魯古河水庫(kù)供水工程輸水隧洞工程地質(zhì)條件研究

程小勇

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510170)

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魯古河水庫(kù)供水工程輸水隧洞工程地質(zhì)條件研究

程小勇

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510170)

魯古河水庫(kù)供水工程輸水隧洞長(zhǎng)約1.31 km,圍巖主要為中～薄層粉砂巖及石英砂巖,各種構(gòu)造發(fā)育,導(dǎo)致節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,準(zhǔn)確查明隧洞圍巖特性成為了工程關(guān)鍵,故加強(qiáng)對(duì)該隧洞地質(zhì)條件的研究是必要的。通過區(qū)域地質(zhì)資料的收集,開展野外地質(zhì)調(diào)查、測(cè)繪、鉆探、室內(nèi)外試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)等手段,綜合分析地質(zhì)構(gòu)造情況,查明了復(fù)雜條件下隧洞圍巖分布范圍,提出隧洞圍巖物理力學(xué)指標(biāo),并對(duì)隧洞圍巖進(jìn)行地質(zhì)分類與評(píng)價(jià),提出防護(hù)措施,為粉砂巖及石英砂巖地區(qū)同類工程實(shí)踐提供一些借鑒作用。

輸水隧洞；粉砂巖與石英砂巖；圍巖類別；工程地質(zhì)條件研究

魯古河水庫(kù)位于廣東省新豐縣城東南部,是攔截魯古河修建的一座中型水庫(kù)。魯古河為新豐江的一級(jí)支流,在馬頭鎮(zhèn)的秀坑村匯入新豐江。新豐縣魯古河供水工程采用重力流輸水形式,建1條長(zhǎng)約1.31 km的D 1 800 mm輸水隧洞將庫(kù)水引出,通過鋼管接駁,輸送至水廠,近期供水規(guī)模為2.5萬(wàn)m3/d,遠(yuǎn)期達(dá)到4.5萬(wàn)m3/d。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252—2 000)確定工程等別為Ⅲ等,主要建筑物等級(jí)為3級(jí),防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇設(shè)計(jì),100年一遇洪水校核[1-3]。

輸水隧洞地層巖性主要為粉砂巖及石英砂巖,區(qū)域構(gòu)造發(fā)育,地質(zhì)條件復(fù)雜。隧洞位于新豐～馬頭向斜中次一級(jí)背斜構(gòu)造中,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎。查明粉砂巖及石英砂巖地區(qū)隧洞圍巖特性成為了工程的關(guān)鍵,故加強(qiáng)對(duì)該隧洞地質(zhì)條件的研究是必要的。

1 地形地貌

輸水隧洞進(jìn)口位于魯古河水庫(kù)左庫(kù)岸,距離水庫(kù)拱壩約500 m,低山丘陵地貌,植被覆蓋良好,水庫(kù)兩岸山體陡峭,坡度為40°～50°,基巖埋藏較淺,庫(kù)岸坡腳處局部見基巖出露。隧洞進(jìn)口地面高程約為257 m,名為香車口,進(jìn)口方向所在水庫(kù)最低高程約為250 m,隧洞NW344°穿過庫(kù)區(qū)左岸山體,經(jīng)過山體最大高程為474.20 m,名為老虎井。隧洞進(jìn)口布置在老虎井東南坡腳下一高程約為311 m的低矮丘陵坡腳處,該丘陵凸向庫(kù)區(qū),位處庫(kù)區(qū)中央部位,臨水側(cè)坡度變化大,約為40°～80°,局部近直立狀,基巖埋藏較淺,植被覆蓋良好。

輸水隧洞出口位于澗上村齋公坑,老虎井西北坡腳下高程為250 m處,出口正對(duì)一山間沖溝,植被覆蓋良好,覆蓋層較厚,未見基巖出露。出口處山體坡度大,以45°～50°為主,局部陡峭,山坡覆蓋層松散,穩(wěn)定性較差。

2 地層巖性

2.1 輸水隧洞進(jìn)口地層巖性

隧洞進(jìn)口處地層主要為殘積層(Qel)及泥盆系上統(tǒng)天子嶺組(D3t)粉砂巖、石英砂巖,粉砂巖與石英砂巖推測(cè)為平行不整合接觸,接觸面處構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,斷層發(fā)育,導(dǎo)致上部粉砂巖破碎完整性差、下部石英砂巖完整性較好。圖1為輸水隧洞0+000～0+600段地質(zhì)縱剖面圖。具體巖性特征如下：

1)殘積層(Qel)：主要為砂質(zhì)粘土組成,淺黃色,可塑～硬塑狀,含水量較低,含少量的碎石,碎石粒徑以1～3 cm為主,成份主要為粉砂巖,松散～稍密狀,頂部夾植物根莖。該層分布厚度為1～4.10 m,層底高程為280.90～300 m,該層分布范圍廣泛,山坡及坡腳附近均有分布,厚度變化稍大。

2)泥盆系上統(tǒng)天子嶺組(D3t)粉砂巖、石英砂巖,根據(jù)風(fēng)化程度細(xì)分為全風(fēng)化帶(Ⅴ)、強(qiáng)風(fēng)化帶(Ⅳ)、弱風(fēng)化帶(Ⅲ),局部夾斷層破碎帶,具體巖性特征如下：

①全風(fēng)化帶(Ⅴ)：主要為全風(fēng)化粉砂巖,灰色,層狀構(gòu)造,巖芯風(fēng)化完全,原巖結(jié)構(gòu)清晰可辨,巖芯風(fēng)化呈砂質(zhì)粘土狀,手捏易散,遇水變軟,局部夾大量的強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖碎塊,塊徑主要為2～3 cm,錘擊易碎。隧洞進(jìn)口附近全風(fēng)化粉砂巖層厚約為2.90～3.20 m,層底高程為278～296.80 m,該層分布廣泛連續(xù)。

②強(qiáng)風(fēng)化帶(Ⅳ)：主要為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖,局部夾頁(yè)巖,灰色、灰黑色,層狀構(gòu)造,泥質(zhì)膠結(jié),膠結(jié)致密,節(jié)理裂隙發(fā)育,裂面多見泥質(zhì)及黑色物質(zhì),裂面傾角較陡,以45°～60°為主,局部近直立,受褶皺構(gòu)造影響,巖芯主要為碎塊狀,夾少量短柱狀,巖質(zhì)較軟,擊聲較啞,巖芯采取率較低。隧洞進(jìn)口附近強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖層厚約為4.90～7.60 m,層底高程為257.50～301.00 m,該層分布廣泛連續(xù)。

③弱風(fēng)化帶(Ⅲ)：主要為弱風(fēng)化石英砂巖,灰色、灰黑色,中厚層狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙較發(fā)育,傾角較陡,顆粒礦物主要為石英,膠結(jié)致密,巖質(zhì)較硬,擊聲脆,巖芯以短柱狀為主,節(jié)長(zhǎng)以5～10 cm為主,最大節(jié)長(zhǎng)約30 cm,巖芯采取率較高,RQD=20%～40%,透水率q=3.06～5.36Lu,具弱透水性。揭露厚度為12.70～20.80 m,層底高程為244.80～296.50 m。

④斷層破碎帶：鉆孔揭露厚度為8.70 m,層頂高程為271.10 m,層底高程為262.40 m,該斷層巖性組成復(fù)雜,受構(gòu)造及褶皺影響,斷層從上到下主要組成有碎裂石英巖、硅化變質(zhì)石英砂巖、黃鐵礦化糜棱巖、變質(zhì)石英砂巖、斷層角礫巖。鉆孔位置處斷層底部距離輸水隧洞頂板距離約為6 m,斷層穿過隧洞位置距離隧洞進(jìn)口150～160 m。對(duì)輸水隧洞穩(wěn)定存在不利影響。

圖1 輸水隧洞0+000～0+600段地質(zhì)縱剖面示意

2.2 輸水隧洞出口地層巖性

隧洞出口處地層主要為殘積層(Qel)及泥盆系上統(tǒng)帽子峰組(D3m)全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖。圖2為輸水隧洞1+000～1+312段地質(zhì)縱剖面圖。具體巖性特征如下：

①殘積層(Qel)：主要為砂質(zhì)粘土組成,淺黃色,可塑-硬塑狀,含水量較低,中下部含大量的碎石土,碎石含量約占50～80%,粒徑小,成份主要為砂巖、粉砂巖,頂部夾植物根莖。揭露厚度為5.60 m,層底高程為254.40 m,該層分布廣泛。

全風(fēng)化粉砂巖(Ⅴ)：雜色,灰色為主,層狀構(gòu)造,巖芯風(fēng)化完全,原巖結(jié)構(gòu)可辨,巖芯呈砂質(zhì)粘土狀,砂質(zhì)含量約10～15%,局部夾強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)或石英砂質(zhì)的碎塊,塊徑主要為2～5 cm。揭露層厚為10 m,層底高程為244.40 m。隧洞出口主要位于全風(fēng)化粉砂巖地層。

強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖(Ⅳ)：局部夾頁(yè)巖,灰色,層狀構(gòu)造,泥質(zhì)膠結(jié),膠結(jié)致密,節(jié)理裂隙發(fā)育,裂面多見泥質(zhì)及黑色物質(zhì),裂面傾角較陡,巖芯主要為碎塊狀,塊徑以2～5 cm為主,最大9 cm,巖質(zhì)較軟,擊聲較啞,巖芯采取率較低。層厚為2.20 m,揭露層底高程為242.20 m。

圖2 輸水隧洞1+000～1+312段地質(zhì)縱剖面示意

3 地質(zhì)構(gòu)造

3.1 褶皺

輸水隧洞位于泥盆系上統(tǒng)帽子峰組和天子嶺組地層所組成的新豐～馬頭向斜中次一級(jí)背斜構(gòu)造,背斜核部為下古生界,兩翼為泥盆系地層,次一級(jí)背斜軸部位于隧洞左側(cè),軸走向與隧洞近乎平行,約為NW344°,軸面傾向NE,隧洞進(jìn)口附近出露基巖的巖層產(chǎn)狀為NW318°/NE∠35°,反坡向,次一級(jí)背斜兩翼二次褶皺發(fā)育。巖層走向與隧洞軸線交角為26°,對(duì)隧洞穩(wěn)定不利。

3.2 斷層與節(jié)理

新豐～馬頭推測(cè)斷裂(F1)走向約NE60°沿新豐江方向延伸,長(zhǎng)度約10 km,位于新豐～馬頭向斜核部,與向斜軸面近平行,與隧洞軸向延線成68°交角,距離輸水隧洞進(jìn)出口依次約3.9 km和2.8 km,該推測(cè)斷層對(duì)隧洞影響不大。

據(jù)地質(zhì)測(cè)繪,輸水隧洞除了層面裂隙發(fā)育外,共發(fā)現(xiàn)4組節(jié)理,分別描述如下：

第一組為走向NE5°～15°的節(jié)理比較發(fā)育,5～10條/m,傾向NW為主,局部?jī)A向SE,傾角為50°～80°,節(jié)理縫寬為0.1 ～1 cm為主,局部呈閉合狀,延伸較短,裂面較平直,有泥質(zhì)充填,受褶皺影響,局部可見擦痕。與隧洞軸線交角為21°～31°。

第二組為走向NW320°～345°的節(jié)理比較發(fā)育,大致與褶皺軸面同向,近似平行于隧洞軸向,傾向NE或SW,傾角為55°～75°,4～7條/m,見泥質(zhì)充填。與隧洞軸線交角為0～22°。

第三組節(jié)理走向?yàn)镹W275°～310°,傾向SW或NE,傾角為75°～85°,局部近直立,較發(fā)育,分布密度為3～6條/m,局部密集,裂面寬度為0.2～2 cm為主,裂面較平直,延伸較短,見泥質(zhì)充填。與隧洞軸線交角為34°～69°。

4 水文地質(zhì)條件

輸水隧洞沿線地下水為基巖裂隙水,主要分布于埋藏于基巖風(fēng)化帶裂隙和斷層破碎帶中,地下水主要受大氣降水及地表溝水補(bǔ)給,向坡腳水庫(kù)及河谷排泄；巖體的透水性隨深度的加深、風(fēng)化程度的減輕而降低。地表植被良好,局部溝谷底部見流量較小的泉水流出。

5 物理力學(xué)指標(biāo)及建議參數(shù)

取巖樣5組進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),巖石試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表見表1,根據(jù)室內(nèi)外試驗(yàn),并參考類似工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合考慮,引水隧洞圍巖物理力學(xué)指標(biāo)建議值見表2。

6 輸水隧洞圍巖分類及評(píng)價(jià)

6.1 圍巖地質(zhì)分類方法[2]

根據(jù)《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(SL 55—2005)中附錄A的規(guī)定,從巖石的軟硬、風(fēng)化狀況、裂隙發(fā)育程度、地下水等因素,參照表3進(jìn)行圍巖工程地質(zhì)分類。洞軸線與巖層走向夾角為26°,對(duì)穩(wěn)定是不利的。

殘積層、全風(fēng)化粉砂巖為松散結(jié)構(gòu),圍巖類別為Ⅴ類。

強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖巖石的強(qiáng)度變化較大,取芯率低,RQD=0～20%,巖體破碎,透水性強(qiáng),完整性差,圍巖類別為為Ⅴ類。

弱風(fēng)化石英砂巖,巖石強(qiáng)度較大,取芯率較高,巖芯完整,RQD=20%～40%,透水性弱,在洞頂有3倍洞徑以上弱風(fēng)化巖時(shí),圍巖類別為Ⅲ類,在小于3倍洞徑大于1倍洞徑弱風(fēng)化巖時(shí),圍巖類別為Ⅳ類,在小于1倍洞徑弱風(fēng)化時(shí),圍巖類別為Ⅴ類。

構(gòu)造帶,巖體破碎,取芯率低,強(qiáng)度低,透水性強(qiáng),圍巖類別為Ⅴ類。

表1 巖石試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

表2 引水隧洞圍巖物理力學(xué)指標(biāo)建議值

表3 隧洞圍巖工程地質(zhì)分類

6.2 F0+000～F0+170 m

輸水隧洞進(jìn)口段位于NW向小丘陵上,山頂高程約為311 m,隧洞軸向NW344°,隧洞進(jìn)口中心線高程約為256 m,底板高程約為255.10 m,頂板高程約為256.90 m。隧洞軸線順山脊方向水上地形坡度為35°～45°,水下地形坡度為45°～55°,在庫(kù)水位變動(dòng)帶附近,地形受沖刷影響變陡。

隧洞進(jìn)口處邊坡較陡,地表巖土層主要為殘積土及全風(fēng)化粉砂巖,抗沖刷能力弱,圍巖類別為Ⅴ類,開挖時(shí)需對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù),并論證邊坡穩(wěn)定性；根據(jù)鉆孔ZK1揭露資料,弱風(fēng)化石英砂巖分布高程為249.60～270.40 m,隧洞位于此段,且洞頂有3倍洞徑以上弱風(fēng)化巖,圍巖工程地質(zhì)條件有利,圍巖類別為Ⅲ類；根據(jù)鉆孔ZK2揭露資料,弱風(fēng)化石英砂巖分布高程為244.80～257.50 m,隧洞位處此段,但洞頂有小于3倍洞徑大于1倍洞徑弱風(fēng)化巖,圍巖類別為Ⅳ類。

綜上,輸水隧洞進(jìn)口段圍巖(F0+000～ F0+020),主要為殘積土及全風(fēng)化粉砂巖組成,邊坡較陡,透水性強(qiáng),圍巖極不穩(wěn)定,圍巖等級(jí)為Ⅴ類；輸水隧洞進(jìn)口段圍巖(F0+020～ F0+100),位于弱風(fēng)化石英砂巖地層,圍巖局部穩(wěn)定性差,圍巖類別為Ⅲ類；輸水隧洞進(jìn)口段圍巖(F0+100～ F0+170),洞頂有小于3倍洞徑大于1倍洞徑弱風(fēng)化石英砂巖,圍巖不穩(wěn)定,圍巖類別為Ⅳ類。

根據(jù)1∶200 000區(qū)域地質(zhì)資料,隧洞軸向與巖層走向交角為26°,對(duì)隧洞穩(wěn)定不利,建議加強(qiáng)支護(hù)。

6.3 F0+170～F1+150 m

輸水隧洞軸線與老虎井山脊線呈35°斜交,逐漸偏向齋公坑正N向的山間沖溝,隧洞沿線山體高程為290 ～474.20 m,隧洞底板高程約為255.1 ～248.5 m,洞頂埋深約為40～220 m,山體較厚。在樁號(hào)F1+062附近發(fā)育一條沖溝,并有小股山水流出,此處洞頂埋深約為40～50 m。根據(jù)1∶200 000區(qū)域地質(zhì)資料,該段洞身圍巖為泥盆系的弱風(fēng)化粉砂巖和石英砂巖,巖層產(chǎn)狀為NW318°/NE∠35°,洞身軸線走向NW344°,兩者交角為26°,對(duì)圍巖穩(wěn)定不利。本段圍巖類別為Ⅲ類。

6.4 F1+150 m～F1+312 m

該段為隧洞出口段,位于山腳處,隧洞出口中心線高程約為249.40 m,出口底板高程約為248.50 m,出口附近地面高程約為240～290 m,出口處沖谷底高程約為230 m,地形坡度較陡,以45°～50°為主。據(jù)鉆孔ZK3揭露資料,全風(fēng)化粉砂巖層厚約為10 m,分布高程為244.40～254.40 m,頂部覆蓋為厚約5.60 m的殘積砂質(zhì)粘土及碎石土。隧洞圍巖(F1+180～F1+312)均為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化及殘積土地層,土體結(jié)構(gòu)松散,強(qiáng)度低,透水性強(qiáng),圍巖極不穩(wěn)定,圍巖分類為Ⅴ類,地質(zhì)條件差,建議采用超前支護(hù)及全斷面襯護(hù)。隧洞圍巖(F1+150～ F1+180)為弱風(fēng)化粉砂巖,洞頂弱風(fēng)化巖的厚度小于3倍洞徑大于1倍洞徑,圍巖不穩(wěn)定,工程地質(zhì)條件較差,圍巖類別為Ⅳ類。

建議隧洞出口選在全風(fēng)化帶及殘積土層厚度較薄、邊坡坡度較緩的位置。出口邊坡為全風(fēng)化粉砂巖及殘積土層,建議出口邊坡開挖坡率取1∶1.5～1∶1.75,邊坡高度大于10 m時(shí)需分級(jí)放坡,并做好護(hù)坡措施[4-5]。

隧洞圍巖分類統(tǒng)計(jì)表見表4。

表4 隧洞圍巖分類統(tǒng)計(jì)

7 結(jié)語(yǔ)

樁號(hào)F0+000～F0+020、F1+180～F1+312段隧洞圍巖主要為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化及殘積土地層,土體結(jié)構(gòu)松散,強(qiáng)度低,節(jié)理裂隙發(fā)育,透水性強(qiáng),地下水活動(dòng)中等～強(qiáng)烈,圍巖極不穩(wěn)定,圍巖分類為Ⅴ類,地質(zhì)條件差,建議采用超前支護(hù)及全斷面襯護(hù),占隧洞總長(zhǎng)約11.6%。

樁號(hào)F0+100～F0+170、F1+150～F1+180段隧洞洞頂有小于3倍洞徑大于1倍洞徑弱風(fēng)化石英砂巖及粉砂巖,圍巖不穩(wěn)定,巖質(zhì)較軟,地下水活動(dòng)稍強(qiáng),節(jié)理裂隙較發(fā)育,圍巖類別為Ⅳ類,開挖后需及時(shí)支護(hù),噴錨掛網(wǎng),必要時(shí)可全部襯砌或鋼拱架,需注意施工期安全,占隧洞總長(zhǎng)約7.6%。

樁號(hào)F0+020～F0+100、F0+170～F1+150段隧洞圍巖為弱風(fēng)化粉砂巖和石英砂巖,圍巖局部穩(wěn)定性差,圍巖類別為Ⅲ類,噴混凝土或噴錨支護(hù),拱頂系統(tǒng)錨桿,占隧洞總長(zhǎng)約80.8%。隧洞軸向與巖層走向交角為26°,對(duì)隧洞穩(wěn)定不利,建議加強(qiáng)支護(hù)。

本文對(duì)復(fù)雜條件下粉砂巖及石英砂巖地區(qū)隧洞圍巖進(jìn)行地質(zhì)分類與評(píng)價(jià),提出防護(hù)措施,為同類工程實(shí)踐提供了些許借鑒作用。

[1] 水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范：GB 50487—2008[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2009．

[2] 中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范：SL 55—2005[S].北京：中國(guó)水利水電出版社,2005．

[3] 水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)：SL 252—2000[S].北京：中國(guó)水利水電出版社,2000．

[4] 《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007．

[5] 楊連生.水利水電工程地質(zhì)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2004．

(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

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,碩士,工程師,主要從事水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)與設(shè)計(jì)工作。

TV672+.1；P642

B

1008-0112(2016)08-0046-06