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        靈石中部引黃供水線路分水洞工程地質(zhì)調(diào)查

        2018-02-19 09:06:08王鴻燕
        山西水利 2018年11期
        關(guān)鍵詞:泥灰?guī)r峰峰奧陶系

        王鴻燕

        (靈石縣水務(wù)局,山西 靈石 031300)

        1 區(qū)域地質(zhì)概況

        1.1 地形地貌

        靈石縣地處太原盆地與臨汾盆地之間的隆起帶,全縣呈東西高,中間低的寬緩槽形地形,區(qū)內(nèi)地形起伏大,高低懸殊,全縣最高處為東部的霍山區(qū)牛角鞍,高程為2 566.6 m,最低為南關(guān)石橋村靈石汾河出口處,高程為580 m。

        靈石縣地貌按成因及形態(tài)可劃分為溶蝕高中山,剝蝕侵蝕低山、黃土臺塬及山間河谷區(qū)。靈石縣全境屬黃河流域汾河水系,汾河發(fā)源于寧武縣管涔山麓,穿越太原盆地,從介休白岸和靈石境內(nèi)的桑平峪之間入境,流經(jīng)兩渡、翠峰、夏門、南關(guān)四鎮(zhèn),由南關(guān)石橋村流向霍州市,在河津市西南匯入黃河。汾河是區(qū)內(nèi)最大河流,從中部縱貫?zāi)媳?,境?nèi)主要支流有靜昇河、仁義河、交口河和段純河,其中右岸主要支流為交口河和段純河,左岸支流為靜昇河和仁義河。

        1.2 地層巖性

        本區(qū)出露的地層由老到新有:太古界太岳山群柏楊河組(ATb)和石膏山組(ATs);元古界長城系(Zch);古生界寒武系(∈)、奧陶系(O)、石炭系(C)、二疊系(P);新生界上第三系(N),第四系中更新統(tǒng)(Q2)、上更新統(tǒng)(Q3)、全新統(tǒng)(Q4)及人工堆積(Qs)。

        1.3 供水線路工程地質(zhì)

        靈石中部引黃縣域小水網(wǎng)供水工程,供水起點(diǎn)在中部引黃交汾靈支線樁號38+920處。供水線路自交汾靈隧洞至前進(jìn)水庫后,沿著段純河往下游至段純河和汾河交會處,自交會處再往下至南關(guān)鎮(zhèn)和仁義河上游逍遙村受水點(diǎn)的線路走向,根據(jù)地形自交會處沿著汾河右岸向下游鋪設(shè)管道,至南關(guān)鎮(zhèn)后跨過汾河至左岸,在左岸沿著仁義河向上游至逍遙村東方鋁業(yè)集團(tuán)。

        2 分水洞工程地質(zhì)條件

        2.1 地形地貌

        分水洞從中部引黃交汾靈支線樁號38+920處,至前進(jìn)水庫西側(cè)棗園溝右岸,總長5 810 m,洞口斷面為城門洞型,洞高3.04 m,洞底高程928.026 m。其后接680 m漿砌石渠道至前進(jìn)水庫。該段為剝蝕侵蝕低山區(qū),走向N73°E,沿線地形起伏較大,地面高程932~1 230 m,沿線較大的沖溝有棗園溝及其支溝。

        2.2 地層巖性

        隧洞沿線發(fā)育的地層從老到新有:奧陶系中統(tǒng)峰峰組灰?guī)r、白云質(zhì)泥灰?guī)r、泥灰?guī)r;石炭系中統(tǒng)本溪組砂質(zhì)頁巖、頁巖夾薄煤層、鋁土巖、硫鐵礦;石炭系上統(tǒng)太原組、山西組泥巖、頁巖夾砂巖、煤層、石灰?guī)r;第四系中更新統(tǒng)洪積淺紅、淺黃色低液限粘土夾古土壤;第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積淡黃色低液限粉土;第四系全新統(tǒng)洪沖積低液限粘土、卵石混合土層。

        2.2.1 沿線鉆孔巖芯采取率及RQD

        沿線共布置了2個鉆孔,鉆孔巖芯采取率及RQD統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

        2.2.2 沿線鉆孔聲波測試成果

        沿線1個鉆孔(ZK17-2)進(jìn)行了鉆孔聲波測試,鉆孔聲波測試成果見表2。

        2.2.3 隧洞圍巖巖石物理力學(xué)指標(biāo)

        隧洞圍巖主要為奧陶系中統(tǒng)峰峰組灰?guī)r、泥灰?guī)r,據(jù)工程沿線鉆孔取樣,進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),隧洞圍巖巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果見表3。奧陶系中統(tǒng)峰峰組灰?guī)r的有關(guān)性質(zhì)指標(biāo)如下:其顆粒密度平均值2.70 g/cm3,天然密度平均值為2.67 g/cm3,烘干密度平均值為2.65 g/cm3,飽和密度平均值為2.68 g/cm3;吸水率0.96%,飽和吸水率1.24%;單軸飽和抗壓強(qiáng)度2.3~45.7 MPa,平均值27.5 MPa,屬較軟巖;軟化系數(shù)0.64,泊松比0.29,飽和變形模量3.71×104MPa;飽和抗剪斷強(qiáng)度的凝聚力C為2.95 MPa,內(nèi)摩擦角Φ為47.4°。

        表1 分水鉆孔巖芯采取率及RQD值統(tǒng)計(jì)表 單位:%

        表2 ZK17-2鉆孔(樁號4+241)聲波測試成果統(tǒng)計(jì)表

        表3 隧洞圍巖巖石物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

        隧洞圍巖在鉆進(jìn)過程中較為破碎,灰?guī)r、泥灰?guī)r滲透系數(shù)為7.8×10-5~8.7×10-4cm/s,平均值2.0×10-4cm/s,大值平均值7.6×10-4cm/s,具弱~中等透水性。

        2.3 地質(zhì)構(gòu)造

        隧洞沿線無明顯斷層等地質(zhì)構(gòu)造,巖體巖層產(chǎn)狀N20°E/SE∠5°,主要發(fā)育兩組節(jié)理裂隙,巖體中主要發(fā)育兩組節(jié)理裂隙,其產(chǎn)狀分別為:①N12°~36°E/NW∠82°~89°,一般張開2~6 mm,無充填,隙面起伏粗糙,延伸遠(yuǎn);②N66°~80°E/SE∠81°~86°,一般張開3~10mm,無充填或少量泥質(zhì)充填,隙面平直光滑。

        2.4 水文地質(zhì)

        沿線地下水主要為碳酸鹽巖類裂隙水、碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙水和松散巖類孔隙水。

        碳酸鹽巖類裂隙水主要賦存于奧陶系灰?guī)r裂隙或溶隙中,泥灰?guī)r為相對隔水層。主要靠大氣降水入滲和松散巖類孔隙水補(bǔ)給,由高處向低洼地帶徑流或越流排泄。

        碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙水,主要賦存于石炭系砂巖、灰?guī)r裂隙或溶隙中,泥灰?guī)r、頁巖、泥巖及煤層為相對隔水層。主要靠大氣降水入滲和松散巖類孔隙水補(bǔ)給,由高處向低洼地帶徑流或越流排泄。

        松散巖類孔隙水主要賦存于第四系洪沖積卵石混合土、級配不良砂中,主要接受大氣降水及地表水的入滲補(bǔ)給和山區(qū)基巖裂隙水側(cè)向徑流補(bǔ)給,地下水也向河谷低凹地帶徑流、排泄。

        于隧洞沿線鉆孔ZK17-1中取地下水樣1組,水化學(xué)類型為SO4-HCO3-Mg-Ca型。依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)附錄L環(huán)境水腐蝕判定標(biāo)準(zhǔn),地下水對混凝土具中等腐蝕性,水中Cl-(含硫酸鹽折算后)含量為144.57 mg/L,介于100~500 mg/L之間,對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋為弱腐蝕性;PH值為7.29,介于3~11之間,(Cl-+SO42-)含量為507.06 mg/L,大于500 mg/L,對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。

        2.5 物理地質(zhì)現(xiàn)象

        隧洞沿線主要物理地質(zhì)現(xiàn)象為基巖風(fēng)化、巖溶。工程區(qū)內(nèi)基巖強(qiáng)風(fēng)化帶厚,一般為5 m左右。巖溶發(fā)育于碳酸鹽巖地層中,形態(tài)主要以溶蝕裂隙為主,伴有溶溝、溶槽、溶孔等,可見少量溶洞,在節(jié)理密集帶及軟弱層間撓曲等處巖溶較發(fā)育,充填或半充填棕黃色含碎石粘土、低液限粘土等。巖溶發(fā)育程度較強(qiáng)烈的地層為奧陶系中統(tǒng)峰峰組地層。

        此外,鉆孔ZK17-1(樁號D2+450)深度60.6~63.3 m,有厚2.7 m的采空區(qū)未充水,位于隧洞上部約180 m,高程約1 114 m;鉆孔ZK17-2(樁號D4+230),深度25.4~27.3 m有厚1.9 m的采空區(qū)未充水,位于隧洞上部約67 m,高程約1 000 m,因距洞頂60 m以上,故推測該段采空區(qū)對隧洞影響不大。

        3 分水洞工程地質(zhì)評價

        該隧洞及渠道段全長6.49 km。

        3.1 樁號D0+000~D5+350地段

        地面高程1 025~1 230 m,洞底埋深97~202 m。圍巖巖性為奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)灰?guī)r、泥灰?guī)r。巖層產(chǎn)狀N20°E/SE∠5°。地下水位高程914.4~989.6 m,自隧洞進(jìn)口向下游水位漸低。

        其中樁號D0+000~D4+533.5段地下水位高于洞底,隧洞開挖過程中存在涌水問題;樁號D4+533.5~D5+350段地下水位低于洞底。根據(jù)鉆孔注水試驗(yàn)結(jié)果,灰?guī)r、泥灰?guī)r滲透系數(shù)為0.66 m/d。準(zhǔn)確預(yù)測隧洞涌水量一直是國內(nèi)外隧道勘察的難點(diǎn)之一,目前尚無成熟的方法。根據(jù)隧洞沿線水文地質(zhì)條件,采用以下公式對可能受地下水影響洞段涌水量進(jìn)行估算。

        潛水非完整式水平坑道公式:

        式中:Q——預(yù)測涌水量,m3/d;

        B——隧洞通過含水體的長度,m;

        K——含水體滲透系數(shù),m/d;

        R1、R2——補(bǔ)給方向和排泄方向影響寬度,m;

        H1、H2——對應(yīng)R1、R2隧洞處水頭,m;

        b——隧洞寬度,m;

        S——平均降深,m;

        T——隧洞底至隔水底板距離,m。

        根據(jù)場地的水文地質(zhì)條件,假設(shè)H1=H2=H,R1=R2,則上式簡化為:

        表4 D0+000~D4+533.5隧洞段涌水量Q估算表

        由表4可知,隧洞段涌水量約為11 547.1 m3/d。建議隧洞開挖時采用分段施工方式并采取合理排水措施,并加強(qiáng)圍巖監(jiān)測工作。

        灰?guī)r為硬質(zhì)巖,巖體較完整,泥灰?guī)r為軟~較軟巖。經(jīng)綜合判定,其中Ⅲ類圍巖約占該段的60%,建議其圍巖單位彈性抗力系數(shù)500~1 000 MPa/m,堅(jiān)固系數(shù)3~4,泊松比0.26~0.29,變形模量5~7.5 GPa,圍巖局部穩(wěn)定性差,不及時支護(hù)可能產(chǎn)生塌方或變形破壞,建議噴混凝土、系統(tǒng)錨桿加鋼筋網(wǎng)支護(hù)。Ⅳ類圍巖約占該段的20%,建議圍巖單位彈性抗力系數(shù)300~500 MPa/m,堅(jiān)固系數(shù)2~3,泊松比0.29~0.32,變形模量2~5 GPa。圍巖不穩(wěn)定,自穩(wěn)時間很短,規(guī)模較大的各種變形和破壞都可能發(fā)生,建議噴混凝土、系統(tǒng)錨桿加鋼筋網(wǎng),剛性支護(hù),并澆筑混凝土襯砌。Ⅴ類圍巖約占該段的20%,建議圍巖單位彈性抗力系數(shù)50~100 MPa/m,堅(jiān)固系數(shù)0.5~1,泊松比0.35~0.45,變形模量0.05~0.5 GPa。圍巖極不穩(wěn)定,不能自穩(wěn),變形破壞嚴(yán)重,建議噴混凝土、系統(tǒng)錨桿加鋼筋網(wǎng),剛性支護(hù),并澆筑混凝土襯砌。部分洞段存在涌水、突水可能性。局部巖溶可能較發(fā)育,可能遇溶洞。

        其中樁號D2+450地段洞頂上部約180 m處有厚2.7 m的采空區(qū),樁號D4+230地段洞底上部約67 m處有厚1.9 m的采空區(qū),因距洞頂60 m以上,故推測該段采空區(qū)對隧洞影響不大。樁號D4+230~D5+350地段,因煤系地層下傾,分布高程降低,洞頂?shù)绞肯堤M煤系地層厚度變小,盡管該段目前尚無煤礦分布或規(guī)劃,但也不能完全排除因私采而形成采空區(qū)的可能。施工時應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào),并采取相應(yīng)的工程措施,防止突水、突泥及有害氣體的危害。

        隧洞進(jìn)出口地層巖性均為奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)灰?guī)r、泥灰?guī)r。地基承載力地質(zhì)建議值200~300kPa;建議基坑臨時開挖邊坡1∶0.3~1∶0.5。進(jìn)口段地下水位于洞頂以上,隧洞開挖過程中存在涌水問題。

        3.2 樁號D5+350~D5+810地段

        地面高程932~1 050 m,洞底埋深0~122 m。圍巖巖性為石炭系本溪組(C2b)砂頁巖、灰?guī)r、硫鐵礦、鋁土巖。巖層產(chǎn)狀N20°E/SE∠5°。該洞段地下水,位于洞底以下。

        該洞段所穿砂頁巖、硫鐵礦、鋁土巖為較軟巖,圍巖不穩(wěn)定,受節(jié)理裂隙切割,巖體較破碎,完整性較差,圍巖工程地質(zhì)分類為Ⅳ類。建議圍巖單位彈性抗力系數(shù)300~500 MPa/m,堅(jiān)固系數(shù)2~3,泊松比0.29~0.32,變形模量2~5 GPa。圍巖不穩(wěn)定,自穩(wěn)時間很短,規(guī)模較大的各種變形和破壞都可能發(fā)生,建議噴混凝土、系統(tǒng)錨桿加鋼筋網(wǎng),剛性支護(hù),并澆筑混凝土襯砌。該段洞頂上部為煤系地層,不能完全排除因私采而形成采空區(qū)的可能。段內(nèi)存在煤層氣有害氣體。施工時應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào),并采取相應(yīng)的工程措施,防止突水、突泥及有害氣體的危害。部分洞段存在涌水、突水可能,且煤層附近地下水對混凝土可能有腐蝕性。

        另外,隧洞出口段圍巖及洞臉邊坡地層巖性,為石炭系本溪組鋁土巖、頁巖,圍巖極不穩(wěn)定,屬Ⅴ類圍巖。隧洞開挖時應(yīng)遵循“早進(jìn)洞,晚出洞”的原則,盡量減低開挖邊坡高度,在村莊附近不放大炮,以免對房屋等造成影響。

        3.3 樁號D5+810~D6+489.95地段

        該段為渠線,沿線地層為第四系全新統(tǒng)洪沖積(Q4Pal)卵石混合土層、奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)灰?guī)r、泥灰?guī)r層。地下水位3.8~5.9m。渠基開挖底面多位于地下水位以上。

        樁號D5+810~D5+909地段渠基置于奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)灰?guī)r、泥灰?guī)r層,樁號D5+909~D6+489.95地段渠基置于第四系全新統(tǒng)洪沖積(Q4Pal)卵石混合土層。地基承載力地質(zhì)建議值:灰?guī)r400~500 kPa,泥灰?guī)r200~300 kPa,卵石混合土為150~200 kPa。建議基坑臨時開挖邊坡:基巖1∶0.3~1∶0.5;卵石混合土水上1∶0.5~1∶0.75,水下1∶1~1∶1.5。

        渠基存在因巖性不一或結(jié)構(gòu)密實(shí)程度不同而產(chǎn)生的不均勻變形問題,建議對渠基進(jìn)行夯實(shí)或碾壓處理。

        4 結(jié)論

        隧洞段洞線圍巖巖性為奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)灰?guī)r、泥灰?guī)r;石炭系本溪組(C2b)砂頁巖、灰?guī)r、硫鐵礦、鋁土巖。部分洞段存在涌水、突水可能。部分洞段洞頂上部為煤系地層,可能存在煤層氣有害氣體。施工時應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào),并采取相應(yīng)的工程措施,防止突水、突泥及有害氣體的危害。

        工程區(qū)內(nèi)天然混凝土粗、細(xì)骨料缺乏,建議外購;對天然建筑材料進(jìn)一步勘察,完善各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)。建議進(jìn)一步查明分水洞的地層巖性分布、組成、物理力學(xué)特性。

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