程小勇

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510170)

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魯古河水庫供水工程輸水隧洞工程地質(zhì)條件研究

程小勇

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510170)

魯古河水庫供水工程輸水隧洞長約1.31 km,圍巖主要為中～薄層粉砂巖及石英砂巖,各種構(gòu)造發(fā)育,導致節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,準確查明隧洞圍巖特性成為了工程關(guān)鍵,故加強對該隧洞地質(zhì)條件的研究是必要的。通過區(qū)域地質(zhì)資料的收集,開展野外地質(zhì)調(diào)查、測繪、鉆探、室內(nèi)外試驗以及現(xiàn)場原位試驗等手段,綜合分析地質(zhì)構(gòu)造情況,查明了復雜條件下隧洞圍巖分布范圍,提出隧洞圍巖物理力學指標,并對隧洞圍巖進行地質(zhì)分類與評價,提出防護措施,為粉砂巖及石英砂巖地區(qū)同類工程實踐提供一些借鑒作用。

輸水隧洞；粉砂巖與石英砂巖；圍巖類別；工程地質(zhì)條件研究

魯古河水庫位于廣東省新豐縣城東南部,是攔截魯古河修建的一座中型水庫。魯古河為新豐江的一級支流,在馬頭鎮(zhèn)的秀坑村匯入新豐江。新豐縣魯古河供水工程采用重力流輸水形式,建1條長約1.31 km的D 1 800 mm輸水隧洞將庫水引出,通過鋼管接駁,輸送至水廠,近期供水規(guī)模為2.5萬m3/d,遠期達到4.5萬m3/d。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252—2 000)確定工程等別為Ⅲ等,主要建筑物等級為3級,防洪標準為30年一遇設(shè)計,100年一遇洪水校核[1-3]。

輸水隧洞地層巖性主要為粉砂巖及石英砂巖,區(qū)域構(gòu)造發(fā)育,地質(zhì)條件復雜。隧洞位于新豐～馬頭向斜中次一級背斜構(gòu)造中,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎。查明粉砂巖及石英砂巖地區(qū)隧洞圍巖特性成為了工程的關(guān)鍵,故加強對該隧洞地質(zhì)條件的研究是必要的。

1 地形地貌

輸水隧洞進口位于魯古河水庫左庫岸,距離水庫拱壩約500 m,低山丘陵地貌,植被覆蓋良好,水庫兩岸山體陡峭,坡度為40°～50°,基巖埋藏較淺,庫岸坡腳處局部見基巖出露。隧洞進口地面高程約為257 m,名為香車口,進口方向所在水庫最低高程約為250 m,隧洞NW344°穿過庫區(qū)左岸山體,經(jīng)過山體最大高程為474.20 m,名為老虎井。隧洞進口布置在老虎井東南坡腳下一高程約為311 m的低矮丘陵坡腳處,該丘陵凸向庫區(qū),位處庫區(qū)中央部位,臨水側(cè)坡度變化大,約為40°～80°,局部近直立狀,基巖埋藏較淺,植被覆蓋良好。

輸水隧洞出口位于澗上村齋公坑,老虎井西北坡腳下高程為250 m處,出口正對一山間沖溝,植被覆蓋良好,覆蓋層較厚,未見基巖出露。出口處山體坡度大,以45°～50°為主,局部陡峭,山坡覆蓋層松散,穩(wěn)定性較差。

2 地層巖性

2.1 輸水隧洞進口地層巖性

隧洞進口處地層主要為殘積層(Qel)及泥盆系上統(tǒng)天子嶺組(D3t)粉砂巖、石英砂巖,粉砂巖與石英砂巖推測為平行不整合接觸,接觸面處構(gòu)造運動強烈,斷層發(fā)育,導致上部粉砂巖破碎完整性差、下部石英砂巖完整性較好。圖1為輸水隧洞0+000～0+600段地質(zhì)縱剖面圖。具體巖性特征如下：

1)殘積層(Qel)：主要為砂質(zhì)粘土組成,淺黃色,可塑～硬塑狀,含水量較低,含少量的碎石,碎石粒徑以1～3 cm為主,成份主要為粉砂巖,松散～稍密狀,頂部夾植物根莖。該層分布厚度為1～4.10 m,層底高程為280.90～300 m,該層分布范圍廣泛,山坡及坡腳附近均有分布,厚度變化稍大。

2)泥盆系上統(tǒng)天子嶺組(D3t)粉砂巖、石英砂巖,根據(jù)風化程度細分為全風化帶(Ⅴ)、強風化帶(Ⅳ)、弱風化帶(Ⅲ),局部夾斷層破碎帶,具體巖性特征如下：

①全風化帶(Ⅴ)：主要為全風化粉砂巖,灰色,層狀構(gòu)造,巖芯風化完全,原巖結(jié)構(gòu)清晰可辨,巖芯風化呈砂質(zhì)粘土狀,手捏易散,遇水變軟,局部夾大量的強風化粉砂巖碎塊,塊徑主要為2～3 cm,錘擊易碎。隧洞進口附近全風化粉砂巖層厚約為2.90～3.20 m,層底高程為278～296.80 m,該層分布廣泛連續(xù)。

②強風化帶(Ⅳ)：主要為強風化粉砂巖,局部夾頁巖,灰色、灰黑色,層狀構(gòu)造,泥質(zhì)膠結(jié),膠結(jié)致密,節(jié)理裂隙發(fā)育,裂面多見泥質(zhì)及黑色物質(zhì),裂面傾角較陡,以45°～60°為主,局部近直立,受褶皺構(gòu)造影響,巖芯主要為碎塊狀,夾少量短柱狀,巖質(zhì)較軟,擊聲較啞,巖芯采取率較低。隧洞進口附近強風化粉砂巖層厚約為4.90～7.60 m,層底高程為257.50～301.00 m,該層分布廣泛連續(xù)。

③弱風化帶(Ⅲ)：主要為弱風化石英砂巖,灰色、灰黑色,中厚層狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙較發(fā)育,傾角較陡,顆粒礦物主要為石英,膠結(jié)致密,巖質(zhì)較硬,擊聲脆,巖芯以短柱狀為主,節(jié)長以5～10 cm為主,最大節(jié)長約30 cm,巖芯采取率較高,RQD=20%～40%,透水率q=3.06～5.36Lu,具弱透水性。揭露厚度為12.70～20.80 m,層底高程為244.80～296.50 m。

④斷層破碎帶：鉆孔揭露厚度為8.70 m,層頂高程為271.10 m,層底高程為262.40 m,該斷層巖性組成復雜,受構(gòu)造及褶皺影響,斷層從上到下主要組成有碎裂石英巖、硅化變質(zhì)石英砂巖、黃鐵礦化糜棱巖、變質(zhì)石英砂巖、斷層角礫巖。鉆孔位置處斷層底部距離輸水隧洞頂板距離約為6 m,斷層穿過隧洞位置距離隧洞進口150～160 m。對輸水隧洞穩(wěn)定存在不利影響。

圖1 輸水隧洞0+000～0+600段地質(zhì)縱剖面示意

2.2 輸水隧洞出口地層巖性

隧洞出口處地層主要為殘積層(Qel)及泥盆系上統(tǒng)帽子峰組(D3m)全風化及強風化粉砂巖。圖2為輸水隧洞1+000～1+312段地質(zhì)縱剖面圖。具體巖性特征如下：

①殘積層(Qel)：主要為砂質(zhì)粘土組成,淺黃色,可塑-硬塑狀,含水量較低,中下部含大量的碎石土,碎石含量約占50～80%,粒徑小,成份主要為砂巖、粉砂巖,頂部夾植物根莖。揭露厚度為5.60 m,層底高程為254.40 m,該層分布廣泛。

全風化粉砂巖(Ⅴ)：雜色,灰色為主,層狀構(gòu)造,巖芯風化完全,原巖結(jié)構(gòu)可辨,巖芯呈砂質(zhì)粘土狀,砂質(zhì)含量約10～15%,局部夾強風化粉砂質(zhì)或石英砂質(zhì)的碎塊,塊徑主要為2～5 cm。揭露層厚為10 m,層底高程為244.40 m。隧洞出口主要位于全風化粉砂巖地層。

強風化粉砂巖(Ⅳ)：局部夾頁巖,灰色,層狀構(gòu)造,泥質(zhì)膠結(jié),膠結(jié)致密,節(jié)理裂隙發(fā)育,裂面多見泥質(zhì)及黑色物質(zhì),裂面傾角較陡,巖芯主要為碎塊狀,塊徑以2～5 cm為主,最大9 cm,巖質(zhì)較軟,擊聲較啞,巖芯采取率較低。層厚為2.20 m,揭露層底高程為242.20 m。

圖2 輸水隧洞1+000～1+312段地質(zhì)縱剖面示意

3 地質(zhì)構(gòu)造

3.1 褶皺

輸水隧洞位于泥盆系上統(tǒng)帽子峰組和天子嶺組地層所組成的新豐～馬頭向斜中次一級背斜構(gòu)造,背斜核部為下古生界,兩翼為泥盆系地層,次一級背斜軸部位于隧洞左側(cè),軸走向與隧洞近乎平行,約為NW344°,軸面傾向NE,隧洞進口附近出露基巖的巖層產(chǎn)狀為NW318°/NE∠35°,反坡向,次一級背斜兩翼二次褶皺發(fā)育。巖層走向與隧洞軸線交角為26°,對隧洞穩(wěn)定不利。

3.2 斷層與節(jié)理

新豐～馬頭推測斷裂(F1)走向約NE60°沿新豐江方向延伸,長度約10 km,位于新豐～馬頭向斜核部,與向斜軸面近平行,與隧洞軸向延線成68°交角,距離輸水隧洞進出口依次約3.9 km和2.8 km,該推測斷層對隧洞影響不大。

據(jù)地質(zhì)測繪,輸水隧洞除了層面裂隙發(fā)育外,共發(fā)現(xiàn)4組節(jié)理,分別描述如下：

第一組為走向NE5°～15°的節(jié)理比較發(fā)育,5～10條/m,傾向NW為主,局部傾向SE,傾角為50°～80°,節(jié)理縫寬為0.1 ～1 cm為主,局部呈閉合狀,延伸較短,裂面較平直,有泥質(zhì)充填,受褶皺影響,局部可見擦痕。與隧洞軸線交角為21°～31°。

第二組為走向NW320°～345°的節(jié)理比較發(fā)育,大致與褶皺軸面同向,近似平行于隧洞軸向,傾向NE或SW,傾角為55°～75°,4～7條/m,見泥質(zhì)充填。與隧洞軸線交角為0～22°。

第三組節(jié)理走向為NW275°～310°,傾向SW或NE,傾角為75°～85°,局部近直立,較發(fā)育,分布密度為3～6條/m,局部密集,裂面寬度為0.2～2 cm為主,裂面較平直,延伸較短,見泥質(zhì)充填。與隧洞軸線交角為34°～69°。

4 水文地質(zhì)條件

輸水隧洞沿線地下水為基巖裂隙水,主要分布于埋藏于基巖風化帶裂隙和斷層破碎帶中,地下水主要受大氣降水及地表溝水補給,向坡腳水庫及河谷排泄；巖體的透水性隨深度的加深、風化程度的減輕而降低。地表植被良好,局部溝谷底部見流量較小的泉水流出。

5 物理力學指標及建議參數(shù)

取巖樣5組進行室內(nèi)試驗,巖石試驗成果統(tǒng)計表見表1,根據(jù)室內(nèi)外試驗,并參考類似工程經(jīng)驗進行綜合考慮,引水隧洞圍巖物理力學指標建議值見表2。

6 輸水隧洞圍巖分類及評價

6.1 圍巖地質(zhì)分類方法[2]

根據(jù)《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(SL 55—2005)中附錄A的規(guī)定,從巖石的軟硬、風化狀況、裂隙發(fā)育程度、地下水等因素,參照表3進行圍巖工程地質(zhì)分類。洞軸線與巖層走向夾角為26°,對穩(wěn)定是不利的。

殘積層、全風化粉砂巖為松散結(jié)構(gòu),圍巖類別為Ⅴ類。

強風化粉砂巖巖石的強度變化較大,取芯率低,RQD=0～20%,巖體破碎,透水性強,完整性差,圍巖類別為為Ⅴ類。

弱風化石英砂巖,巖石強度較大,取芯率較高,巖芯完整,RQD=20%～40%,透水性弱,在洞頂有3倍洞徑以上弱風化巖時,圍巖類別為Ⅲ類,在小于3倍洞徑大于1倍洞徑弱風化巖時,圍巖類別為Ⅳ類,在小于1倍洞徑弱風化時,圍巖類別為Ⅴ類。

構(gòu)造帶,巖體破碎,取芯率低,強度低,透水性強,圍巖類別為Ⅴ類。

表1 巖石試驗成果統(tǒng)計

表2 引水隧洞圍巖物理力學指標建議值

表3 隧洞圍巖工程地質(zhì)分類

6.2 F0+000～F0+170 m

輸水隧洞進口段位于NW向小丘陵上,山頂高程約為311 m,隧洞軸向NW344°,隧洞進口中心線高程約為256 m,底板高程約為255.10 m,頂板高程約為256.90 m。隧洞軸線順山脊方向水上地形坡度為35°～45°,水下地形坡度為45°～55°,在庫水位變動帶附近,地形受沖刷影響變陡。

隧洞進口處邊坡較陡,地表巖土層主要為殘積土及全風化粉砂巖,抗沖刷能力弱,圍巖類別為Ⅴ類,開挖時需對邊坡進行支護,并論證邊坡穩(wěn)定性；根據(jù)鉆孔ZK1揭露資料,弱風化石英砂巖分布高程為249.60～270.40 m,隧洞位于此段,且洞頂有3倍洞徑以上弱風化巖,圍巖工程地質(zhì)條件有利,圍巖類別為Ⅲ類；根據(jù)鉆孔ZK2揭露資料,弱風化石英砂巖分布高程為244.80～257.50 m,隧洞位處此段,但洞頂有小于3倍洞徑大于1倍洞徑弱風化巖,圍巖類別為Ⅳ類。

綜上,輸水隧洞進口段圍巖(F0+000～ F0+020),主要為殘積土及全風化粉砂巖組成,邊坡較陡,透水性強,圍巖極不穩(wěn)定,圍巖等級為Ⅴ類；輸水隧洞進口段圍巖(F0+020～ F0+100),位于弱風化石英砂巖地層,圍巖局部穩(wěn)定性差,圍巖類別為Ⅲ類；輸水隧洞進口段圍巖(F0+100～ F0+170),洞頂有小于3倍洞徑大于1倍洞徑弱風化石英砂巖,圍巖不穩(wěn)定,圍巖類別為Ⅳ類。

根據(jù)1∶200 000區(qū)域地質(zhì)資料,隧洞軸向與巖層走向交角為26°,對隧洞穩(wěn)定不利,建議加強支護。

6.3 F0+170～F1+150 m

輸水隧洞軸線與老虎井山脊線呈35°斜交,逐漸偏向齋公坑正N向的山間沖溝,隧洞沿線山體高程為290 ～474.20 m,隧洞底板高程約為255.1 ～248.5 m,洞頂埋深約為40～220 m,山體較厚。在樁號F1+062附近發(fā)育一條沖溝,并有小股山水流出,此處洞頂埋深約為40～50 m。根據(jù)1∶200 000區(qū)域地質(zhì)資料,該段洞身圍巖為泥盆系的弱風化粉砂巖和石英砂巖,巖層產(chǎn)狀為NW318°/NE∠35°,洞身軸線走向NW344°,兩者交角為26°,對圍巖穩(wěn)定不利。本段圍巖類別為Ⅲ類。

6.4 F1+150 m～F1+312 m

該段為隧洞出口段,位于山腳處,隧洞出口中心線高程約為249.40 m,出口底板高程約為248.50 m,出口附近地面高程約為240～290 m,出口處沖谷底高程約為230 m,地形坡度較陡,以45°～50°為主。據(jù)鉆孔ZK3揭露資料,全風化粉砂巖層厚約為10 m,分布高程為244.40～254.40 m,頂部覆蓋為厚約5.60 m的殘積砂質(zhì)粘土及碎石土。隧洞圍巖(F1+180～F1+312)均為全風化、強風化及殘積土地層,土體結(jié)構(gòu)松散,強度低,透水性強,圍巖極不穩(wěn)定,圍巖分類為Ⅴ類,地質(zhì)條件差,建議采用超前支護及全斷面襯護。隧洞圍巖(F1+150～ F1+180)為弱風化粉砂巖,洞頂弱風化巖的厚度小于3倍洞徑大于1倍洞徑,圍巖不穩(wěn)定,工程地質(zhì)條件較差,圍巖類別為Ⅳ類。

建議隧洞出口選在全風化帶及殘積土層厚度較薄、邊坡坡度較緩的位置。出口邊坡為全風化粉砂巖及殘積土層,建議出口邊坡開挖坡率取1∶1.5～1∶1.75,邊坡高度大于10 m時需分級放坡,并做好護坡措施[4-5]。

隧洞圍巖分類統(tǒng)計表見表4。

表4 隧洞圍巖分類統(tǒng)計

7 結(jié)語

樁號F0+000～F0+020、F1+180～F1+312段隧洞圍巖主要為全風化、強風化及殘積土地層,土體結(jié)構(gòu)松散,強度低,節(jié)理裂隙發(fā)育,透水性強,地下水活動中等～強烈,圍巖極不穩(wěn)定,圍巖分類為Ⅴ類,地質(zhì)條件差,建議采用超前支護及全斷面襯護,占隧洞總長約11.6%。

樁號F0+100～F0+170、F1+150～F1+180段隧洞洞頂有小于3倍洞徑大于1倍洞徑弱風化石英砂巖及粉砂巖,圍巖不穩(wěn)定,巖質(zhì)較軟,地下水活動稍強,節(jié)理裂隙較發(fā)育,圍巖類別為Ⅳ類,開挖后需及時支護,噴錨掛網(wǎng),必要時可全部襯砌或鋼拱架,需注意施工期安全,占隧洞總長約7.6%。

樁號F0+020～F0+100、F0+170～F1+150段隧洞圍巖為弱風化粉砂巖和石英砂巖,圍巖局部穩(wěn)定性差,圍巖類別為Ⅲ類,噴混凝土或噴錨支護,拱頂系統(tǒng)錨桿,占隧洞總長約80.8%。隧洞軸向與巖層走向交角為26°,對隧洞穩(wěn)定不利,建議加強支護。

本文對復雜條件下粉砂巖及石英砂巖地區(qū)隧洞圍巖進行地質(zhì)分類與評價,提出防護措施,為同類工程實踐提供了些許借鑒作用。

[1] 水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范：GB 50487—2008[S].北京：中國計劃出版社,2009．

[2] 中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范：SL 55—2005[S].北京：中國水利水電出版社,2005．

[3] 水利水電工程等級劃分及洪水標準：SL 252—2000[S].北京：中國水利水電出版社,2000．

[4] 《工程地質(zhì)手冊》編委會.工程地質(zhì)手冊(第四版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007．

[5] 楊連生.水利水電工程地質(zhì)[M].武漢：武漢大學出版社,2004．

(本文責任編輯 馬克俊)

Engineering Geological Conditions of the Lugu River Diversion Tunnel

CHENG Xiaoyong

(Guangdong Hydropower Planning&Design Institute， GuangZhou 510170, China)

The length of Lugu river reservoir water supply project diversion tunnel is about 1.31km, and its rock is mainly in middle～ thin siltstone and quartzite. Various tectonic development leads to joint fissures, rock crushing. The accuracy of characteristics determination of surrounding rock of tunnel has become a key project, therefore, strengthening the study of the geological conditions of the tunnel is necessary. Through the comprehensive analysis of the geological structure, regional geological data collection, field geological survey is carried out. The distribution of tunnel surrounding rock is identified by means of mapping, drilling, indoor and outdoor tests and in-situ test. Physical and mechanical indexes, geological classification and evaluation, and protective measures of tunnel surrounding rock are put forward.

diversion tunnel, siltstone and quartzite, rock type, study on engineering geological conditions

2016-05-31;

2016-07-02

程小勇(1982),男,碩士,工程師,主要從事水利水電工程地質(zhì)勘測與設(shè)計工作。

TV672+.1；P642

B

1008-0112(2016)08-0046-06