱座稳定等专题研究。着重介绍了构皮滩水电站库、坝址区工程地质条件及主要地质问题并对主要建筑物工程地质作了简要的评价。

关 键 词: 工程地质;地质问题;构皮滩水电站;

中图分类号: P642 文献标识码: A

1 勘察工作概况

乌江构皮滩水电站位于乌江中游贵州省余庆县境内，控制流域面积43250km2 ，占全流域面积的49.2%。电站为Ⅰ等工程，主要永久建筑物有混凝土抛物线型双曲拱坝、右岸地下式电站厂房、泄洪消能建筑物、左岸三级垂直升船机等。设计坝顶高程640.5m，最大坝高232.5m，正常蓄水位630m，水库总库容64.65亿m3 ，电站装机容量3000MW，多年平均发电量96.67亿kW•h，是乌江干流梯级开发中以发电为主，兼顾航运、防洪等综合效益的大型骨干工程。

构皮滩水电站的前期地质勘察工作始于1957年，从1981年起又系统的开展了勘察工作，先后经历了3个完整的勘察阶段，即规划阶段、预可行研究（等同可行性研究）阶段、可行性研究（等同初步设计）阶段。其间进行了区域构造稳定性及地震、坝址比较、坝线比较、拱座稳定等专题研究，目前正在全面开展施工期的地质工作。

历时40余年的勘察研究，查明和解决了与工程有关的所有重大地质问题:

（1）对工程区的区域构造稳定性进行了研究，确定了库坝区不同超越概率条件下的地震动参数和地震烈度值。

（2）研究了水库渗漏、库岸稳定、水库诱发地震等环境地质问题，并得出了明确的结论。

（3）勘探比较了上、下两个坝址及下坝址Ⅰ、Ⅱ两条比较坝线的工程地质条件，通过综合比较并与设计部门共同研究，选定下坝址Ⅱ坝线为混凝土拱坝轴线。

（4）查明了与建筑物有关的层间错动、断裂构造、岸边卸荷的分布特征及其性状，论证了拱座稳定性及大型地下洞室围岩类别及稳定条件。

（5）查明了坝址区岩溶及水文地质条件，进行了坝址防渗的线路比较，选定帷幕线两岸向下游接S2h 层粘土岩隔水层，深部接弱岩溶相对不透水层。

（6）通过多年的天然建筑材料的勘察与研究，确定混凝土骨料采用人工骨料，料源选用坝址附近官井料场的T2-21y 、T2-31y 灰岩。防渗土料场选用堕坪土料场。

2 区域地质环境

2.1 区域地质及地震

（1）区域构造背景及地壳稳定性。库、坝区处在大地构造单元上位于扬子准地台上扬子台褶带内，除缺失泥盆、石炭纪地层外，沉积了寒武、奥陶、志留、二叠及三叠系的碳酸盐岩及碎屑岩。燕山运动使区内发育良好的古生界至三迭系沉积盖层强烈褶皱、断裂，为本区构造和地貌形态奠定了基础。

新构造运动时期，区内总体上呈大面积间歇性隆升，层状地貌特征明显，早期夷平面无变形和解体现象，乌江及支流河谷阶地连续完整。挽近期以来，区内几条主要断裂差异活动微弱，为弱活动和不活动断裂。坝区北东向断裂，规模小，构造岩胶结坚硬，在地貌上亦未发现第四系的变形破坏，结合断层测年资料分析，表明其最新活动年代不晚于早更新世的中、挽期。

重力资料反映，区内重力值由东部向西部逐渐下降，重力异常变化平稳，反映本区深部构造不复杂地壳结构较完整，地壳稳定条件较好。

（2）坝址区地震基本烈度。在库坝区较大范围内，历史上无中强地震记载，近期地震活动亦十分微弱，其中不小于5级地震的震中距坝址均在100km以远，不小于4级地震的震中距离坝址约在35km以远，属于弱震环境中地震活动更加微弱的地区。

1986年云南省地震局对构皮滩水电站工程区地震烈度进行了复核鉴定研究，认为“构皮滩工程场地地震基本烈度以Ⅵ度为宜”，并经国家地震局地震烈度评定委员会审查同意。据《中国地震动参数区划图》（2000年），50a超越概率10%，地震动峰值加速度小于0.05g，相应地震基本烈度小于Ⅵ度。

（3）水库诱发地震。根据库、坝区基本地质条件及各库段诱发地震条件的分析和可能性评价认为，构皮滩水库蓄水后诱发地震的可能性是存在的，但诱发地震以岩溶塌陷型为主，构造破裂型水库诱发地震的可能性较小，浅表应力局部调整型可能有零星发生。水库诱发地震的强度一般为微震—极微震。从安全考虑，岩溶型水库诱发地震的震级按4级考虑，则震中烈度约Ⅵ度，不超过坝址地震基本烈度。

2.2 水库环境地质

（1）构皮滩水库与邻谷之间分水岭宽厚，并有多层隔水岩层阻隔，水库不会向邻谷渗漏。对左岸库首段的中寨向斜南端受箐口断层破坏可能渗漏部位的研究表明，由于断层带及分水岭岩体地下水位高于水库正常蓄水位，且隔水层未被断层完全错断，库水不会绕向斜翘起端和沿箐口断层向坝址下游渗漏。

（2）水库岸坡主要由坚硬的碳酸盐岩组成，大部分库段为横向谷、斜向谷和陡倾的纵向谷，库岸稳定条件较好。库区共发现体积大于60万m3 的崩滑体7处，其中大于100万m3 的4处，目前均处于稳定和基本稳定状态，水库蓄水后，坝址以上60km范围内的3处滑坡全部被库水淹没，距坝址60km以远的其余5处崩滑体除下漩塘滑坡处于库水位以上外，其余均大部分淹没，如失稳入库所造成的涌浪对大坝安全没有影响。

（3）水库两岸不存在大范围的浸没和矿产淹没问题，但在水库蓄水后，由于库水顶托，岩溶管道水力坡降变缓，排洪能力降低，现在暴雨季节被淹没或有积水现象的洼地，以后其淹没时间会增长，积水范围会扩大，现在暴雨季节未受淹没或无积水现象的低洼地，以后可能会被淹或有积水现象。

3 坝址工程地质条件

3.1 河谷地貌

坝址处为坚硬灰岩形成的“V”型对称峡谷，两岸山体雄厚，临江峰顶高程722～837m。河谷狭窄，岸坡陡峻，两岸高程550m以上，岸坡坡度30°～40°，以下为55°～65°，部分近直立。正常蓄水位630m处，河谷宽一般为350～550m，局部软弱岩组地段宽达600～700m。河床枯水位430～432m，相应水面宽35～60m，水深一般6～12m，局部达20m。河床覆盖层厚2.5～8m，局部13m，河床基岩面高程405～427m。

坝址以下为较软弱砂、页岩展布的河段，河谷开阔，两岸岸坡坡度25°～35°，地形相对较宽缓（图1）。

3.2 地层岩性

坝址出露地层从上游至下游为二迭系—寒武系中、上统，其中石炭系、泥盆系及志留系上统缺失，第四系零星分布。二迭系上、下统######（P2c 、P2w 、P1m 、P1q ）、奥陶系中统（O2sh+b ）及下统红花园组（O1h ）主要为中厚层、厚层微晶生物碎屑灰岩;志留系中、下统（S2h 、S1sh 、S11 ）、奥陶系下统湄潭组（O1m ）以粘土岩、页岩、粉—细砂岩为主，局部夹瘤状灰岩;奥陶系下统桐梓组（O1t ）主要为白云岩、灰质白云岩。

3.3 断裂构造

坝址处于中寨向斜东翼，金豆湾断层（F5 ）与通木坪冲断带（F2 、F3 、F4 ）之间的单斜构造部位。岩层走向北东30°～35°，倾向北西（上游），倾角40°～55°。断层、层间错动、裂隙是坝址主要构造形迹。坝址区地表共有断层77条，其延伸长度以小于100m为主。断层走向以北西、北西西为主，北东向次之。其中，北西、北西西向断层主要为正—平移断层，倾角多大于70°，断层带主要为钙质胶结的角砾岩，宽一般为0.1～0.4m，多溶蚀强烈。北东向断层为逆—平移断层，倾角多大于60°，断层带宽一般0.1～0.5m，由角砾岩及压碎岩组成，局部溶蚀成缝。

坝址49个平硐共揭露小断层770条，其延伸长度多在30m以下，走向以北西、北西西为主，倾角多大于70°。断层的溶蚀程度以北西西向最高，其次为北西向，两者的溶蚀率均在60%以上，北东向断层溶蚀程度相对较弱。

层间错动按其发育部位的岩性特征可分3类:Ⅰ类发育于坚硬的灰岩中，错动带宽0.1～0.8m，为方解石或钙质胶结角砾岩，除少数####（Fb82 ）溶蚀较弱外，其余一般溶蚀较强，性状较差，如Fb91 、Fb92 、Fb112 、Fb113 、Fb82 等;Ⅱ类发育于波—链状含炭、泥质生物碎屑灰岩中，错动带宽一般0.02～0.1m，具片理化及揉皱现象，沿错动面以风化为主，溶蚀相对较弱，多发育在P1q 层中，如Fb81 、Fb93 、Fb54 、Fb59 等;Ⅲ类发育于软弱岩层中，如P2-11m 层底部夹层组中的Fb122 、Fb121 、P1L 、O31m 、O11m 层中的Fb115 、Fb116 、Fb117 等，错动带中页岩、粘土岩糜棱化、片理化，易风化且遇水易软化、泥化，性状差。

坝址裂隙主要有4组，以走向275°～300°和走向301°～330°两组为主，走向331°～350°和走向20°～40°两组次之;裂隙倾角多为陡倾角（60°～80°），缓倾角及反倾向裂隙不发育。

3.4 岩溶及水文地质

坝址以碳酸盐岩为主，岩溶发育，主要的岩溶形态地表有溶沟、溶槽等，地下有溶洞、竖（斜）井及溶缝等。岩溶的发育程度受岩性、构造控制比较明显，规模较大的岩溶洞穴、地下暗河等均分布于成层厚度较大的较纯灰岩中或沿规模较大的层间错动和断层发育。岩溶在平面分布上具分区、分带特征，总体上两岸岩溶比河床发育，右岸岩溶比左岸发育，分带性表现在坝址岩溶洞穴多沿一定的层位和断裂呈带状分布，如####P2-11m 层中、上部及P1-21m 层底部的顺层风化—溶滤带、P2-31m 层上部宽12～15m范围的古侵蚀—强溶蚀带及沿层间错动、断裂发育溶洞、暗河等。岩溶的垂向分布具成层性，大型水平溶洞主要分布在高程430～445、460～480、500～515m，与河床高漫滩、Ⅰ～Ⅱ级阶地相对应，各层水平溶洞间常以竖井、斜井及溶缝等相连通，高程410m以下深岩溶发育较弱，并具随深度增加而减弱特征。坝址P1-12w 、P21m 2、P11m 、P41q 等层发育的岩溶洞穴可归结为5个主要岩溶系统，其中左岸有5、7号岩溶系统，右岸有6、8号及W24 岩溶系统，此外，在O2sh+b 、O21m 等层灰岩中发育有W2 、W3 、W4 等规模较小的岩溶系统。

坝址区为单斜中倾的强、弱（非）岩溶岩组相间分布的层状水文地质结构，各岩溶含水层除P12w 和P21m 层外，其余均形成各自独立的地下水运移和排泄系统。区内地下水属HCO3 -Ca型中硬水，矿化度低，一般0.15～0.28g/L，呈中—弱碱性，对混凝土无侵蚀性。

4 坝址主要地质问题

4.1 NWW及NW向断裂

NWW及NW向陡倾角断层和裂隙为坝址区主要的断裂构造。坝址区地表发育走向285°～315°的断层共41条，占地表调查断层总数的53.2%，其长度以小于100m为主，沿断裂一般溶蚀较强，多形成溶蚀宽缝，粘土夹碎石充填或无充填。平洞共揭露NWW、NW向小断层共509条，占平洞揭露断层总数的67.6%;断层倾角多大于60°，其平均间距7～10m，局部密集发育;断层的溶蚀程度在不同的部位和层位虽有所差别，但总体溶蚀强烈，其溶蚀率高达79%～94%，多形成填泥溶缝或发育串珠状溶洞，且由于其溶蚀强烈，从而构成坝区主要导水空间，并严重破坏了岩体的完整性。NWW、NW向裂隙占平洞揭露裂隙总数的58.8%，长度一般1～2m、宽度1～5mm，平均线密度1～3条/m，平均溶蚀率达29.1%。

4.2 层间错动

坝址规模较大的层间错动共18条，其中，Ⅰ类层间错动多具溶蚀现象，是坝址岩溶发育的主要部位，局部沿层间错动与NWW、NW结构面交汇部位发育规模较大的溶洞;Ⅱ类层间错动带的片状构造岩或糜棱岩一般风化较强，局部溶蚀较强，力学强度低;Ⅲ类层间错动带部分宽度较大，构造岩风化、泥化较强，性状差。

4.3 软弱夹层

坝址软弱夹层主要有P1-12w 层底部厚3～5m的粘土岩及0.5～1m的透镜状劣煤层、P2-11m 层底部厚3.5～4.4m的Ⅲ01 夹层组。其中P1-12w 层底部的粘土岩与煤层岩性软弱，顺层挤压破碎强烈，其上、下部灰岩溶蚀较强，形成宽约10～20m的强溶蚀带;Ⅲ01 夹层组分布连续，性状较差，尤为顶、底部最差，泥化层多呈软塑至流塑状。此外于P2-11m 层下部及P2-31m 层中，上部还分布有厚度不大的炭、泥质灰岩、页岩软弱夹层，一般分布不连续，断续泥化。

4.4 岩溶

坝址区以碳酸盐岩为主，岩溶较发育，且具有沿一定层位和断裂发育的特征。坝址岩溶以地下岩溶为主，主要的岩溶形态有暗河、溶洞、竖（斜）井、溶蚀宽缝等，根据岩溶洞穴的空间分布及地下水动态特征，坝址岩溶洞穴可归结为8个岩溶系统，其中5、6号岩溶系统分布于坝址上游，7、8号岩溶系统主要分布于坝基及拱座岩体中，W24 岩溶系统分布于地下厂房区，其余3个岩溶系统分布于坝址下游。

4.5 谷坡岩体卸荷

坝址处于峡谷区，谷坡岩体卸荷作用明显，其水平深（宽）度一般在460m高程以下小于15m，460m高程以上为20～30m，坝址下游峡谷出口陡崖地形两面临空，其卸荷带水平深（宽）度可达40m左右。卸荷带岩体中裂隙发育且规模较大，裂隙的溶蚀程度也较高，局部卸荷裂隙密集发育，属完整性差或极差的岩体。

5 主要建筑物工程地质条件及评价

5.1 大坝

大坝坝基岩体为二迭系下统茅口组第一大层（P11m ）中厚层—巨厚层状灰岩，岩层倾向上游，倾角45°～55°，坝基及拱座岩石坚硬，饱和抗压强度70～80MPa，岩体比较完整，变形模量20～35GPa。

左岸于P11m 层发育的7号岩溶系统规模较小，主要是一些沿NW、NWW向断裂发育的小型缝状溶洞;右岸P11m 层发育的8号岩溶系统规模亦不大，主要发育于Fb112 ～Fb113 一带及Fb86 附近，岩溶洞穴大部分已被粘土、砂及碎块石等全充填，高程510～570m发育有K280 溶洞，是右岸大坝建基岩体中主要的岩溶发育部位。

两岸拱座岩体中反倾向及缓倾角断裂不发育，不存在连续性较好的反倾及缓倾结构面构成的底滑面，有利于大坝抗滑稳定。但两岸拱座岩体中NW、NWW向陡倾角断裂发育，且溶蚀强烈，构成拱座抗滑稳定不利的侧向切割—滑移面;NE向裂隙发育较少，分布零散，不能组合成连续性较好的横向切割面。经不利组合体稳定性验算，在大坝运行后，两岸屈服区均基本上沿软弱结构面和软弱岩体产生，在对这些部位加固处理后，拱座抗滑稳定能满足规范要求。

两岸拱座岩体岩质坚硬，强度较高，但拱座岩体中存在有规模较大的溶洞及连续性较好的溶蚀夹泥层，如右岸的#####K280 溶洞、两岸Fb112 、Fb113 层间错动及P1-21m 层底部的风化—溶滤带等，对拱座变形稳定影响较大，因此，对上述地质缺陷必须进行处理。

总之，坝基及两岸拱座岩体能够满足高拱坝对地基的要求。大坝防渗，左岸帷幕线出坝肩后接S2h 层页岩隔水层，右岸出坝肩后外包地下厂房，然后接S2h 层页岩隔水层。防渗帷幕下限在大坝和厂房部位利用相对不透水岩体（q<1Lu），一定高程以上为3Lu。

大坝下游泄洪消能水垫塘塘基有部分为软弱的砂页岩，抗冲能力差，需进行工程防护。灰岩段两岸边坡较陡，但整体稳定较好。

5.2 地下厂房

地下厂房布置于右岸，主厂房宽27m、高75.32m、长234.45m，其上覆岩体厚度约300m，轴线与岩层走向夹角40°～45°，围岩为######P1-11m ～P21q 层灰岩，主要为基本稳定Ⅱ类围岩，在局部构造发育部位、8号岩溶系统及W24 岩溶系统管道发育部位存在稳定性差—极不稳定的Ⅲ～Ⅴ类围岩。地下厂房区地应力水平较低，最大主应力12MPa，主应力与厂房轴线夹角约32°。总体而言，地下厂房的成洞条件较好。施工期对局部存在NW、NWW向小断裂与层面或层间错动组合构成的不稳定块体进行了加强锚固处理;4、5号机组顶拱及上、下游边墙W24 岩溶系统溶洞发育部位，应进行专门的工程处理。

主变室宽15.8m、高21.34m、长207.1m，围岩为P41q ～P21q 层，主要为基本稳定Ⅱ类围岩，局部有少量稳定性差的Ⅲ类围岩，围岩总体稳定条件较好。局部存在由NW、NWW向结构面与层间错动组合构成的小型不稳定块体应加强锚固支护;对局部存在的W24 岩溶系统小型分支管道溶洞应进行清理回填混凝土处理。

尾水调压室围岩为P41q ～P11q 层，以基本稳定Ⅱ类围岩为主，局部为稳定性差的Ⅲ类围岩。

在调压室右侧W24 岩溶系统管道及沿Fb81 层间错动发育的分支管道部位，围岩稳定条件差，对溶洞及其充填物应进行清理回填混凝土处理。

引水隧洞穿越P2-31m ～P21q 层，以坚硬岩为主，以基本稳定Ⅱ类围岩为主，局部如Fb91 、Fb92 、Fb112 等层间错动发育部位、P2-11m 层中部风化—溶滤带、Ⅲ01 夹层组及P1-11m 层顶部风化—溶滤带等软弱层带分布部位围岩稳定条件较差，应加强支护;对隧洞遇到的6号、8号岩溶系统的溶洞，应进行专门处理。

尾水隧洞穿越P1L ～O31m 层软岩段地质条件较差，围岩主要为Ⅲ～Ⅴ类围岩，其成洞条件差，且两机一洞开挖断面尺寸较大，必须采取合理的、切实有效的工程措施进行开挖与支护，以确保施工安全及围岩稳定。

尾水出口位于####O31m ～O31m 层软岩，边坡稳定条件较差，对出口边坡应采取合理的开挖坡比并加强边坡整体支护，施工中采取合理的开挖支护程序，以确保边坡长期运行安全。

6 天然建筑材料

乌江缺少天然砂砾料，混凝土骨料需人工制备，坝址附近的官井料场为T2-21y 、T2-31y 层灰岩，岩石饱和抗压强度大于60MPa，骨料无碱活性反应，储量和质量均能满足要求，开采运输条件好，可作为大坝及主要建筑物的混凝土骨料。防渗土料场距坝址10～11km，为第四系残、坡积粘土、重粘土，除粘粒含量偏高、天然含水量偏大外，其它各项指标均能满足质量要求，储量也能满足工程需要。工程所需块石料，可结合人工骨料开采选用。

作者简介: 龚大庆，男，长江水利委员会长江岩土工程总公司地质公司，工程师。