2.1　主要岩溶工程地质问题

2.1.1　水库岩溶工程地质问题

岩溶工程地质问题是岩溶地区水库工程最主要的工程地质问题之一，涉及水库岩溶渗漏、岩溶塌陷、库岸边坡稳定、水库岩溶诱发地震、岩溶浸没与淹没等。

2.1.1.1　水库岩溶渗漏

水库岩溶渗漏是指水库蓄水后库水沿强岩溶化透水地层中的岩溶管道、溶蚀空缝、溶缝等向水库两岸分水岭外低邻谷漏失或通过水库库首一带河间地块向下游支流、干流的漏失。水库岩溶渗漏直接影响水库的正常功能及经济社会效益，还可能影响与水库相关的工程建筑物的安全及一系列环境问题、地质灾害等。

可能产生水库岩溶渗漏的基本条件分别有以下几种情况。

（1）水库两岸河谷及分水岭地区岩溶发育强烈，尤其是分水岭地区岩溶发育强烈。（2）有与低邻谷相贯通的岩溶管道系统，或透水性较好的大型断裂破碎带。

（3）河间（湾）地带无地下分水岭存在或虽存在地下分水岭但低于水库正常蓄水位。（4）可溶岩透水性强或存在强透水带（溶缝溶隙、岩溶管道等）。

（5）库岸及分水岭地区无隔水层或相对隔水层分布，或虽有隔水层分布，但已受构造或岩溶破坏失去隔水层作用。

国内水库岩溶渗漏典型者如以礼河水槽子水库邻谷渗漏、猫跳河4级岩溶渗漏等。

猫跳河4级窄巷口水电站位于乌江右岸一级支流猫跳河下游，处于深山峡谷及岩溶强烈发育区。该水电站水库库容7.08×106m3，多年平均流量44.9m3/s，引用流量96.9m3/s。该电站在勘测阶段，由于受勘探技术手段和勘探时间的限制，对发育复杂的岩溶问题未能完全查明。在施工阶段，由于各种原因未能完成设计的防渗面貌，且大部分是在蓄水后甚至在蓄水情况下以会战的形式完成，以及当时的施工技术、建筑材料和施工时间的限制等，造成电站建成后水库岩溶渗漏严重，初期渗漏量约20m3/s，约占多年平均径流量的45%，经1972年和1980年两次库内堵洞渗漏处理取得一定效果，但渗漏量仍为17m3/s左右。

电站运行以来，贵阳院为了查明深岩溶渗漏问题，于1980年起至2009年，历时近30年，多次补充进行了大量的地质勘探工作，并随着勘探技术、手段的不断进步，基本查清了该电站左坝肩渗漏特征及主要渗漏通道，提出了集中封堵与分散灌浆方式相结合的处理方案。2009年，业主按贵阳院提出的处理方案，对主要渗漏带及渗漏通道进行了分期治理，至2012年5月，根据下游渗漏量的监测数据表明，水库高水位时（1091.5m）其渗漏量仅为1.54m3/s，且主要来水以左岸山体天然地下水补给为主。总体上，防渗处理效果较好。

2.1.1.2　水库岩溶塌陷

水库岩溶塌陷是指在水库蓄水后，库岸可溶岩中溶洞、岩溶管道、溶隙上方的岩土体新发生的变形破坏，并在地表形成塌陷坑的岩溶动力作用（库水与岸坡地下水压力、渗透力、岩土软化、潜蚀冲刷、负压吸蚀、气水冲爆等作用）现象。按塌陷体物质组成可分为土层（覆盖层）塌陷、基岩塌陷、土石混合塌陷3类。岩溶塌陷是岩溶水库主要的环境地质灾害之一，水库岩溶塌陷后改变了库岸原边坡稳定条件及地下水径流通道，可能连锁引起库岸边坡稳定问题、水库渗漏问题、诱发地震等。大部分发生塌陷的工程都伴随有渗漏发生，水库塌陷可以导致水库产生严重渗漏，使水库成为干库。如果岩溶塌陷发生在坝基或建筑物部位，则直接威胁建筑物稳定安全，有的还造成建筑物的失事。水库岩溶塌陷是地质因素与库水和地下水作用的综合结果，库水及地下水流活动、岩溶洞隙、一定厚度的盖层是水库岩溶塌陷的3个基本条件，其中地表及地下水流活动是水库岩溶塌陷的主要动力，岩溶空隙是塌陷产生的基础地质条件（产生塌陷的岩溶形成主要有落水洞、竖井、漏斗和溶洞暗河等），较松散破碎的盖层（抗压、抗渗、抗冲击强度低）是塌陷体的主要组成部分。国内发生水库岩溶塌陷典型者如山东尼山水库、河北徐水县岩溶水库渗漏塌陷、湖南益阳松塘水库岩溶塌陷等。

2.1.1.3　水库岩溶诱发地震

水库诱发地震是人类开发水力资源工程活动中出现的地震现象，多伴随水库的蓄水过程发生。岩溶地区水库诱发地震的成因类型大致可以分为构造型、重力型和岩溶型三类。根据已建发生诱发地震的水库地质条件综合分析、研究与总结，岩溶地区水库发生诱发地震的频率较高、震中大多与岩溶分布有关、震级较小、多属震群型系列、无明显主震、衰减慢、发震强度与坝高及库容关系不明显等特点。水库诱发地震可能直接损坏枢纽区及临近区建筑物，造成经济损失，改变水库库岸边坡稳定条件而引起库岸边坡稳定问题。

国内外已有若干水电水利工程诱发过水库地震。1945年美国D.SCarder首先提出诱发地震问题，20世纪50年代末与60代初，世界上发生了赞比亚—津巴布韦边界卡巴（Kariba）、中国新丰江、印度柯依那（Kayna）和希腊的克里马（Kremasta）4次6级以上水库诱发地震，造成严重的破坏，人们才开始系统研究水库地震。2000年以后，处于岩溶地区的贵州乌江、北盘江干流先后建成了乌江渡、洪家渡、索风营、光照、董菁等一大批高坝大库；其中乌江渡、光照、董箐等在水库蓄水后不同程度发生过水库地震，震级高者如乌江渡、光照等已超过4级。

光照水库从2007年7月下闸蓄水前即开始观测，至2012年9月，历时5年时间（现仍在观测）内，水库区及邻近区域共监测到地震约7584次，大于3级者约26次，最高震级4级，发震高峰期为2008年7月至2008年11月间，即蓄水后的第一个汛期内之后至2010年10月仍有较高的发震频率，2010年11月后发震频率开始衰减；2012年汛期，受区域降雨影响较大，水库地震在汛期略有增加。另外，水库地震的深度主要集中在25km范围内，深部地震主要为区域地震，与我国同期国内地震（汶川等）活跃期基本一致。

2.1.1.4　岩溶水库浸没

岩溶水库浸没是指水库蓄水后库水沿岩溶空隙（溶洞、溶管、溶隙）渗漏至库岸低于水库正常蓄水位的低矮洼地形成的淹没与浸没，或邻近水库岩溶洼地虽高于水库正常蓄水位，但水库蓄水后抬高了岸坡地下水位，极大地改变了岩溶地下水的原始水动力条件，导致原通道排泄不畅或堵塞原排泄通道，从而引起洼地地下水与地表水雍高致产生淹没与浸没现象。水库岩溶淹没与浸没将淹没农田、房屋及产生内涝，造成岩溶洼地内淹没与浸没区居民财产损失及生活困难，对低于水库正常蓄水位洼地淹没与浸没需移民搬迁，而对于高于水库正常蓄水位排泄不畅或堵塞型岩溶洼地淹没与浸没，则视疏排难度可进行疏排处理。

国内典型的岩溶水库浸没问题当数岩滩水库。1992年蓄水后，库水抬升，板文地下暗河地下水排泄受阻。右岸巴纳、拉平一带的岩溶槽谷在雨季发生较严重的内涝问题，淹没了部分农田，造成了一定的经济损失，给当地农民生活带来了困难。最终采用设排洪洞的方法解决了该内涝问题。

2.1.2　坝区岩溶工程地质问题

岩溶地区坝区主要存在的工程地质问题有坝基及绕坝渗漏、岩溶坝基稳定、边坡稳定问题等。

2.1.2.1　岩溶地区坝基及绕坝渗漏问题

岩溶地区坝基渗漏是指水库蓄水后，库水沿坝基以下至饱水带上部的岩溶化透水岩体发生向下游的渗漏，绕坝渗漏是指水库蓄水后，库水由坝肩岩溶化透水岩体向下游渗漏。产生坝基与绕坝渗漏的结果导致损失水量和渗透变形，甚至影响相邻建筑物边坡的变形失稳。因此，坝基及绕坝渗漏是岩溶地区建坝普遍存在的问题。

广西拔贡电站，位于龙江中上游河池县境，是修建在岩溶地区一座小型水电站，1972年建成。电站装机8MW，坝高26.2m，为支墩平板坝。坝基坐落在石炭系中统黄龙组（C2h）灰黑色薄层含硅质条带的灰岩夹灰色中厚层灰岩和白云质灰岩上，岩溶十分发育，河床及岸坡均有溶洞、漏斗及落水洞分布。由于未作防渗处理，水库蓄水一开始在主河槽的坝下就出现浑水，接着发展到涌沙，同时坝前出现漩涡，导致覆盖层多处被击穿而露出漏水洞。左、右两岸也渗入多处漏水洞并顺坝基下部断层溶蚀带与层间溶蚀带渗至坝下游。整个坝区普遍发生严重渗漏，几年来坝前库底发生漏水洞22个，坝下的出水点11个。由于勘测阶段未进行详细勘探研究工作，也未作防渗处理，水库蓄水后发生坝基严重渗漏，最大漏水量达23m3/s，是该坝址处最小流量的1.8倍。

2.1.2.2　岩溶坝基稳定问题

岩溶化坝基岩体内发育的岩溶洞隙，可能为空洞、空隙或充填黏土与碎块石等，结构松散，强度软弱，是一种不均质的、各向异性的岩体，这些岩溶洞隙对坝基稳定和变形存在严重的影响：①由于岩溶洞隙的发育，影响坝基岩体的整体稳定性；②由于在洞穴、溶蚀裂隙或溶蚀夹层中充填黏土夹碎块石，构成地下临空空间或软弱结构面，影响坝基的变形和抗滑稳定。具体表现为以下方面：

（1）降低坝基岩体承载力。坝基岩体中存在洞隙时，会导致岩体承载力降低。其承载力大小取决于充填物的性质和密实度等。如重庆隘口水电站河床坝基存在顺河向长228m、宽8～64m、最大深度达16.5m的深蚀深槽，其充填物结构松散，性状差，承载力低，不能作为坝基持力层。又如广东北江白石窑水电站的低水头闸坝，泄水闸地基有4个深大溶槽，开口总宽近百米，最深处高程为-8m。溶洞充填物自上而下为砂卵砾石、黏土夹灰岩碎块、且有石芽、石柱、石墙出露。基坑内泉眼多、涌水大，坝基岩体多为泥包石、石包泥结构，承载力极低。

当存在隐伏溶洞时，由顶板厚度决定岩体承载力大小。如重庆芙蓉江江口水电站大坝为双曲拱坝，最大坝高141m，该工程在大坝6号坝段帷幕灌浆时，在孔深60m左右遇到特大溶洞，溶洞最大高度63m，包括4.8m空腔、砂层42.4m、泥层10.8m。溶洞顶板岩体厚60m。

（2）产生不均匀变形。坝基岩体的岩溶洞隙发育，由于无充填或充填物软弱，变形模量低，引起建筑物地基的不均匀变形。如美国的奥斯汀坝，坝高20.7m，坝基石灰岩受构造破坏，岩溶发育十分强烈，由于坝基岩体承受不了坝的压应力，导致不均匀沉降，1892年建成后，1893年坝体就产生裂缝，当时未引起重视，1920年一场洪水致使大坝被完全破坏。又如我国湖南澧水三江口水电站，最大坝高31m，河水位高程54m，坝基为嘉陵江组灰岩，岩溶十分发育，强溶蚀带下限高程至-114.73m，低于现今河水面168.73m。左岸有6个坝段完全建在岩溶“石夹泥”或“泥包石”之类的块屑型地基上，使坝基压应力控制在不大于0.4MPa的范围内。

（3）产生洞穴临空滑移与压缩变形。坝基或坝肩附近存在的岩溶洞隙，形成临空空间，对坝基（肩）抗滑稳定带来一定影响。如贵州格里桥水电站右岸帷幕线底层廊道施工中发现一大型早期空洞，距坝肩距离30m左右，经有限元计算对重力坝变形稳定仍有一定影响。

（4）产生岩溶溶隙或管道型集中渗漏与高扬压力。洞隙的发育程度、规模、充填与否直接影响渗漏量的大小。集中渗漏水头损失小，一旦在坝基帷幕后发生，其产生的扬压力亦高。

（5）产生渗透破坏。坝基的洞穴、溶隙充填物和各种溶蚀夹泥带等，多为红黏土或红黏土夹碎块石，结构松散，架空多，有时还含有易溶盐等，抗渗比降小，在库水压力作用下，会产生管涌、流土和接触冲刷等机械渗透变形；易溶盐被溶解会产生化学渗透变形。渗透变形进一步发展成渗漏冲刷破坏。大坝建于岩溶主管道上，建成后地下水通道被封堵壅高，产生岩溶管道水顶托导致地基抬升或变形等。如湖南澧水支流溇水江垭水电站，大坝为混凝土重力坝，坝高131m，库坝区均建于灰岩地区，大坝建成蓄水后即出现大坝及近坝山体抬升，坝基最大抬升32.4mm，近坝山体最大抬升12.1mm。

（6）对坝基施工影响。坝基建基面上的岩溶洞穴、强岩溶层（带）及溶隙等充填不密实或下方隐伏空洞，开挖后受震动和基坑浸泡而塌陷；另外，沿层面、断层、裂隙等溶蚀发育纵向或斜向管道出现大量集中涌水、涌泥，给施工带来困难。

2.1.2.3　边坡稳定问题

岩溶地区边坡因缓倾角溶蚀带、层面溶蚀带存在，大大降低了顺向坡结构的边坡稳定性。如贵州松桃盐井水库工程，左坝肩下游侧开挖边坡为顺向坡，岩层倾角37°，开挖揭露顺层面的溶蚀夹泥层发育，多呈软塑状，强度低，开挖后出现以溶蚀夹泥层面为底滑面的滑动破坏。

2.1.3　地下洞室岩溶工程地质问题

岩溶地区地下洞室以围岩稳定问题、涌水与突泥、高外水压力等问题更为突出。这些均与岩溶洞穴的发育及岩溶地下水的补给、径流和排泄条件密切相关。因此，研究隧洞区地形地貌、岩性结构、构造及岩溶水文网的演化，以及岩溶洞穴的分布、规模、充填物性状、地下水活动情况等，是评价岩溶地区地下洞室成洞条件、围岩稳定及涌水问题与外水压力的关键。

2.1.3.1　围岩稳定问题

岩溶地区，岩溶洞穴引起的隧洞围岩稳定问题，即岩溶稳定问题。取决于岩溶发育程度及溶洞规模、充填物性状、溶洞发育方向及其与隧洞的关系、地下水活动状态。溶洞对隧洞围岩稳定性的影响存在以下几种情况：

（1）隧洞开挖中遇到大溶洞，但无充填物及地下水活动，对隧洞的稳定性影响相对较小，其影响程度取决于溶洞的规模，周围岩体工程特性及其在隧洞内所处的位置。如图2.1-1为贵州某工程引水隧洞穿过无充填厅堂状溶洞，有半边隧洞处在溶洞壁岩石上，且溶洞壁岩石均较稳定。图2.1-2为广西天生桥二级水电站2号隧洞穿过无水半充填溶洞，由于隧洞位于溶洞顶部，下部仍有岩石，对隧洞围岩稳定影响不大。

（2）隧洞开挖揭露有充填物的溶洞，且有地下水涌出时，对隧洞施工开挖及围岩稳定性均有极大影响，其影响程度取决于溶洞规模、充填物的性质及涌水量的大小，若地下水涌水量很大时，易造成泥石流，甚至引起地面塌陷。

如天生桥水电站2号引水隧洞0＋877～0＋910m桩号溶洞（图2.1-3），位于隧洞顶部，基本垂直隧洞轴线发育，跨度28～30m，全充填黏土夹灰岩大块石及孤石，下游段地下水活动强烈。

隧洞至0＋877m桩号开始揭露溶洞充填物，顶部充填物数次发生大规模塌方，施工采用回填混凝土封堵塌方口，并采用短进尺开挖与钢支撑支护处理至0＋898m桩号。与此同时该溶洞段下游0＋906m桩号掌子面也遇溶洞充填物，由于地下水对充填物的软化，塌方严重，工作面充满稀泥，不能采用钢支撑处理，最后确定采用顶管法打通（图2.1-4）。

（3）在隧洞周围存在隐伏溶洞，对施工可能不产生影响。但对有压隧洞的围岩稳定会有不同程度的影响。图2.1-5为某工程排水隧洞外侧永宁镇组（T1yn2-2）发育隐伏溶洞，溶洞为一狭缝状溶洞，宽0.8～2m，可见溶洞高5～6m，隧洞壁围岩厚2.5～3m，围岩较完整。排水隧洞为无压洞，溶洞对隧洞围岩稳定基本无影响。

图2.1-6为广西天生桥二级水电站3号引水隧洞8＋300～8＋360m桩号洞段右侧于三叠系中统边阳组（T2b2）灰岩中发育一全充填型大溶洞，该溶洞自2号隧洞延伸至3号隧洞右壁，据钻孔揭露3号隧洞洞壁厚约1～1.5m，岩石较破碎。开挖期基本自稳，但作为有压隧洞围岩弹性抗力较低，设计采用双层钢筋混凝土衬砌处理。

2.1.3.2　涌水与突泥问题

隧洞开挖遇到暗河或岩溶管道水，不仅会影响隧洞的围岩稳定，而且由于大量涌水并挟带泥沙，给工程施工造成危害。雅砻江锦屏辅助洞施工期间涌水、突泥严重，如西端B线K2＋637m桩号大理岩中顺断层带发生的大涌水。2005年4月25日，该处于K2＋582m桩号揭露F6断层，K2＋590～K2＋635m断层影响带涌水由小逐渐增大，K2＋637m桩号掌子面靠右侧距洞底约1m高岩石破碎范围在高压水作用下瞬间涌水，涌水量达15.6m3/s，19d后涌水降至0.22m3/s并趋于稳定，此期间总涌水量达百万立方米，泥沙量约5万m3。2006年10月5日雨季后期又有间歇性流水，涌水变为棕褐色，含大量泥沙和部分半胶结溶蚀残留体，水势更迅猛。

2.1.3.3　高外水压力问题

外水压力为隧洞涌水作用在隧洞衬砌结构上的水压力。在采用经验公式确定其值时，外水压力的大小取决于隧洞涌水介质形式、涌水水头。如果涌水介质为管道、洞穴，水头折减系数就大，外水压力值就大；若为破碎带或裂隙岩体，其水头折减系数小，外水压力值就小。如雅砻江锦屏辅助洞西端A线K1＋083～K1＋117桩号涌水。2004年7月21日，A洞在K1＋083～K1＋117m桩号为裂隙线状流水，至24日K1＋117桩号初遇大涌水，沿炮孔喷出的高压地下水喷距达到17m，流量达240L/s，测得外水压力值4～5MPa。在之后约20天时间内，流量一直较为稳定，且在8月6日拟对主出水孔进行外孔口管安装时，在进行孔口小炮平整时，爆破后地下水喷距由17m增至21m。

另外，广西天生桥二级Ⅰ号引水隧洞2＋256桩号右壁沿白云质灰岩中发育的岩溶管道发生大涌水。隧洞开挖至2＋256桩号时，隧洞切断岩溶管道，小管道坡度45°～50°，延伸至隧洞底板以下。管道断面直径1～1.5m，局部扩大为5～7m溶洞，暴雨时沿管道涌水，流量最大达1m3/s。封堵管道出口后从旁边另冲出一涌水口，喷距达5m。本段推测外水压力约2.8MPa，隧洞采用加厚衬砌处理。

2.1.4　岩溶地区抽水蓄能电站主要工程地质问题

岩溶地区抽水蓄能电站主要工程地质问题为上水库的岩溶渗漏问题，库盆局部岩溶洞穴稳定问题亦较为突出。如贵州乌江大树子抽水蓄能电站，其上库位于猫跳河与乌江六广河河间地块右岸分水岭地带，水库正常蓄水位高于乌江水位278～355m，水库北、东、南三面均存在低邻的洼地，水库存在岩溶渗漏的地形条件。上水库水库区岩溶洼地地处车家寨背斜核部，西侧T1y1、P2l隔水层在库盆的出露面积仅占总面积的14%，其他均为可溶岩透水层，约占86%。库盆岩溶洞穴发育。水库在地形、岩性、构造上存在渗漏的条件。上水库地下水位埋深100m左右，为岩溶管道水的补给区，库盆中部及东侧可溶岩大面积分布，F3断层横穿上水库，沿F3断层发育串珠状落水洞，断层西侧为T1y2灰岩岩溶强透水层，落水洞及溶沟、溶槽极为发育，东侧为寒武系白云岩中等透水层，库水沿众多落水洞、溶蚀沟槽发生垂直向岩溶集中渗漏的可能性极大，需采用全防渗。

西龙池抽水蓄能电站，位于山西省五台县滹沱河畔，已于2011年9月全部建成投产发电，电站装机1200MW。上水库位于白家庄镇龙池村峰顶夷平面上，是工程区最高点。库盆出露的地层为奥陶系中统上马家沟组上段（O2s2）灰岩。库盆位于宽缓倾伏背斜轴部，岩层均倾向库外，倾角为6°～9°。断层多沿NE向发育，均属张扭性高倾角断层。裂隙发育主要以NE组为主，沿裂隙方向常有溶蚀宽缝形成。上水库岩体内断层、裂隙、岩溶发育，岩体透水性较强，开挖后进行了全面防渗处理。开挖后揭露了溶洞28个，溶蚀宽缝36条，均进行了相应处理。

2.1.5　岩溶地区堵洞成库工程地质问题

岩溶洞穴的发育离不开集中流水的溶解和搬运作用，因此，岩溶洞穴发育的地方，在地形条件上往往也是能够汇集地表水流的低洼地方，如岩溶槽谷、岩溶盆地、漏斗、消水洞、河流伏流或暗河进口段等低洼地段。这类低洼地形又多呈封闭或半封闭状态，在地形上对建库蓄水极为有利，由此，便有了对其进行堵洞成库的设想。如广西福六浪洼地堵洞成库、贵州铜仁天生桥封堵建库等工程。与此同时，也带来了一系列的岩溶水文地质、工程地质问题，从而，对岩溶堵洞成库条件的专门勘察又成为了我们必须要面对的新课题。

堵洞成库工程最突出的工程地质问题为库首渗漏。如贵州铜仁天生桥水电站，水库由封堵天生桥暗河而成，其中天生桥暗河发育于寒武系上统毛田组（∈3m）灰色中厚层至厚层白云岩、白云质灰岩，暗河长246m、宽60余米、高60～70m。

库首地区主要出露地层为毛田组（∈3m）白云岩，岩溶中等发育为主。天生桥暗河下游发育有F1断层，其上盘为清虚洞组（∈1q）薄层泥灰岩、泥质条带灰岩夹白云质灰岩，岩溶化程度低，构成本区相对隔水层。两岸河湾地带由于地形单薄，溶蚀较强烈，在近岸一定范围内地下水位低于水库正常蓄水位，会产生库水渗漏，已进行防渗帷幕处理。两岸帷幕均穿过F1断层带，防渗总面积约19万m2。该工程于2008年已竣工，防渗处理效果较好。