川西某引水隧洞工程多尺度地质环境特征分析

戚绍礼 魏星灿 钟志彬 刘宇罡 邓荣贵

(1.中国水利水电第七工程局有限公司,成都 610213; 2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,成都 610072; 3.成都理工大学环境与土木工程学院,成都 610059; 4.西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

我国西部山区地形地质环境条件极其恶劣,新构造运动活跃,尤其是四川盆地西部,历经印支、燕山和喜马拉雅多期次构造运[1],地形起伏剧烈,受多条活动断裂构造影响,区域构造应力较高,地震频发,岩体结构类型众多,在该区开展隧道类工程建设面临的岩体工程问题复杂[2-6]。而工程区工程地质及水文地质环境特征的正确分析是后期制定有效工程对策的基础,徐健楠等[7]通过对普陀山长大深埋铁路隧道区域水文资料及现场勘查,针对隧道不同段落的岩层与结构特征,采用不同的方法组合进行涌水量预测,并提出施工措施建议。同时,川西地区又是我国水电资源的重要基地,是国家“西电东送”的重要组成部分,具有极其重要的战略地位[8]。

川西地区水电站多为引水式发电,长大引水隧洞群成为水电站建设的关键,如锦屏二级水电站布置7条穿越锦屏山的隧洞群总长达120km,建设过程中易遭遇高地应力、岩爆、高压大流量突涌水等复杂工程难题[9],宋威等对其工程地质环境特征进行了分析[10]。因此,开展此类引水隧洞工程前期工程地质环境特征分析,是保证工程安全、高效建设的关键[10-11]。

以凉山州某在建水电站引水隧洞工程为背景,从不同尺度视角详细分析隧址区域地质环境特征,进而综合分析区域构造过程,揭示造成工程区复杂地质环境的内在因素,以期为川西地区大量隧道类工程建设提供经验借鉴和技术参考。

1 工程概况

某水电站位于四川省木里县境内,为低闸引水式发电站,主要由首部枢纽工程、引水及输水工程、发电工程和施工临时性工程组成。其中,首部枢纽工程包括挡水闸坝、引水闸首、泄洪孔门及排沙孔门等构筑物与结构物;引水及输水工程包括输水隧洞、调压井、分水闸室及压力钢管隧洞和相应的结构物;发电工程包括地面式发电厂房、尾调闸门、尾水渠道及防护构筑物和相应的构筑物与结构物。水库正常蓄水位为2215m,相应库容48.4万m3,调节库容12万m3,引水隧洞长约11.15km,利用落差129m,装机容量172MW。

2 各尺度区域宏观地质环境特征与分析

主要从不同尺度视角,遵循从宏观到局部的原则,分析各尺度地质环境特征及其造成隧址区复杂地质环境现象的相关性,从而为针对性地开展围岩支护设计和施工方案提供依据。尺度区域是指从全球板块构造的视角出发,就隧址区周围数千公里大尺度区域范围、数百公里中尺度区域范围和数十公里小尺度区域范围的地质构造特征,系统分析工程区不同尺度层次下的地质构造动力来源,地质构造特征及其缔造的隧址区复杂的工程地质岩体力学环境和工程岩体结构类型。

2.1 大尺度区域宏观地质环境特征与分析

数千公里尺度下,区域的宏观地质环境包括板块构造及其形成机理、过程,决定引水隧洞工程区地质环境的总体格局。该引水隧洞位于四川西部横断山脉核心部位,平均海拔高程4000m以上的第一阶梯青藏高原至平均海拔高程约1500m的第二阶梯四川盆地过渡带(实际上,四川盆地核心地区的平均海拔高程不足500m,属于第三阶梯的高程)。为从更广域的角度来观察水电站所在的地质环境,根据地壳板块构造学原理,隧洞位于欧亚板块东南凸起端根部西侧,南亚印度地壳板块、青藏高原与准扬子地台之间的三角地带。

水电站位于青藏高原凸起体的东南边缘地带。根据地壳板块学说的观点[12-13],青藏高原不属于一个独立的地壳板块,而是在南亚印度板块的强力推挤作用,太平洋板块主动顶推作用(通过扬子地台传递作用)和欧亚板块的“刚性”约束作用下的受挤“上凸变形体”。青藏高原形成之初,主要产生褶曲变形,印度大陆板块持续向欧亚大陆板块之下俯冲和楔入,强烈的持续挤压构造作用,使该地区地层新生代以来产生多期强烈构造变形,以早期深层次的韧性剪切构造和晚期的脆性断裂构造为特征。隧址区位于欧亚大陆板块的前缘,印度大陆于新生代初期主动与欧亚大陆挤压碰撞,初期挤压作用的整体方向为N5°～10°E,随着地层变形破裂和接触边界的变化,后期挤压的总体方向变为N25°～35°E。印度大陆与欧亚大陆从初期碰撞至今的持续作用,宏观上经过了以下过程(见图1)。

图1 南北向两大板块及青藏高原地块间相互关系示意

(1)欧亚大陆板块南部边缘附近产生褶曲变形,形成近EW向的背斜褶曲,同时产生北东及南西向的剪切节理,沿背斜核部发育弯张性裂隙和近南北向压张性裂隙。

(2)随着印度大陆持续强烈的挤压,因受欧亚大陆主体和扬子板块主体的强力约束,特别是邻近呈NEE向展布的塔里木盆地和呈NNE向展布的四川盆地基底的强力约束,上述欧亚大陆南缘近东西向的褶曲强烈隆起,并开始朝近南倒转,超覆于印度大陆北部边缘之上。

(3)印度大陆继续强烈挤压欧亚大陆,向欧亚大陆南缘背斜倒转翼部产生俯冲和形成韧性剪切(剪切塑性大变形)构造断裂(缝合带或结合带)。此时除东端(紧邻横断山区)和西端(紧邻克什米尔高原)外,欧亚大陆南缘与印度大陆北缘之间,在空间上的上、下关系基本形成。

(4)印度大陆持续北移,进一步向欧亚大陆之下俯冲和楔入,欧亚大陆南缘开始抬升,拉开了青藏高原形成与演化之旅。

(5)印度大陆长时间持续向欧亚大陆之下俯冲和楔入,欧亚大陆的抬升从其南缘逐渐向北部发展,至塔里木盆地东南缘、柴达木盆地西南缘和四川盆地西北边缘。受三大盆地地壳基底特别是塔里木盆地地壳基底的强力阻挡,欧亚大陆南缘开始的抬升,印度大陆逐渐向东北方向发展,同时垂直向也不断抬升,青藏高原的雏形逐渐显现。

(6)青藏高原继续抬升的同时,因受其强烈的“楔-顶-挤-压”作用,以及在东、东北和西北侧三大盆地的强力约束性阻挡作用下,其地壳物质向四周产生“超覆”或“满溢”,形成地形阶梯,其中就包括大规模的龙门山超覆型孕震构造带。

雅鲁藏布大峡谷区域的挤压构造更为强烈和复杂。该区域构造分为两个部分,其一是横断山区域,受印度大陆北缘“拱桥”推挤在东西向派生的强烈挤压作用,形成了众多近SN偏NW向的构造山脊,在近SW向不到70km的距离内,出现了“三江并流”的奇观;其二是雅鲁藏布大峡谷区域,受印度大陆北缘“拱桥”推挤的强烈挤压,产生北东向的强烈俯冲与楔入作用,使该区域出现了局部隆升式褶皱和弯张断裂与剪切断裂叠合现象,使该区域的构造极为复杂。这就是印度洋板块与欧亚板块南部青藏高原南缘碰撞东构造结区域的地质环境,引水隧洞位于该东构造结的东侧约505km,可见隧洞所处宏观区域构造地质环境极其复杂。

2.2 中尺度区域宏观地质环境特征与分析

工程所处的数百公里的中尺度区域大地构造部位上,工程区位于“川滇菱形”断块的北西部,为次级断块“稻城断块”的东缘,该次级断块由理塘—德巫断裂带、丽江断裂带和金沙江断裂带所围限。东邻理塘—德巫断裂带的南延段(德巫—麦地龙)、八窝龙断裂带SW端,南邻木里弧形断裂带西翼。区内受次级断块“稻城断块”边界断裂带的影响和控制,地质构造较复杂,断层、褶皱发育。

该引水隧洞位于横断山脉核心的最窄部位(见图2),起点在大渡河谷石棉县约850m高程,沿243.63°方向至缅甸河谷高程约780m的剖面通过水电站工程区,横断山的宽度约460km(剖面长度),承受了前述印度洋板块与欧亚板块喜马拉雅山楔入构造的东构造结的“犁入式”挤压作用,以及扬子地台西缘四川盆地地块的强烈顶推约束作用,历次强烈的构造作用,形成了现今近南北向的构造形迹,河流的急剧下切,塑造了当今近南北向的河流和山脉,在直线距离约64km范围内出现了所谓“三江并流”奇观,这点与大尺度宏观构造环境对应。

图2 隧址区中尺度横断山中部构造概要平面

根据横断山区平面构造特征勾画的剖面构造示意(见图3),该引水隧洞工程位于四川省的西部,木里藏族自治县境内,地处青藏高原横断山脉的东南部,地势由北向南倾斜,为高山深切割区,河流强烈侵蚀下切,属高山峡谷地貌。山顶高程一般3500～4500m,相对高差达1500～2500m。表明引水隧洞在中尺度区域范围内构造环境的复杂性。

图3 隧址区横断山中部构造概要剖面(A-A’)

2.3 小尺度区域地质环境特征与分析

从该引水隧洞工程所处的数十公里小尺度区域来看,木里河由北向南流经工程区,河谷多呈不对称“V”形,莫嘎拉吉沟—曼念吉冈沟约6km河段,右岸坡度较缓,左岸陡峭。可见有三级阶地,其中Ⅰ、Ⅱ级阶地较为发育,为堆积阶地,Ⅲ级阶地分布零星,为基座阶地,仅局部地段残留其部分,各阶地拨河高度分别为2～5m、15～20m、60～80m。

工程区地层以区域性浅变质地槽型沉积建造为主,岩浆活动微弱。地层区属巴颜喀拉-秦岭地层区中甸分区的木里小区,区内古生界、中生界除缺失侏罗系和白垩系外,其余各系均有沉积,但各系发育程度及其分布不一,以奥陶系、三叠系较发育,分布较广。工程区地层岩性主要为奥陶系下统的变质石英砂岩、板岩夹千板岩,志留系板岩、千板岩夹硅质板岩、灰岩,三叠系的上统曲嘎寺组中—厚层夹薄层状灰岩,少量石炭系灰岩夹板岩[14]。地层间多以断层和角度不整合接触,少数为假整合接触。区内第四系地层分布较广泛,主要分布于右岸缓坡地带及河床、沟床,成因类型较复杂,厚度和结构变化较大。工程区主要发育一系列NW向、NE向断层,组成“棋盘格式”,NW向发育为主,NE向次之(见图4)。

图4 工程小尺度区域构造

场区位于先锋断层(F1,NE向)、赤土断层(F9,NW向)和机落断层(F2,NW向)所组成的“小断块”内,发育有北西向的茸德断层(F3)、基洼断层(F4)、撒洼断层(F5)、索根断层(F6)及北东向的曼念吉冈断层(F7)、布让满耶断层(F8)等,其中F4、F5、 F6、 F7横(斜)切引水隧洞,典型断层出露见图5(a)。

工程区内山高坡陡,物理地质作用较为强烈,受地形地貌,地层岩性,地质构造控制,不同规模褶皱、揉皱现象明显,造成岩体结构破碎、产状杂乱,见图5(b),为风化、卸荷与崩塌灾害发育。右岸以坡、残积堆积和滑坡堆积为主,左岸以崩、坡积堆积为主,两岸冲沟未见泥石流堆积。

图5 隧址区典型构造发育特征

水文地质方面,区内主要有第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水和基岩局部褶皱构造虚脱空腔河岸陡峭山体强卸荷松弛“贯通性裂隙水”3种地下水类型。松散层孔隙水主要集中分布于河谷地带,含水层为第四系堆积物,主要赋存于砂砾卵石层中,地下水的补给以大气降雨和地表水为主,运移和排泄条件主要受地形地貌及河谷第四系的沉积特征控制,具有较大的差异性,一般为潜水。

受岩性及构造控制,基岩裂隙水埋藏及补给、运移、排泄条件复杂,因节理卸荷作用松弛张开,以及软弱岩体受挤压揉皱强烈变形作用,含水裂隙(带)之间水力联系有的较差,而有的较好。“贯通性裂隙水”主要赋存于小型揉皱型褶皱构造形成的虚脱空腔和沿陡倾构造节理或小断层卸荷松弛或张开的裂缝中,该类地下水补给受地形降雨汇集、岩性带状分布和空腔发育程度的影响。

小尺度区域工程地质及水文地质环境特征分析表明,场区受多条断层切割控制,可见大量小规模揉皱现象,地质构造和地层岩性复杂多变,隧洞开挖过程中将不可避免穿越断层破碎带、卸荷松弛带等,易引发局部塌方、涌水等工程灾害。

3 工程场址区区域构造过程初步分析

由图4可知,工程区的褶皱构造和断裂构造迹线主要是NW向和NE向,其中NW向褶皱较NE向褶皱发育,断裂构造两个方向发育程度相当。

根据场址区断层及节理走向及倾角统计,场址区发育4组优势断裂,分别为:①N55°W向、②N25°W向、③N5°E向和④N55°E向,倾角大于60°的陡倾断裂占70.2%。场址区中等坚硬和坚硬岩体的综合内摩擦角(φ)应为20°～50°,平均值为33°。根据岩石力学中的摩尔-库伦强度理论,夹角在(90°-φ)的范围内可以配套构成同一期形成的共轭“X”剪节理。这样夹角在40°～70°的2组节理组合可能构成同一期形成的剪节理,其中①组与③组,③组与④组,①组与④组之间的夹角在40°～70°之间,此可以构成3套“X”剪节理,对应的最大主应力方向分别为N25°W、N25°E和EW。

综合上述场址区不同尺度区域地质环境特征分析,以及微小褶皱和节理调查资料的整理及分析,对场址区构造过程进行如下推测性分析。

(1)最初场址区受到来自东西向(约N25°E)的挤压构造作用,地层初步形成了NW向展布的一系列褶皱形态和③组与第④组剪节理或断层。该期的构造活动应该是在印支期的构造活动形成。根据我国大地构造分析[15],可以推测该方向的最大构造主应力为印支期构造所致,并且最大主应力方向与场址区内主要褶皱构造呈大角度关系。

(2)场区受到北西向(约N25°W)的构造作用,形成了①组和③组优势节理,该期构造与燕山期构造方向(NWW)有一定关系,推测为燕山期产物。

4 结论

以川西地区典型水电工程引水隧洞为依托,从场区数千公里至数十公里的不同尺度视角,综合分析了隧址区工程地质及水文地质环境特征,获得以下结论。

(1)宏观大尺度上,受印度—欧亚大陆版块“楔-顶-挤-压”强烈作用,工程恰好位于印度洋板块与欧亚板块南部青藏高原南缘碰撞东构造结区域东侧,造成隧洞所处宏观区域构造地质环境极其复杂。

(2)中尺度上,引水隧洞位于“川滇菱形”断块的北西部,为次级断块“稻城断块”的东缘、横断山脉核心的最窄部位,承受前述印度洋板块与欧亚板块楔入构造的东构造结的“犁入式”挤压作用,以及扬子地台西缘四川盆地地块的强烈顶推约束作用,历次强烈的构造作用,造成引水隧洞工程在中尺度范围内复杂的构造环境。

(3)小尺度上,木里河由北向南流经工程区,河谷多呈不对称“V”形,发育一系列NW向、NE向断层,组成“棋盘格式”,不同规模褶皱、揉皱现象明显,造成岩体结构破碎、产状杂乱,隧洞开挖过程中易出现局部塌方、涌水等工程灾害。

在工程建设初期,受工程规模、勘察手段等限制,很难对超过10km长度的隧洞工程地质环境作出准确判断。因此,针对川西地区复杂的地质环境条件,应从不同尺度对工程区构造环境进行分析,揭示区域地质环境形成条件及机理,再结合工程勘察及地面调查结果,综合分析并对隧址区可能的地质环境特征进行合理的推测,将有利于更加准确地判断开挖围岩条件,指导实际工程施工。