重庆市大宁河中梁水电站工程勘测

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司　湖南长沙）

摘　要：工程处于高山峡谷区，地层以二叠系、三叠系灰岩为主，两岸岩层陡倾，为典型强岩溶纵向河谷，岩溶地质条件异常复杂，库区发育有白马穴、纯良头、石板溪—凉水井等大型岩溶地下水暗河系统，白马穴岩溶地下水管道渗径长达40km，渗漏量3～8m3/s，岩溶渗漏问题异常突出。为此，本工程开展了系统岩溶水温度场、水化学场、水同位素场、水动力场研究，进行大量测试和示踪试验；结合钻探、洞探、CT、EH-4电导率成像等技术手段，并结合水均衡分析和渗漏问题专题研究，查明岩溶地下水发育和水库防渗的地质条件，创造性地将防堵工程置于坝址右岸上游6km的星溪沟地下，对具有200m高水头的地下动水岩溶管道进行封堵的创新型方案，工程建成后，运行效果良好。

关键词：岩溶水化学场；岩溶水同位素场；EH-4电导率成像技术；大型长距离岩溶示踪试验；高水头地下动水岩溶管道

1　工程概述

1.1　地理位置和流域概况

大宁河位于重庆市东北部巫溪、巫山两县境内，地处北纬30°41′～30°44′，东经108°44′～109°59′，系长江上游下段左岸一级支流（属三峡库区支流），全长162.0km，流域面积4181.0km2。

中梁水电站工程位于巫溪县境内大宁河干流，为大宁河干流梯级开发的龙头电站，坝址位于中梁乡青岩洞桥上游约200.0m处，距巫溪县城49.0km。控制流域面积525km2，多年平均流量17.1m3/s，年径流总量5.39亿m3。

1.2　建设规模

中梁水电站工程为中型水电站，工程任务以发电为主，兼有防洪效益，水库正常蓄水位625.00m，相应库容9300万m3，总库容9859万m3，调节库容6730万m3，为年调节水库，总装机容量122MW，年发电总量3.84亿kW·h。

中梁水电站由混凝土面板堆石坝、左岸开敞式溢洪道、左岸输水放空隧洞、右岸引水隧洞、地下厂房及库区防渗堵漏工程等主要建筑物组成，库区防渗工程位于大坝上游约6km的水库右岸。

混凝土面板堆石坝坝顶长255.0m，坝顶高程630.50m，坝顶宽8.0m，趾板最低建基面高程为512.00m，最大坝高118.5m；溢洪道紧靠左岸坝肩布置，为岸边开敞式，由进水渠、控制段、泄槽和挑流鼻坎四部分组成；引水建筑物布置在右岸，由进水口、长压力隧洞、调压井及埋藏式钢管组成，进水口布置在右岸坝前石盘沟，为塔式进水口，底板高程579.00m，隧洞总长度约7.9km。

地下厂房位于坝址下游8km西溪河右岸半溪沟口山体内，三大主洞室平行布置，从上游向下游分别为主厂房、主变洞、尾闸室。主厂房开挖断面尺寸为57.60m×16.30m×36.605m（长×宽×高）。

1.3　工程地质概况

工程区属高山峡谷地貌，分布地层为震旦系至三叠系一套碳酸盐岩与碎屑岩，其中碳酸盐岩分布面积约占85％。库坝区主要分布二叠系强岩溶发育地层，三叠系大冶组、嘉陵江组中强岩溶发育地层及志留系徐家坝群非岩溶碎屑岩，岩层产状一般为280°～290°/SW（NE）50°～80°，顺河向展布，为典型强岩溶纵向河谷，溶洞及地下暗河极发育。水库渗漏是本工程的关键技术问题，关系到工程的成败。

1.4　工程建设概况

项目法人：重庆市水利投资（集团）有限公司。

设计单位：中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司。

监理单位：重庆江河工程建设监理有限公司。

主要施工单位：中国葛洲坝集团股份有限公司。

运行管理单位：巫溪县远大水利电力产业有限责任公司。2006年10月工程正式开工建设，2011年1月水库下闸蓄水，2011年10月水库蓄至正常水位625.00m，2012年8月首台机组投产发电，2015年7月受重庆市发展和改革委员会委托，重庆国际投资咨询有限公司组织有关专家和单位完成竣工验收。

2　工程特点及关键技术

2.1　主要技术内容

中梁水电站工程地质勘察主要包括以下内容：

（1）区域地质背景调查。主要查明区域范围内地形地貌特征、地层岩性分布、地质构造特征、岩溶与水文地质总体规律及地震评价等。结合本工程特点，查清区域内地表水及地下水的总体发育规律，宏观上指导水库岩溶渗漏问题调查是本工程较为关键的技术内容。

（2）水库区工程地质条件。主要查明水库区基本地质条件、水库的渗漏分析与防渗以及库岸稳定、水库浸没、淹没、固体径流、水库诱发地震等与水库蓄水相关的工程地质问题。其中，水库岩溶水文地质条件和防渗条件的调查是本工程的关键技术内容，需要查明水库岩溶发育的规律、各地层岩溶发育强度、地下岩溶管道的分布、隔水层的分布及可靠程度、提出水库防渗方案，并选择经济可靠的防渗线路。为此，本工程开展了大量的现场调查、试验和测试工作，采用多种勘察手段相结合，并开展了多项专题研究。

（3）主要建筑物的工程地质条件勘察与评价。本工程包括混凝土面板堆石坝、长引水隧洞与地下厂房等，主要建筑物多样，地质条件复杂。需查明各不同建筑物的工程地质条件，并做出合理评价，为设计工作提供基础支撑。

2.2　先进性和创新点

（1）强岩溶地层构成的纵向河谷水库，存在严重渗漏问题，水库防渗是工程成败的关键。中梁一级电站由水库防渗工程、118m拦河坝、长引水隧洞与地下厂房组成。工程区属高山峡谷地貌，为典型强岩溶纵向河谷，溶洞及地下暗河极发育。干流及右岸各支流河水时断时续，消水渗漏明显，库区可见消水点40余处。西溪河主干龙潭河、支流汤家坝河水量与其汇水面积极不相称，龙潭河汇水面积为汤家坝河的1.5倍，但平水量只及汤家坝河的10％～20％，大量的地表水渗入地下暗河向下游排泄，见图1；坝址区左、右两岸均存在地下水低槽，右岸灌浆平洞揭露有高达10m多的溶洞；黄连溪钻孔214m深处揭露有较大规模的溶洞，地下水位存在低于河水位低槽，星溪沟钻孔地下水位低于河水位达100m以上，PD7勘探平洞揭露竖井式溶洞高达30m；河水及库水通过右岸地下通道排向坝址下游11km白马穴河段，暗河距离长（30km以上）、规模大、出口多（在5km河段两岸主要出水点6处）。坝址多年径流量17.1m3/s，但仅白马穴暗河出水量1.5～5m3/s，最大达8m3/s。水库渗漏模型见图2。

（2）综合运用多种勘察方法，详细查明了各建筑物工程地质条件，借助岩溶水文地质水温度场、水化学场、水同位素场、水动力场系统研究，并通过岩溶水均衡评价，查明岩溶发育规律及渗漏特征；成功进行了2次世界级的大型地下岩溶示踪试验，并进行了多次小型示踪试验，验证并量化分析水库渗漏与岩溶水文补排条件。为查明工程区岩溶发育特征和规律，系统开展了岩溶水温度场、水化学场、水同位素场、水动力场研究与岩溶水均衡研究。测试水温542处，水化学场研究点248处，岩溶水监测1760次，水文测流370次，同位素δD、δ18O分析33组，氚分析19点；进行了世界级的钼酸铵和弱酸红A两组大型岩溶示踪试验，多组食盐、酸性大红等中小型示踪试验，钼酸铵单次投放量超过500kg，弱酸红A投放200kg，最大示踪距离17.5km，示踪检测1927点次，监测距离35km，示踪试验综合成果见表1、图3、图4，钼酸铵最大检测浓度215×10-12，回收率分别为50.9％、68.0％；通过系统地质调查与测绘、钻探、洞探、钻孔CT扫描与EH-4电导率成像技术等勘测技术手段。查明了库区、枢纽区、引水隧洞与地下厂房等建筑物工程地质条件。仅库区防渗勘探开挖平洞700m，钻孔5100m，各钻孔进行了CT扫描。

（3）以水库防渗为重点创新勘测思路，查证了可作为右岸防渗依托的中梁相对隔水层，为水库防渗堵漏方案选择奠定了基础。通过现场调查、试验，包括EH-4，电法测试，钻孔CT扫描、录像等，结合水均衡分析等，证实库区左岸无外渗条件，右岸存在严重管道式渗漏；但右岸可利用库岸与地下岩溶管道间志留系砂页岩和中梁相对隔水层（厚度约50m的大冶组底部泥灰岩+大隆组页岩）作为水库防渗依托，通过封堵地下岩溶通道阻断库水渗向下游。

右岸星溪沟至库尾段背斜核部志留系砂页岩可阻挡库水外渗，星溪沟至坝址段库岸则有陡立的中梁相对隔水层为防渗依托。中梁相对隔水层厚度约50m，连续稳定，防渗性能可靠。

（4）除坝址区常规防渗外，超常规的水库防渗堵漏方案，独特、可靠、实效。该方案不仅确保库水不外渗，尤其重要的是巧妙将水库上游渗入①#通道水又纳入水库。查明岩溶地下水发育状况和水库防渗条件后，中南院比较了星溪沟副坝方案、右坝头延伸方案、黄连溪防渗和星溪沟段封堵4个方案，从技术比较、施工条件及经济分析，创造性提出除坝址区常规防渗外，将水库防渗工程置于坝址上游6km星溪沟段，通过衔接天元背斜核部志留系砂页岩与库岸中梁隔水层在地下对200m以上高水头地下动水岩溶管道进行分层动态封堵，封堵段宽度约350m，深度高程625～420m，局部低至375m。相对防堵工程量小，施工条件较好，经济效益最优。尤其是该方案不仅确保库水不外渗，更重要的是将水库上游渗入①#渗漏通道水纳入水库。

星溪沟防渗堵漏工程进行了大量卓有成效的勘察与研究工作。勘察阶段在该防渗线上设置PD7勘探平洞，在洞内设置钻孔，进行孔间CT扫描，确定防渗底限；施工阶段开挖上、下两层灌浆洞，结合先导孔又进行专项勘探工作，对不同类型的岩溶管道采用不同的处理方式。如仅一溶腔泵入混凝土6000m3，动水区管道封堵采用掺加特殊材料、模袋法与双液化学法等工艺，成功完成岩溶渗漏管道封堵。技术上可靠、施工方便，比常规坝头防渗节约7000余万元。自2011年开始水库蓄水，运行正常，证明防渗堵漏工程是非常成功的。

（5）中梁水电站各主要建筑物工程地质条件复杂，溶洞及地下暗河发育，通过细致的勘察工作，结合施工地质，创新工作思路、注重地质预测、预报，解决了大量重点、难点工程地质问题，保障了工程建设顺利进行和施工安全。中梁水电站为地下厂房，厂坝间压力引水隧洞长8km。除前期水库、枢纽及引水发电系统等勘察外，高度重视施工地质工作，加强施工期地质预测、预报，优化调整支护方案。例如Y6+023～Y7+027段隧洞遇地下岩溶塌陷体，开挖困难且风险大，经论证将该段洞线进行优化调整，避开该岩溶塌陷区，围岩条件较好的洞段，则改混凝土衬砌为挂网喷射混凝土，减少了投资；地下厂房交通洞揭露有地下暗河，宽度4m，高2m，地下水丰富，汛期开挖时曾使厂房灌水，勘测人员深入洞穴调研，及时提出堵塞与引排方案。中南院坚持勘察与现场服务并重，有效解决了重点、难点工程地质问题，保障了工程建设顺利进行和施工安全。

（6）进行了系统的岩溶渗漏问题研究，总结编制了多册高水准专题研究报告，为岩溶工程勘测探索出科学的技术工作方法，处于国内外水利水电工程岩溶勘察领先水平。为查明中梁水电站的岩溶发育及渗漏条件，系统开展了岩溶水温度场、水化学场、水同位素场、水动力场、示踪试验等研究工作，查明了岩溶地下水系统的发育特征，利用水均衡理论论证了对水库渗漏的影响，提出依托中梁相对隔水层和天元背斜核部的砂页岩作为库盆天然隔水层；通过地下封堵截断白马穴①号渗漏通道可满足水库防渗的要求，创造性地将水库防渗工程设在星溪沟段，完成了在200m高水头地下深埋岩溶管道动水条件下的溶洞封堵工程，为深部岩溶勘测与防渗积累了经验。在工作过程中多次邀请国内著名岩溶专家进行现场指导与咨询，解决重点及难点问题。

中梁水电站在库区200m以上高水头的地下深埋岩溶管道动水溶洞封堵工程，达到了预期效果，为高水头地下动水条件下的灌浆施工积累了宝贵经验。在国内外水利水电工程建设中具创新性和先进性，处于国内外水利水电工程岩溶勘察领先水平。值得国内外同类工程学习和借鉴。

3　已获科技成果、奖项

本工程自1998年开展前期工作以来，进行了大量岩溶勘察与专项技术研究。就岩溶渗漏问题先后提出了《中梁工程岩溶水文地质调查报告》《中梁工程岩溶水文地质场研究》《中梁工程岩溶水示踪试验》《中梁水库岩溶水均衡研究》《中梁水库岩溶渗漏特征与防渗条件》等专项研究报告，中梁工程岩溶渗漏勘察与研究成果已载入水电工程岩溶关键技术丛书，也成为行业经典案例。工作过程中曾针对水库渗漏特点专门成立了蓝色星溪QC攻关小组，对水库渗漏与防渗条件进行广泛攻关研究，成果获得了全国优秀质量管理小组（2007年QC小组）。本工程勘察相继获得中南院优秀工程勘测一等奖（2016年）、中国电建集团优秀工程勘测一等奖（2016年）、全国优秀水利水电工程工程勘测金质奖（2017年）等奖项。

4　工程运行情况和经济效益

4.1　工程运行情况

中梁水库成功蓄水表明，右岸纵向岩溶渗漏通道勘察、处理是成功的，自2011年水库蓄水，目前蓄水位625.36m（正常蓄水位为625.00m），据观测水库防渗堵漏区无异常。大坝蓄水后地基整体稳定，坝体结构处于安全状态。水库、坝基及坝肩防渗工程合理，蓄水后无明显渗漏问题，未发现集中渗流。溢洪道下游消能防冲状况良好，溢洪道左岸高边坡、右岸边坡整体处于稳定状态，边坡支护设计经济合理。引水发电系统安全监测成果显示，各级输水发电系统地下洞室群、建筑物边坡运行稳定，各隧洞口边坡、厂房边坡整体稳定，各引水隧洞及地下厂房围岩稳定。地下厂房暗河封堵及排水效果良好。

4.2　经济效益

（1）发电效益：自电站各机组投产后保持连续安全生产，年电量为3.6亿～4亿kW·h，年发电收入在1.2亿元以上。

（2）旅游效益：中梁水库的形成，秀美的自然风光吸引了大量游客驻足，带动了当地的旅游，给当地居民也带来一定的经济收入。

（3）养殖效益：中梁水库形成后，水库用于鱼类养殖，有一定的养殖效益。

4.3　社会环境效益

水库为年调节，提高了当地防洪标准；水库形成后，形成山清水秀的自然风光，成为当地的一大景观；水库形成后，给库区居民提供了优质的水源，解决了部分居民的生活用水；水库设计提高了复建公路等级，将原乡级公路提高到县级公路，大大改善了当地的交通条件，方便了当地居民的出行；复建的中梁乡布置在一级水库下游弃碴场，新建中梁乡较原位置宽敞，能集中布置医院、学校及乡政府等，使中梁乡布置得更加合理有序，环境更加优美。

本工程建设成功，有力地带动了当地经济发展和社会环境的改善，为业主、当地政府、当地居民创造了良好的经济效益和社会效益。

5　工程照片

水库防渗堵漏专项工程布置在坝址上游约6km的水库右岸，用以封堵水库地下岩溶渗漏通道。

中梁水电站2011年开始下闸蓄水，经多年运行检验，水库防渗效果显著，渗控工程取得了成功。主要渗漏通道及下游白马穴集中出水点蓄水前后的照片见图5～图9。

王良太　周轩漾　执笔