靈石中部引黃供水線路分水洞工程地質(zhì)調(diào)查

王鴻燕

（靈石縣水務(wù)局，山西 靈石 031300）

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

靈石縣地處太原盆地與臨汾盆地之間的隆起帶，全縣呈東西高，中間低的寬緩槽形地形，區(qū)內(nèi)地形起伏大，高低懸殊，全縣最高處為東部的霍山區(qū)牛角鞍，高程為2 566.6 m，最低為南關(guān)石橋村靈石汾河出口處，高程為580 m。

靈石縣地貌按成因及形態(tài)可劃分為溶蝕高中山，剝蝕侵蝕低山、黃土臺(tái)塬及山間河谷區(qū)。靈石縣全境屬黃河流域汾河水系，汾河發(fā)源于寧武縣管涔山麓，穿越太原盆地，從介休白岸和靈石境內(nèi)的桑平峪之間入境，流經(jīng)兩渡、翠峰、夏門、南關(guān)四鎮(zhèn)，由南關(guān)石橋村流向霍州市，在河津市西南匯入黃河。汾河是區(qū)內(nèi)最大河流，從中部縱貫?zāi)媳?，境?nèi)主要支流有靜昇河、仁義河、交口河和段純河，其中右岸主要支流為交口河和段純河，左岸支流為靜昇河和仁義河。

1.2 地層巖性

本區(qū)出露的地層由老到新有：太古界太岳山群柏楊河組（ATb）和石膏山組（ATs）；元古界長(zhǎng)城系（Zch）；古生界寒武系（∈）、奧陶系（O）、石炭系（C）、二疊系（P）；新生界上第三系（N），第四系中更新統(tǒng)（Q2）、上更新統(tǒng)（Q3）、全新統(tǒng)（Q4）及人工堆積（Qs）。

1.3 供水線路工程地質(zhì)

靈石中部引黃縣域小水網(wǎng)供水工程，供水起點(diǎn)在中部引黃交汾靈支線樁號(hào)38+920處。供水線路自交汾靈隧洞至前進(jìn)水庫(kù)后，沿著段純河往下游至段純河和汾河交會(huì)處，自交會(huì)處再往下至南關(guān)鎮(zhèn)和仁義河上游逍遙村受水點(diǎn)的線路走向，根據(jù)地形自交會(huì)處沿著汾河右岸向下游鋪設(shè)管道，至南關(guān)鎮(zhèn)后跨過(guò)汾河至左岸，在左岸沿著仁義河向上游至逍遙村東方鋁業(yè)集團(tuán)。

2 分水洞工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

分水洞從中部引黃交汾靈支線樁號(hào)38+920處，至前進(jìn)水庫(kù)西側(cè)棗園溝右岸，總長(zhǎng)5 810 m，洞口斷面為城門洞型，洞高3.04 m，洞底高程928.026 m。其后接680 m漿砌石渠道至前進(jìn)水庫(kù)。該段為剝蝕侵蝕低山區(qū)，走向N73°E，沿線地形起伏較大，地面高程932～1 230 m，沿線較大的沖溝有棗園溝及其支溝。

2.2 地層巖性

隧洞沿線發(fā)育的地層從老到新有：奧陶系中統(tǒng)峰峰組灰?guī)r、白云質(zhì)泥灰?guī)r、泥灰?guī)r；石炭系中統(tǒng)本溪組砂質(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖夾薄煤層、鋁土巖、硫鐵礦；石炭系上統(tǒng)太原組、山西組泥巖、頁(yè)巖夾砂巖、煤層、石灰?guī)r；第四系中更新統(tǒng)洪積淺紅、淺黃色低液限粘土夾古土壤；第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積淡黃色低液限粉土；第四系全新統(tǒng)洪沖積低液限粘土、卵石混合土層。

2.2.1 沿線鉆孔巖芯采取率及RQD

沿線共布置了2個(gè)鉆孔，鉆孔巖芯采取率及RQD統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

2.2.2 沿線鉆孔聲波測(cè)試成果

沿線1個(gè)鉆孔（ZK17-2）進(jìn)行了鉆孔聲波測(cè)試，鉆孔聲波測(cè)試成果見表2。

2.2.3 隧洞圍巖巖石物理力學(xué)指標(biāo)

隧洞圍巖主要為奧陶系中統(tǒng)峰峰組灰?guī)r、泥灰?guī)r，據(jù)工程沿線鉆孔取樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，隧洞圍巖巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果見表3。奧陶系中統(tǒng)峰峰組灰?guī)r的有關(guān)性質(zhì)指標(biāo)如下：其顆粒密度平均值2.70 g/cm3，天然密度平均值為2.67 g/cm3，烘干密度平均值為2.65 g/cm3，飽和密度平均值為2.68 g/cm3；吸水率0.96%，飽和吸水率1.24%；單軸飽和抗壓強(qiáng)度2.3～45.7 MPa，平均值27.5 MPa，屬較軟巖；軟化系數(shù)0.64，泊松比0.29，飽和變形模量3.71×104MPa；飽和抗剪斷強(qiáng)度的凝聚力C為2.95 MPa，內(nèi)摩擦角Φ為47.4°。

表1 分水鉆孔巖芯采取率及RQD值統(tǒng)計(jì)表 單位：%

表2 ZK17-2鉆孔（樁號(hào)4+241）聲波測(cè)試成果統(tǒng)計(jì)表

表3 隧洞圍巖巖石物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

隧洞圍巖在鉆進(jìn)過(guò)程中較為破碎，灰?guī)r、泥灰?guī)r滲透系數(shù)為7.8×10-5～8.7×10-4cm/s，平均值2.0×10-4cm/s，大值平均值7.6×10-4cm/s，具弱～中等透水性。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧洞沿線無(wú)明顯斷層等地質(zhì)構(gòu)造，巖體巖層產(chǎn)狀N20°E/SE∠5°，主要發(fā)育兩組節(jié)理裂隙，巖體中主要發(fā)育兩組節(jié)理裂隙，其產(chǎn)狀分別為：①N12°～36°E/NW∠82°～89°，一般張開2～6 mm，無(wú)充填，隙面起伏粗糙，延伸遠(yuǎn)；②N66°～80°E/SE∠81°～86°，一般張開3～10mm，無(wú)充填或少量泥質(zhì)充填，隙面平直光滑。

2.4 水文地質(zhì)

沿線地下水主要為碳酸鹽巖類裂隙水、碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙水和松散巖類孔隙水。

碳酸鹽巖類裂隙水主要賦存于奧陶系灰?guī)r裂隙或溶隙中，泥灰?guī)r為相對(duì)隔水層。主要靠大氣降水入滲和松散巖類孔隙水補(bǔ)給，由高處向低洼地帶徑流或越流排泄。

碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙水，主要賦存于石炭系砂巖、灰?guī)r裂隙或溶隙中，泥灰?guī)r、頁(yè)巖、泥巖及煤層為相對(duì)隔水層。主要靠大氣降水入滲和松散巖類孔隙水補(bǔ)給，由高處向低洼地帶徑流或越流排泄。

松散巖類孔隙水主要賦存于第四系洪沖積卵石混合土、級(jí)配不良砂中，主要接受大氣降水及地表水的入滲補(bǔ)給和山區(qū)基巖裂隙水側(cè)向徑流補(bǔ)給，地下水也向河谷低凹地帶徑流、排泄。

于隧洞沿線鉆孔ZK17-1中取地下水樣1組，水化學(xué)類型為SO4-HCO3-Mg-Ca型。依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487-2008）附錄L環(huán)境水腐蝕判定標(biāo)準(zhǔn)，地下水對(duì)混凝土具中等腐蝕性，水中Cl－（含硫酸鹽折算后）含量為144.57 mg/L，介于100～500 mg/L之間，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋為弱腐蝕性；PH值為7.29，介于3～11之間，（Cl－＋SO42-）含量為507.06 mg/L，大于500 mg/L，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。

2.5 物理地質(zhì)現(xiàn)象

隧洞沿線主要物理地質(zhì)現(xiàn)象為基巖風(fēng)化、巖溶。工程區(qū)內(nèi)基巖強(qiáng)風(fēng)化帶厚，一般為5 m左右。巖溶發(fā)育于碳酸鹽巖地層中，形態(tài)主要以溶蝕裂隙為主，伴有溶溝、溶槽、溶孔等，可見少量溶洞，在節(jié)理密集帶及軟弱層間撓曲等處巖溶較發(fā)育，充填或半充填棕黃色含碎石粘土、低液限粘土等。巖溶發(fā)育程度較強(qiáng)烈的地層為奧陶系中統(tǒng)峰峰組地層。

此外，鉆孔ZK17-1（樁號(hào)D2+450）深度60.6～63.3 m，有厚2.7 m的采空區(qū)未充水，位于隧洞上部約180 m，高程約1 114 m；鉆孔ZK17-2（樁號(hào)D4+230），深度25.4～27.3 m有厚1.9 m的采空區(qū)未充水，位于隧洞上部約67 m，高程約1 000 m，因距洞頂60 m以上，故推測(cè)該段采空區(qū)對(duì)隧洞影響不大。

3 分水洞工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

該隧洞及渠道段全長(zhǎng)6.49 km。

3.1 樁號(hào)D0+000～D5+350地段

地面高程1 025～1 230 m，洞底埋深97～202 m。圍巖巖性為奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）灰?guī)r、泥灰?guī)r。巖層產(chǎn)狀N20°E/SE∠5°。地下水位高程914.4～989.6 m，自隧洞進(jìn)口向下游水位漸低。

其中樁號(hào)D0+000～D4+533.5段地下水位高于洞底，隧洞開挖過(guò)程中存在涌水問題；樁號(hào)D4+533.5～D5+350段地下水位低于洞底。根據(jù)鉆孔注水試驗(yàn)結(jié)果，灰?guī)r、泥灰?guī)r滲透系數(shù)為0.66 m/d。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧洞涌水量一直是國(guó)內(nèi)外隧道勘察的難點(diǎn)之一，目前尚無(wú)成熟的方法。根據(jù)隧洞沿線水文地質(zhì)條件，采用以下公式對(duì)可能受地下水影響洞段涌水量進(jìn)行估算。

潛水非完整式水平坑道公式：

式中：Q——預(yù)測(cè)涌水量，m3/d；

B——隧洞通過(guò)含水體的長(zhǎng)度，m；

K——含水體滲透系數(shù)，m/d；

R1、R2——補(bǔ)給方向和排泄方向影響寬度，m；

H1、H2——對(duì)應(yīng)R1、R2隧洞處水頭，m；

b——隧洞寬度，m；

S——平均降深，m；

T——隧洞底至隔水底板距離，m。

根據(jù)場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件，假設(shè)H1=H2=H，R1=R2，則上式簡(jiǎn)化為：

表4 D0+000～D4+533.5隧洞段涌水量Q估算表

由表4可知，隧洞段涌水量約為11 547.1 m3/d。建議隧洞開挖時(shí)采用分段施工方式并采取合理排水措施，并加強(qiáng)圍巖監(jiān)測(cè)工作。

灰?guī)r為硬質(zhì)巖，巖體較完整，泥灰?guī)r為軟～較軟巖。經(jīng)綜合判定，其中Ⅲ類圍巖約占該段的60%，建議其圍巖單位彈性抗力系數(shù)500～1 000 MPa/m，堅(jiān)固系數(shù)3～4，泊松比0.26～0.29，變形模量5～7.5 GPa，圍巖局部穩(wěn)定性差，不及時(shí)支護(hù)可能產(chǎn)生塌方或變形破壞，建議噴混凝土、系統(tǒng)錨桿加鋼筋網(wǎng)支護(hù)。Ⅳ類圍巖約占該段的20%，建議圍巖單位彈性抗力系數(shù)300～500 MPa/m，堅(jiān)固系數(shù)2～3，泊松比0.29～0.32，變形模量2～5 GPa。圍巖不穩(wěn)定，自穩(wěn)時(shí)間很短，規(guī)模較大的各種變形和破壞都可能發(fā)生，建議噴混凝土、系統(tǒng)錨桿加鋼筋網(wǎng)，剛性支護(hù)，并澆筑混凝土襯砌。Ⅴ類圍巖約占該段的20%，建議圍巖單位彈性抗力系數(shù)50～100 MPa/m，堅(jiān)固系數(shù)0.5～1，泊松比0.35～0.45，變形模量0.05～0.5 GPa。圍巖極不穩(wěn)定，不能自穩(wěn)，變形破壞嚴(yán)重，建議噴混凝土、系統(tǒng)錨桿加鋼筋網(wǎng)，剛性支護(hù)，并澆筑混凝土襯砌。部分洞段存在涌水、突水可能性。局部巖溶可能較發(fā)育，可能遇溶洞。

其中樁號(hào)D2+450地段洞頂上部約180 m處有厚2.7 m的采空區(qū)，樁號(hào)D4+230地段洞底上部約67 m處有厚1.9 m的采空區(qū)，因距洞頂60 m以上，故推測(cè)該段采空區(qū)對(duì)隧洞影響不大。樁號(hào)D4+230～D5+350地段，因煤系地層下傾，分布高程降低，洞頂?shù)绞肯堤M煤系地層厚度變小，盡管該段目前尚無(wú)煤礦分布或規(guī)劃，但也不能完全排除因私采而形成采空區(qū)的可能。施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)，并采取相應(yīng)的工程措施，防止突水、突泥及有害氣體的危害。

隧洞進(jìn)出口地層巖性均為奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）灰?guī)r、泥灰?guī)r。地基承載力地質(zhì)建議值200～300kPa；建議基坑臨時(shí)開挖邊坡1∶0.3～1∶0.5。進(jìn)口段地下水位于洞頂以上，隧洞開挖過(guò)程中存在涌水問題。

3.2 樁號(hào)D5+350～D5+810地段

地面高程932～1 050 m，洞底埋深0～122 m。圍巖巖性為石炭系本溪組（C2b）砂頁(yè)巖、灰?guī)r、硫鐵礦、鋁土巖。巖層產(chǎn)狀N20°E/SE∠5°。該洞段地下水，位于洞底以下。

該洞段所穿砂頁(yè)巖、硫鐵礦、鋁土巖為較軟巖，圍巖不穩(wěn)定，受節(jié)理裂隙切割，巖體較破碎，完整性較差，圍巖工程地質(zhì)分類為Ⅳ類。建議圍巖單位彈性抗力系數(shù)300～500 MPa/m，堅(jiān)固系數(shù)2～3，泊松比0.29～0.32，變形模量2～5 GPa。圍巖不穩(wěn)定，自穩(wěn)時(shí)間很短，規(guī)模較大的各種變形和破壞都可能發(fā)生，建議噴混凝土、系統(tǒng)錨桿加鋼筋網(wǎng)，剛性支護(hù)，并澆筑混凝土襯砌。該段洞頂上部為煤系地層，不能完全排除因私采而形成采空區(qū)的可能。段內(nèi)存在煤層氣有害氣體。施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)，并采取相應(yīng)的工程措施，防止突水、突泥及有害氣體的危害。部分洞段存在涌水、突水可能，且煤層附近地下水對(duì)混凝土可能有腐蝕性。

另外，隧洞出口段圍巖及洞臉邊坡地層巖性，為石炭系本溪組鋁土巖、頁(yè)巖，圍巖極不穩(wěn)定，屬Ⅴ類圍巖。隧洞開挖時(shí)應(yīng)遵循“早進(jìn)洞，晚出洞”的原則，盡量減低開挖邊坡高度，在村莊附近不放大炮，以免對(duì)房屋等造成影響。

3.3 樁號(hào)D5+810～D6+489.95地段

該段為渠線，沿線地層為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4Pal）卵石混合土層、奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）灰?guī)r、泥灰?guī)r層。地下水位3.8～5.9m。渠基開挖底面多位于地下水位以上。

樁號(hào)D5+810～D5+909地段渠基置于奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）灰?guī)r、泥灰?guī)r層，樁號(hào)D5+909～D6+489.95地段渠基置于第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4Pal）卵石混合土層。地基承載力地質(zhì)建議值：灰?guī)r400～500 kPa，泥灰?guī)r200～300 kPa，卵石混合土為150～200 kPa。建議基坑臨時(shí)開挖邊坡：基巖1∶0.3～1∶0.5；卵石混合土水上1∶0.5～1∶0.75，水下1∶1～1∶1.5。

渠基存在因巖性不一或結(jié)構(gòu)密實(shí)程度不同而產(chǎn)生的不均勻變形問題，建議對(duì)渠基進(jìn)行夯實(shí)或碾壓處理。

4 結(jié)論

隧洞段洞線圍巖巖性為奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）灰?guī)r、泥灰?guī)r；石炭系本溪組（C2b）砂頁(yè)巖、灰?guī)r、硫鐵礦、鋁土巖。部分洞段存在涌水、突水可能。部分洞段洞頂上部為煤系地層，可能存在煤層氣有害氣體。施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)，并采取相應(yīng)的工程措施，防止突水、突泥及有害氣體的危害。

工程區(qū)內(nèi)天然混凝土粗、細(xì)骨料缺乏，建議外購(gòu)；對(duì)天然建筑材料進(jìn)一步勘察，完善各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)。建議進(jìn)一步查明分水洞的地層巖性分布、組成、物理力學(xué)特性。