中國(guó)長(zhǎng)距離調(diào)水工程地質(zhì)問(wèn)題綜述*

王志強(qiáng) 李廣誠(chéng)

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院， 北京 100120， 中國(guó))

0 引 言

作為一個(gè)歷史悠久的農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)人均水資源僅有世界人均水量的1/4，被列入13個(gè)主要貧水國(guó)的行列。

這有限的水資源在空間分布上極不均衡，主要表現(xiàn)在南北方的差異(圖 1)(慧聰水工業(yè)網(wǎng)， 2016)。北方人均水資源不到全國(guó)平均水平的35%，北方耕地面積畝均水資源僅為全國(guó)平均水平的26%。

圖 1 中國(guó)水資源分布圖Fig. 1 Water resources distribution in China

中國(guó)西北地區(qū)有占全國(guó)國(guó)土面積1/4的荒漠，而且現(xiàn)在還在以每年大約1個(gè)縣面積的速度繼續(xù)擴(kuò)張，而大規(guī)?；哪卫碇荒芤蕾囉诖笠?guī)模跨流域調(diào)水。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源的不足嚴(yán)重制約了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，缺水地區(qū)水荒嚴(yán)重，水資源供需矛盾日益加劇，水環(huán)境持續(xù)惡化。

在以上情況下，大型跨流域調(diào)水工程的實(shí)施就成為必然。這是實(shí)現(xiàn)我國(guó)水資源戰(zhàn)略布局調(diào)整、優(yōu)化水資源配置、解決中國(guó)南北方和某些局部地區(qū)缺水問(wèn)題的一項(xiàng)特大基礎(chǔ)措施，其對(duì)保證和促進(jìn)我國(guó)各地區(qū)統(tǒng)一協(xié)調(diào)地發(fā)展經(jīng)濟(jì)、改善環(huán)境和社會(huì)穩(wěn)定都具有十分重要的意義。

中國(guó)從20世紀(jì)80年代開始興建調(diào)水工程，但大規(guī)模的興建則是近10～20年的事。因此針對(duì)長(zhǎng)距離調(diào)水工程及其工程地質(zhì)問(wèn)題研究的較少。特別是由于地域的限制，大部分工程地質(zhì)技術(shù)人員都局限于某一具體工程的勘察設(shè)計(jì)或科學(xué)研究。從全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)中國(guó)調(diào)水工程的地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)的闡述本文應(yīng)屬首次。

1 中國(guó)長(zhǎng)距離調(diào)水工程概況

1.1 中國(guó)長(zhǎng)距離調(diào)水工程分布

中國(guó)長(zhǎng)距離調(diào)水工程分布見圖 2。從圖中可以看出以下特點(diǎn)：(1)本文所列的調(diào)水工程主要集中在中國(guó)的東中部，其他地區(qū)零散分布。(2)調(diào)水工程主要分布在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，也可以說(shuō)調(diào)水工程的興建是與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)的。

1.2 中國(guó)長(zhǎng)距離調(diào)水工程主要技術(shù)指標(biāo)

中國(guó)長(zhǎng)距離調(diào)水工程主要技術(shù)指標(biāo)見表 1。

2 中國(guó)長(zhǎng)距離調(diào)水工程地質(zhì)環(huán)境

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心編制的《中國(guó)地質(zhì)環(huán)境分區(qū)圖(1︰500萬(wàn))》(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心， 2017)將中國(guó)國(guó)土劃分為7個(gè)大區(qū)39個(gè)亞區(qū)，并給出了各區(qū)的地質(zhì)特征及存在的主要問(wèn)題。本文中所列出的20個(gè)長(zhǎng)距離調(diào)水工程在7個(gè)大區(qū)中均有分布，但以在Ⅱ區(qū)(黃淮海-長(zhǎng)三角平原地質(zhì)環(huán)境區(qū))、Ⅲ區(qū)(華南基巖低山丘陵地質(zhì)環(huán)境區(qū))和Ⅳ區(qū)(西北黃土高原地質(zhì)環(huán)境區(qū))相對(duì)密集。各工程所在地質(zhì)環(huán)境區(qū)域見圖 2，其地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)見表 2。

3 中國(guó)長(zhǎng)距離調(diào)水工程中的主要工程地質(zhì)問(wèn)題

長(zhǎng)距離調(diào)水工程跨過(guò)多個(gè)流域，其工程地質(zhì)條件和工程地質(zhì)問(wèn)題具有多樣性、復(fù)雜性的特點(diǎn)，且有些問(wèn)題是調(diào)水工程所特有的，如渠道穿越河道問(wèn)題等。中國(guó)西部的調(diào)水工程由于所處地理位置、氣候和大地構(gòu)造環(huán)境的特殊性，其工程地質(zhì)問(wèn)題更加復(fù)雜?，F(xiàn)將其中具有調(diào)水工程特色的工程地質(zhì)問(wèn)題分述如下(李廣誠(chéng)等， 2001； 李廣誠(chéng)， 2004； 陳奇等， 2002)。

3.1 復(fù)雜環(huán)境下的區(qū)域地質(zhì)問(wèn)題

長(zhǎng)距離調(diào)水工程距離長(zhǎng)遠(yuǎn)，跨越多個(gè)地質(zhì)地貌單元和區(qū)域構(gòu)造單元。如南水北調(diào)西線工程地處青藏高原構(gòu)造活動(dòng)區(qū)，地震烈度高，部分洞段將跨越多條區(qū)域性活動(dòng)斷層，對(duì)工程影響較大。

3.2 活動(dòng)性構(gòu)造中的洞室穩(wěn)定問(wèn)題

活動(dòng)性構(gòu)造對(duì)長(zhǎng)大隧洞的穩(wěn)定影響較大。為此在區(qū)域調(diào)查的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)行區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定分析，復(fù)核工程各區(qū)段的地震基本烈度，研究大地不均勻變形對(duì)隧洞安全穩(wěn)定的影響，對(duì)跨活動(dòng)性斷層的洞段應(yīng)進(jìn)行專門的穩(wěn)定分析并采取特殊的工程措施。

3.3 高地應(yīng)力與圍巖穩(wěn)定問(wèn)題

長(zhǎng)大隧洞一般埋深較大，地應(yīng)力較高。高地應(yīng)力下的洞室極易產(chǎn)生變形失穩(wěn)或發(fā)生巖爆。為此應(yīng)進(jìn)行專門的現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試和應(yīng)力場(chǎng)反演計(jì)算，分析研究高地應(yīng)力下的洞室穩(wěn)定性并選取合適的支護(hù)方式。

3.4 高壓水頭引起的洞室涌水問(wèn)題以及外水壓力對(duì)隧洞襯砌影響問(wèn)題

長(zhǎng)距離輸水隧洞埋深可達(dá)數(shù)百米甚至上千米，天然地下水位也遠(yuǎn)高于隧洞高程，此時(shí)隧洞具有較大的外水壓力。隧洞施工中在穿越破碎巖體時(shí)可能產(chǎn)生高壓涌水，隧洞支護(hù)也將承受巨大的外水壓力。為此應(yīng)進(jìn)行地下水位的監(jiān)測(cè)工作，結(jié)合巖體特征進(jìn)行地下水三維分析計(jì)算，評(píng)估外水壓力對(duì)洞室襯砌的影響。

3.5 洞內(nèi)碎屑流問(wèn)題

在高壓水頭的作用下，隧洞中的破碎巖體或斷層充填物可能會(huì)隨著地下水的突然涌出形成碎屑流。為此應(yīng)研究破碎巖體和大斷層帶的分布位置、物質(zhì)組成、水頭壓力等，分析評(píng)價(jià)其可能的失穩(wěn)條件。

3.6 高地溫問(wèn)題

地溫在地殼中隨著深度的加大而升高，新構(gòu)造活動(dòng)區(qū)局部也可能存在高地溫異常帶。巖體的性狀在高地溫的作用下可能會(huì)產(chǎn)生變化，從而出現(xiàn)新的工程地質(zhì)問(wèn)題或工程問(wèn)題。為此應(yīng)進(jìn)行區(qū)域地溫場(chǎng)調(diào)查，在現(xiàn)場(chǎng)鉆孔中不同深度進(jìn)行地溫測(cè)試，研究高地溫對(duì)工程地質(zhì)條件、對(duì)工程建筑物與工程施工的影響。

3.7 有害氣體問(wèn)題

長(zhǎng)距離調(diào)水工程所處地層復(fù)雜多變，某些巖體中可能存在有害氣體。有害氣體將危害施工人員的健康安全甚至工程安全。為此應(yīng)進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)環(huán)境調(diào)查，分析研究可能產(chǎn)生有害氣體的地層及地質(zhì)構(gòu)造，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行有害氣體的檢測(cè)和預(yù)防。

3.8 高邊坡穩(wěn)定問(wèn)題

邊坡穩(wěn)定是工程建設(shè)中最常見的工程地質(zhì)問(wèn)題。在長(zhǎng)距離調(diào)水工程中，渠道或其他地面建筑物不可避免地要穿越或座落在高山、峽谷、坡地、溝壑等地質(zhì)單元上，因此可能會(huì)出現(xiàn)開挖的高邊坡。即使在平原地區(qū)，當(dāng)渠道穿過(guò)溝谷或地勢(shì)低洼地段時(shí)，也可能會(huì)出現(xiàn)人工填筑高邊坡。這些就會(huì)產(chǎn)生高邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。

3.9 特殊巖土問(wèn)題

長(zhǎng)距離調(diào)水工程穿越多種地質(zhì)單元，不僅所遇的基巖巖性多種多樣，也會(huì)遇到各種各樣的特殊土。常見的有膨脹土、黃土、軟黏土、凍土等(張翔等， 2015)。

(1)膨脹土渠坡穩(wěn)定問(wèn)題。膨脹土遇水膨脹后強(qiáng)度降低，致使渠坡的穩(wěn)定性較差。南水北調(diào)中線總干渠在黃河以南地段強(qiáng)和中等膨脹土分布長(zhǎng)度約43ikm，黃河以北分布長(zhǎng)度77ikm。

(2)黃土類土的濕陷性問(wèn)題。南水北調(diào)中線工程和中國(guó)西北部的調(diào)水工程一般都會(huì)遇到黃土類土。黃土類土一般具弱濕陷性，部分具中等濕陷性，且均為非自重濕陷性。南水北調(diào)中線工程黃土類土渠坡累計(jì)長(zhǎng)度約245ikm。

(3)軟黏土問(wèn)題。南水北調(diào)中線工程和中國(guó)東部調(diào)水工程一般都會(huì)遇到軟黏土。軟黏土一般為第四系湖沼相或海相沉淤泥質(zhì)黏土，呈軟-流塑狀，抗剪強(qiáng)度低，影響渠坡穩(wěn)定，或產(chǎn)生較大的沉降。南水北調(diào)中線總干渠南陽(yáng)段軟黏土分布長(zhǎng)度約4ikm，天津干渠軟黏土累計(jì)分布長(zhǎng)度約15ikm。

(4)凍土問(wèn)題。分布在中國(guó)青藏高原、東北地區(qū)、西北地區(qū)的調(diào)水工程存在凍土問(wèn)題。凍土隨著季節(jié)溫度的變化，土體發(fā)生凍結(jié)或融化，其自身強(qiáng)度的變化、溫度的變化、土體應(yīng)力的變化及產(chǎn)生的形變等都可能對(duì)建筑物造成破壞。

3.10 過(guò)河隧洞或大型渡槽問(wèn)題

長(zhǎng)距離調(diào)水工程不可避免地要跨越其他河流，因而要興建穿河工程。穿河工程主要有兩種型式，一為地下隧洞，一為河上渡槽。兩種過(guò)河型式存在的工程地質(zhì)問(wèn)題主要有：建筑物的抗震穩(wěn)定、地基震動(dòng)液化、震陷、基礎(chǔ)沖刷、地基承載力、不均勻沉陷、岸邊坡穩(wěn)定、土洞穩(wěn)定等。不同的穿河型式對(duì)上述工程地質(zhì)問(wèn)題有所側(cè)重。

隧洞方案對(duì)地質(zhì)條件要求相對(duì)簡(jiǎn)單，其抗震性能好，震動(dòng)液化影響較小，震陷問(wèn)題較小，無(wú)基礎(chǔ)沖刷問(wèn)題，地基承載力要求相對(duì)較低，不均勻沉陷問(wèn)題相對(duì)小(荷載為線荷載，分布均勻，且小)，但存在隧洞涌水問(wèn)題、隧洞襯砌內(nèi)外水壓差問(wèn)題等。

渡槽方案對(duì)地質(zhì)條件要求相對(duì)較高，抗震性能相對(duì)較差(地震加速度的放大)，震動(dòng)液化問(wèn)題和震陷問(wèn)題相對(duì)較大。另有基礎(chǔ)沖刷問(wèn)題、不均勻沉陷問(wèn)題(荷載分布為點(diǎn)荷載，不均勻，且大)，地基承載力要求也相對(duì)較高。

3.11 礦區(qū)塌陷與滲漏問(wèn)題

長(zhǎng)距離調(diào)水工程在經(jīng)過(guò)礦區(qū)時(shí)除存在壓覆礦產(chǎn)問(wèn)題外，地下采空區(qū)也影響著調(diào)水工程的安全穩(wěn)定。采空區(qū)對(duì)調(diào)水工程的影響主要有地面塌陷、輸水工程滲漏。南水北調(diào)中線工程經(jīng)過(guò)河南省焦作煤礦區(qū)等處的采空區(qū)累計(jì)長(zhǎng)度15ikm，壓煤段累計(jì)長(zhǎng)度83ikm。

3.12 巖溶問(wèn)題

長(zhǎng)距離調(diào)水工程為線性工程，穿越多個(gè)地質(zhì)區(qū)域，所遇巖溶問(wèn)題也就更加復(fù)雜。巖溶可能導(dǎo)致引水工程出現(xiàn)滲漏、塌陷等問(wèn)題。在隧洞工程區(qū)，也會(huì)影響洞室的穩(wěn)定和工程運(yùn)行的安全(廖存剛等， 2017)。

4 長(zhǎng)距離調(diào)水工程勘察設(shè)計(jì)施工中應(yīng)注意的問(wèn)題

長(zhǎng)距離調(diào)水工程與一般水利工程有許多不同之處，其主要特點(diǎn)一是為線性工程，二是跨越多個(gè)地質(zhì)單元。因此在前期勘察過(guò)程中，有以下問(wèn)題需引起注意。

4.1 深埋長(zhǎng)隧洞的勘察

長(zhǎng)距離調(diào)水工程線路中很多是深埋長(zhǎng)隧洞，如南水北調(diào)西線工程、引漢濟(jì)渭工程等。南水北調(diào)西線工程中隧洞最大埋深可達(dá)3000im以上。此時(shí)鉆探不僅工作量大、費(fèi)用高、施工難度大，取得的地質(zhì)資料也十分有限。平洞勘探也具有相同的問(wèn)題。地面地質(zhì)測(cè)繪在做大深度地質(zhì)推測(cè)時(shí)其準(zhǔn)確度也大大降低。在這種情況下，航測(cè)技術(shù)、遙感技術(shù)、區(qū)域地質(zhì)分析法以及工程地質(zhì)技術(shù)人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)等就尤為重要(李廣誠(chéng)， 2002)。

4.2 初步勘察相對(duì)容易，詳細(xì)勘察難度大

僅僅從工程地質(zhì)的角度講，也許可以說(shuō)規(guī)劃階段的初步勘察相對(duì)容易，而到可行性研究階段、初步設(shè)計(jì)階段做詳細(xì)勘察時(shí)難度加大。前期階段的初步勘察精度較低，一般只收集一些區(qū)域地質(zhì)資料，結(jié)合一些簡(jiǎn)單的勘探工作就可以了。而在后期做詳細(xì)勘察時(shí)，需要針對(duì)建筑物的位置和特點(diǎn)做深入、細(xì)致、到位的勘探工作，其工作難度成倍增加(李廣誠(chéng)， 2002)。

4.3 勘察深度的把握

長(zhǎng)距離調(diào)水工程長(zhǎng)度動(dòng)輒數(shù)百公里，中間還夾有多個(gè)建筑物，諸如隧洞、渡槽、泵站等。如果以常規(guī)水利水電工程的勘察深度來(lái)要求長(zhǎng)距離調(diào)水工程，顯然是要求過(guò)高了。目前尚無(wú)長(zhǎng)距離調(diào)水工程專門的規(guī)程規(guī)范，對(duì)勘察深度沒有統(tǒng)一、明確的規(guī)定，在各調(diào)水工程中，各勘察設(shè)計(jì)單位都是自己把握，即使是審查單位也多是憑經(jīng)驗(yàn)、憑感覺。這樣就使各個(gè)調(diào)水工程的勘察深度把控不一，甚至出現(xiàn)越是工程規(guī)模大、線路長(zhǎng)，單位線路長(zhǎng)度內(nèi)所作的勘察工作越少的不合理現(xiàn)象。同時(shí)也難免遺漏某些工程地質(zhì)問(wèn)題或分析判斷不夠準(zhǔn)確。

4.4 工程施工時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

施工期地質(zhì)工作的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)能否根據(jù)較少的勘探資料和相關(guān)地質(zhì)資料，做出一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的地質(zhì)分析和判斷，為建筑物所在部位提供一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的工程地質(zhì)條件描述。

(2)在隧洞掘進(jìn)過(guò)程中，為減少工程施工事故并提供地質(zhì)技術(shù)支撐，做好工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)至關(guān)重要。

(3)由于長(zhǎng)距離調(diào)水工程規(guī)模巨大，一般采用現(xiàn)代化的機(jī)械化施工方法，此時(shí)能否及時(shí)收集資料，做好工程地質(zhì)編錄與描述，為工程設(shè)計(jì)、工程施工和工程運(yùn)行積累資料。

從工程管理和工程施工的角度來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)距離調(diào)水工程遇到的問(wèn)題還有：多支參建隊(duì)伍的協(xié)調(diào)管理問(wèn)題、移民搬遷與安置問(wèn)題、各種因素造成的阻工問(wèn)題等，此處不做贅述。

5 結(jié) 論

由于中國(guó)幅員遼闊，又存在區(qū)域性水資源分配不均的差異，這種差異包括中國(guó)南北方的差異，東西部的差異，發(fā)達(dá)地區(qū)與欠發(fā)達(dá)地區(qū)的差異，人口密集與人口稀疏地區(qū)的差異等等，興建調(diào)水工程包括長(zhǎng)距離調(diào)水工程是必然的，而且有數(shù)量越來(lái)越多、規(guī)模越來(lái)越大的發(fā)展趨勢(shì)。調(diào)水距離越長(zhǎng)，工程規(guī)模越大，所遇到的工程地質(zhì)問(wèn)題也就越復(fù)雜多樣，解決問(wèn)題的難度也就越大。因此，系統(tǒng)深入地研究調(diào)水工程地質(zhì)問(wèn)題也就越來(lái)越有重要的意義。