程光偉， 杜瀟翔

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

巴基斯坦某水電站引水隧洞地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析與應(yīng)對研究

程光偉， 杜瀟翔

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

位于吉拉姆河上的巴基斯坦某水電站裝機(jī)容量大、水頭高、引水線路長，地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)非常高。本文基于該項(xiàng)目的基本地質(zhì)條件，系統(tǒng)分析了項(xiàng)目的各項(xiàng)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，并重點(diǎn)就引水隧洞的涌突水問題、圍巖變形問題、斷裂分布及影響進(jìn)行了論述，提出了相應(yīng)應(yīng)對措施建議。

引水隧洞； 涌突水； 抗斷； 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

1 工程概況

巴基斯坦某水電站位于巴基斯坦東北部的巴控克什米爾(AJK)境內(nèi)的印度河(Indus River)支流吉拉姆河(Jhelum River)上，工程為單一發(fā)電任務(wù)的水電樞紐，攔河壩為曲線形混凝土重力壩，兩條引水隧洞洞線相互平行，中心線間距45 m，隧洞直徑8.5 m，單洞長度約為17.4 km，總設(shè)計(jì)引水流量為425 m3/s。電站總裝機(jī)容量1 118 MW，多年平均總發(fā)電量為51.74億kW·h。

2 工程區(qū)地質(zhì)條件概述

工程區(qū)位于喜馬拉雅山南麓，總體地勢北東高，向南西逐漸降低。區(qū)內(nèi)河谷深切，地勢較陡，溝谷很發(fā)育，水系呈近平行的樹枝狀分布，所有大的溝谷多近平行展布，流向吉拉姆河，地貌形態(tài)特征主要受構(gòu)造和巖性控制。

工程區(qū)位于亞喜馬拉雅逆沖推覆體上，附近主要出露第三系穆里(Murree)組和卡米列(Kamlial)組地層。穆里(Murree)組地層年代為下中新統(tǒng)(N11)，由砂巖、粉砂巖、頁巖、泥巖組成，局部見有少量透鏡狀礫巖，該層在工程區(qū)內(nèi)廣泛出露，厚達(dá)數(shù)百米?？琢?Kamlial組地層年代為下)組地層年代為下～中中新統(tǒng)(N11～2)，由砂巖、泥巖/劈理化泥質(zhì)粉砂巖和透鏡狀礫巖組成，分布于隧洞沿線一帶。

工程區(qū)位于Hazara-Kashmir并合構(gòu)造(HKS)上，主邊界斷裂帶(MBT)將之包圍成環(huán)形帶在并合構(gòu)造周圍還有數(shù)條其他逆沖斷裂帶。工程區(qū)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差，壩址區(qū)和廠房區(qū)50年超越概率10%的地面動(dòng)峰值加速度(PGA)分別為315.0 gal(約0.321 g)和311.5 gal(約0.318 g)，均相當(dāng)于地震基本烈度Ⅷ度。隧洞沿線的地震動(dòng)加速度峰值分檔為0.30 g區(qū)(參考范圍值[0.28 g,0.38 g])，也相當(dāng)于地震基本烈度Ⅷ度。

受氣候和地質(zhì)條件的控制，工程區(qū)域內(nèi)巖體風(fēng)化作用以物理風(fēng)化(卸荷)為主，化學(xué)風(fēng)化相對較微弱。工程區(qū)地形地貌總體發(fā)育趨勢以上升為主，溝谷下切較深，形成高陡岸坡。巖體均受到明顯風(fēng)化和重力卸荷作用的影響，卸荷帶深度一般小于30 m。

3 工程區(qū)主要地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析

本項(xiàng)目區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差，斷裂(尤其是活動(dòng)斷裂)極為發(fā)育，地震烈度高(Ⅷ度區(qū))，巖體軟硬相間，地質(zhì)條件非常復(fù)雜，地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)極高。本項(xiàng)目主要難點(diǎn)在于引水隧洞，具有超長、深埋、硬巖高地應(yīng)力與巖爆、軟巖塑性變形量大、塌方、涌突水問題突出、開挖支護(hù)難度大、安全問題突出等諸多不利因素。需重點(diǎn)關(guān)注長引水隧洞深埋引起的不良地質(zhì)問題、隧洞過斷裂帶抗斷問題、多條引水隧洞檢修通道設(shè)置問題。

4 引水隧洞區(qū)主要地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 引水隧洞滲水和突水分析

滲水和突、涌水是隧道施工中最常見的水文地質(zhì)現(xiàn)象。大量的突、涌水往往給工程帶來許多困難和危害，甚至造成嚴(yán)重事故迫使工程停工，從而大大影響施工期限。隧洞施工僅出現(xiàn)水量不大的漏水、滲水等也會(huì)造成不同程度、不同類型的危害。除此之外，由于水的物理和化學(xué)作用，隧洞的工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件也會(huì)出現(xiàn)惡化，從而產(chǎn)生其他類型的隧洞病害。

本項(xiàng)目隧洞沿線高聳寬大的山脈與河谷盆地相間分布，穿越2個(gè)較大的分水嶺。雨季大氣降水充沛，為地下水提供了豐富的來源。地層受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，褶皺、斷層及節(jié)理裂隙比較發(fā)育，為地下水的活動(dòng)創(chuàng)造了空間條件。

現(xiàn)結(jié)合區(qū)內(nèi)對地下水有控制意義的褶皺及斷層等儲水構(gòu)造及隧洞掘進(jìn)過程中推測易發(fā)生突、涌水及涌水量較大的區(qū)段，主要包括薩朗褶皺帶、喜馬拉雅前緣斷裂帶(HFT，F(xiàn)5)、f1斷層、f2斷層、f3斷層、f4斷層等部位。

以上構(gòu)造部位均有利于地下水的賦存，從巖性、構(gòu)造發(fā)育特征及勘探試驗(yàn)資料等方面判斷，隧洞除了構(gòu)造破碎帶附近、向斜核部地層局部可能發(fā)生承壓水和裂隙水集中式涌(突)水；而節(jié)理發(fā)育地層可能有裂隙水點(diǎn)狀滲流外，大部洞段巖體滲透性較弱。

隧洞涌、突水地段主要是地質(zhì)上的薄弱環(huán)節(jié)，如斷層破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶、向斜核部及巖相變化帶等。尤其是賦存于斷層帶、向斜核部的承壓水水頭一般較高，據(jù)丹納(Danna)向斜核部附近ZKT6鉆孔揭露有高水頭承壓水，以此推測本工程可能會(huì)遇到超高水頭的裂隙承壓水。這些涌(突)水地段，不僅使隧洞的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件惡化，強(qiáng)大的水壓和圍巖壓力共同作用下，也可引起圍巖大變形、坍方及冒頂，摧毀支撐。

隧洞所穿過地層主要為砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、劈理化粉砂質(zhì)泥巖及泥巖。絕大部分洞段(約占86%)埋深大于260 m，具中等以上地應(yīng)力。因受地應(yīng)力影響，巖體的滲透性和富水均較弱，地下水活動(dòng)性也隨之減弱。所以宏觀分析、判斷，大部分洞段一般不會(huì)出現(xiàn)大的涌水，主要以滴、滲水為主。

但在隧洞穿過節(jié)理發(fā)育段砂巖、斷層及其破碎帶、穿阿加(Agar)河谷段以及向斜構(gòu)造承壓水或遭遇持續(xù)的強(qiáng)降雨時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)涌水和突水現(xiàn)象。施工時(shí)應(yīng)具備對涌水和突水現(xiàn)象的超前探測與超前處理的能力。

4.2 引水隧洞涌水量分析

在不考慮排水防滲措施的前提下，對隧洞開挖時(shí)(施工期)涌水量進(jìn)行預(yù)測。

計(jì)算最大涌水量時(shí)分別采用古德曼經(jīng)驗(yàn)公式和工程實(shí)踐總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算穩(wěn)定涌水量時(shí)分別采用柯斯嘉科夫法和工程實(shí)踐總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式。

古德曼經(jīng)驗(yàn)公式：

式中K——含水體滲透系數(shù)，m/d，根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)取值；

H——靜止水位到洞身橫斷面等價(jià)圓中心距離，m；

d——洞身橫斷面等價(jià)圓直徑，7 m；

L——隧道通過含水體的長度，m。

通過估算可知，一般洞段的穩(wěn)定單位涌水量約6～9 m3/(d·m)，阿加(Agar)河谷段的穩(wěn)定單位涌水量在50 m3/(d·m)左右；最大涌水量約為穩(wěn)定涌水量的2～3倍。

上述估算僅按單條隧洞考慮，沒有考慮雙隧洞之間的相互影響和洞室開挖過程中的預(yù)灌漿及支護(hù)影響，且滲透系數(shù)采用鉆孔深度范圍內(nèi)的巖體平均透水率，會(huì)大大消弱泥巖/劈理化泥巖對防滲的積極作用。因此，估算的涌水量要比實(shí)際涌水量大，僅供參考?？紤]到隧洞圍巖透水層、隔水層相間分布或以夾層形式出現(xiàn)，且總體透水性較弱，均一性極差，所以很難計(jì)算開挖期的涌水量，因此在分析類比的基礎(chǔ)上建議一般洞段的涌水量以2～4 m3/(d·m)計(jì)。在隧洞穿過HFT斷層帶、向斜核部、斷層破碎帶及阿加河谷段時(shí)推測涌水量將會(huì)較大，甚至?xí)l(fā)生突涌水，估計(jì)以上部位涌水量20～50 m3/(d·m)。

4.3 引水隧洞圍巖擠壓變形分析

工程區(qū)內(nèi)SS2砂巖均一性差，多與劈理化泥巖互層或呈夾層狀分布；而泥巖/劈理化泥巖或連續(xù)或互層或呈夾層狀分布，性軟。

在上部為砂巖、下部為粉砂質(zhì)泥巖或泥巖的層面附近，經(jīng)常會(huì)有嚴(yán)重的擠壓剪切現(xiàn)象，且下部的粉砂質(zhì)泥巖或泥巖/劈理化泥巖在一定范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)生軟化，這將嚴(yán)重影響圍巖的變形。

理論上，通常用圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比(S)判別法對圍巖變形進(jìn)行初步判斷。經(jīng)計(jì)算SS2砂巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度約42 MPa，在埋深180～300 m的情況下圍巖就會(huì)產(chǎn)生塑性變形，在埋深大于300 m的情況下將會(huì)發(fā)生大變形；泥巖/劈理化泥巖的巖石強(qiáng)度(天然狀態(tài))一般在15 MPa以下，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比值S很多小于0.5，在埋深大的泥巖段將會(huì)發(fā)生大的塑性變形、甚至擠出破壞。在斷層擠壓帶及含地下水洞段這種變形或會(huì)嚴(yán)重。

根據(jù)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖巖塊縱波速度隨時(shí)間衰減規(guī)律的測試成果分析，在隧洞開挖之后，這些巖性若經(jīng)歷長時(shí)間暴露，巖塊強(qiáng)度必然發(fā)生不同程度的降低，從而導(dǎo)致圍巖快速變形失穩(wěn)。因此，建議一期支護(hù)采用能夠封閉圍巖的柔性支護(hù)為主，且在開挖后8小時(shí)之內(nèi)完成，以充分保護(hù)這些巖體的強(qiáng)度，降低圍巖的塑性變形。

4.4 地應(yīng)力分析

工程區(qū)處于強(qiáng)烈擠壓變形的褶皺帶內(nèi)，隧洞埋深大，大部分洞段的埋深在400～800 m，最大埋深達(dá)1 150 m。補(bǔ)充勘察過程中在隧洞首部的壩址右岸、隧洞中部和隧洞出口鉆孔中分別進(jìn)行了水壓致裂法地應(yīng)力測量。

(1)三個(gè)孔的實(shí)測結(jié)果均表明最大水平主應(yīng)力占主導(dǎo)地位，該工程區(qū)的水平構(gòu)造作用力明顯。通過對世界應(yīng)力圖數(shù)據(jù)的檢索可知，該區(qū)域的震源機(jī)制解結(jié)果均表明應(yīng)力狀態(tài)為有利于逆沖斷層活動(dòng)；而三個(gè)鉆孔所揭露的巖體質(zhì)量均較差，因此提供的可靠信息有限，故綜合兩種數(shù)據(jù)結(jié)果，該區(qū)域主導(dǎo)應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)為SHgt;Shgt;SV。

(2)三個(gè)鉆孔實(shí)測所得到的測區(qū)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹E70.3°～89°。

(3)根據(jù)隧洞沿線的地應(yīng)力預(yù)測，最大水平主應(yīng)力約56 MPa(埋深約1 150 m)。

根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287-2006)附錄P，對引水隧洞沿線巖體初始地應(yīng)力進(jìn)行分級，得出地應(yīng)力分級的預(yù)測埋深、長度和所占比例，引水隧洞而言，中等地應(yīng)力狀況約為7.79 km，約占隧洞段的45%；高地應(yīng)力洞段約為6.09 km，約占35%；極高地應(yīng)力洞段約為0.57 km，約占3.3%。

4.5 HFT斷裂帶對引水隧洞的影響分析

隧洞穿越HFT斷裂帶及其影響寬帶約600 m，斷裂帶對引水隧洞的影響分析如下：

4.5.1 對HFT斷裂帶寬度的初步判斷

(1)根據(jù)EH-4音頻大地電磁測深測試成果判斷。根據(jù)物探EH-4音頻大地電磁測深剖面DW1-DW1’及DW2-DW2’，在HFT出露的地表下部可見有一條傾向NE向的相對低阻異常帶，高程600 m部位傾角約為55°～60°，據(jù)物探剖面推測寬度為400～550 m，在深部該異常帶寬度變窄。

(2)根據(jù)鉆孔巖芯判斷。據(jù)HFT斷裂帶附近的勘探點(diǎn)揭露，鉆孔巖芯狀態(tài)極為破碎，不規(guī)則節(jié)理裂隙發(fā)育～極發(fā)育，擠壓、扭轉(zhuǎn)跡象明顯，證實(shí)鉆孔均在HFT斷裂帶破碎帶內(nèi)，但每個(gè)鉆孔中均有少量巖芯較完整段。

(3)根據(jù)孔內(nèi)電視成果判斷。據(jù)部分鉆孔孔內(nèi)電視成果分析，孔深50.0 m以上孔壁完整性較好，裂隙平直，巖體較完整；但孔深50.0 m以下巖體內(nèi)節(jié)理裂隙越來越密集，孔壁完整性也越來越差，如孔深54.0～60.0 m段，孔壁巖體破碎，似“角礫巖”狀，節(jié)理裂隙發(fā)育不規(guī)則，多為方解石脈完全充填，表明此段巖體受構(gòu)造影響劇烈；孔深140.0 m以下，巖體中方解石脈極發(fā)育，不規(guī)則節(jié)理發(fā)育，孔壁破碎，均表明巖體在構(gòu)造帶內(nèi)。

綜上初步認(rèn)為，HFT實(shí)際上是由一系列近平行的破碎帶、剪切帶組成的逆沖斷裂帶，且由于巖性的差異，其間部分段巖體相對完整，呈“帶中帶”分布，其集中發(fā)育一條逆沖帶，主要破碎帶寬度預(yù)計(jì)在250～300 m之間。

4.5.2 HFT斷裂帶組成物質(zhì)分析

HFT斷裂帶組成物質(zhì)復(fù)雜，膠結(jié)程度各異。

破碎帶中巖塊巖性主要為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和細(xì)砂巖，局部為泥巖/劈理化泥巖，局部可見角礫巖。

帶內(nèi)物質(zhì)以方解石完全膠結(jié)為主，局部為半膠結(jié)(見圖1)。由于泥質(zhì)粉砂巖的強(qiáng)度低、隱微節(jié)理發(fā)育，造成帶中很多泥質(zhì)粉砂巖特別破碎。

圖1 斷層帶中半膠結(jié)的SS2砂巖

4.5.3 HFT斷裂帶對隧洞的影響分析

(1)抗斷問題。HFT斷裂帶屬于全新世區(qū)域性活動(dòng)斷裂，走向NW，傾向NE，滑動(dòng)速率約3 mm/a。其與隧洞軸線幾乎正交，對隧洞存在抗斷問題。

(2)滲水和突水。隧洞所穿過地層主要為破碎的砂巖夾泥巖/劈理化泥巖。隧洞最大埋深僅230 m，地下水位高于洞室底板約85 m，巖體總體為弱透水層，所以宏觀分析、判斷，大部分洞段一般不會(huì)出現(xiàn)大的涌水。但需注意的是，由于在該區(qū)的NW方向有一“堰塞塘”，HFT斷裂帶的新構(gòu)造裂縫可能從“堰塞塘”中穿過，導(dǎo)致施工期湖水回灌，因此施工時(shí)應(yīng)具備對涌水和突水現(xiàn)象的超前探測與超前處理的能力。

(3)圍巖變形特性分析。該段隧洞最大埋深約230 m，泥巖/劈理化泥巖的強(qiáng)度低，在某些地段，泥巖單軸抗壓強(qiáng)度與地應(yīng)力的比值大部分小于1，在斷層擠壓帶及含地下水洞段變形將會(huì)變得嚴(yán)重，在長期的外部荷載影響下可能會(huì)產(chǎn)生塑形擠出或順層滑動(dòng)。所以，施工時(shí)應(yīng)具備對大斷層進(jìn)行超前探測與超前處理的能力，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的證據(jù)，設(shè)計(jì)需考慮對大斷層的永久監(jiān)測措施。

5 結(jié) 論

本項(xiàng)目裝機(jī)容量大，水頭高，引水線路長，工程區(qū)地質(zhì)條件差，尤其是引水隧洞穿過活動(dòng)斷裂帶，地質(zhì)問題突出，在項(xiàng)目實(shí)施前應(yīng)充分考慮到不利地質(zhì)因素的影響，為后續(xù)工作的開展做好充分準(zhǔn)備。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮采取合理結(jié)構(gòu)措施應(yīng)對抗斷問題，重視對高地應(yīng)力和斷層破碎帶等引起的地質(zhì)問題的處理；在施工過程中，建議做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，對可能的涌水和突水以及高地應(yīng)力等現(xiàn)象進(jìn)行超前探測與超前處理；根據(jù)引水隧洞在施工過程中揭露的地質(zhì)現(xiàn)象，檢驗(yàn)和修正前期勘察資料，對各處理措施進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，同時(shí)，布置永久監(jiān)測措施，特別是對穿越斷層帶時(shí)重點(diǎn)觀測變形、位移、有害氣體超標(biāo)等現(xiàn)象；運(yùn)行階段定期進(jìn)行巡視，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

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2016- 05- 23

程光偉(1980-)，男，四川瀘州人，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)、風(fēng)險(xiǎn)管理。

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1003-9805(2017)04-0057-03