南水北調(diào)西線工程(簡(jiǎn)稱西線工程)位于青藏高

 

  原東北部, 從長(zhǎng)江上游采用深埋長(zhǎng)隧洞方案經(jīng)巴顏喀拉山輸水入黃河, 其建設(shè)規(guī)模、難度都是當(dāng)今世界之最;給工程地質(zhì)和巖石力學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。目前, 西線工程規(guī)劃確定的一期開發(fā)目標(biāo)是大渡河方案, 二期是雅礱江方案, 規(guī)劃有仁青里和阿達(dá)樞紐,三期是通天河方案, 規(guī)劃有同加和側(cè)仿樞紐;三條河流的調(diào)水量為150 ～ 170 億m3。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)及運(yùn)行管理等方面對(duì)比, 西線工程目前擬采用自流引水方案。

 

  1  工程區(qū)及河段樞紐工程地質(zhì)條件

 

  西線工程區(qū)是新構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)發(fā)育的地區(qū)之一, 也是青藏高原地貌的陡變帶, 因此, 調(diào)水區(qū)的地理、地質(zhì)特征都有其獨(dú)特的方面。

 

  1 .1  地層巖性

 

  根據(jù)地質(zhì)特征可分為:(1)北巴顏喀拉-阿尼瑪卿構(gòu)造地層元(Ⅱ1), 以三疊系中統(tǒng)甘德組和下統(tǒng)昌馬河組地層為主, 局部為上統(tǒng)巴顏喀拉群;(2)中巴顏喀拉構(gòu)造地層單元(Ⅱ2), 主要為三疊系下統(tǒng)昌馬河組、中統(tǒng)甘德組和上統(tǒng)巴顏喀拉群, 夾巖漿巖帶;(3)南巴顏喀拉構(gòu)造地層單元(Ⅱ3), 以三疊系上統(tǒng)的巴顏喀拉組為主, 局部為三疊系中統(tǒng)甘德組和下統(tǒng)的昌馬河組;(4)玉樹-義敦構(gòu)造地層單元(Ⅱ4),以三疊系上統(tǒng)巴塘群為主, 夾有中基性巖漿巖帶。

 

  調(diào)水區(qū)除太古界和寒武系之外, 各時(shí)代地層均有出露。其中以三疊系分布最廣, 巖性主要是淺變質(zhì)砂、板巖及其韻律層組合, 這套地層厚度巨大、擠壓緊密, 褶皺強(qiáng)烈, 多為軸面向北東傾斜的緊閉型復(fù)式褶皺, 地層大多呈陡傾角。化石稀少, 缺少標(biāo)志層, 野外只能依據(jù)巖性組合、變質(zhì)程度和砂板巖比例進(jìn)行綜合分層。砂、板巖屬中等堅(jiān)硬～ 堅(jiān)硬巖體, 砂巖屬弱～ 中等透水巖體, 板巖為相對(duì)不透水層。

 

  1 .2  區(qū)域穩(wěn)定性

 

  調(diào)水區(qū)主要斷裂大多形成于中生代, 以北西向斷裂為主, 第四紀(jì)早期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈, 北西向斷裂大多后期重新活動(dòng), 活動(dòng)方式以逆沖兼走滑為主。

 

  晚更新世以來, 特別是全新世以來, 主要是調(diào)水區(qū)南北邊界的玉樹斷裂、鄂陵湖南斷裂和中部的桑日麻斷裂東段有大規(guī)模活動(dòng), 其它斷裂活動(dòng)性相對(duì)較弱,活動(dòng)方式以水平左旋走滑為主。此外, 西線調(diào)水區(qū)還發(fā)育有彌散性的近南北向的橫向構(gòu)造(圖2), 這種彌散性的構(gòu)造使得山體破碎, 降低了洞室圍巖的穩(wěn)定性, 給隧洞的防滲與加固處理帶來困難。

 

  西線調(diào)水區(qū)處于可可西里-金沙江地震帶中地震活動(dòng)水平相對(duì)較低的中西部地區(qū), 區(qū)內(nèi)地震分布零星, 強(qiáng)震相對(duì)較少, 震級(jí)大多以中等為主, 地震強(qiáng)度和頻度相對(duì)較低, 地震活動(dòng)性相對(duì)較弱。地震動(dòng)峰值加速度大部分地區(qū)為0 .10g 、局部為0 .15g (相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ 度區(qū)), 達(dá)日地區(qū)為0 .20g(相當(dāng)于地震基本烈度Ⅷ 度區(qū)), 阿壩地區(qū)為0 .05g。

 

  調(diào)水區(qū)分為阿尼瑪卿和玉樹兩個(gè)不穩(wěn)定區(qū)、巴顏喀拉山北部次不穩(wěn)定區(qū)、兩湖和巴顏喀拉山南部?jī)蓚€(gè)基本穩(wěn)定區(qū)以及巴顏喀拉山中部穩(wěn)定區(qū)。引水樞紐和主要水工建筑物主要規(guī)劃在基本穩(wěn)定和穩(wěn)定區(qū)。

 

  1 .3  外動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象

 

  調(diào)水區(qū)外動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育程度不均, 具有平面分區(qū)、垂向分帶的特性。北區(qū)江河源和巴顏喀拉山主脊是地勢(shì)較緩的高山區(qū)或極高山區(qū), 多年凍土厚度大, 凍土現(xiàn)象(冰緣地貌)發(fā)育, 地勢(shì)平坦而岸坡變形現(xiàn)象稀少。南區(qū)(通天河稱多、玉樹以下, 雅礱江溫拖以下和大渡河壤塘、斜爾尕以下地區(qū))為中深切割高山區(qū)或極高山區(qū), 屬島狀多年凍土分布區(qū), 外動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象垂向分帶明顯, 4300m 以上為凍土冰緣地貌發(fā)育區(qū), 其下岸坡變形破壞現(xiàn)象如滑坡、崩塌、泥石流等較為發(fā)育。

 

  西線調(diào)水工程建筑物主要布置在中南部地區(qū),處于片狀多年凍土向島狀多年凍土的過渡地帶, 屬輕微～ 中等切割高山區(qū)。引水樞紐均在多年凍土下限(4250m)之下, 易進(jìn)行工程處理, 凍土凍害和河谷岸坡變形破壞不致對(duì)工程造成重大危害。

 

  1 .4  通天河與雅礱江河段樞紐工程地質(zhì)條件經(jīng)綜合比選, 目前選取通天河的楚瑪爾河口～直門達(dá)河段, 雅礱江的宜?！?甘孜河段、支流達(dá)曲阿安以上和泥曲仁達(dá)以上河段, 大渡河足木足河亞爾堂～ 斜爾尕河段以及支流綽斯甲河上杜柯～ 雄拉河段為取水河段。樞紐均處于穩(wěn)定區(qū)或基本穩(wěn)定區(qū),地震動(dòng)峰值加速度為0 .10 ～ 0 .15g 。壩段附近砂礫料和塊石料比較豐富, 防滲土料普遍缺乏。庫(kù)區(qū)一般封閉條件較好, 不存在向鄰谷或洼地的永久滲漏問題。庫(kù)區(qū)主要為牧區(qū), 水庫(kù)淹沒損失很小, 不存在浸沒問題。

 

  1 .4 .1  通天河河段

 

  (1)同加樞紐:總體地勢(shì)西北高南東低, 屬中等切割高山～ 中高山區(qū), 河谷為“V”形橫向谷。凍土主要為季節(jié)凍土, 厚度一般為1 .03m ;多年凍土呈不連續(xù)島狀分布。壩段基巖主要為砂、板巖互層, 褶皺發(fā)育, 多為NW 向緊密直立褶皺, 節(jié)理發(fā)育中等。

 

  微風(fēng)化砂巖干抗壓強(qiáng)度為136 ～ 151MPa , 板巖為72～ 97MPa 。河床覆蓋層厚度9 .4 ～ 10 .1m 。壩區(qū)附近缺乏天然砂礫石料;近壩庫(kù)段(7 ～ 12km)存在三處不穩(wěn)定岸坡, 對(duì)樞紐穩(wěn)定有一定影響。

 

  (2)側(cè)仿樞紐:壩段總體地勢(shì)北高南低, 河谷為“V”形斜向谷, 兩岸坡度25 ～ 42°, 外動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象不太發(fā)育, 岸坡穩(wěn)定條件較好。巖性主要為二疊紀(jì)的片巖、砂巖夾板巖及三疊紀(jì)的大理巖、片巖、長(zhǎng)石石英砂巖等, 屬中等堅(jiān)硬～ 堅(jiān)硬巖類。區(qū)內(nèi)超基性、基性和中性巖脈十分發(fā)育, 多為順層侵入。壩段褶皺和斷裂構(gòu)造較為發(fā)育, 壩基可能存在沿砂巖裂隙、大理巖溶隙、褶皺核部及破碎帶的滲漏問題。

 

  1 .4 .2  雅礱江河段

 

  (1)仁青里樞紐:壩段河谷狹窄, 呈“V”形, 兩岸谷坡30 ～ 40°, 右岸崩塌較發(fā)育, 但規(guī)模不大。壩段巖性主要為花崗閃長(zhǎng)巖, 抗壓強(qiáng)度為89 .8 ～ 129 .8MPa 。壩段褶皺和斷裂不發(fā)育, 節(jié)理屬不發(fā)育～ 中等發(fā)育。壩基強(qiáng)風(fēng)化帶巖體透水率為29 .9 ～ 47 .56Lu , 弱風(fēng)化及新鮮基巖透水率為0 .97 ～ 2 .15Lu ;河床覆蓋層厚1 .8 ～ 10m , 基巖風(fēng)化帶厚1 ～ 6m 。近壩區(qū)塊石料豐富, 砂礫料質(zhì)量和儲(chǔ)量基本滿足要求, 土料距壩段較遠(yuǎn)(8 ～ 22km)。主要問題是:右岸松散堆積體厚3 ～ 47m , 坡腳雨季經(jīng)常發(fā)生滑塌, 施工清除量較大。

 

  (2)阿達(dá)樞紐:河谷為“V” 形峽谷, 谷底寬度70～ 130m , 兩岸坡度25 ～ 40°, 基本對(duì)稱, 外動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育, 岸坡穩(wěn)定性較好。壩段基巖為砂、板巖及花崗閃長(zhǎng)巖, 屬堅(jiān)硬巖石。壩段斷裂構(gòu)造不發(fā)育,不發(fā)育集中滲漏通道。

 

  2  一期工程的地質(zhì)條件

 

  2 .1  工程概況

 

  一期工程選擇從雅礱江的支流達(dá)曲引水, 經(jīng)大渡河流域到黃河支流賈曲, 簡(jiǎn)稱達(dá)賈引水方案, 全長(zhǎng)260km , 隧洞長(zhǎng)244km , 主要由5 個(gè)樞紐、7 段隧洞、一段明渠串聯(lián)而成, 引水量40 億m3 。5 座引水樞

 

  紐指阿柯河的克柯、麻爾曲的亞爾堂、杜柯河的上杜柯、泥曲的仁達(dá)、達(dá)曲的阿安樞紐, 樞紐的壩高分別為63m 、123m 、104m 、108m 、115m ;7 段隧洞指通過支流使引水隧洞自然分為7 段;明渠指的是出口處賈曲的16 .1km 的引水渠道。

 

  從規(guī)劃方案看, 達(dá)賈引水方案并沒有無法克服的技術(shù)難關(guān), 在國(guó)內(nèi)國(guó)際上均有相似的工程實(shí)例。

 

  國(guó)內(nèi)的龍羊峽和西藏的羊卓雍湖水電站的海拔和凍土條件與一期工程相似, 一期工程規(guī)劃壩高在60 ～123m , 壩型初步選定當(dāng)?shù)夭牧蠅? 在技術(shù)上可行。

 

  相對(duì)來講, 主要的工程地質(zhì)問題集中在深埋長(zhǎng)隧洞的勘察及施工方面, 一期工程規(guī)劃的最長(zhǎng)單洞為73km , 隧洞的施工和勘探難度較大。但國(guó)外已有近似長(zhǎng)度的隧洞投入運(yùn)營(yíng), 正在施工的長(zhǎng)隧道有瑞士56 .9km 長(zhǎng)的San Gotthard 鐵路隧道和法-意52 .0長(zhǎng)的Basis 鐵路隧道。因此, 如何進(jìn)行深埋長(zhǎng)隧洞的勘測(cè)、處理施工及運(yùn)行期間的工程地質(zhì)災(zāi)害就成為制約西線一期工程順利實(shí)施的重大技術(shù)問題。同時(shí), 一期工程規(guī)劃有16 .1km 長(zhǎng)的引水明渠出口, 又位于季節(jié)凍土區(qū), 引水明渠運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性問題也顯得相當(dāng)突出。

 

  2 .2  各壩段主要地質(zhì)條件

 

  一期工程區(qū)地層主要為三疊系巴顏喀拉群的砂巖、板巖及砂板巖互層, 局部出露有灰?guī)r和巖漿巖體;工程區(qū)復(fù)式褶皺和斷裂構(gòu)造較發(fā)育, 斷裂的走向以北西向?yàn)橹? 但線性延伸較短, 多不具有明顯的斷裂結(jié)構(gòu)面, 在TM 圖像上多表現(xiàn)為灰色的影紋條帶。樞紐多布置在穩(wěn)定區(qū), 除阿安樞紐地區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度為0 .15g 外, 大部分地區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度為0 .10g 。初步地質(zhì)勘察表明, 5 座樞紐處未發(fā)現(xiàn)大的構(gòu)造斷裂帶, 巖性為砂巖、板巖或砂板巖互層, 局部發(fā)育有灰?guī)r, 屬中等堅(jiān)硬～ 堅(jiān)硬巖類;壩段河谷一般為“V”型, 岸坡穩(wěn)定性好, 處于基本穩(wěn)定區(qū), 建壩條件良好。

 

  (1)阿安壩段:壩段河谷呈“V” 形, 谷底寬度38～ 90m , 兩岸坡度30 ～ 34°, 為逆向坡, 總體穩(wěn)定條件較好。壩段基巖為中厚層砂巖夾板巖, 弱風(fēng)化砂巖抗壓強(qiáng)度為41 .2 ～ 63 .6MPa , 弱風(fēng)化板巖為33 .5 ～46 .2MPa 。區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造發(fā)育, 斷層規(guī)模很小。壩段河谷處于背斜核部, 巖層走向與河流平行, 對(duì)壩基防滲不利, 滲漏形式主要是沿裂隙及背斜軸部向下游滲漏。河床覆蓋層厚度6 .11 ～ 17 .42m , 平均10 .58m 。

 

  (2)仁達(dá)壩段:壩段河谷呈“V”形, 谷底寬度170～ 350m , 為縱向谷。兩岸坡度25 ～ 45°, 為逆向坡,總體穩(wěn)定條件較好, 見有5 處小規(guī)模的表層滑坡體,最大約5 ～ 6 萬m3 。壩段基巖主要為中厚層砂巖夾板巖, 弱風(fēng)化砂巖抗壓強(qiáng)度為53 .1 ～ 114MPa , 弱風(fēng)化板巖為41 ～ 66 .8MPa , 屬中等堅(jiān)硬～ 堅(jiān)硬巖石。

 

  壩區(qū)總體為一背斜, 軸部沿泥曲延伸, 兩翼基本對(duì)稱, 斷裂構(gòu)造不太發(fā)育, 僅見3 條小斷層, 破碎帶寬度一般1 .5 ～ 2 .5m 。壩基處于背斜核部, 裂隙較為發(fā)育, 存在沿裂隙密集帶滲漏問題。河床覆蓋層厚度1 .03 ～ 5 .78m 。

 

  (3)上杜柯壩段:壩段總體地勢(shì)西北高東南低,屬淺～ 中等切割高山區(qū), 河谷較為開闊, 為斜向谷,兩岸岸坡較緩, 天然岸坡穩(wěn)定條件較好, 外動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象不太發(fā)育。壩段基巖為砂、板巖互層, 地層褶皺強(qiáng)烈, 出露的斷層延伸短, 規(guī)模小。節(jié)理裂隙發(fā)育程度總體上屬完整～ 不發(fā)育, 局部地段為中等發(fā)育。

 

  砂巖的干抗壓強(qiáng)度為99 .3 ～ 147 .7MPa , 板巖為26 .8 ～ 40 .2MPa , 一般為中等堅(jiān)硬～ 堅(jiān)硬巖類。壩基巖體透水率一般為3 .2 ～ 9 .5Lu , 屬弱透水, 局部裂隙發(fā)育孔段透水率達(dá)11Lu , 屬中等透水。河床覆蓋層厚度一般4 ～ 17m , 河床下部基巖風(fēng)化帶厚度6 .49 ～ 15 .5m , 新鮮基巖埋深一般10 ～ 21m 。

 

  (4)亞爾堂壩段:壩段總體地勢(shì)西北高東南低,屬淺切割～ 中等切割的高山區(qū), 河谷呈“ V” 形或淺“U”形, 為橫向谷或斜向谷, 河漫灘及階地等微地貌較發(fā)育。兩岸山坡穩(wěn)定性較好, 未發(fā)現(xiàn)大的滑坡、崩塌或傾倒變形體。壩區(qū)基巖為砂、板巖, 地層褶皺強(qiáng)烈, 小規(guī)模斷層發(fā)育。壩基巖體透水率為1 .4 ～21Lu , 屬弱透水～ 中等透水。巖層傾向上游, 天然防滲條件較好, 不存在繞壩滲漏問題, 壩基滲漏的形式主要是沿裂隙向下游滲漏。壩段砂巖、板巖屬中等堅(jiān)硬～ 堅(jiān)硬巖石。河床覆蓋層厚度9 .55 ～ 20 .19m , 基巖風(fēng)化帶厚6 .53 ～ 14 .12m 。

 

  (5)克柯壩段:壩段總體地勢(shì)西高東低, 屬中等切割的中高山區(qū)。河谷呈不對(duì)稱“V”形, 為斜向谷或縱向谷, 右岸陡峻, 左岸低緩, 岸坡整體穩(wěn)定條件較好, 局部有小規(guī)模崩塌或殘坡積物滑塌存在。壩段基巖為砂、板巖, 弱風(fēng)化砂巖抗壓強(qiáng)度大于60MPa , 弱風(fēng)化板巖38 .2 ～ 44 .3MPa , 屬中等堅(jiān)硬～ 堅(jiān)硬巖類。壩區(qū)褶皺構(gòu)造總體為一規(guī)模較大的倒轉(zhuǎn)復(fù)式背斜, 兩翼次級(jí)褶皺發(fā)育。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育, 節(jié)理總體上屬中等發(fā)育。河床覆蓋層厚度約23m , 基巖風(fēng)化帶厚度為6 ～ 10m , 下部新鮮基巖埋深約33m 。壩基無集中滲漏通道, 滲漏形式主要是沿砂巖裂隙向下游滲漏。

 

  一期工程洞線的最大埋深約1100m , 隧洞圍巖多為Ⅲ類, 斷裂破碎帶和褶皺核部圍巖主要為Ⅳ類;存在的主要問題是:穿越斷層破碎帶的圍巖穩(wěn)定性問題, 順河發(fā)育斷層洞段的涌水和突水問題, 出口明渠段的邊坡穩(wěn)定、滲漏及凍害問題等。西線的工程地質(zhì)問題集中在深埋長(zhǎng)隧洞的勘察和地質(zhì)災(zāi)害處理方面。

 

  3  若干重大工程地質(zhì)問題討論

 

  3 .1  深埋隧洞的工程地質(zhì)勘察

 

  深埋長(zhǎng)隧洞跨越的工程地質(zhì)單元多, 水文地質(zhì)條件復(fù)雜, 工程地質(zhì)問題隱蔽、復(fù)雜, 給隧洞施工帶來許多難以預(yù)料的困難。目前, 深埋隧洞的地質(zhì)勘察風(fēng)險(xiǎn)依然很大, 預(yù)先認(rèn)識(shí)隧洞經(jīng)過部位巖體的地質(zhì)結(jié)構(gòu), 把握可能出現(xiàn)的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害, 對(duì)于工程設(shè)計(jì)和施工部門是十分重要的。

 

  西線工程區(qū)海拔高, 凍土地貌發(fā)育, 地形相對(duì)高差大, 植被發(fā)育, 地質(zhì)觀測(cè)點(diǎn)稀少, 給地面地質(zhì)調(diào)查工作帶來極大的困難;采用過遙感、物探等手段進(jìn)行過地質(zhì)勘測(cè)工作, 但精度有待進(jìn)一步提高。如何從已知的地表地質(zhì)情況認(rèn)知深埋隧洞的圍巖特征, 是一個(gè)亟需解決的方法問題。萬家寨引黃工程TBM開挖中圍巖類別的確定方法提供了可行的思路[ 3] ,國(guó)內(nèi)的勘察實(shí)踐表明, 深埋長(zhǎng)隧洞的勘察又必須是多種勘察方法及多種勘察手段的綜合利用。需要注意的是, 綜合物探在評(píng)價(jià)隧洞圍巖特性方面有著不可替代的作用, 根據(jù)圍巖的物性參數(shù), 間接判斷圍巖的質(zhì)量等級(jí), 通過隧洞勘探加以驗(yàn)證, 是一個(gè)值得探討的問題。

 

  3 .2  深埋長(zhǎng)隧洞的圍巖穩(wěn)定性問題

 

  西線調(diào)水工程的自流線路洞體深埋于山體基巖之內(nèi), 上覆巖體厚度一般為500 ～ 800m , 最大厚度達(dá)1100m 。因此, 隧洞所在深度的巖體工程地質(zhì)條件、圍巖力學(xué)特性直接影響到隧洞的設(shè)計(jì)與施工。

 

  3 .2 .1  地溫場(chǎng)分布與巖體地應(yīng)力特征

 

  影響地溫場(chǎng)的主要參數(shù)是巖石的傳熱系數(shù)和地下水的流向及流速, 但也與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的穩(wěn)定性和深部地殼結(jié)構(gòu)的性質(zhì)密切相關(guān)[ 5] 。計(jì)算結(jié)果表明, 西線調(diào)水區(qū)內(nèi)平均地溫梯度介于18 ～ 26 ℃/km 之間, 平均值多在22 ℃/km 左右;地溫梯度的高值區(qū)主要分布于清水河、達(dá)日～ 久治、玉樹以及甘孜附近的馬尼干戈～ 溫拖四地區(qū), 其平均地溫梯度達(dá)到24 ～ 26 ℃/km , 是調(diào)水區(qū)內(nèi)中高溫地下熱水的主要排泄區(qū)。根據(jù)地溫增溫率推算, 引水隧洞高程處的地溫可達(dá)20 ～ 25 ℃, 局部地溫異常區(qū)的洞室圍巖溫度可達(dá)53 ～ 68 ℃。從目前的工程地質(zhì)實(shí)踐看, 地溫的計(jì)算成果往往與實(shí)際情況有一定的誤差;但如何計(jì)算西線工程區(qū)的地溫增溫率, 研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、深部地殼結(jié)構(gòu), 預(yù)測(cè)隧洞斷面處的巖溫, 以便指導(dǎo)施工, 仍是需要進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)地質(zhì)問題。

 

  地應(yīng)力和巖爆關(guān)系密切, 對(duì)西線工程的深埋隧洞而言, 其洞室的穩(wěn)定不可避免受到高地應(yīng)力和巖爆的威脅。引水隧洞大部分洞段上覆巖體厚度在400 ～ 600m 之間, 隧洞的圍巖主要為三疊系的淺變質(zhì)砂板巖, 局部洞段為花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖, 這些堅(jiān)硬脆性巖體具備了儲(chǔ)存高能量的條件;同時(shí)部分洞段將穿越高地應(yīng)力區(qū)。計(jì)算結(jié)果顯示, 隧洞開挖時(shí)可能會(huì)遇到50MPa 左右的高水平擠壓應(yīng)力;巖爆預(yù)測(cè)表明, 隧洞經(jīng)過的黑云母花崗閃長(zhǎng)巖洞段肯定會(huì)發(fā)生巖爆, 但強(qiáng)度的大小取決于硐室荷載工況。

 

  初始地應(yīng)力狀態(tài)是評(píng)價(jià)巖爆發(fā)生的重要條件,目前, 西線地區(qū)僅在兩個(gè)鉆孔中進(jìn)行了地應(yīng)力的測(cè)試, 且深度在200m 以內(nèi)[ 6] , 難以滿足實(shí)際需要。巖爆的發(fā)生與施工方法也有一定的關(guān)系, 初步研究, 西線工程的長(zhǎng)隧洞傾向于采用雙護(hù)盾全斷面掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工, 在TBM 施工條件下, 巖爆發(fā)生的概率顯著降低。因此, 在西線工程的進(jìn)一步研究中, 應(yīng)以巖爆與巖性和圍巖應(yīng)力的關(guān)系、圍巖中原始應(yīng)力狀態(tài)為重點(diǎn), 進(jìn)行長(zhǎng)隧洞災(zāi)害發(fā)生洞段預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究,為隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的選擇、合理選擇硐線、走向、硐室斷面型式及施工程序的選擇等提供地質(zhì)依據(jù)。

 

  3 .2 .2  高壓水的突水問題

 

  地下水是影響圍巖和洞室施工安全的重要因素, 隧洞的涌水更是常見的工程地質(zhì)災(zāi)害;而且, 深埋長(zhǎng)隧洞的涌水還具有涌水量大、水頭壓力高、補(bǔ)給豐富的特點(diǎn)。西線工程區(qū)地下水具有非多年凍土區(qū)地下水特點(diǎn)。松散巖類孔隙水、凍結(jié)層上水、風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水等因隧洞埋藏深, 對(duì)圍巖穩(wěn)定影響甚微, 影響較大者主要為構(gòu)造裂隙水。尤其是引水線路地區(qū)的某些順河發(fā)育斷層, 與地表水有密切的水力聯(lián)系, 地下水源補(bǔ)給充沛, 洞室的開挖必將形成地下水富集廊道, 使斷層破碎帶內(nèi)充填物和褶皺核部的破碎巖石涌出, 形成突水和碎屑流地質(zhì)災(zāi)害。

 

  目前, 隧洞涌水預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高;因此, 針對(duì)不同的地質(zhì)條件和水文地質(zhì)背景, 對(duì)涌水發(fā)生的環(huán)境地質(zhì)條件進(jìn)行必要的類比, 預(yù)測(cè)隧洞施工中發(fā)生高壓涌水的洞段, 以便制定合理可行的防治措施, 可以減少涌水災(zāi)害的發(fā)生概率, 指導(dǎo)隧洞的施工。

 

  3 .2 .3  工程軟巖的蠕變問題

 

  軟巖的變形特性取決于工程力與巖體強(qiáng)度的相互關(guān)系, 軟巖在高地應(yīng)力作用下將產(chǎn)生大變形和長(zhǎng)期流變, 圍巖軟巖的大變形和流變成為遠(yuǎn)比巖爆更難處理的工程地質(zhì)問題。西線工程的引水隧洞洞徑最大的接近10m , 圍巖多為淺變質(zhì)砂板巖, 根據(jù)現(xiàn)有淺部實(shí)測(cè)值, 推斷埋深1100 ～ 1300m 處鉛直地應(yīng)力將達(dá)到30MPa 左右, 而水平地應(yīng)力可能達(dá)到18 ～20kPa 左右, 洞壁應(yīng)力將為60MPa 左右。在這樣大的洞徑、如此高地應(yīng)力的持續(xù)作用下, 砂板巖將產(chǎn)生怎樣的變形和破壞, 高應(yīng)力軟巖是否發(fā)育, 工程部門應(yīng)當(dāng)采取什么措施, 將是整個(gè)工程成敗的技術(shù)關(guān)鍵。

 

  目前, 如何認(rèn)識(shí)在持續(xù)高地應(yīng)力作用下深埋洞室軟巖變形和長(zhǎng)期流變的機(jī)制、規(guī)律和工程處理問題仍然是工程設(shè)計(jì)、施工中的難題。隧道變形的預(yù)測(cè)是一個(gè)比較復(fù)雜的問題[ 7] , 研究復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下巖體運(yùn)動(dòng)的機(jī)理, 給出巖體地下開挖過程中巖體變形的規(guī)律以及長(zhǎng)期的蠕變效應(yīng)可能對(duì)工程的影響, 可以為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)和為巖體穩(wěn)定性預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)建立不可缺少的理論平臺(tái)。通過室內(nèi)試驗(yàn), 進(jìn)行水-巖(應(yīng)力)-溫度耦合作用數(shù)值模擬研究和軟弱圍巖變形的硐室尺寸效應(yīng)的物理模擬研究, 結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件(巖石的強(qiáng)度和變形特性), 給出軟巖在一定應(yīng)力作用下的時(shí)間-應(yīng)變曲線, 計(jì)算出隧洞最大允許變形量, 是一個(gè)可行的研究方法。

 

  3 .3  活斷層和地震構(gòu)造環(huán)境問題

 

  活動(dòng)斷層對(duì)工程的破壞作用始終是工程地質(zhì)學(xué)界關(guān)心的問題, 過去的工程建設(shè)通?？梢酝ㄟ^工程地質(zhì)選線、選址來回避斷層帶, 特別是活動(dòng)斷層帶;但西線工程不同程度地鄰近或穿越多條活動(dòng)性斷裂, 其位置和方向不可能回避活動(dòng)性深大斷裂的影響。對(duì)于深大活動(dòng)性斷裂, 斷裂帶寬度常達(dá)到數(shù)百米以上, 斷層變形的規(guī)律性及其變形量, 特別是工程有效期內(nèi)的變形量, 以及由此引起的隧洞變形與穩(wěn)定性問題是不可回避的問題。因此, 研究活斷層的變形型式和變形速率是評(píng)價(jià)活斷層對(duì)工程影響的先決條件。

 

  在西線工程區(qū)的活動(dòng)斷層中, 以桑日麻斷裂、鮮水河斷裂和甘德南斷裂對(duì)工程的影響最大, 也是主要的發(fā)震斷裂, 應(yīng)加強(qiáng)研究上述主要發(fā)震斷裂在工程壽命期(100 ～ 200 年)內(nèi)的活動(dòng)特征(包括活動(dòng)性分段、活動(dòng)方式、活動(dòng)周期及活動(dòng)速率等)。活斷層的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于隧洞穿越活斷層需采取的結(jié)構(gòu)措施十分有用, 地震監(jiān)測(cè)對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水庫(kù)誘發(fā)地震預(yù)測(cè)意義重大, 地形變監(jiān)測(cè)主要取得地殼不均勻差異升降的數(shù)量級(jí), 以便對(duì)隧洞的比降作出科學(xué)設(shè)計(jì)。

 

  從目前國(guó)內(nèi)活斷層和地震監(jiān)測(cè)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況看, 還有一些問題需要進(jìn)一部深化, 比如, 根據(jù)活斷層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如何確定斷層活動(dòng)的警戒值, 根據(jù)具體條件判斷發(fā)震趨勢(shì);地震監(jiān)測(cè)給出的本底地震數(shù)據(jù)如何用于地震的預(yù)報(bào)等等, 這些問題仍有待深入探討。

 

  3 .4  凍土地質(zhì)災(zāi)害

 

  西線調(diào)水區(qū)引水工程建筑物多布置在多年凍土區(qū)和多年凍土與季節(jié)凍土的混交地帶內(nèi), 凍土工程地質(zhì)問題復(fù)雜。多年凍土下限最大深度花石峽地區(qū)為55m , 平均為40 多米, 主要表現(xiàn)為融沉危害;季節(jié)凍土主要表現(xiàn)為凍脹危害。根據(jù)調(diào)水區(qū)建筑物布置狀況, 位于季節(jié)凍土區(qū)的引水建筑物有引水樞紐、引水隧洞進(jìn)出口及配套工程等, 這些水工建筑物不可避免受到凍害的影響。對(duì)于引水隧洞, 因其埋深大,多年凍土對(duì)引水隧洞洞身不會(huì)產(chǎn)生危害。但在隧洞進(jìn)出口附近, 由于工程建筑的營(yíng)造, 導(dǎo)致洞口部分地段的融化深度加大, 可造成大面積的向源滑塌和溯源侵蝕, 引起斜坡失穩(wěn), 因此在施工中必須加強(qiáng)護(hù)坡和排水設(shè)施。

 

  此外, 一期工程規(guī)劃的引水明渠坐落在沖洪積扇和階地上, 其修建必然改變這些地區(qū)的地下水補(bǔ)排條件, 造成沖洪積扇中的水體排泄通道不暢, 誘發(fā)凍脹災(zāi)害的發(fā)生, 導(dǎo)致一期工程16 .1km 明渠的穩(wěn)定受到凍害的威脅。在嚴(yán)寒地區(qū)修建水庫(kù), 除了存在非寒區(qū)影響庫(kù)岸穩(wěn)定的因素外, 當(dāng)水庫(kù)蓄水后, 必然會(huì)因?yàn)闊崛萘康脑龃蠖淖儺?dāng)?shù)氐男夂颦h(huán)境,出現(xiàn)熱融滑塌和凍融泥石流, 特別是當(dāng)?shù)叵卤粠?kù)水沖掏暴露于地表后, 其溯源滑塌的危害性更大, 也增加了庫(kù)內(nèi)淤積, 是一個(gè)不可忽視的工程地質(zhì)問題。

 

  3 .5  特殊地質(zhì)介質(zhì)的工程地質(zhì)特性研究

 

  在西線調(diào)水工程中, 不可避免地會(huì)涉及到特殊地質(zhì)介質(zhì)及其工程地質(zhì)性質(zhì)問題, 主要表現(xiàn)為:(1)活動(dòng)性斷裂及其寬大影響帶內(nèi)強(qiáng)烈構(gòu)造破碎巖體的特殊性質(zhì);(2)巖體應(yīng)變儲(chǔ)能狀態(tài)和高應(yīng)變巖體的工程行為;(3)持續(xù)高地應(yīng)力作用下深埋隧洞軟巖大變形與長(zhǎng)期流變行為;(4)非連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)特性研究。

 

  寬大活動(dòng)性斷裂帶內(nèi)強(qiáng)烈構(gòu)造破碎巖體的性質(zhì), 如結(jié)構(gòu)性質(zhì)、壓縮變形性質(zhì)、強(qiáng)度性質(zhì)及滲透性等與中小型斷層帶的物質(zhì)有顯著不同, 也與完整巖體和松散土體有本質(zhì)區(qū)別;由此也決定了寬大斷層帶將可能出現(xiàn)一系列難于處理的工程地質(zhì)問題, 如圍巖結(jié)構(gòu)性坍塌、圍巖擠入縮徑變形與壓剪破壞、圍巖遇水軟化、泥化發(fā)生大規(guī)模溜坍或突泥等。

 

  過去, 大型山體滑坡的預(yù)報(bào)、鐵路隧道端部的塌落、礦藏開采的巖爆和地面沉陷以及石油開采中的油井縮孔等大量問題的處理主要依賴于經(jīng)驗(yàn)的判斷, 已有的理論研究的成果, 難以直接用于水利工程, 對(duì)像巖體這樣的非連續(xù)介質(zhì)研究的基本框架還沒有形成。研究復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造下的工程荷載、構(gòu)造應(yīng)力、滲透力、溫度荷載等多種性質(zhì)力源的耦合問題, 必須解決多種結(jié)構(gòu)模型的介質(zhì)在變形和運(yùn)動(dòng)中的協(xié)調(diào)問題。

 

  3 .6  其他環(huán)境地質(zhì)問題

 

  工程的興建不僅要適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境地質(zhì)條件,而且會(huì)改變環(huán)境地質(zhì)固有的平衡, 會(huì)產(chǎn)生許多新的環(huán)境地質(zhì)問題。主要表現(xiàn)為:(1)輸水主洞和施工支洞的修建勢(shì)必改變當(dāng)?shù)氐?a href="http://m.zxkjjt.com/t/水文地質(zhì).html" >水文地質(zhì)條件, 造成地下水位下降和地下水的流失, 由此誘發(fā)的環(huán)境問題值得進(jìn)一步研究;(2)輸水明渠的岸坡穩(wěn)定及大型泥石流的防治與處理;(3)岸坡穩(wěn)定問題, 西線區(qū)的水庫(kù)岸坡分為松散巖類岸坡和基巖類岸坡兩類, 其變形破壞的形式主要是崩塌和滑坡;據(jù)西線工程去的岸坡調(diào)查和統(tǒng)計(jì)資料, 巖體結(jié)構(gòu)面與臨空面的關(guān)系是影響岸坡穩(wěn)定的主要因素。(4)水庫(kù)誘發(fā)地震問題,西線工程的水庫(kù)規(guī)模、構(gòu)造條件、地應(yīng)力和地震活動(dòng)性等因子有利于誘發(fā)水庫(kù)地震, 而巖性條件和滲透條件等則屬于非有利因子, 初步認(rèn)為, 西線工程區(qū)有產(chǎn)生構(gòu)造型水庫(kù)地震的可能。

 

  4  主要認(rèn)識(shí)和結(jié)論

 

  西線工程地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜, 但主要水工建筑物均布置在基本穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū), 引水樞紐的建壩地質(zhì)條件較好, 避開了主要活動(dòng)帶, 庫(kù)區(qū)淹沒損失小, 工程地質(zhì)條件可行。一期工程區(qū)的區(qū)域地質(zhì)條件在整個(gè)西線工程區(qū)中是最優(yōu)的, 樞紐位于基本穩(wěn)定區(qū)。深埋長(zhǎng)隧洞工程典型的地質(zhì)問題如高地溫、高壓涌水、高地應(yīng)力及巖爆等問題均可能出現(xiàn)。從初步研究來看, 斷層帶涌水、碎屑流及軟巖問題較為突出, 高地溫問題也不容忽視。