劉殊慧

(齊齊哈爾市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

技術(shù)論壇

水工隧洞工程地質(zhì)勘察中若干問(wèn)題應(yīng)對(duì)措施探究

劉殊慧

(齊齊哈爾市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

長(zhǎng)引水隧洞是水利水電工程中較為常見(jiàn)的一種工程形式，其主要特點(diǎn)是線路長(zhǎng)、洞室深埋、跨越地貌單元復(fù)雜、穿越地層巖性多及地下水位影響大。文章通過(guò)供水工程中引水隧洞主要工程地質(zhì)問(wèn)題的說(shuō)明，闡述了引水隧洞工程地質(zhì)勘察中常見(jiàn)的地質(zhì)問(wèn)題，比如巖爆、圍巖變形、突涌水等，提出了合理化的建議和防范措施。

輸水隧洞；地質(zhì)勘察；引水發(fā)電；問(wèn)題；應(yīng)對(duì)措施

0 前 言

多年來(lái),隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷完善，輸水隧洞亦顯得越發(fā)的重要。目前國(guó)內(nèi)已建成多個(gè)大型輸水隧洞工程，極大的緩解了當(dāng)?shù)毓I(yè)和民用用水問(wèn)題。工程的建設(shè)也解決了多項(xiàng)難題，產(chǎn)生許多寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)和成果。但就國(guó)內(nèi)外實(shí)際理論研究而言，輸水隧洞的地質(zhì)勘察技術(shù)依舊存在一些難題，尤其是在大埋深長(zhǎng)距離隧洞中[1],問(wèn)題主要包括以下方面:

1)隧洞地形地貌環(huán)境復(fù)雜，洞線埋深大，大都處于山嶺崎嶇，設(shè)備和勘察車輛人員抵達(dá)指定位置困難。

2)地質(zhì)勘察技術(shù)和設(shè)備與隧洞實(shí)際需要脫節(jié)，在2000-3000m的大埋深位置和高地應(yīng)力地下水位蘊(yùn)藏豐富的區(qū)域，現(xiàn)有設(shè)備明顯受到技術(shù)手段，達(dá)不到勘測(cè)要求。

3)國(guó)內(nèi)外在相關(guān)工程領(lǐng)域可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)有限，隨著洞線不斷深入，問(wèn)題的突發(fā)性和復(fù)雜性不可預(yù)測(cè)。

4)理論研究上的不足導(dǎo)致分析手段和評(píng)價(jià)體系的研究不完善。

5)大多數(shù)工程在前期階段地質(zhì)勘察工作的周期性和費(fèi)用不足，導(dǎo)致實(shí)地勘察的技術(shù)設(shè)備，勘察方法，工程量受到限制。而國(guó)內(nèi)因地勘工作不足釀成事故的實(shí)例眾多。所以，地勘工作在水工隧洞的前期設(shè)計(jì)工作中顯得及其重要。

水工隧洞不同于樞紐工程中的其他水工建筑物，基本上長(zhǎng)度是以km為單位計(jì)算，有些隧洞長(zhǎng)達(dá)幾十公里，工程一般建設(shè)在多山地地帶，埋深能達(dá)到幾百至上千米。目前水工隧洞地勘方法包括以下幾種：地表地質(zhì)調(diào)查作為傳統(tǒng)勘察地質(zhì)方式，獲取水工隧洞地質(zhì)信息較為直接。隨著新理論和新技術(shù)的應(yīng)用，地質(zhì)雷達(dá)法目前成為一種主流方式，在地勘工作得到廣泛應(yīng)用，但此法局限性很強(qiáng)，要求探測(cè)深度不能過(guò)大，在適宜距離范圍內(nèi)能夠獲取準(zhǔn)確度較高的巖體結(jié)構(gòu)等地質(zhì)信息。但當(dāng)在大埋深長(zhǎng)距離輸水隧洞中應(yīng)用受到限制。中國(guó)大部分水工隧洞建設(shè)于山嶺地帶，這種情況下彎線地震反射技術(shù)的成功推廣，它能夠較好的解決這種復(fù)雜地質(zhì)條件的結(jié)構(gòu)組成，目前在國(guó)內(nèi)多個(gè)輸水工程中都得到應(yīng)用。水工隧洞設(shè)計(jì)中對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造的了解和地下水位的判斷至關(guān)重要，一般通過(guò)地質(zhì)鉆孔的方式來(lái)解決，鉆芯取樣能夠真實(shí)的反應(yīng)圍巖情況、地下水流動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化洞線，節(jié)省工程投資，進(jìn)一步加快工程施工。在中國(guó)西南地區(qū)的高海拔、高寒地帶，隧洞出露水較多，對(duì)泉水出露位置的掌握，高程的測(cè)量獲悉滲流場(chǎng)的分布，進(jìn)而詳實(shí)了解地下水位的分布規(guī)律。在大埋深長(zhǎng)距離隧洞中，可以采用物探、少量鉆孔的方式，洞軸線附近的地質(zhì)問(wèn)題可采用專用勘探平硐法，國(guó)內(nèi)諸多工程采用世界領(lǐng)先技術(shù)TBM法進(jìn)行洞室施工，可以結(jié)合隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析方法得到準(zhǔn)確的工程地質(zhì)條件，有效作出判斷和防范措施。

1 勘察方法

地質(zhì)勘察工作是保證水庫(kù)工程順利進(jìn)行的重要因素之一，需不斷提高先進(jìn)技術(shù)在施工和設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用，運(yùn)用科學(xué)合理的勘察方案，保證有限的工程勘察質(zhì)量。該工程隧洞地面海拔高、埋深大，工程地質(zhì)條件非常復(fù)雜，隧洞線大部分地區(qū)人和設(shè)備均難以到達(dá)，因此勘測(cè)工作已地面地質(zhì)調(diào)查為主，在充分分析了地面地質(zhì)調(diào)查成果的基礎(chǔ)上結(jié)合自然條件，有針對(duì)性的布置了鉆孔和硐探及相應(yīng)的物探測(cè)試工作。地面地質(zhì)工作采用了以高精度衛(wèi)星地質(zhì)遙感為主的方法，重點(diǎn)地段和重點(diǎn)地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)地測(cè)繪。針對(duì)高低溫、高地應(yīng)力、巖爆、放射性、涌突水等特殊問(wèn)題，采取了勘探、物探測(cè)試、經(jīng)驗(yàn)類比、數(shù)值計(jì)算模擬等綜合分析方法[2]。地應(yīng)力分析中通過(guò)實(shí)測(cè)的方式，建立地應(yīng)力三維有限元模型進(jìn)行數(shù)值仿真分析，對(duì)應(yīng)力特征和巖爆等問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)分析，為洞線優(yōu)化、工程施工提供了重要資料。通過(guò)地面伽馬總量，能譜測(cè)量、水中氡濃度測(cè)量及采樣分析，基本查明了隧洞沿線地段的放射性危害程度。針對(duì)隧洞區(qū)高地溫問(wèn)題，采用了地表溫泉調(diào)查、鉆孔地溫測(cè)井和高溫地下水運(yùn)移趨勢(shì)分析等手段，查明了地溫異常帶的分布。

勘察分析過(guò)程貫徹了充分運(yùn)用多方案比較分析、新技術(shù)新手段、一孔多用、經(jīng)驗(yàn)與理論分析相結(jié)合、常規(guī)分析與數(shù)值模擬相結(jié)合等系統(tǒng)分析思想，為工程設(shè)計(jì)提供了豐富可靠的資料。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某水電站工程效益主要以發(fā)電為主，灌溉防洪為輔。水庫(kù)正常蓄水位2745m，最大壩高17.2m，總庫(kù)容184萬(wàn)m3，水閘最大泄洪流量745 m3/s。電站設(shè)計(jì)最大水頭374.25m，總裝機(jī)容量205MW，多年平均發(fā)電量為7.341億kWh，。引水發(fā)電隧洞布置在河流左岸，全線洞長(zhǎng)10285m，洞徑6m，引水流量65.3 m3/s。隧洞圍巖以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，約占82%；Ⅳ、Ⅴ類圍巖較少，約占18%[3]。

2.2 工程地質(zhì)條件

流域地處西昆侖山腹地，地勢(shì)陡峻，地貌上主要屬高山區(qū)。地面高程2400-4500m。沿線河谷發(fā)育，山區(qū)廣泛切割，深度約在900-2400m，山體的縱坡度保持在45°-55°，山勢(shì)陡峭，陡崖廣泛存在，隧洞洞線位置地表處基巖表面大部分裸露。工程區(qū)地處西昆侖山褶皺系上，位于帕米爾高原東部相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域。場(chǎng)地方位內(nèi)未出現(xiàn)活動(dòng)斷層，也未發(fā)現(xiàn)由古地震或歷史地震所造成的地震斷層等現(xiàn)象。洞線區(qū)域設(shè)計(jì)地震烈度為8°，選址區(qū)基巖水平向最大動(dòng)峰值加速度約為0.28g。

引水發(fā)電洞穿過(guò)的地層依次有：隧洞區(qū)受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，變質(zhì)作用復(fù)雜，主要分布變質(zhì)巖、侵入巖兩大類。巖性主要以變砂巖、片麻巖和花崗巖等為主。隧洞沿線發(fā)育三條區(qū)域性大斷裂，以及35條地區(qū)性斷裂，主要走向?yàn)楸蔽骱捅睎|向。洞沿線地質(zhì)問(wèn)題主要包括巖溶、滑坡、不穩(wěn)定體等，滑坡、不穩(wěn)定體規(guī)模較小，對(duì)隧洞影響不大；巖溶主要發(fā)育在隧洞里程0+310-1+710及隧洞里程7+210-8+890區(qū)域。全風(fēng)化程度<10m，強(qiáng)風(fēng)化厚度<12m，弱風(fēng)化厚度<65m，整體受地形控制，山坡風(fēng)化卸荷深度大于溝谷底部，局部受構(gòu)造影響表現(xiàn)出明顯的異常。卸荷裂隙一般到達(dá)弱風(fēng)化的底部就比較少見(jiàn)，位于山梁的鉆孔深度一般≤60m，位于溝底的鉆孔一般≤30m。

2.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)隧洞洞線附近出露的地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造特征，根據(jù)含水介質(zhì)性質(zhì)的不同，將地下水分為基巖裂隙水、孔隙水和巖溶水三大類。隧洞圍巖富水性可劃分為強(qiáng)富水區(qū)、中等富水區(qū)、弱富水區(qū)和貧水區(qū)4個(gè)區(qū)，其中強(qiáng)富水區(qū)長(zhǎng)度699m，約占5.9%，中等富水區(qū)長(zhǎng)度4551m，約占50.2%，弱富水區(qū)長(zhǎng)度1309m，約占25.2%，貧水區(qū)長(zhǎng)度2120m，約占20.7%。預(yù)測(cè)隧洞正常涌水量約17340m3/d，預(yù)測(cè)隧洞最大涌水量約26160m3/d。大理巖地層，巖溶水發(fā)育，屬?gòu)?qiáng)富水區(qū)，斷裂帶和軟弱夾層帶地層中地下水較發(fā)育，屬中等富水區(qū)，其余地段多為弱富水及貧水區(qū)。

2.4 主要工程地質(zhì)問(wèn)題

2.4.1 巖爆

本工程具備巖爆發(fā)生的有利條件表現(xiàn)為：①隧洞工程處于地殼活動(dòng)強(qiáng)烈的西昆侖山地區(qū)，在亞歐板塊的橫向作用下，該地區(qū)的應(yīng)力環(huán)境反應(yīng)較為強(qiáng)烈；②地處板塊交匯帶，該區(qū)域地震活動(dòng)頻發(fā)，且強(qiáng)度大破壞性極高；③洞線位置基本處于高山峽谷中，應(yīng)力集中區(qū)域廣泛分布；④隧洞埋深大，最大埋深1640m處最大應(yīng)力值近25MPa，甚至更高；⑤隧洞穿越的圍巖多為塊狀硬脆性巖石，單軸抗壓強(qiáng)度多大于100MPa；⑥隧洞大部分巖體的完整性較好；⑦隧洞大部分地段為少水，甚至無(wú)水。

依據(jù)水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范，將圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比S值作為對(duì)圍巖發(fā)生巖爆強(qiáng)度等級(jí)的判定標(biāo)準(zhǔn)[4]，結(jié)果見(jiàn)表1。

隧洞通過(guò)地段地應(yīng)力主要受控于地形地貌，大部分洞段最大應(yīng)力為垂直應(yīng)力，初步判斷，巖爆類型以垂直應(yīng)力型為主。在深切溝谷極有可能出現(xiàn)應(yīng)力集中，其應(yīng)力方向復(fù)雜，量值較大，巖爆類型以混合應(yīng)力型為主。綜合分析，大部分洞段無(wú)巖爆或輕微巖爆，約占全長(zhǎng)的75%，部分洞段具備中等巖爆條件，預(yù)測(cè)約占全長(zhǎng)的25%。發(fā)生強(qiáng)巖爆的可能不大或比例極少。對(duì)可能發(fā)生洞段采取噴水等工程措施，并對(duì)施工設(shè)備、人員進(jìn)行必要防護(hù)。

2.4.2 圍巖變形

依據(jù)規(guī)范要求，在壓力集中部位的S<4時(shí)，(Ⅱ類圍巖)應(yīng)力將超過(guò)限值，區(qū)域圍巖會(huì)產(chǎn)生塑性變化，達(dá)不到穩(wěn)定要求，穩(wěn)定性較差；當(dāng)圍巖強(qiáng)度S<2時(shí)，(Ⅲ、Ⅳ類圍巖)，圍巖發(fā)生變形，數(shù)值較大，此時(shí)極度不穩(wěn)定[5]。隧洞圍巖主要物理參數(shù)見(jiàn)表2。

據(jù)S值估算成果分析，引水發(fā)電隧洞洞段約25%洞段圍巖(S)可能<4，圍巖穩(wěn)定性差，預(yù)計(jì)圍巖變形主要發(fā)生在斷層及影響帶、節(jié)理裂隙密集帶和局部軟弱礦物含量較多的部位。

表1 引水發(fā)電洞圍巖巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果

表2 引水發(fā)電隧洞圍巖主要物理力學(xué)參數(shù)表

2.4.3 突涌水及外水壓力

根據(jù)水文、氣象等條件初步判斷，隧洞區(qū)地下水較貧乏。隧洞圍巖以塊狀或次塊狀結(jié)構(gòu)的變質(zhì)巖、侵入巖為主，巖體總體上富水性較差，主要富水地段為巖體淺部和斷層帶，巖體淺部由于受卸荷影響滲透性較強(qiáng)，并直接接受降雨及冰雪融水補(bǔ)給，富水性較深部好。斷層破碎帶由于具有良好的儲(chǔ)水和導(dǎo)水性能，并且沿?cái)鄬佣嘤袦瞎确植?，利于地表和地下水匯集，易于形成不同形式的富水帶。

從鉆孔壓水試驗(yàn)成果看，占隧洞主要部分的Ⅱ、Ⅲ類圍巖滲透性較差，透水率僅為0-0.09Lu，屬于極微透水性。從物質(zhì)組成判斷，斷層破碎帶一般具有中等-強(qiáng)透水性，是地下水的主要活動(dòng)通道。由于巖體滲透性小，在水平、垂直方向滲透性差異明顯，因此難以形成統(tǒng)一的地下水位，隧洞沿地下水位變化較大。鑒于地下水補(bǔ)給不足，預(yù)計(jì)隧洞涌水初期較大，其后將逐漸減小。

最大涌水量計(jì)算公式一般采用古德曼經(jīng)驗(yàn)式，國(guó)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)法公式為：q=1000×(0.0255+1.9224KH)。穩(wěn)定涌水量計(jì)算公式Q=1000KHL(0.676-0.06K)。采用參數(shù)及初步估算見(jiàn)表3(部分洞段)。

表3 隧洞單位最大涌水量及穩(wěn)定涌水量計(jì)算成果表

本隧洞地下水蘊(yùn)藏較少，洞壁以線狀流水、滴水為主，局部可能產(chǎn)生一般集中涌水；其余洞段為貧水段，地下水對(duì)施工影響不大。全洞單位長(zhǎng)度最大涌水量平均值約285m3/d·km，單位長(zhǎng)度穩(wěn)定涌水量平均值在92m3/d·km。在斷層破碎帶、軟弱夾層處應(yīng)特別關(guān)注突涌水問(wèn)題。

2.4.4 高地溫

本隧洞地溫問(wèn)題主要包括洞線區(qū)域海拔較高，空氣稀薄，地面平均氣溫較低，溝谷發(fā)育，地勢(shì)陡峭，利于熱量散失。但溫泉發(fā)育，隧洞埋深大，降雨少，地溫梯度較高，巖體滲透性差，不利于地表水下降降溫?？睖y(cè)階段對(duì)本洞段QZK12、QZK42、QZK65、QZK76、QZK965等個(gè)鉆孔進(jìn)行物探地溫測(cè)井見(jiàn)表4。

表4 隧洞鉆孔物探地溫測(cè)井成果表

其中QZK42、QZK12兩孔地溫梯度較大，隨深度增加而逐漸減小的趨勢(shì)。QZK65、QZK76、QZK92兩孔地溫梯度在合理范圍內(nèi)。結(jié)合結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況，推斷樁號(hào)6+750-10+250存在高地溫問(wèn)題，可能存在60℃甚至更高的地溫。

在左岸河邊發(fā)現(xiàn)一處溫泉，水溫62℃，高程2575m，低于洞線約120m，距洞軸線約1.5km。溫泉沿一組裂隙出露，其結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為Nm345°傾∠71°。

根據(jù)出露點(diǎn)附近發(fā)育F3斷裂及f17等次一級(jí)斷層等地質(zhì)條件，判斷泉水的走向基本位置處于Nm332°-355°結(jié)構(gòu)面，走向NE25°-50°。根據(jù)泉點(diǎn)位置，結(jié)合QZK14孔、QZK45孔的地溫資料，推測(cè)泉水與該兩組結(jié)構(gòu)面連通的可能性不大，是造成樁號(hào)6+750-10+250存在高地溫的主要因素。

2.4.5 有害氣體及放射性危害

隧洞通過(guò)地段鐳、釷、鉀元素放射性活度平均值分別為45.22Bq/m3，78.21Bq/m3，1056.23q/m3,為隨意使用的A類石材，在大部分區(qū)域內(nèi)，其鐳、釷、鉀元素不會(huì)造成人體損害，處于可接受范圍之內(nèi)。隧洞通過(guò)地段的鐳含量較低，鐳元素最高活度為130.25 Bq/m3,遠(yuǎn)低于管理目標(biāo)限值，可不考慮鐳引起的輻射環(huán)境影響。

根據(jù)能譜測(cè)量結(jié)果，2150個(gè)測(cè)點(diǎn)中，鉀含量超過(guò)國(guó)家規(guī)定限值6%的點(diǎn)數(shù)有8個(gè)，所占比例0.4%。等值圖的鉀異常以異常點(diǎn)的形式出現(xiàn)，分布零散，規(guī)模較小。異常僅具有統(tǒng)計(jì)意義，不代表該地區(qū)存在鉀元素富集的現(xiàn)象，且鉀元素一般不作為評(píng)價(jià)元素。

隧洞通過(guò)地段鈾含量平均值為5.52×10-6，最高為23.5×10-6，采樣分析鈾的平均含量為3.43×10-6，異常最大值雖達(dá)到作為放射性固體廢物的鈾含量標(biāo)準(zhǔn)，但仍<天然鈾含量估算管理目標(biāo)限值，且異常比例極小，絕大部分的測(cè)點(diǎn)鈾含量處于正常值范圍之內(nèi)，綜合考慮隧洞通過(guò)地段平均2.24%的極低的鈾浸出率指標(biāo)，可以斷定評(píng)價(jià)去鈾含量不會(huì)造成人體危害，不會(huì)對(duì)輸水工程的水質(zhì)造成損害。

隧洞通過(guò)地段內(nèi)索取水樣氡濃度遠(yuǎn)<平均值19.8BAq/L。水中鈾核素含量均小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)50μg/L，平均5.42μg/L,水樣分析結(jié)果表明評(píng)價(jià)區(qū)放射性核素含量不高。

在隧洞施工過(guò)程中，不排除存在放射性核素增高或異常的可能性，應(yīng)用核素專用測(cè)量?jī)x器在隧洞施工的同時(shí)進(jìn)行隧洞路線調(diào)查，若遇到放射性核素增高或異常，應(yīng)對(duì)隧洞四壁做放射性編錄，確定高值區(qū)，進(jìn)行必要的防護(hù)處理。

3 結(jié) 論

引水發(fā)電隧洞海拔高、埋深大，勘探難度高，采用超前預(yù)測(cè)手段，加強(qiáng)施工地質(zhì)工作，在施工期間利用開(kāi)挖面，針對(duì)深埋的引水隧洞進(jìn)行巖爆、圍巖變形、突涌水、高地溫等問(wèn)題進(jìn)行研究，并與工程實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，所得結(jié)論對(duì)類似工程設(shè)計(jì)施工具有一定指導(dǎo)意義。

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CountermeasuresagainstProblemsaboutHydraulicTunnelProjectGeologicalInvestigation

LIU Shu-hui

(Qiqihaer Urban Water Conservancy Investigation and Design Institute,Qiqihaer 161006,China)

Long water diversion tunnel is a common engineering type of water conservancy and hydropower projects, its major characters are: rout is long; carven is buried deeply; spanning the geomorphic unit is complex; there are many layers of rock and groundwater level impacts greatly. By stating the common hydrogeological problems about water delivery tunnel in water supply project, this paper described common problems existing in geological investigation for water diversion tunnel engineering, as rockburst, deformation of coffer rock, water gushing, putting forth the reasonable suggestion and protective measures.

water diversion tunnel; geological investigation; water diversion and power generation; problem; countermeasure

TV672.1

B

1007-7596(2017)09-0140-03

文章編號(hào)：1007-7596(2017)09-0059-03

2017-08-19

劉殊慧(1965-)，女，山東肥城人，工程師，從事水利工程地質(zhì)勘查工作。