王志強(qiáng) 李廣誠

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院， 北京 100120， 中國)

0 引 言

作為一個歷史悠久的農(nóng)業(yè)大國，我國人均水資源僅有世界人均水量的1/4，被列入13個主要貧水國的行列。

這有限的水資源在空間分布上極不均衡，主要表現(xiàn)在南北方的差異(圖 1)(慧聰水工業(yè)網(wǎng)， 2016)。北方人均水資源不到全國平均水平的35%，北方耕地面積畝均水資源僅為全國平均水平的26%。

圖 1 中國水資源分布圖Fig. 1 Water resources distribution in China

中國西北地區(qū)有占全國國土面積1/4的荒漠，而且現(xiàn)在還在以每年大約1個縣面積的速度繼續(xù)擴(kuò)張，而大規(guī)模荒漠治理只能依賴于大規(guī)?？缌饔蛘{(diào)水。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源的不足嚴(yán)重制約了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，缺水地區(qū)水荒嚴(yán)重，水資源供需矛盾日益加劇，水環(huán)境持續(xù)惡化。

在以上情況下，大型跨流域調(diào)水工程的實(shí)施就成為必然。這是實(shí)現(xiàn)我國水資源戰(zhàn)略布局調(diào)整、優(yōu)化水資源配置、解決中國南北方和某些局部地區(qū)缺水問題的一項(xiàng)特大基礎(chǔ)措施，其對保證和促進(jìn)我國各地區(qū)統(tǒng)一協(xié)調(diào)地發(fā)展經(jīng)濟(jì)、改善環(huán)境和社會穩(wěn)定都具有十分重要的意義。

中國從20世紀(jì)80年代開始興建調(diào)水工程，但大規(guī)模的興建則是近10～20年的事。因此針對長距離調(diào)水工程及其工程地質(zhì)問題研究的較少。特別是由于地域的限制，大部分工程地質(zhì)技術(shù)人員都局限于某一具體工程的勘察設(shè)計(jì)或科學(xué)研究。從全國范圍內(nèi)對中國調(diào)水工程的地質(zhì)問題進(jìn)行一個系統(tǒng)的闡述本文應(yīng)屬首次。

1 中國長距離調(diào)水工程概況

1.1 中國長距離調(diào)水工程分布

中國長距離調(diào)水工程分布見圖 2。從圖中可以看出以下特點(diǎn)：(1)本文所列的調(diào)水工程主要集中在中國的東中部，其他地區(qū)零散分布。(2)調(diào)水工程主要分布在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，也可以說調(diào)水工程的興建是與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)的。

1.2 中國長距離調(diào)水工程主要技術(shù)指標(biāo)

中國長距離調(diào)水工程主要技術(shù)指標(biāo)見表 1。

2 中國長距離調(diào)水工程地質(zhì)環(huán)境

中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心編制的《中國地質(zhì)環(huán)境分區(qū)圖(1︰500萬)》(中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心， 2017)將中國國土劃分為7個大區(qū)39個亞區(qū)，并給出了各區(qū)的地質(zhì)特征及存在的主要問題。本文中所列出的20個長距離調(diào)水工程在7個大區(qū)中均有分布，但以在Ⅱ區(qū)(黃淮海-長三角平原地質(zhì)環(huán)境區(qū))、Ⅲ區(qū)(華南基巖低山丘陵地質(zhì)環(huán)境區(qū))和Ⅳ區(qū)(西北黃土高原地質(zhì)環(huán)境區(qū))相對密集。各工程所在地質(zhì)環(huán)境區(qū)域見圖 2，其地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)見表 2。

3 中國長距離調(diào)水工程中的主要工程地質(zhì)問題

長距離調(diào)水工程跨過多個流域，其工程地質(zhì)條件和工程地質(zhì)問題具有多樣性、復(fù)雜性的特點(diǎn)，且有些問題是調(diào)水工程所特有的，如渠道穿越河道問題等。中國西部的調(diào)水工程由于所處地理位置、氣候和大地構(gòu)造環(huán)境的特殊性，其工程地質(zhì)問題更加復(fù)雜?，F(xiàn)將其中具有調(diào)水工程特色的工程地質(zhì)問題分述如下(李廣誠等， 2001； 李廣誠， 2004； 陳奇等， 2002)。

3.1 復(fù)雜環(huán)境下的區(qū)域地質(zhì)問題

長距離調(diào)水工程距離長遠(yuǎn)，跨越多個地質(zhì)地貌單元和區(qū)域構(gòu)造單元。如南水北調(diào)西線工程地處青藏高原構(gòu)造活動區(qū)，地震烈度高，部分洞段將跨越多條區(qū)域性活動斷層，對工程影響較大。

3.2 活動性構(gòu)造中的洞室穩(wěn)定問題

活動性構(gòu)造對長大隧洞的穩(wěn)定影響較大。為此在區(qū)域調(diào)查的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)行區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定分析，復(fù)核工程各區(qū)段的地震基本烈度，研究大地不均勻變形對隧洞安全穩(wěn)定的影響，對跨活動性斷層的洞段應(yīng)進(jìn)行專門的穩(wěn)定分析并采取特殊的工程措施。

3.3 高地應(yīng)力與圍巖穩(wěn)定問題

長大隧洞一般埋深較大，地應(yīng)力較高。高地應(yīng)力下的洞室極易產(chǎn)生變形失穩(wěn)或發(fā)生巖爆。為此應(yīng)進(jìn)行專門的現(xiàn)場地應(yīng)力測試和應(yīng)力場反演計(jì)算，分析研究高地應(yīng)力下的洞室穩(wěn)定性并選取合適的支護(hù)方式。

3.4 高壓水頭引起的洞室涌水問題以及外水壓力對隧洞襯砌影響問題

長距離輸水隧洞埋深可達(dá)數(shù)百米甚至上千米，天然地下水位也遠(yuǎn)高于隧洞高程，此時隧洞具有較大的外水壓力。隧洞施工中在穿越破碎巖體時可能產(chǎn)生高壓涌水，隧洞支護(hù)也將承受巨大的外水壓力。為此應(yīng)進(jìn)行地下水位的監(jiān)測工作，結(jié)合巖體特征進(jìn)行地下水三維分析計(jì)算，評估外水壓力對洞室襯砌的影響。

3.5 洞內(nèi)碎屑流問題

在高壓水頭的作用下，隧洞中的破碎巖體或斷層充填物可能會隨著地下水的突然涌出形成碎屑流。為此應(yīng)研究破碎巖體和大斷層帶的分布位置、物質(zhì)組成、水頭壓力等，分析評價其可能的失穩(wěn)條件。

3.6 高地溫問題

地溫在地殼中隨著深度的加大而升高，新構(gòu)造活動區(qū)局部也可能存在高地溫異常帶。巖體的性狀在高地溫的作用下可能會產(chǎn)生變化，從而出現(xiàn)新的工程地質(zhì)問題或工程問題。為此應(yīng)進(jìn)行區(qū)域地溫場調(diào)查，在現(xiàn)場鉆孔中不同深度進(jìn)行地溫測試，研究高地溫對工程地質(zhì)條件、對工程建筑物與工程施工的影響。

3.7 有害氣體問題

長距離調(diào)水工程所處地層復(fù)雜多變，某些巖體中可能存在有害氣體。有害氣體將危害施工人員的健康安全甚至工程安全。為此應(yīng)進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)環(huán)境調(diào)查，分析研究可能產(chǎn)生有害氣體的地層及地質(zhì)構(gòu)造，在現(xiàn)場進(jìn)行有害氣體的檢測和預(yù)防。

3.8 高邊坡穩(wěn)定問題

邊坡穩(wěn)定是工程建設(shè)中最常見的工程地質(zhì)問題。在長距離調(diào)水工程中，渠道或其他地面建筑物不可避免地要穿越或座落在高山、峽谷、坡地、溝壑等地質(zhì)單元上，因此可能會出現(xiàn)開挖的高邊坡。即使在平原地區(qū)，當(dāng)渠道穿過溝谷或地勢低洼地段時，也可能會出現(xiàn)人工填筑高邊坡。這些就會產(chǎn)生高邊坡穩(wěn)定問題。

3.9 特殊巖土問題

長距離調(diào)水工程穿越多種地質(zhì)單元，不僅所遇的基巖巖性多種多樣，也會遇到各種各樣的特殊土。常見的有膨脹土、黃土、軟黏土、凍土等(張翔等， 2015)。

(1)膨脹土渠坡穩(wěn)定問題。膨脹土遇水膨脹后強(qiáng)度降低，致使渠坡的穩(wěn)定性較差。南水北調(diào)中線總干渠在黃河以南地段強(qiáng)和中等膨脹土分布長度約43ikm，黃河以北分布長度77ikm。

(2)黃土類土的濕陷性問題。南水北調(diào)中線工程和中國西北部的調(diào)水工程一般都會遇到黃土類土。黃土類土一般具弱濕陷性，部分具中等濕陷性，且均為非自重濕陷性。南水北調(diào)中線工程黃土類土渠坡累計(jì)長度約245ikm。

(3)軟黏土問題。南水北調(diào)中線工程和中國東部調(diào)水工程一般都會遇到軟黏土。軟黏土一般為第四系湖沼相或海相沉淤泥質(zhì)黏土，呈軟-流塑狀，抗剪強(qiáng)度低，影響渠坡穩(wěn)定，或產(chǎn)生較大的沉降。南水北調(diào)中線總干渠南陽段軟黏土分布長度約4ikm，天津干渠軟黏土累計(jì)分布長度約15ikm。

(4)凍土問題。分布在中國青藏高原、東北地區(qū)、西北地區(qū)的調(diào)水工程存在凍土問題。凍土隨著季節(jié)溫度的變化，土體發(fā)生凍結(jié)或融化，其自身強(qiáng)度的變化、溫度的變化、土體應(yīng)力的變化及產(chǎn)生的形變等都可能對建筑物造成破壞。

3.10 過河隧洞或大型渡槽問題

長距離調(diào)水工程不可避免地要跨越其他河流，因而要興建穿河工程。穿河工程主要有兩種型式，一為地下隧洞，一為河上渡槽。兩種過河型式存在的工程地質(zhì)問題主要有：建筑物的抗震穩(wěn)定、地基震動液化、震陷、基礎(chǔ)沖刷、地基承載力、不均勻沉陷、岸邊坡穩(wěn)定、土洞穩(wěn)定等。不同的穿河型式對上述工程地質(zhì)問題有所側(cè)重。

隧洞方案對地質(zhì)條件要求相對簡單，其抗震性能好，震動液化影響較小，震陷問題較小，無基礎(chǔ)沖刷問題，地基承載力要求相對較低，不均勻沉陷問題相對小(荷載為線荷載，分布均勻，且小)，但存在隧洞涌水問題、隧洞襯砌內(nèi)外水壓差問題等。

渡槽方案對地質(zhì)條件要求相對較高，抗震性能相對較差(地震加速度的放大)，震動液化問題和震陷問題相對較大。另有基礎(chǔ)沖刷問題、不均勻沉陷問題(荷載分布為點(diǎn)荷載，不均勻，且大)，地基承載力要求也相對較高。

3.11 礦區(qū)塌陷與滲漏問題

長距離調(diào)水工程在經(jīng)過礦區(qū)時除存在壓覆礦產(chǎn)問題外，地下采空區(qū)也影響著調(diào)水工程的安全穩(wěn)定。采空區(qū)對調(diào)水工程的影響主要有地面塌陷、輸水工程滲漏。南水北調(diào)中線工程經(jīng)過河南省焦作煤礦區(qū)等處的采空區(qū)累計(jì)長度15ikm，壓煤段累計(jì)長度83ikm。

3.12 巖溶問題

長距離調(diào)水工程為線性工程，穿越多個地質(zhì)區(qū)域，所遇巖溶問題也就更加復(fù)雜。巖溶可能導(dǎo)致引水工程出現(xiàn)滲漏、塌陷等問題。在隧洞工程區(qū)，也會影響洞室的穩(wěn)定和工程運(yùn)行的安全(廖存剛等， 2017)。

4 長距離調(diào)水工程勘察設(shè)計(jì)施工中應(yīng)注意的問題

長距離調(diào)水工程與一般水利工程有許多不同之處，其主要特點(diǎn)一是為線性工程，二是跨越多個地質(zhì)單元。因此在前期勘察過程中，有以下問題需引起注意。

4.1 深埋長隧洞的勘察

長距離調(diào)水工程線路中很多是深埋長隧洞，如南水北調(diào)西線工程、引漢濟(jì)渭工程等。南水北調(diào)西線工程中隧洞最大埋深可達(dá)3000im以上。此時鉆探不僅工作量大、費(fèi)用高、施工難度大，取得的地質(zhì)資料也十分有限。平洞勘探也具有相同的問題。地面地質(zhì)測繪在做大深度地質(zhì)推測時其準(zhǔn)確度也大大降低。在這種情況下，航測技術(shù)、遙感技術(shù)、區(qū)域地質(zhì)分析法以及工程地質(zhì)技術(shù)人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)等就尤為重要(李廣誠， 2002)。

4.2 初步勘察相對容易，詳細(xì)勘察難度大

僅僅從工程地質(zhì)的角度講，也許可以說規(guī)劃階段的初步勘察相對容易，而到可行性研究階段、初步設(shè)計(jì)階段做詳細(xì)勘察時難度加大。前期階段的初步勘察精度較低，一般只收集一些區(qū)域地質(zhì)資料，結(jié)合一些簡單的勘探工作就可以了。而在后期做詳細(xì)勘察時，需要針對建筑物的位置和特點(diǎn)做深入、細(xì)致、到位的勘探工作，其工作難度成倍增加(李廣誠， 2002)。

4.3 勘察深度的把握

長距離調(diào)水工程長度動輒數(shù)百公里，中間還夾有多個建筑物，諸如隧洞、渡槽、泵站等。如果以常規(guī)水利水電工程的勘察深度來要求長距離調(diào)水工程，顯然是要求過高了。目前尚無長距離調(diào)水工程專門的規(guī)程規(guī)范，對勘察深度沒有統(tǒng)一、明確的規(guī)定，在各調(diào)水工程中，各勘察設(shè)計(jì)單位都是自己把握，即使是審查單位也多是憑經(jīng)驗(yàn)、憑感覺。這樣就使各個調(diào)水工程的勘察深度把控不一，甚至出現(xiàn)越是工程規(guī)模大、線路長，單位線路長度內(nèi)所作的勘察工作越少的不合理現(xiàn)象。同時也難免遺漏某些工程地質(zhì)問題或分析判斷不夠準(zhǔn)確。

4.4 工程施工時應(yīng)注意的問題

施工期地質(zhì)工作的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)能否根據(jù)較少的勘探資料和相關(guān)地質(zhì)資料，做出一個相對準(zhǔn)確的地質(zhì)分析和判斷，為建筑物所在部位提供一個相對準(zhǔn)確的工程地質(zhì)條件描述。

(2)在隧洞掘進(jìn)過程中，為減少工程施工事故并提供地質(zhì)技術(shù)支撐，做好工程地質(zhì)超前預(yù)報至關(guān)重要。

(3)由于長距離調(diào)水工程規(guī)模巨大，一般采用現(xiàn)代化的機(jī)械化施工方法，此時能否及時收集資料，做好工程地質(zhì)編錄與描述，為工程設(shè)計(jì)、工程施工和工程運(yùn)行積累資料。

從工程管理和工程施工的角度來說，長距離調(diào)水工程遇到的問題還有：多支參建隊(duì)伍的協(xié)調(diào)管理問題、移民搬遷與安置問題、各種因素造成的阻工問題等，此處不做贅述。

5 結(jié) 論

由于中國幅員遼闊，又存在區(qū)域性水資源分配不均的差異，這種差異包括中國南北方的差異，東西部的差異，發(fā)達(dá)地區(qū)與欠發(fā)達(dá)地區(qū)的差異，人口密集與人口稀疏地區(qū)的差異等等，興建調(diào)水工程包括長距離調(diào)水工程是必然的，而且有數(shù)量越來越多、規(guī)模越來越大的發(fā)展趨勢。調(diào)水距離越長，工程規(guī)模越大，所遇到的工程地質(zhì)問題也就越復(fù)雜多樣，解決問題的難度也就越大。因此，系統(tǒng)深入地研究調(diào)水工程地質(zhì)問題也就越來越有重要的意義。