東山供水工程石匣水庫供水支線方案地質(zhì)比選

荊海豐

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

1 工程概況

山西省東山供水工程為山西省境內(nèi)的一項跨流域引調(diào)水工程，從山西省富水區(qū)清漳河流域、濁漳河流域調(diào)水到貧水區(qū)的汾河流域。工程主要位于山西省晉中市，橫跨海河流域和黃河流域，供水體系涉及調(diào)水區(qū)3縣：晉中市的左權(quán)縣、榆社縣和長治市的武鄉(xiāng)縣；受水區(qū)為晉中市南部5縣（市）：太谷縣、祁縣、平遙縣、介休市、靈石縣。

調(diào)水區(qū)取水水源包括石匣水庫、關(guān)河水庫、云竹水庫及二期水源。石匣水庫供水支線是東山供水工程的供水支線之一。

2 石匣水庫供水支線方案

對石匣水庫供水支線，設(shè)計提出了高線方案、中線方案、低線方案三個方案進行比選。

2.1 高線方案

在石匣水庫內(nèi)設(shè)進水塔，采用壓力管道將庫水采用重力流方式送至壩下游石匣鄉(xiāng)清漳西源右岸隧洞進口，管線長度約1.6 km。

從石匣鄉(xiāng)清漳西源右岸隧洞進口至柳溝段采用隧洞引水，隧洞長度約26.3 km，其間設(shè)6條支洞，在隧洞進出口分別設(shè)進水池和出水池，全部采用鉆爆法施工。

從柳溝至北圖劃段采用壓力管道引水，管線長度約12.2 km；在北圖劃與關(guān)河水庫供水支線匯合，匯合處設(shè)調(diào)壓池。

石匣水庫供水支線高線方案供水線路全長約40.1 km。

2.2 中線方案

在石匣水庫內(nèi)設(shè)進水塔，采用壓力管道將庫水采用重力流方式沿清漳西源河谷送至清漳西源下游右岸的蘇亭隧洞進口。管線長度約21.5 km。

從蘇亭隧洞進口至董家莊采用隧洞引水，在隧洞進出口分別設(shè)進水池和出水池。按隧洞施工方法，有二個比較方案，一是純鉆爆法，其間設(shè)10條支洞，二是鉆爆法+TBM法，隧洞全長約40.3 km。其中，TBM法長約15 km。

從董家莊至北圖劃采用壓力管道引水，管線長度約11.6 km；在北圖劃與關(guān)河水庫供水支線匯合，匯合處設(shè)調(diào)壓池。

石匣水庫供水支線中線方案供水線路全長約73.4 km。

2.3 低線方案

從石匣水庫至曹家峪，采用壓力管道將庫水采用重力流方式沿清漳西源河送至曹家峪，長度約39.5km。

從曹家峪至疙瘩灘主要采用隧洞引水，跨較大溝谷段設(shè)箱涵或壓力管道，隧洞進出口處分別設(shè)進水池和出水池。隧洞按施工方法分為兩個比較方案：一是采用TBM+鉆爆法施工，長度約43.8 km，其中，TBM法隧洞段約15.2 km；二是采用純鉆爆法施工。

從疙瘩灘至閻家溝采用壓力管道引水，長度約11.5 km；在閻家溝與關(guān)河水庫供水支線匯合，匯合處設(shè)調(diào)壓池。

石匣水庫供水支線低線方案供水線路全長約103.5 km。

3 石匣水庫供水支線各方案工程地質(zhì)

各方案壓力管線段雖長短不一，但涉及地層巖性均主要為第四系全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土、級配不良砂（礫）、低液限粉（黏）土，地下水埋深一般較小，存在的主要工程地質(zhì)問題相似，主要有基坑涌水、地基不均勻變形、地震液化、沖刷等。故各方案壓力管線段地質(zhì)條件不再一一介紹，以下主要簡介各方案隧洞段工程地質(zhì)條件及存在問題。

3.1 高線方案

隧洞總長26.3 km，隧洞最大埋深370 m。隧洞涉及的地層巖性為二疊系上統(tǒng)及三疊系砂巖、頁巖及泥巖，洞段大多位于地下水位以下。主要存在隧洞軟弱巖（泥頁巖）段圍巖變形問題，也存在滲水或涌突水問題。由于泥頁巖的相對隔水作用，區(qū)內(nèi)地下水多具有層間水特點，地下水位雖一般較隧洞高出很多，但作用在隧洞襯砌上的實際水頭不一定高，分析隧洞涌水量也不甚大。

預(yù)測隧洞圍巖類別主要為Ⅳ、Ⅴ類，分別占隧洞總長的47.6%、41.1%，部分為Ⅲ類，占11.3%。

3.2 中線方案

隧洞總長40.3 km，隧洞最大埋深480 m。隧洞涉及的地層巖性有：長城系石英巖狀砂巖；寒武系灰?guī)r、白云巖、頁巖；奧陶系灰?guī)r、泥灰?guī)r；石炭系、二疊系砂巖、頁巖、泥巖夾煤層；三疊系砂巖、頁巖、泥巖。隧洞大多位于地下水位以下。

長城系石英巖狀砂巖洞段巖石堅硬，主要存在滲水或涌突水問題，類比相似地區(qū)經(jīng)驗分析其涌水量不大；寒武系、奧陶系灰?guī)r、白云巖洞段巖溶發(fā)育，存在滲水、涌水或突水問題，分析涌水量較大，還存在軟弱巖（頁巖、泥灰?guī)r）段圍巖變形問題；石炭系、二疊系、三疊系砂巖、頁巖、泥巖主要存在隧洞軟弱巖（泥頁巖）段圍巖變形問題，也存在滲水或涌突水問題，分析隧洞涌水量也不甚大。石炭系、二疊系下統(tǒng)煤層還存在壓煤、有害氣體、腐蝕性等問題，左權(quán)縣城南隧洞通過高莊等煤礦，有穿采空區(qū)問題。

預(yù)測隧洞圍巖類別以Ⅳ、Ⅴ類為主，分別占隧洞總長的43.6%、42.3%，部分為Ⅲ類，占14.1%。

3.3 低線方案

隧洞總長43.8 km，隧洞最大埋深730 m。隧洞涉及的地層巖性有：太古界變質(zhì)巖；長城系石英巖狀砂巖；寒武系灰?guī)r、白云巖、頁巖；奧陶系灰?guī)r、泥灰?guī)r；石炭系、二疊系砂巖、頁巖、泥巖夾煤層；三疊系砂巖、頁巖、泥巖。隧洞大多位于地下水位以下。

隧洞存在的主要工程地質(zhì)問題與中線方案近似。該方案在武鄉(xiāng)縣戈北坪、合家垴村隧洞通過煤礦采空區(qū)。且該方案隧洞埋深較大，受地應(yīng)力影響較大，可能出現(xiàn)圍巖大變形，也不排除產(chǎn)生巖爆可能。

預(yù)測隧洞圍巖類別以Ⅳ、Ⅴ類為主，分別占隧洞總長的42.3%、37.2%，部分為Ⅲ類，占20.5%。

4 石匣水庫供水支線方案地質(zhì)比選

根據(jù)高線、中線、低線三方案沿線的的工程地質(zhì)條件、工程地質(zhì)問題等情況進行分析比較。

從線路長度來看，石匣水庫供水支線高線、中線、低線方案線路全長分別約為40.1 km、73.4 km、103.5km。其中，隧洞段長度分別約為26.3km、40.3km、43.8 km。從引水線路長度及隧洞段長度來看，高線方案引水線路及隧洞段最短，低線方案引水線路及隧洞段最長。

各方案壓力管道段地質(zhì)條件相似，存在的主要工程地質(zhì)問題也基本相同，地質(zhì)比較意義不大。但各方案隧洞段工程地質(zhì)條件存在差別，主要從以下幾個方面進行對比分析：

4.1 地層巖性

高線方案隧洞涉及的地層為二疊系上統(tǒng)及三疊系地層，以砂巖、泥巖為主；中線方案隧洞涉及地層從長城系至三疊系，巖性復(fù)雜，主要有石英巖狀砂巖、灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、砂巖、頁巖、泥巖等；低線方案涉及地層從太古界至三疊系，巖性復(fù)雜，較中線方案增加了多種類型的變質(zhì)巖；總體看高線方案地層巖性較為單一。

4.2 地下水

三方案地下水位均大多高于洞頂，均存在滲水、涌水和突水問題，但中、低線方案隧洞穿越巖溶發(fā)育區(qū)，涌水量可能較大，突水問題可能較嚴重。且這些地段圍巖滲透性強，外水壓力折減較少，作用在隧洞襯砌上的水壓較高。而高線方案分析隧洞涌水量不甚大，作用在隧洞襯砌上的實際水頭一般不高（構(gòu)造破碎帶除外）。

4.3 煤礦采空區(qū)及壓煤

高線方案隧洞從二疊系上統(tǒng)及三疊系砂巖、頁巖、泥巖中穿過，沿線無煤層，無煤礦采空區(qū)，也不存在壓煤問題；中線、低線方案均穿過煤層，存在壓煤問題、有害氣體影響問題及腐蝕性等問題，中線方案在高莊一帶經(jīng)過煤礦采空區(qū)，低線方案在戈北坪、合家垴一帶經(jīng)過煤礦采空區(qū)，存在采空區(qū)影響問題。

4.4 地應(yīng)力影響

高、中、低線方案隧洞最大埋深分別為370 m、480 m、730 m，三方案中均存在軟弱夾層，均可能受地應(yīng)力影響產(chǎn)生圍巖大變形，但高線方案隧洞埋深相對較小，地應(yīng)力影響相對較弱，低線方案受地應(yīng)力影響相對較大；另外，中、低線方案涉及堅硬巖較多，在適宜條件下不排除產(chǎn)生巖爆可能性。

4.5 圍巖類別

各方案隧洞圍巖類別均為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，所占比例高線為11.3%、47.6%、41.1%，中線為14.1%、43.6%、42.3%，低線為20.5%、42.3%、37.2%?？傮w看三方案隧洞圍巖類別比例差別不大，均以Ⅳ、Ⅴ類為主，其比例在79.5%～88.7%之間，低線方案Ⅲ類圍巖比例雖然相對較多，但優(yōu)勢并不明顯。

4.6 隧洞沿線環(huán)境影響

三方案隧洞均主要從基巖山區(qū)通過，沿線村莊稀少，未發(fā)現(xiàn)有較大的泉水，沿線沒有保護區(qū)和飲用水水源地等。但中、低線方案隧洞處于娘子關(guān)泉域南部邊緣地帶，處于娘子關(guān)泉域范圍內(nèi)，且隧洞直接穿過碳酸鹽巖區(qū)段，隧洞開挖可能對娘子關(guān)泉產(chǎn)生一定的影響。

5 結(jié)論

高線方案沿線水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件簡單，隧洞埋深相對較小，避開了水文地質(zhì)條件復(fù)雜和巖溶發(fā)育的寒武奧陶系石灰?guī)r區(qū)，無煤礦采空區(qū)，無壓煤問題，地應(yīng)力影響相對較小，且隧洞長度較小。

中、低線方案沿線水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，隧洞埋深相對較大，通過巖溶發(fā)育地區(qū)時，涌突水問題及外水壓力可能較大；通過煤系地層及采空區(qū)時，存在突水、有害氣體、壓煤等問題；地應(yīng)力影響相對較大；隧洞長度較長。

綜上所述，從工程地質(zhì)角度考慮，推薦高線方案。