百島湖水庫輸水隧洞工程地質分析及評價

鄧靖川 徐路 魏賽拉加

摘 要：隨著我國水利工程向著長、大、深的方向發(fā)展，輸水隧洞建設無疑是水利工程的關鍵性控制工程。筆者以百島湖水庫輸水隧洞（公黃隧洞）為研究對象，在詳細調研隧道周邊的地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質條件的基礎上，通過野外調查、鉆探、物探和室內試驗的手段，提出了該隧洞建設將可能會遇到的工程地質問題：煤礦與采空區(qū)、煤系段瓦斯、隧道涌水、突泥、地下水腐蝕性、對環(huán)境水系影響、高地應力、隧洞圍巖穩(wěn)定性和施工對周邊環(huán)境的影響等問題，并給出了相應的工程處理建議。

關鍵詞：百島湖水庫;水利工程;輸水隧洞;工程地質

中圖分類號：TV554 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1003-5168（2022）6-0080-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.06.019

Engineering Geological Analysis and Evaluation of the Water

Transmission Tunnel of Baiquan Lake Reservoir

DENG Jingchuan1 ? ?XU Lu2 ? ?WEI Sailajia3

（1.Chongqing Surveying and Design Institute of Water Resources，Electric Power and Architecture Co.，Ltd.， Chongqing 401120，China; 2. Zhejiang Sinoma Engineering Survey and Design Co.， Ltd.， Hangzhou 310022，China; 3. China Geological Environmental Monitoring Central Station of Qinghai， Xining 800001，China）

Abstract：With the development of Chinese water conservancy project in the long， large and deep direction， water transmission tunnel construction is undoubtedly the key control project of water conservancy project. The author takes the Baidao Lake Reservoir water transmission tunnel （Gonghuang tunnel） as the research object， on the basis of the detailed investigation of the topography， formation， geological structure and hydrogeological conditions around the tunnel， the engineering geological problems that will be encountered in the tunnel construction are presented： coal mine and mining area， coal section gas， tunnel gushing， mud penetration， groundwater corrosion， impact on environmental water system， high ground stress， stability of tunnel surrounding rock and impact of construction on the surrounding environment， and the corresponding engineering treatment suggestions are also given.

Keywords：Baidao Lake Reservoir;water conservancy project;water-conveyance tunnel;engineering geology

0 引言

2006年2月國務院印發(fā)的《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》指出，水資源優(yōu)化配置與綜合開發(fā)利用是水和礦產資源重點開發(fā)領域中的優(yōu)先主題 [1]。目前，我國已相繼建成南水北調（中、東線一期）、引灤入津、引大入秦、引碧入連、引黃入晉、引洮供水等一批跨流域調水工程。而南水北調（西、中線二期、東線二三期）、滇中引水、引漢濟渭等重大工程也已經或即將進入建設期[2-4]。未來十年，我國將迎來水利工程建設的高峰期，長距離、跨流域調水是國家水資源優(yōu)化配置的重大戰(zhàn)略舉措[5]。我國在建、擬建的主要水利工程大多在西部、西南部地區(qū)的崇山峻嶺中，深埋式超長輸水隧洞建設無疑是關鍵性的控制工程[6]。一方面，這些輸水隧洞地處高地震烈度區(qū)，地形地貌復雜，地下地質環(huán)境惡劣;另一方面，隧洞單洞距離長、埋藏深度大[7]。

筆者以百島湖水庫輸水隧洞（公黃隧洞）為研究對象，通過對該隧道周邊的地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質條件的認真分析，提出了該輸水隧洞工程建設主要面臨的工程地質問題：煤礦與采空區(qū)、煤系段瓦斯、隧道涌水、突泥、地下水腐蝕性、對環(huán)境水系影響、高地應力、隧洞圍巖穩(wěn)定性和施工對周邊環(huán)境的影響等問題。在提出問題的基礎上，對每一問題進行了詳細論證，結合野外調查、鉆探、物探和室內試驗的手段，給出了最佳處理建議。

1 工程概況及基本地質條件

百島湖水庫是一座具有城鄉(xiāng)供水、農業(yè)灌溉等綜合效益的中型水利工程。水庫位于重慶市奉節(jié)縣梅溪河一級支流車家壩河中下游河段，壩址位于奉節(jié)縣紅土鄉(xiāng)廖家咀處。壩址處距紅土鄉(xiāng)約為2 km，距奉節(jié)縣城約為50 km，有604鄉(xiāng)道通過，交通條件方便。

百島湖水庫輸水隧洞（公黃隧洞）起點位于巖頭溪左岸面坊里采砂廠（已關停）附近，終點位于黃井水庫上游柏林里處，主要穿越梅溪河流域與朱衣河流域分水嶺。

1.1 地形地貌

百島湖水庫輸水隧洞（公黃隧洞）線路內梅溪河、黃井河河谷切割較深，谷底高程為200～600 m;其間分水嶺高程多為800～1 400 m;總體為侵蝕—剝蝕構造中—低山地貌。

1.2 地層巖性

公黃隧洞主要穿越侏羅系遂寧組—三疊系須家河組地層，地層巖性詳表1。

1.3 地質構造

輸水隧洞主要穿越朱衣背斜北西翼，斷裂構造不發(fā)育，次級構造主要表現(xiàn)為裂隙;以近南北向的橫張裂隙為主，近東西向的縱張裂隙次之。在隧洞區(qū)外南西側的牛馬槽煤礦洞口附近發(fā)育一順河向斷層（牛馬槽斷層），構造條件總體較為簡單。

朱衣背斜：發(fā)育于春樹塝—朱衣鎮(zhèn)—李家壩一帶，軸線總長為28 km，軸向為近東西向，軸部主要分布巴東組地層，兩翼依次出露須家河組至新田溝組地層，軸部開闊兩翼不對稱，北西翼巖層傾角為14°～39°，南東翼巖層傾角為23°～64°。

牛馬槽斷層：發(fā)育于雙河口—牛馬槽—裁縫包一帶，斷層呈東西向延伸，長5～6 km;傾向北面，傾角為50°～55°;上下盤均為薄層狀砂、頁巖互層，層面與斷層面相近;為順層面擠滑逆斷層。斷層破碎帶及兩側影響帶寬約為10 m，主要由斷層角礫巖組成。屬Ⅱ級大型斷層，構造穩(wěn)定。斷層帶膠結一般較差，附近河谷大致沿斷層發(fā)育。

1.4 水文地質條件

輸水隧洞線路沿線主要分布沉積碎屑巖地層;區(qū)內河谷深切，山高坡陡，溝谷發(fā)育，排泄條件好。降水大部分形成坡面流匯入溝谷;少部分順孔隙和裂隙下滲成為地下水。按地下水的賦存條件主要分為基巖裂隙水和覆蓋層孔隙水。區(qū)內無大泉分布，水文地質條件較簡單。

在鋼廠坪—牛馬槽窯口段斷層河谷存在河流下滲進入煤礦采空區(qū)現(xiàn)象;該段河床高程為480～840 m;沿河分布有鋼廠坪—牛馬槽—院馬路窯口（已關停），原許可開采高程為300～950 m。本次調查發(fā)現(xiàn)鋼廠坪—牛馬槽窯口段斷層河谷干涸斷流，牛馬槽窯口下游開始出現(xiàn)明流，在下游河段水量明顯增大。在原鋼廠坪煤礦院馬路窯口（+511 m平硐口）處發(fā)現(xiàn)礦區(qū)積水外流現(xiàn)象，見圖1。目前設有排水渠道及引水管道，排水口高程為511.5 m，預估流量為0.3～0.6 m3/s。原礦區(qū)511.5 m高程以下可能存在較大規(guī)模采空區(qū)積水問題。本隧洞選線中已予以繞避。

2 工程地質問題及處理建議

2.1 煤礦與采空區(qū)問題

輸水隧洞線路區(qū)內珍珠沖組底部及須家河組地層主要為含煤系地層;為內陸河湖沼澤相含煤碎屑巖，以長石石英砂巖、石英粉砂巖為主局部夾透鏡狀薄煤層或煤線，單層煤厚度為0.05～0.40 m。公黃隧洞出口段（干23+789.40～干24+337.40）通過該煤系地層。經調查該段為原鋼廠坪煤礦一采區(qū)，主要開采為300～500 m高程的須家河組K41、K42兩薄煤層。根據《鋼廠坪煤礦資源整合初步設計說明書》（中煤科工集團重慶設計研究院2011年），該區(qū)煤礦開采歷史較長，不排除局部存在老窯及廢棄巷道的可能，建議煤礦整合后在開采過程中采取“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后挖”的開采策略。建議超前鉆探間隔巖層厚度不小于20 m?？裳须A段勘察工作中對公黃隧洞出口的煤系地層段，委托重慶巖土工程檢測中心采用天然場音頻大地電磁法（AMT法）進行了物探工作。

物探結論為：①在測線0～320 m、550～610 m洞身段，判釋為較破碎、較軟弱巖體;測線320～400 m、530～550 m洞身段，判釋為破碎、軟弱或含水巖體;測線400～530 m段判釋為極破碎、極軟弱或富水巖體;測線610～912 m洞身段判釋為較完整巖體。②從物探電性特征分析，測線高程為500 m以上區(qū)域未見明顯由采空區(qū)引起的高/低阻異常。

本階段采用深孔GK06對物探低視電阻率區(qū)（測線為400～530 m段）進行了復核，孔深為130 m，深入隧洞底板高程以下5 m。鉆探揭露該物探低電阻段巖性主要為頁巖與砂巖不等厚互層，部分層面夾煤線，構造裂隙較發(fā)育，巖芯多呈短柱狀，巖體完整性較差;孔內地下水位埋深為98 m，水位高程為587.91 m（高于輸水隧洞），未發(fā)現(xiàn)采空區(qū)。鉆探揭示情況與物探資料基本相符。

綜上所述，根據鉆探、物探判定特征與工程地質條件及礦區(qū)資料相符，設計輸水隧洞洞身高于煤礦采空區(qū)高程;隧洞與煤礦采空區(qū)間巖層厚度大于40 m，交叉影響小。洞身局部存在裂隙性破碎、富水帶，建議加強支護措施。建議施工期間采用水平鉆探+物探加強超前地質預測預報工作。根據本區(qū)煤礦開采經驗，超前鉆探安全間隔巖層厚度應不小于20 m。

2.2 煤系段瓦斯問題

公黃隧洞主要穿越朱衣背斜北西翼，為單斜向地層。由進口至出口依次穿越遂寧組、上沙溪廟組、下沙溪廟組、新田溝組、自流井組、珍珠沖組、須家河組地層。其中：遂寧組至自流井組段為非煤系地層;珍珠沖組—須家河組段為含煤地層。

本隧洞出口段穿越該含煤地層，根據鋼廠坪煤礦資料，本區(qū)煤層厚度薄，單層煤厚度僅為0.05～0.40 m。本區(qū)煤層頓煤瓦斯含量（絕對瓦斯涌出量）為0.96～1.79 m3/t，屬高瓦斯工區(qū)。含煤段隧洞最大埋深為150 m，按礦區(qū)瓦斯壓力規(guī)律P=2.03 H計算，最大瓦斯壓力為0.3 MPa。

根據穿煤層隧洞段地質條件復核，該段隧洞為出口淺埋段，為單斜向巖層，沿線呈凸出山脊，物探及鉆探揭示洞身及以上巖體完整性較差，不具備瓦斯氣體儲氣結構，不存在瓦斯突出條件。擬建隧洞下部300～500 m高程為原鋼廠坪煤礦開采區(qū)，下部瓦斯氣體已由采空區(qū)釋放。經采用ADKS-4四合一檢測儀在鋼廠坪煤礦院馬路窯口處檢測，采空區(qū)內瓦斯氣體含量低，詳見表2。洞身以下不存在高壓瓦斯氣體上涌突出的條件。

綜上所述，珍珠沖組—須家河組含煤地層段（干23+789.40～干24+337.40）隧洞屬高瓦斯工區(qū)。依據《水利水電工程地下建筑物工程地質勘察技術規(guī)程》（DL/T 5415—2009）附錄P瓦斯隧洞分類標準，按頓煤瓦斯含量為0.96～1.79 m3/t，瓦斯壓力<0.3 MPa;本段為高瓦斯工區(qū)，建議按二級瓦斯地段等級進行防護襯砌。對該段隧洞建議全斷面封閉，不設排水孔，并加強瓦斯監(jiān)測工作。

其余洞段雖屬非瓦斯工區(qū)，但為保證施工安全防止局部瓦斯積聚，建議做好瓦斯氣體監(jiān)測和通風管理。

2.3 隧道涌水、突泥問題

公黃隧洞區(qū)為侏羅系上統(tǒng)、下統(tǒng)及三疊系上統(tǒng)須家河組地層，巖性以碎屑巖為主，局部灰?guī)r、泥灰?guī)r以薄夾層形式分布，不存在大規(guī)模巖溶發(fā)育條件;按地下水賦存條件屬裂隙水區(qū)，不存在巖溶涌水、突泥問題。

本區(qū)大部分洞段穿越砂巖、泥巖、頁巖地層;較完整巖體段地下水活動狀態(tài)多為滲水、滴水，一般無水壓力;地下水主要沿裂隙面滲漏，裂隙處地下水活動狀態(tài)多為淋雨狀、線狀流水，微具承壓性。該類巖層段地下水流量較小，壓力低，對工程施工影響小。但由于本工程隧道沿線無開挖支洞條件，隧洞單面掘進長度大，加之引水隧洞為單坡向隧洞，向下游掘進段底板傾洞內，無法自流排水，可能會存在較大積水問題，建議加強抽排措施。

公黃隧洞出口段穿越原鋼廠坪煤礦采空區(qū)，礦區(qū)附近段河床高程為480～600 m，原窯口511 m高程排水渠處存在積水外排現(xiàn)象，流量為0.3～0.6 m3/s。本工程穿越礦區(qū)段隧洞高程為565 m，高于附近窯口排水口高程，洞段存在大規(guī)模采空區(qū)涌水的可能性小。但本段為傍山淺埋，距離北東側支溝較近（平距為50～200 m），且略低于河床高程。根據物探及鉆探揭示洞身巖體完整性較差、富水，局部可能存在裂隙性滲水。由于該段為二級瓦斯工區(qū)，洞壁采用全斷面封閉，不設排水孔，建議外水壓力折減系數(shù)取0.9。施工期間建議結合超前地質預報進行復核。

出口段隧洞單面掘進長度大，建議設計、施工中加強排水措施。

2.4 地下水腐蝕性問題

公黃隧洞主要穿越砂、泥巖地層地區(qū)，除出口附近存在含煤地層段外，其余段無特殊巖礦層分布。本次對隧洞出口附近已關停煤礦水的水質檢測雖未發(fā)現(xiàn)異常，但在下游黃井河床處檢測發(fā)現(xiàn)有SO42-離子大幅增加現(xiàn)象。結合須家河組煤系地層同類隧洞施工經驗（開縣趙家輸水隧洞同地層SO42-離子達1 778.89 mg/L），不排除局部煤層地下水可能存在強硫酸鹽型腐蝕性。建議對該珍珠沖組—須家河組含煤地層段（干23+789.40～干24+337.40）段支護結構采取相應防腐措施。

2.5 對環(huán)境水系影響問題

公黃隧洞沿線地表主要為砂泥巖地層區(qū)，深埋隧洞與地表水系及淺層基巖裂隙水間有多層（泥巖）隔水層阻隔，洞身段地下水與淺部水系的水力聯(lián)系較小，且砂泥巖洞段滲水量小，并設計采用全斷面襯砌，深埋隧洞段對周邊水環(huán)境影響較小。

隧洞進口淺埋段局部裂隙較發(fā)育，隧洞開挖可能對洞口附近小范圍存在地下水疏干影響，為減小施工對周邊環(huán)境的影響，建議對淺埋裂隙滲水進行灌漿防滲處理。

隧洞出口煤系地層段為二級瓦斯工區(qū)，洞壁采用全斷面封閉，不設排水孔;對環(huán)境水系影響小

2.6 高地應力問題

公黃隧洞為穿山深埋隧洞，豎向最大埋深約為750 m。本區(qū)構造應力影響不明顯，本次垂直向最大應力推算采用公式σvmax=γh;推算結果大致為：隧洞埋深小于500 m段，σvmax<10 MPa，屬低地應力區(qū);隧洞埋深500～750 m段，10 MPa≤σvmax<15 MPa，屬中地應力區(qū)。

中、低地應力區(qū)基本不會出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象;硬質巖類地應力釋放主要表現(xiàn)為局部洞壁巖體剝落、掉塊現(xiàn)象;軟質巖類局部可能存在小的變形位移現(xiàn)象。但由于本工程洞徑較小，巖層傾角較大，洞身具備一定的自穩(wěn)能力，成洞性尚好，地應力影響小。

2.7 隧洞圍巖穩(wěn)定性問題

公黃隧洞走向S20°E，位于渠馬河向斜南翼，為單斜向地層，巖層產狀由進洞口的N85°E/NW∠12°漸變?yōu)槌龆纯诘腘80°W/NE∠48°。本區(qū)次級構造影響主要表現(xiàn)為陡傾裂隙，其中以近南北向的橫張裂隙為主，近東西向的縱張裂隙次之。本工程為深埋隧洞，裂隙面多為微張—閉合，裂面粗糙。主要結構面均與洞向呈大角度斜交（>30°），主要結構面對洞壁穩(wěn)定性較為有利;本隧洞圍巖穩(wěn)定性不存在大的問題，在開挖過程中，局部可能存在掉塊或變形現(xiàn)象，采取相應支護措施可安全通過。

2.8 施工對周邊環(huán)境的影響問題

公黃隧洞遠離村鎮(zhèn)，且一般埋深較大，爆破施工對附近環(huán)境影響總體較小;僅隧洞進口附近地表分布少量民房，且隧洞埋深較淺為100～150 m;爆破會對附近地表房屋產生不利影響，建議采用控制爆破或非爆破開挖工藝通過。

公黃隧洞出口下游即為黃井水庫，該水庫承擔為奉節(jié)縣城供水的任務。為避免施工廢水影響庫內水質，建議進出口處應加強廢水處理措施，滿足達標排放。

3 結語

百島湖水庫輸水隧洞（公黃隧洞）施工將會遇到煤礦與采空區(qū)、煤系段瓦斯、隧道涌水、突泥、地下水腐蝕性、對環(huán)境水系影響、高地應力、隧洞圍巖穩(wěn)定性和施工對周邊環(huán)境的影響等問題。

①根據鉆探、物探、工程地質條件和礦區(qū)資料分析，隧洞與煤礦采空區(qū)間巖層厚度大于40 m，交叉影響小。洞身局部存在裂隙性破碎、富水帶，建議加強支護措施，施工期間采用水平鉆探+物探加強超前地質預測預報工作。

②珍珠沖組—須家河組含煤地層段（干23+789.40～干24+337.40）隧洞屬高瓦斯工區(qū)。建議按二級瓦斯地段等級進行防護襯砌。對該段隧洞建議全斷面封閉，不設排水孔，并加強瓦斯監(jiān)測工作。

③公黃隧洞區(qū)為侏羅系上統(tǒng)、下統(tǒng)及三疊系上統(tǒng)須家河組地層，巖性以碎屑巖為主，局部灰?guī)r、泥灰?guī)r以薄夾層形式分布，不存在大規(guī)模巖溶發(fā)育條件，按地下水賦存條件屬裂隙水區(qū)，不存在巖溶涌水、突泥問題。

④公黃隧洞區(qū)地下水腐蝕性弱;對環(huán)境水系影響小;雖屬中地應力區(qū)，但對隧洞影響小;隧洞圍巖穩(wěn)定性不存在大的問題，在開挖過程中，局部可能存在掉塊或變形現(xiàn)象，采取相應支護措施可安全通過;隧洞遠離村鎮(zhèn)，且一般埋深較大，爆破施工對附近環(huán)境影響總體較小，加強廢水處理措施，滿足達標排放即可。

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