鲁古河水库供水工程输水隧洞工程地质条件研究

程小勇

(广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510170)



鲁古河水库供水工程输水隧洞工程地质条件研究

程小勇

(广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510170)

鲁古河水库供水工程输水隧洞长约1.31 km,围岩主要为中～薄层粉砂岩及石英砂岩,各种构造发育,导致节理裂隙发育,岩体破碎,准确查明隧洞围岩特性成为了工程关键,故加强对该隧洞地质条件的研究是必要的。通过区域地质资料的收集,开展野外地质调查、测绘、钻探、室内外试验以及现场原位试验等手段,综合分析地质构造情况,查明了复杂条件下隧洞围岩分布范围,提出隧洞围岩物理力学指标,并对隧洞围岩进行地质分类与评价,提出防护措施,为粉砂岩及石英砂岩地区同类工程实践提供一些借鉴作用。

输水隧洞；粉砂岩与石英砂岩；围岩类别；工程地质条件研究

鲁古河水库位于广东省新丰县城东南部,是拦截鲁古河修建的一座中型水库。鲁古河为新丰江的一级支流,在马头镇的秀坑村汇入新丰江。新丰县鲁古河供水工程采用重力流输水形式,建1条长约1.31 km的D 1 800 mm输水隧洞将库水引出,通过钢管接驳,输送至水厂,近期供水规模为2.5万m3/d,远期达到4.5万m3/d。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2 000)确定工程等别为Ⅲ等,主要建筑物等级为3级,防洪标准为30年一遇设计,100年一遇洪水校核[1-3]。

输水隧洞地层岩性主要为粉砂岩及石英砂岩,区域构造发育,地质条件复杂。隧洞位于新丰～马头向斜中次一级背斜构造中,节理裂隙发育,岩体破碎。查明粉砂岩及石英砂岩地区隧洞围岩特性成为了工程的关键,故加强对该隧洞地质条件的研究是必要的。

1 地形地貌

输水隧洞进口位于鲁古河水库左库岸,距离水库拱坝约500 m,低山丘陵地貌,植被覆盖良好,水库两岸山体陡峭,坡度为40°～50°,基岩埋藏较浅,库岸坡脚处局部见基岩出露。隧洞进口地面高程约为257 m,名为香车口,进口方向所在水库最低高程约为250 m,隧洞NW344°穿过库区左岸山体,经过山体最大高程为474.20 m,名为老虎井。隧洞进口布置在老虎井东南坡脚下一高程约为311 m的低矮丘陵坡脚处,该丘陵凸向库区,位处库区中央部位,临水侧坡度变化大,约为40°～80°,局部近直立状,基岩埋藏较浅,植被覆盖良好。

输水隧洞出口位于涧上村斋公坑,老虎井西北坡脚下高程为250 m处,出口正对一山间冲沟,植被覆盖良好,覆盖层较厚,未见基岩出露。出口处山体坡度大,以45°～50°为主,局部陡峭,山坡覆盖层松散,稳定性较差。

2 地层岩性

2.1 输水隧洞进口地层岩性

隧洞进口处地层主要为残积层(Qel)及泥盆系上统天子岭组(D3t)粉砂岩、石英砂岩,粉砂岩与石英砂岩推测为平行不整合接触,接触面处构造运动强烈,断层发育,导致上部粉砂岩破碎完整性差、下部石英砂岩完整性较好。图1为输水隧洞0+000～0+600段地质纵剖面图。具体岩性特征如下：

1)残积层(Qel)：主要为砂质粘土组成,浅黄色,可塑～硬塑状,含水量较低,含少量的碎石,碎石粒径以1～3 cm为主,成份主要为粉砂岩,松散～稍密状,顶部夹植物根茎。该层分布厚度为1～4.10 m,层底高程为280.90～300 m,该层分布范围广泛,山坡及坡脚附近均有分布,厚度变化稍大。

2)泥盆系上统天子岭组(D3t)粉砂岩、石英砂岩,根据风化程度细分为全风化带(Ⅴ)、强风化带(Ⅳ)、弱风化带(Ⅲ),局部夹断层破碎带,具体岩性特征如下：

①全风化带(Ⅴ)：主要为全风化粉砂岩,灰色,层状构造,岩芯风化完全,原岩结构清晰可辨,岩芯风化呈砂质粘土状,手捏易散,遇水变软,局部夹大量的强风化粉砂岩碎块,块径主要为2～3 cm,锤击易碎。隧洞进口附近全风化粉砂岩层厚约为2.90～3.20 m,层底高程为278～296.80 m,该层分布广泛连续。

②强风化带(Ⅳ)：主要为强风化粉砂岩,局部夹页岩,灰色、灰黑色,层状构造,泥质胶结,胶结致密,节理裂隙发育,裂面多见泥质及黑色物质,裂面倾角较陡,以45°～60°为主,局部近直立,受褶皱构造影响,岩芯主要为碎块状,夹少量短柱状,岩质较软,击声较哑,岩芯采取率较低。隧洞进口附近强风化粉砂岩层厚约为4.90～7.60 m,层底高程为257.50～301.00 m,该层分布广泛连续。

③弱风化带(Ⅲ)：主要为弱风化石英砂岩,灰色、灰黑色,中厚层状构造,节理裂隙较发育,倾角较陡,颗粒矿物主要为石英,胶结致密,岩质较硬,击声脆,岩芯以短柱状为主,节长以5～10 cm为主,最大节长约30 cm,岩芯采取率较高,RQD=20%～40%,透水率q=3.06～5.36Lu,具弱透水性。揭露厚度为12.70～20.80 m,层底高程为244.80～296.50 m。

④断层破碎带：钻孔揭露厚度为8.70 m,层顶高程为271.10 m,层底高程为262.40 m,该断层岩性组成复杂,受构造及褶皱影响,断层从上到下主要组成有碎裂石英岩、硅化变质石英砂岩、黄铁矿化糜棱岩、变质石英砂岩、断层角砾岩。钻孔位置处断层底部距离输水隧洞顶板距离约为6 m,断层穿过隧洞位置距离隧洞进口150～160 m。对输水隧洞稳定存在不利影响。

图1 输水隧洞0+000～0+600段地质纵剖面示意

2.2 输水隧洞出口地层岩性

隧洞出口处地层主要为残积层(Qel)及泥盆系上统帽子峰组(D3m)全风化及强风化粉砂岩。图2为输水隧洞1+000～1+312段地质纵剖面图。具体岩性特征如下：

①残积层(Qel)：主要为砂质粘土组成,浅黄色,可塑-硬塑状,含水量较低,中下部含大量的碎石土,碎石含量约占50～80%,粒径小,成份主要为砂岩、粉砂岩,顶部夹植物根茎。揭露厚度为5.60 m,层底高程为254.40 m,该层分布广泛。

全风化粉砂岩(Ⅴ)：杂色,灰色为主,层状构造,岩芯风化完全,原岩结构可辨,岩芯呈砂质粘土状,砂质含量约10～15%,局部夹强风化粉砂质或石英砂质的碎块,块径主要为2～5 cm。揭露层厚为10 m,层底高程为244.40 m。隧洞出口主要位于全风化粉砂岩地层。

强风化粉砂岩(Ⅳ)：局部夹页岩,灰色,层状构造,泥质胶结,胶结致密,节理裂隙发育,裂面多见泥质及黑色物质,裂面倾角较陡,岩芯主要为碎块状,块径以2～5 cm为主,最大9 cm,岩质较软,击声较哑,岩芯采取率较低。层厚为2.20 m,揭露层底高程为242.20 m。

图2 输水隧洞1+000～1+312段地质纵剖面示意

3 地质构造

3.1 褶皱

输水隧洞位于泥盆系上统帽子峰组和天子岭组地层所组成的新丰～马头向斜中次一级背斜构造,背斜核部为下古生界,两翼为泥盆系地层,次一级背斜轴部位于隧洞左侧,轴走向与隧洞近乎平行,约为NW344°,轴面倾向NE,隧洞进口附近出露基岩的岩层产状为NW318°/NE∠35°,反坡向,次一级背斜两翼二次褶皱发育。岩层走向与隧洞轴线交角为26°,对隧洞稳定不利。

3.2 断层与节理

新丰～马头推测断裂(F1)走向约NE60°沿新丰江方向延伸,长度约10 km,位于新丰～马头向斜核部,与向斜轴面近平行,与隧洞轴向延线成68°交角,距离输水隧洞进出口依次约3.9 km和2.8 km,该推测断层对隧洞影响不大。

据地质测绘,输水隧洞除了层面裂隙发育外,共发现4组节理,分别描述如下：

第一组为走向NE5°～15°的节理比较发育,5～10条/m,倾向NW为主,局部倾向SE,倾角为50°～80°,节理缝宽为0.1 ～1 cm为主,局部呈闭合状,延伸较短,裂面较平直,有泥质充填,受褶皱影响,局部可见擦痕。与隧洞轴线交角为21°～31°。

第二组为走向NW320°～345°的节理比较发育,大致与褶皱轴面同向,近似平行于隧洞轴向,倾向NE或SW,倾角为55°～75°,4～7条/m,见泥质充填。与隧洞轴线交角为0～22°。

第三组节理走向为NW275°～310°,倾向SW或NE,倾角为75°～85°,局部近直立,较发育,分布密度为3～6条/m,局部密集,裂面宽度为0.2～2 cm为主,裂面较平直,延伸较短,见泥质充填。与隧洞轴线交角为34°～69°。

4 水文地质条件

输水隧洞沿线地下水为基岩裂隙水,主要分布于埋藏于基岩风化带裂隙和断层破碎带中,地下水主要受大气降水及地表沟水补给,向坡脚水库及河谷排泄；岩体的透水性随深度的加深、风化程度的减轻而降低。地表植被良好,局部沟谷底部见流量较小的泉水流出。

5 物理力学指标及建议参数

取岩样5组进行室内试验,岩石试验成果统计表见表1,根据室内外试验,并参考类似工程经验进行综合考虑,引水隧洞围岩物理力学指标建议值见表2。

6 输水隧洞围岩分类及评价

6.1 围岩地质分类方法[2]

根据《中小型水利水电工程地质勘察规范》(SL 55—2005)中附录A的规定,从岩石的软硬、风化状况、裂隙发育程度、地下水等因素,参照表3进行围岩工程地质分类。洞轴线与岩层走向夹角为26°,对稳定是不利的。

残积层、全风化粉砂岩为松散结构,围岩类别为Ⅴ类。

强风化粉砂岩岩石的强度变化较大,取芯率低,RQD=0～20%,岩体破碎,透水性强,完整性差,围岩类别为为Ⅴ类。

弱风化石英砂岩,岩石强度较大,取芯率较高,岩芯完整,RQD=20%～40%,透水性弱,在洞顶有3倍洞径以上弱风化岩时,围岩类别为Ⅲ类,在小于3倍洞径大于1倍洞径弱风化岩时,围岩类别为Ⅳ类,在小于1倍洞径弱风化时,围岩类别为Ⅴ类。

构造带,岩体破碎,取芯率低,强度低,透水性强,围岩类别为Ⅴ类。

表1 岩石试验成果统计

表2 引水隧洞围岩物理力学指标建议值

表3 隧洞围岩工程地质分类

6.2 F0+000～F0+170 m

输水隧洞进口段位于NW向小丘陵上,山顶高程约为311 m,隧洞轴向NW344°,隧洞进口中心线高程约为256 m,底板高程约为255.10 m,顶板高程约为256.90 m。隧洞轴线顺山脊方向水上地形坡度为35°～45°,水下地形坡度为45°～55°,在库水位变动带附近,地形受冲刷影响变陡。

隧洞进口处边坡较陡,地表岩土层主要为残积土及全风化粉砂岩,抗冲刷能力弱,围岩类别为Ⅴ类,开挖时需对边坡进行支护,并论证边坡稳定性；根据钻孔ZK1揭露资料,弱风化石英砂岩分布高程为249.60～270.40 m,隧洞位于此段,且洞顶有3倍洞径以上弱风化岩,围岩工程地质条件有利,围岩类别为Ⅲ类；根据钻孔ZK2揭露资料,弱风化石英砂岩分布高程为244.80～257.50 m,隧洞位处此段,但洞顶有小于3倍洞径大于1倍洞径弱风化岩,围岩类别为Ⅳ类。

综上,输水隧洞进口段围岩(F0+000～ F0+020),主要为残积土及全风化粉砂岩组成,边坡较陡,透水性强,围岩极不稳定,围岩等级为Ⅴ类；输水隧洞进口段围岩(F0+020～ F0+100),位于弱风化石英砂岩地层,围岩局部稳定性差,围岩类别为Ⅲ类；输水隧洞进口段围岩(F0+100～ F0+170),洞顶有小于3倍洞径大于1倍洞径弱风化石英砂岩,围岩不稳定,围岩类别为Ⅳ类。

根据1∶200 000区域地质资料,隧洞轴向与岩层走向交角为26°,对隧洞稳定不利,建议加强支护。

6.3 F0+170～F1+150 m

输水隧洞轴线与老虎井山脊线呈35°斜交,逐渐偏向斋公坑正N向的山间冲沟,隧洞沿线山体高程为290 ～474.20 m,隧洞底板高程约为255.1 ～248.5 m,洞顶埋深约为40～220 m,山体较厚。在桩号F1+062附近发育一条冲沟,并有小股山水流出,此处洞顶埋深约为40～50 m。根据1∶200 000区域地质资料,该段洞身围岩为泥盆系的弱风化粉砂岩和石英砂岩,岩层产状为NW318°/NE∠35°,洞身轴线走向NW344°,两者交角为26°,对围岩稳定不利。本段围岩类别为Ⅲ类。

6.4 F1+150 m～F1+312 m

该段为隧洞出口段,位于山脚处,隧洞出口中心线高程约为249.40 m,出口底板高程约为248.50 m,出口附近地面高程约为240～290 m,出口处冲谷底高程约为230 m,地形坡度较陡,以45°～50°为主。据钻孔ZK3揭露资料,全风化粉砂岩层厚约为10 m,分布高程为244.40～254.40 m,顶部覆盖为厚约5.60 m的残积砂质粘土及碎石土。隧洞围岩(F1+180～F1+312)均为全风化、强风化及残积土地层,土体结构松散,强度低,透水性强,围岩极不稳定,围岩分类为Ⅴ类,地质条件差,建议采用超前支护及全断面衬护。隧洞围岩(F1+150～ F1+180)为弱风化粉砂岩,洞顶弱风化岩的厚度小于3倍洞径大于1倍洞径,围岩不稳定,工程地质条件较差,围岩类别为Ⅳ类。

建议隧洞出口选在全风化带及残积土层厚度较薄、边坡坡度较缓的位置。出口边坡为全风化粉砂岩及残积土层,建议出口边坡开挖坡率取1∶1.5～1∶1.75,边坡高度大于10 m时需分级放坡,并做好护坡措施[4-5]。

隧洞围岩分类统计表见表4。

表4 隧洞围岩分类统计

7 结语

桩号F0+000～F0+020、F1+180～F1+312段隧洞围岩主要为全风化、强风化及残积土地层,土体结构松散,强度低,节理裂隙发育,透水性强,地下水活动中等～强烈,围岩极不稳定,围岩分类为Ⅴ类,地质条件差,建议采用超前支护及全断面衬护,占隧洞总长约11.6%。

桩号F0+100～F0+170、F1+150～F1+180段隧洞洞顶有小于3倍洞径大于1倍洞径弱风化石英砂岩及粉砂岩,围岩不稳定,岩质较软,地下水活动稍强,节理裂隙较发育,围岩类别为Ⅳ类,开挖后需及时支护,喷锚挂网,必要时可全部衬砌或钢拱架,需注意施工期安全,占隧洞总长约7.6%。

桩号F0+020～F0+100、F0+170～F1+150段隧洞围岩为弱风化粉砂岩和石英砂岩,围岩局部稳定性差,围岩类别为Ⅲ类,喷混凝土或喷锚支护,拱顶系统锚杆,占隧洞总长约80.8%。隧洞轴向与岩层走向交角为26°,对隧洞稳定不利,建议加强支护。

本文对复杂条件下粉砂岩及石英砂岩地区隧洞围岩进行地质分类与评价,提出防护措施,为同类工程实践提供了些许借鉴作用。

[1] 水利水电工程地质勘察规范：GB 50487—2008[S].北京：中国计划出版社,2009．

[2] 中小型水利水电工程地质勘察规范：SL 55—2005[S].北京：中国水利水电出版社,2005．

[3] 水利水电工程等级划分及洪水标准：SL 252—2000[S].北京：中国水利水电出版社,2000．

[4] 《工程地质手册》编委会.工程地质手册(第四版)[M].北京：中国建筑工业出版社,2007．

[5] 杨连生.水利水电工程地质[M].武汉：武汉大学出版社,2004．

(本文责任编辑 马克俊)

Engineering Geological Conditions of the Lugu River Diversion Tunnel

CHENG Xiaoyong

(Guangdong Hydropower Planning&Design Institute， GuangZhou 510170, China)

The length of Lugu river reservoir water supply project diversion tunnel is about 1.31km, and its rock is mainly in middle～ thin siltstone and quartzite. Various tectonic development leads to joint fissures, rock crushing. The accuracy of characteristics determination of surrounding rock of tunnel has become a key project, therefore, strengthening the study of the geological conditions of the tunnel is necessary. Through the comprehensive analysis of the geological structure, regional geological data collection, field geological survey is carried out. The distribution of tunnel surrounding rock is identified by means of mapping, drilling, indoor and outdoor tests and in-situ test. Physical and mechanical indexes, geological classification and evaluation, and protective measures of tunnel surrounding rock are put forward.

diversion tunnel, siltstone and quartzite, rock type, study on engineering geological conditions

2016-05-31;

2016-07-02

程小勇(1982),男,硕士,工程师,主要从事水利水电工程地质勘测与设计工作。

TV672+.1；P642

B

1008-0112(2016)08-0046-06