水工隧洞工程地质勘察中若干问题应对措施探究

刘殊慧

(齐齐哈尔市水利勘测设计研究院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

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水工隧洞工程地质勘察中若干问题应对措施探究

刘殊慧

(齐齐哈尔市水利勘测设计研究院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

长引水隧洞是水利水电工程中较为常见的一种工程形式，其主要特点是线路长、洞室深埋、跨越地貌单元复杂、穿越地层岩性多及地下水位影响大。文章通过供水工程中引水隧洞主要工程地质问题的说明，阐述了引水隧洞工程地质勘察中常见的地质问题，比如岩爆、围岩变形、突涌水等，提出了合理化的建议和防范措施。

输水隧洞；地质勘察；引水发电；问题；应对措施

0 前 言

多年来,随着中国经济的不断发展,基础设施建设不断完善，输水隧洞亦显得越发的重要。目前国内已建成多个大型输水隧洞工程，极大的缓解了当地工业和民用用水问题。工程的建设也解决了多项难题，产生许多宝贵的工程经验和成果。但就国内外实际理论研究而言，输水隧洞的地质勘察技术依旧存在一些难题，尤其是在大埋深长距离隧洞中[1],问题主要包括以下方面:

1)隧洞地形地貌环境复杂，洞线埋深大，大都处于山岭崎岖，设备和勘察车辆人员抵达指定位置困难。

2)地质勘察技术和设备与隧洞实际需要脱节，在2000-3000m的大埋深位置和高地应力地下水位蕴藏丰富的区域，现有设备明显受到技术手段，达不到勘测要求。

3)国内外在相关工程领域可借鉴的工程经验有限，随着洞线不断深入，问题的突发性和复杂性不可预测。

4)理论研究上的不足导致分析手段和评价体系的研究不完善。

5)大多数工程在前期阶段地质勘察工作的周期性和费用不足，导致实地勘察的技术设备，勘察方法，工程量受到限制。而国内因地勘工作不足酿成事故的实例众多。所以，地勘工作在水工隧洞的前期设计工作中显得及其重要。

水工隧洞不同于枢纽工程中的其他水工建筑物，基本上长度是以km为单位计算，有些隧洞长达几十公里，工程一般建设在多山地地带，埋深能达到几百至上千米。目前水工隧洞地勘方法包括以下几种：地表地质调查作为传统勘察地质方式，获取水工隧洞地质信息较为直接。随着新理论和新技术的应用，地质雷达法目前成为一种主流方式，在地勘工作得到广泛应用，但此法局限性很强，要求探测深度不能过大，在适宜距离范围内能够获取准确度较高的岩体结构等地质信息。但当在大埋深长距离输水隧洞中应用受到限制。中国大部分水工隧洞建设于山岭地带，这种情况下弯线地震反射技术的成功推广，它能够较好的解决这种复杂地质条件的结构组成，目前在国内多个输水工程中都得到应用。水工隧洞设计中对于地质构造的了解和地下水位的判断至关重要，一般通过地质钻孔的方式来解决，钻芯取样能够真实的反应围岩情况、地下水流动规律，进而优化洞线，节省工程投资，进一步加快工程施工。在中国西南地区的高海拔、高寒地带，隧洞出露水较多，对泉水出露位置的掌握，高程的测量获悉渗流场的分布，进而详实了解地下水位的分布规律。在大埋深长距离隧洞中，可以采用物探、少量钻孔的方式，洞轴线附近的地质问题可采用专用勘探平硐法，国内诸多工程采用世界领先技术TBM法进行洞室施工，可以结合隧洞超前地质预报综合分析方法得到准确的工程地质条件，有效作出判断和防范措施。

1 勘察方法

地质勘察工作是保证水库工程顺利进行的重要因素之一，需不断提高先进技术在施工和设计等方面的应用，运用科学合理的勘察方案，保证有限的工程勘察质量。该工程隧洞地面海拔高、埋深大，工程地质条件非常复杂，隧洞线大部分地区人和设备均难以到达，因此勘测工作已地面地质调查为主，在充分分析了地面地质调查成果的基础上结合自然条件，有针对性的布置了钻孔和硐探及相应的物探测试工作。地面地质工作采用了以高精度卫星地质遥感为主的方法，重点地段和重点地质现象进行实地测绘。针对高低温、高地应力、岩爆、放射性、涌突水等特殊问题，采取了勘探、物探测试、经验类比、数值计算模拟等综合分析方法[2]。地应力分析中通过实测的方式，建立地应力三维有限元模型进行数值仿真分析，对应力特征和岩爆等问题进行了系统分析，为洞线优化、工程施工提供了重要资料。通过地面伽马总量，能谱测量、水中氡浓度测量及采样分析，基本查明了隧洞沿线地段的放射性危害程度。针对隧洞区高地温问题，采用了地表温泉调查、钻孔地温测井和高温地下水运移趋势分析等手段，查明了地温异常带的分布。

勘察分析过程贯彻了充分运用多方案比较分析、新技术新手段、一孔多用、经验与理论分析相结合、常规分析与数值模拟相结合等系统分析思想，为工程设计提供了丰富可靠的资料。

2 工程实例

2.1 工程概况

某水电站工程效益主要以发电为主，灌溉防洪为辅。水库正常蓄水位2745m，最大坝高17.2m，总库容184万m3，水闸最大泄洪流量745 m3/s。电站设计最大水头374.25m，总装机容量205MW，多年平均发电量为7.341亿kWh，。引水发电隧洞布置在河流左岸，全线洞长10285m，洞径6m，引水流量65.3 m3/s。隧洞围岩以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，约占82%；Ⅳ、Ⅴ类围岩较少，约占18%[3]。

2.2 工程地质条件

流域地处西昆仑山腹地，地势陡峻，地貌上主要属高山区。地面高程2400-4500m。沿线河谷发育，山区广泛切割，深度约在900-2400m，山体的纵坡度保持在45°-55°，山势陡峭，陡崖广泛存在，隧洞洞线位置地表处基岩表面大部分裸露。工程区地处西昆仑山褶皱系上，位于帕米尔高原东部相对稳定的区域。场地方位内未出现活动断层，也未发现由古地震或历史地震所造成的地震断层等现象。洞线区域设计地震烈度为8°，选址区基岩水平向最大动峰值加速度约为0.28g。

引水发电洞穿过的地层依次有：隧洞区受多期构造运动影响，断裂构造发育，岩浆活动强烈，变质作用复杂，主要分布变质岩、侵入岩两大类。岩性主要以变砂岩、片麻岩和花岗岩等为主。隧洞沿线发育三条区域性大断裂，以及35条地区性断裂，主要走向为北西和北东向。洞沿线地质问题主要包括岩溶、滑坡、不稳定体等，滑坡、不稳定体规模较小，对隧洞影响不大；岩溶主要发育在隧洞里程0+310-1+710及隧洞里程7+210-8+890区域。全风化程度<10m，强风化厚度<12m，弱风化厚度<65m，整体受地形控制，山坡风化卸荷深度大于沟谷底部，局部受构造影响表现出明显的异常。卸荷裂隙一般到达弱风化的底部就比较少见，位于山梁的钻孔深度一般≤60m，位于沟底的钻孔一般≤30m。

2.3 水文地质条件

根据隧洞洞线附近出露的地层岩性及地质构造特征，根据含水介质性质的不同，将地下水分为基岩裂隙水、孔隙水和岩溶水三大类。隧洞围岩富水性可划分为强富水区、中等富水区、弱富水区和贫水区4个区，其中强富水区长度699m，约占5.9%，中等富水区长度4551m，约占50.2%，弱富水区长度1309m，约占25.2%，贫水区长度2120m，约占20.7%。预测隧洞正常涌水量约17340m3/d，预测隧洞最大涌水量约26160m3/d。大理岩地层，岩溶水发育，属强富水区，断裂带和软弱夹层带地层中地下水较发育，属中等富水区，其余地段多为弱富水及贫水区。

2.4 主要工程地质问题

2.4.1 岩爆

本工程具备岩爆发生的有利条件表现为：①隧洞工程处于地壳活动强烈的西昆仑山地区，在亚欧板块的横向作用下，该地区的应力环境反应较为强烈；②地处板块交汇带，该区域地震活动频发，且强度大破坏性极高；③洞线位置基本处于高山峡谷中，应力集中区域广泛分布；④隧洞埋深大，最大埋深1640m处最大应力值近25MPa，甚至更高；⑤隧洞穿越的围岩多为块状硬脆性岩石，单轴抗压强度多大于100MPa；⑥隧洞大部分岩体的完整性较好；⑦隧洞大部分地段为少水，甚至无水。

依据水力发电工程地质勘察规范，将围岩强度应力比S值作为对围岩发生岩爆强度等级的判定标准[4]，结果见表1。

隧洞通过地段地应力主要受控于地形地貌，大部分洞段最大应力为垂直应力，初步判断，岩爆类型以垂直应力型为主。在深切沟谷极有可能出现应力集中，其应力方向复杂，量值较大，岩爆类型以混合应力型为主。综合分析，大部分洞段无岩爆或轻微岩爆，约占全长的75%，部分洞段具备中等岩爆条件，预测约占全长的25%。发生强岩爆的可能不大或比例极少。对可能发生洞段采取喷水等工程措施，并对施工设备、人员进行必要防护。

2.4.2 围岩变形

依据规范要求，在压力集中部位的S<4时，(Ⅱ类围岩)应力将超过限值，区域围岩会产生塑性变化，达不到稳定要求，稳定性较差；当围岩强度S<2时，(Ⅲ、Ⅳ类围岩)，围岩发生变形，数值较大，此时极度不稳定[5]。隧洞围岩主要物理参数见表2。

据S值估算成果分析，引水发电隧洞洞段约25%洞段围岩(S)可能<4，围岩稳定性差，预计围岩变形主要发生在断层及影响带、节理裂隙密集带和局部软弱矿物含量较多的部位。

表1 引水发电洞围岩岩爆预测结果

表2 引水发电隧洞围岩主要物理力学参数表

2.4.3 突涌水及外水压力

根据水文、气象等条件初步判断，隧洞区地下水较贫乏。隧洞围岩以块状或次块状结构的变质岩、侵入岩为主，岩体总体上富水性较差，主要富水地段为岩体浅部和断层带，岩体浅部由于受卸荷影响渗透性较强，并直接接受降雨及冰雪融水补给，富水性较深部好。断层破碎带由于具有良好的储水和导水性能，并且沿断层多有沟谷分布，利于地表和地下水汇集，易于形成不同形式的富水带。

从钻孔压水试验成果看，占隧洞主要部分的Ⅱ、Ⅲ类围岩渗透性较差，透水率仅为0-0.09Lu，属于极微透水性。从物质组成判断，断层破碎带一般具有中等-强透水性，是地下水的主要活动通道。由于岩体渗透性小，在水平、垂直方向渗透性差异明显，因此难以形成统一的地下水位，隧洞沿地下水位变化较大。鉴于地下水补给不足，预计隧洞涌水初期较大，其后将逐渐减小。

最大涌水量计算公式一般采用古德曼经验式，国内的经验法公式为：q=1000×(0.0255+1.9224KH)。稳定涌水量计算公式Q=1000KHL(0.676-0.06K)。采用参数及初步估算见表3(部分洞段)。

表3 隧洞单位最大涌水量及稳定涌水量计算成果表

本隧洞地下水蕴藏较少，洞壁以线状流水、滴水为主，局部可能产生一般集中涌水；其余洞段为贫水段，地下水对施工影响不大。全洞单位长度最大涌水量平均值约285m3/d·km，单位长度稳定涌水量平均值在92m3/d·km。在断层破碎带、软弱夹层处应特别关注突涌水问题。

2.4.4 高地温

本隧洞地温问题主要包括洞线区域海拔较高，空气稀薄，地面平均气温较低，沟谷发育，地势陡峭，利于热量散失。但温泉发育，隧洞埋深大，降雨少，地温梯度较高，岩体渗透性差，不利于地表水下降降温。勘测阶段对本洞段QZK12、QZK42、QZK65、QZK76、QZK965等个钻孔进行物探地温测井见表4。

表4 隧洞钻孔物探地温测井成果表

其中QZK42、QZK12两孔地温梯度较大，随深度增加而逐渐减小的趋势。QZK65、QZK76、QZK92两孔地温梯度在合理范围内。结合结构面发育情况，推断桩号6+750-10+250存在高地温问题，可能存在60℃甚至更高的地温。

在左岸河边发现一处温泉，水温62℃，高程2575m，低于洞线约120m，距洞轴线约1.5km。温泉沿一组裂隙出露，其结构面产状为Nm345°倾∠71°。

根据出露点附近发育F3断裂及f17等次一级断层等地质条件，判断泉水的走向基本位置处于Nm332°-355°结构面，走向NE25°-50°。根据泉点位置，结合QZK14孔、QZK45孔的地温资料，推测泉水与该两组结构面连通的可能性不大，是造成桩号6+750-10+250存在高地温的主要因素。

2.4.5 有害气体及放射性危害

隧洞通过地段镭、钍、钾元素放射性活度平均值分别为45.22Bq/m3，78.21Bq/m3，1056.23q/m3,为随意使用的A类石材，在大部分区域内，其镭、钍、钾元素不会造成人体损害，处于可接受范围之内。隧洞通过地段的镭含量较低，镭元素最高活度为130.25 Bq/m3,远低于管理目标限值，可不考虑镭引起的辐射环境影响。

根据能谱测量结果，2150个测点中，钾含量超过国家规定限值6%的点数有8个，所占比例0.4%。等值图的钾异常以异常点的形式出现，分布零散，规模较小。异常仅具有统计意义，不代表该地区存在钾元素富集的现象，且钾元素一般不作为评价元素。

隧洞通过地段铀含量平均值为5.52×10-6，最高为23.5×10-6，采样分析铀的平均含量为3.43×10-6，异常最大值虽达到作为放射性固体废物的铀含量标准，但仍<天然铀含量估算管理目标限值，且异常比例极小，绝大部分的测点铀含量处于正常值范围之内，综合考虑隧洞通过地段平均2.24%的极低的铀浸出率指标，可以断定评价去铀含量不会造成人体危害，不会对输水工程的水质造成损害。

隧洞通过地段内索取水样氡浓度远<平均值19.8BAq/L。水中铀核素含量均小于国家标准50μg/L，平均5.42μg/L,水样分析结果表明评价区放射性核素含量不高。

在隧洞施工过程中，不排除存在放射性核素增高或异常的可能性，应用核素专用测量仪器在隧洞施工的同时进行隧洞路线调查，若遇到放射性核素增高或异常，应对隧洞四壁做放射性编录，确定高值区，进行必要的防护处理。

3 结 论

引水发电隧洞海拔高、埋深大，勘探难度高，采用超前预测手段，加强施工地质工作，在施工期间利用开挖面，针对深埋的引水隧洞进行岩爆、围岩变形、突涌水、高地温等问题进行研究，并与工程实测进行对比，所得结论对类似工程设计施工具有一定指导意义。

[1]张有天.水工隧洞建设的经验和教训[J].四川水利，2001,26(04)：76-84.

[2]丁恩保，凌荣华，马继平.隧洞工程地质预报方法探讨[J].水工隧洞地质，1995(01)：7.

[3]石明生，张永雨.电测深法和钻探相结合在山区地质勘察中的应用[J].地质与勘探，2005,41(05)：92-95.

[4]任佳，胡国忠，职晓阳，等.鸡公山隧道水文地质勘察分析及涌水量预测[J].重庆大学学报，2007，30(04)：52-55.

[5]白龙飞，史颖鸽，王寒芳.水利工程地质勘察问题探讨[J].河南科技，2014,6(14):153-156.

CountermeasuresagainstProblemsaboutHydraulicTunnelProjectGeologicalInvestigation

LIU Shu-hui

(Qiqihaer Urban Water Conservancy Investigation and Design Institute,Qiqihaer 161006,China)

Long water diversion tunnel is a common engineering type of water conservancy and hydropower projects, its major characters are: rout is long; carven is buried deeply; spanning the geomorphic unit is complex; there are many layers of rock and groundwater level impacts greatly. By stating the common hydrogeological problems about water delivery tunnel in water supply project, this paper described common problems existing in geological investigation for water diversion tunnel engineering, as rockburst, deformation of coffer rock, water gushing, putting forth the reasonable suggestion and protective measures.

water diversion tunnel; geological investigation; water diversion and power generation; problem; countermeasure

TV672.1

B

1007-7596(2017)09-0140-03

文章编号：1007-7596(2017)09-0059-03

2017-08-19

刘殊慧(1965-)，女，山东肥城人，工程师，从事水利工程地质勘查工作。