川西某引水隧洞工程多尺度地質(zhì)環(huán)境特征分析

戚紹禮 魏星燦 鐘志彬 劉宇罡 鄧榮貴

(1.中國水利水電第七工程局有限公司,成都 610213; 2.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司,成都 610072; 3.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,成都 610059; 4.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

我國西部山區(qū)地形地質(zhì)環(huán)境條件極其惡劣,新構(gòu)造運動活躍,尤其是四川盆地西部,歷經(jīng)印支、燕山和喜馬拉雅多期次構(gòu)造運[1],地形起伏劇烈,受多條活動斷裂構(gòu)造影響,區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力較高,地震頻發(fā),巖體結(jié)構(gòu)類型眾多,在該區(qū)開展隧道類工程建設(shè)面臨的巖體工程問題復(fù)雜[2-6]。而工程區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)環(huán)境特征的正確分析是后期制定有效工程對策的基礎(chǔ),徐健楠等[7]通過對普陀山長大深埋鐵路隧道區(qū)域水文資料及現(xiàn)場勘查,針對隧道不同段落的巖層與結(jié)構(gòu)特征,采用不同的方法組合進行涌水量預(yù)測,并提出施工措施建議。同時,川西地區(qū)又是我國水電資源的重要基地,是國家“西電東送”的重要組成部分,具有極其重要的戰(zhàn)略地位[8]。

川西地區(qū)水電站多為引水式發(fā)電,長大引水隧洞群成為水電站建設(shè)的關(guān)鍵,如錦屏二級水電站布置7條穿越錦屏山的隧洞群總長達120km,建設(shè)過程中易遭遇高地應(yīng)力、巖爆、高壓大流量突涌水等復(fù)雜工程難題[9],宋威等對其工程地質(zhì)環(huán)境特征進行了分析[10]。因此,開展此類引水隧洞工程前期工程地質(zhì)環(huán)境特征分析,是保證工程安全、高效建設(shè)的關(guān)鍵[10-11]。

以涼山州某在建水電站引水隧洞工程為背景,從不同尺度視角詳細分析隧址區(qū)域地質(zhì)環(huán)境特征,進而綜合分析區(qū)域構(gòu)造過程,揭示造成工程區(qū)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的內(nèi)在因素,以期為川西地區(qū)大量隧道類工程建設(shè)提供經(jīng)驗借鑒和技術(shù)參考。

1 工程概況

某水電站位于四川省木里縣境內(nèi),為低閘引水式發(fā)電站,主要由首部樞紐工程、引水及輸水工程、發(fā)電工程和施工臨時性工程組成。其中,首部樞紐工程包括擋水閘壩、引水閘首、泄洪孔門及排沙孔門等構(gòu)筑物與結(jié)構(gòu)物;引水及輸水工程包括輸水隧洞、調(diào)壓井、分水閘室及壓力鋼管隧洞和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)物;發(fā)電工程包括地面式發(fā)電廠房、尾調(diào)閘門、尾水渠道及防護構(gòu)筑物和相應(yīng)的構(gòu)筑物與結(jié)構(gòu)物。水庫正常蓄水位為2215m,相應(yīng)庫容48.4萬m3,調(diào)節(jié)庫容12萬m3,引水隧洞長約11.15km,利用落差129m,裝機容量172MW。

2 各尺度區(qū)域宏觀地質(zhì)環(huán)境特征與分析

主要從不同尺度視角,遵循從宏觀到局部的原則,分析各尺度地質(zhì)環(huán)境特征及其造成隧址區(qū)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)象的相關(guān)性,從而為針對性地開展圍巖支護設(shè)計和施工方案提供依據(jù)。尺度區(qū)域是指從全球板塊構(gòu)造的視角出發(fā),就隧址區(qū)周圍數(shù)千公里大尺度區(qū)域范圍、數(shù)百公里中尺度區(qū)域范圍和數(shù)十公里小尺度區(qū)域范圍的地質(zhì)構(gòu)造特征,系統(tǒng)分析工程區(qū)不同尺度層次下的地質(zhì)構(gòu)造動力來源,地質(zhì)構(gòu)造特征及其締造的隧址區(qū)復(fù)雜的工程地質(zhì)巖體力學(xué)環(huán)境和工程巖體結(jié)構(gòu)類型。

2.1 大尺度區(qū)域宏觀地質(zhì)環(huán)境特征與分析

數(shù)千公里尺度下,區(qū)域的宏觀地質(zhì)環(huán)境包括板塊構(gòu)造及其形成機理、過程,決定引水隧洞工程區(qū)地質(zhì)環(huán)境的總體格局。該引水隧洞位于四川西部橫斷山脈核心部位,平均海拔高程4000m以上的第一階梯青藏高原至平均海拔高程約1500m的第二階梯四川盆地過渡帶(實際上,四川盆地核心地區(qū)的平均海拔高程不足500m,屬于第三階梯的高程)。為從更廣域的角度來觀察水電站所在的地質(zhì)環(huán)境,根據(jù)地殼板塊構(gòu)造學(xué)原理,隧洞位于歐亞板塊東南凸起端根部西側(cè),南亞印度地殼板塊、青藏高原與準(zhǔn)揚子地臺之間的三角地帶。

水電站位于青藏高原凸起體的東南邊緣地帶。根據(jù)地殼板塊學(xué)說的觀點[12-13],青藏高原不屬于一個獨立的地殼板塊,而是在南亞印度板塊的強力推擠作用,太平洋板塊主動頂推作用(通過揚子地臺傳遞作用)和歐亞板塊的“剛性”約束作用下的受擠“上凸變形體”。青藏高原形成之初,主要產(chǎn)生褶曲變形,印度大陸板塊持續(xù)向歐亞大陸板塊之下俯沖和楔入,強烈的持續(xù)擠壓構(gòu)造作用,使該地區(qū)地層新生代以來產(chǎn)生多期強烈構(gòu)造變形,以早期深層次的韌性剪切構(gòu)造和晚期的脆性斷裂構(gòu)造為特征。隧址區(qū)位于歐亞大陸板塊的前緣,印度大陸于新生代初期主動與歐亞大陸擠壓碰撞,初期擠壓作用的整體方向為N5°～10°E,隨著地層變形破裂和接觸邊界的變化,后期擠壓的總體方向變?yōu)镹25°～35°E。印度大陸與歐亞大陸從初期碰撞至今的持續(xù)作用,宏觀上經(jīng)過了以下過程(見圖1)。

圖1 南北向兩大板塊及青藏高原地塊間相互關(guān)系示意

(1)歐亞大陸板塊南部邊緣附近產(chǎn)生褶曲變形,形成近EW向的背斜褶曲,同時產(chǎn)生北東及南西向的剪切節(jié)理,沿背斜核部發(fā)育彎張性裂隙和近南北向壓張性裂隙。

(2)隨著印度大陸持續(xù)強烈的擠壓,因受歐亞大陸主體和揚子板塊主體的強力約束,特別是鄰近呈NEE向展布的塔里木盆地和呈NNE向展布的四川盆地基底的強力約束,上述歐亞大陸南緣近東西向的褶曲強烈隆起,并開始朝近南倒轉(zhuǎn),超覆于印度大陸北部邊緣之上。

(3)印度大陸繼續(xù)強烈擠壓歐亞大陸,向歐亞大陸南緣背斜倒轉(zhuǎn)翼部產(chǎn)生俯沖和形成韌性剪切(剪切塑性大變形)構(gòu)造斷裂(縫合帶或結(jié)合帶)。此時除東端(緊鄰橫斷山區(qū))和西端(緊鄰克什米爾高原)外,歐亞大陸南緣與印度大陸北緣之間,在空間上的上、下關(guān)系基本形成。

(4)印度大陸持續(xù)北移,進一步向歐亞大陸之下俯沖和楔入,歐亞大陸南緣開始抬升,拉開了青藏高原形成與演化之旅。

(5)印度大陸長時間持續(xù)向歐亞大陸之下俯沖和楔入,歐亞大陸的抬升從其南緣逐漸向北部發(fā)展,至塔里木盆地東南緣、柴達木盆地西南緣和四川盆地西北邊緣。受三大盆地地殼基底特別是塔里木盆地地殼基底的強力阻擋,歐亞大陸南緣開始的抬升,印度大陸逐漸向東北方向發(fā)展,同時垂直向也不斷抬升,青藏高原的雛形逐漸顯現(xiàn)。

(6)青藏高原繼續(xù)抬升的同時,因受其強烈的“楔-頂-擠-壓”作用,以及在東、東北和西北側(cè)三大盆地的強力約束性阻擋作用下,其地殼物質(zhì)向四周產(chǎn)生“超覆”或“滿溢”,形成地形階梯,其中就包括大規(guī)模的龍門山超覆型孕震構(gòu)造帶。

雅魯藏布大峽谷區(qū)域的擠壓構(gòu)造更為強烈和復(fù)雜。該區(qū)域構(gòu)造分為兩個部分,其一是橫斷山區(qū)域,受印度大陸北緣“拱橋”推擠在東西向派生的強烈擠壓作用,形成了眾多近SN偏NW向的構(gòu)造山脊,在近SW向不到70km的距離內(nèi),出現(xiàn)了“三江并流”的奇觀;其二是雅魯藏布大峽谷區(qū)域,受印度大陸北緣“拱橋”推擠的強烈擠壓,產(chǎn)生北東向的強烈俯沖與楔入作用,使該區(qū)域出現(xiàn)了局部隆升式褶皺和彎張斷裂與剪切斷裂疊合現(xiàn)象,使該區(qū)域的構(gòu)造極為復(fù)雜。這就是印度洋板塊與歐亞板塊南部青藏高原南緣碰撞東構(gòu)造結(jié)區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境,引水隧洞位于該東構(gòu)造結(jié)的東側(cè)約505km,可見隧洞所處宏觀區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)環(huán)境極其復(fù)雜。

2.2 中尺度區(qū)域宏觀地質(zhì)環(huán)境特征與分析

工程所處的數(shù)百公里的中尺度區(qū)域大地構(gòu)造部位上,工程區(qū)位于“川滇菱形”斷塊的北西部,為次級斷塊“稻城斷塊”的東緣,該次級斷塊由理塘—德巫斷裂帶、麗江斷裂帶和金沙江斷裂帶所圍限。東鄰理塘—德巫斷裂帶的南延段(德巫—麥地龍)、八窩龍斷裂帶SW端,南鄰木里弧形斷裂帶西翼。區(qū)內(nèi)受次級斷塊“稻城斷塊”邊界斷裂帶的影響和控制,地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜,斷層、褶皺發(fā)育。

該引水隧洞位于橫斷山脈核心的最窄部位(見圖2),起點在大渡河谷石棉縣約850m高程,沿243.63°方向至緬甸河谷高程約780m的剖面通過水電站工程區(qū),橫斷山的寬度約460km(剖面長度),承受了前述印度洋板塊與歐亞板塊喜馬拉雅山楔入構(gòu)造的東構(gòu)造結(jié)的“犁入式”擠壓作用,以及揚子地臺西緣四川盆地地塊的強烈頂推約束作用,歷次強烈的構(gòu)造作用,形成了現(xiàn)今近南北向的構(gòu)造形跡,河流的急劇下切,塑造了當(dāng)今近南北向的河流和山脈,在直線距離約64km范圍內(nèi)出現(xiàn)了所謂“三江并流”奇觀,這點與大尺度宏觀構(gòu)造環(huán)境對應(yīng)。

圖2 隧址區(qū)中尺度橫斷山中部構(gòu)造概要平面

根據(jù)橫斷山區(qū)平面構(gòu)造特征勾畫的剖面構(gòu)造示意(見圖3),該引水隧洞工程位于四川省的西部,木里藏族自治縣境內(nèi),地處青藏高原橫斷山脈的東南部,地勢由北向南傾斜,為高山深切割區(qū),河流強烈侵蝕下切,屬高山峽谷地貌。山頂高程一般3500～4500m,相對高差達1500～2500m。表明引水隧洞在中尺度區(qū)域范圍內(nèi)構(gòu)造環(huán)境的復(fù)雜性。

圖3 隧址區(qū)橫斷山中部構(gòu)造概要剖面(A-A’)

2.3 小尺度區(qū)域地質(zhì)環(huán)境特征與分析

從該引水隧洞工程所處的數(shù)十公里小尺度區(qū)域來看,木里河由北向南流經(jīng)工程區(qū),河谷多呈不對稱“V”形,莫嘎拉吉溝—曼念吉岡溝約6km河段,右岸坡度較緩,左岸陡峭?？梢娪腥夒A地,其中Ⅰ、Ⅱ級階地較為發(fā)育,為堆積階地,Ⅲ級階地分布零星,為基座階地,僅局部地段殘留其部分,各階地撥河高度分別為2～5m、15～20m、60～80m。

工程區(qū)地層以區(qū)域性淺變質(zhì)地槽型沉積建造為主,巖漿活動微弱。地層區(qū)屬巴顏喀拉-秦嶺地層區(qū)中甸分區(qū)的木里小區(qū),區(qū)內(nèi)古生界、中生界除缺失侏羅系和白堊系外,其余各系均有沉積,但各系發(fā)育程度及其分布不一,以奧陶系、三疊系較發(fā)育,分布較廣。工程區(qū)地層巖性主要為奧陶系下統(tǒng)的變質(zhì)石英砂巖、板巖夾千板巖,志留系板巖、千板巖夾硅質(zhì)板巖、灰?guī)r,三疊系的上統(tǒng)曲嘎寺組中—厚層夾薄層狀灰?guī)r,少量石炭系灰?guī)r夾板巖[14]。地層間多以斷層和角度不整合接觸,少數(shù)為假整合接觸。區(qū)內(nèi)第四系地層分布較廣泛,主要分布于右岸緩坡地帶及河床、溝床,成因類型較復(fù)雜,厚度和結(jié)構(gòu)變化較大。工程區(qū)主要發(fā)育一系列NW向、NE向斷層,組成“棋盤格式”,NW向發(fā)育為主,NE向次之(見圖4)。

圖4 工程小尺度區(qū)域構(gòu)造

場區(qū)位于先鋒斷層(F1,NE向)、赤土斷層(F9,NW向)和機落斷層(F2,NW向)所組成的“小斷塊”內(nèi),發(fā)育有北西向的茸德斷層(F3)、基洼斷層(F4)、撒洼斷層(F5)、索根斷層(F6)及北東向的曼念吉岡斷層(F7)、布讓滿耶?dāng)鄬?F8)等,其中F4、F5、 F6、 F7橫(斜)切引水隧洞,典型斷層出露見圖5(a)。

工程區(qū)內(nèi)山高坡陡,物理地質(zhì)作用較為強烈,受地形地貌,地層巖性,地質(zhì)構(gòu)造控制,不同規(guī)模褶皺、揉皺現(xiàn)象明顯,造成巖體結(jié)構(gòu)破碎、產(chǎn)狀雜亂,見圖5(b),為風(fēng)化、卸荷與崩塌災(zāi)害發(fā)育。右岸以坡、殘積堆積和滑坡堆積為主,左岸以崩、坡積堆積為主,兩岸沖溝未見泥石流堆積。

圖5 隧址區(qū)典型構(gòu)造發(fā)育特征

水文地質(zhì)方面,區(qū)內(nèi)主要有第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水和基巖局部褶皺構(gòu)造虛脫空腔河岸陡峭山體強卸荷松弛“貫通性裂隙水”3種地下水類型。松散層孔隙水主要集中分布于河谷地帶,含水層為第四系堆積物,主要賦存于砂礫卵石層中,地下水的補給以大氣降雨和地表水為主,運移和排泄條件主要受地形地貌及河谷第四系的沉積特征控制,具有較大的差異性,一般為潛水。

受巖性及構(gòu)造控制,基巖裂隙水埋藏及補給、運移、排泄條件復(fù)雜,因節(jié)理卸荷作用松弛張開,以及軟弱巖體受擠壓揉皺強烈變形作用,含水裂隙(帶)之間水力聯(lián)系有的較差,而有的較好?！柏炌ㄐ粤严端敝饕x存于小型揉皺型褶皺構(gòu)造形成的虛脫空腔和沿陡傾構(gòu)造節(jié)理或小斷層卸荷松弛或張開的裂縫中,該類地下水補給受地形降雨匯集、巖性帶狀分布和空腔發(fā)育程度的影響。

小尺度區(qū)域工程地質(zhì)及水文地質(zhì)環(huán)境特征分析表明,場區(qū)受多條斷層切割控制,可見大量小規(guī)模揉皺現(xiàn)象,地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性復(fù)雜多變,隧洞開挖過程中將不可避免穿越斷層破碎帶、卸荷松弛帶等,易引發(fā)局部塌方、涌水等工程災(zāi)害。

3 工程場址區(qū)區(qū)域構(gòu)造過程初步分析

由圖4可知,工程區(qū)的褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造跡線主要是NW向和NE向,其中NW向褶皺較NE向褶皺發(fā)育,斷裂構(gòu)造兩個方向發(fā)育程度相當(dāng)。

根據(jù)場址區(qū)斷層及節(jié)理走向及傾角統(tǒng)計,場址區(qū)發(fā)育4組優(yōu)勢斷裂,分別為:①N55°W向、②N25°W向、③N5°E向和④N55°E向,傾角大于60°的陡傾斷裂占70.2%。場址區(qū)中等堅硬和堅硬巖體的綜合內(nèi)摩擦角(φ)應(yīng)為20°～50°,平均值為33°。根據(jù)巖石力學(xué)中的摩爾-庫倫強度理論,夾角在(90°-φ)的范圍內(nèi)可以配套構(gòu)成同一期形成的共軛“X”剪節(jié)理。這樣夾角在40°～70°的2組節(jié)理組合可能構(gòu)成同一期形成的剪節(jié)理,其中①組與③組,③組與④組,①組與④組之間的夾角在40°～70°之間,此可以構(gòu)成3套“X”剪節(jié)理,對應(yīng)的最大主應(yīng)力方向分別為N25°W、N25°E和EW。

綜合上述場址區(qū)不同尺度區(qū)域地質(zhì)環(huán)境特征分析,以及微小褶皺和節(jié)理調(diào)查資料的整理及分析,對場址區(qū)構(gòu)造過程進行如下推測性分析。

(1)最初場址區(qū)受到來自東西向(約N25°E)的擠壓構(gòu)造作用,地層初步形成了NW向展布的一系列褶皺形態(tài)和③組與第④組剪節(jié)理或斷層。該期的構(gòu)造活動應(yīng)該是在印支期的構(gòu)造活動形成。根據(jù)我國大地構(gòu)造分析[15],可以推測該方向的最大構(gòu)造主應(yīng)力為印支期構(gòu)造所致,并且最大主應(yīng)力方向與場址區(qū)內(nèi)主要褶皺構(gòu)造呈大角度關(guān)系。

(2)場區(qū)受到北西向(約N25°W)的構(gòu)造作用,形成了①組和③組優(yōu)勢節(jié)理,該期構(gòu)造與燕山期構(gòu)造方向(NWW)有一定關(guān)系,推測為燕山期產(chǎn)物。

4 結(jié)論

以川西地區(qū)典型水電工程引水隧洞為依托,從場區(qū)數(shù)千公里至數(shù)十公里的不同尺度視角,綜合分析了隧址區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)環(huán)境特征,獲得以下結(jié)論。

(1)宏觀大尺度上,受印度—歐亞大陸版塊“楔-頂-擠-壓”強烈作用,工程恰好位于印度洋板塊與歐亞板塊南部青藏高原南緣碰撞東構(gòu)造結(jié)區(qū)域東側(cè),造成隧洞所處宏觀區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)環(huán)境極其復(fù)雜。

(2)中尺度上,引水隧洞位于“川滇菱形”斷塊的北西部,為次級斷塊“稻城斷塊”的東緣、橫斷山脈核心的最窄部位,承受前述印度洋板塊與歐亞板塊楔入構(gòu)造的東構(gòu)造結(jié)的“犁入式”擠壓作用,以及揚子地臺西緣四川盆地地塊的強烈頂推約束作用,歷次強烈的構(gòu)造作用,造成引水隧洞工程在中尺度范圍內(nèi)復(fù)雜的構(gòu)造環(huán)境。

(3)小尺度上,木里河由北向南流經(jīng)工程區(qū),河谷多呈不對稱“V”形,發(fā)育一系列NW向、NE向斷層,組成“棋盤格式”,不同規(guī)模褶皺、揉皺現(xiàn)象明顯,造成巖體結(jié)構(gòu)破碎、產(chǎn)狀雜亂,隧洞開挖過程中易出現(xiàn)局部塌方、涌水等工程災(zāi)害。

在工程建設(shè)初期,受工程規(guī)模、勘察手段等限制,很難對超過10km長度的隧洞工程地質(zhì)環(huán)境作出準(zhǔn)確判斷。因此,針對川西地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件,應(yīng)從不同尺度對工程區(qū)構(gòu)造環(huán)境進行分析,揭示區(qū)域地質(zhì)環(huán)境形成條件及機理,再結(jié)合工程勘察及地面調(diào)查結(jié)果,綜合分析并對隧址區(qū)可能的地質(zhì)環(huán)境特征進行合理的推測,將有利于更加準(zhǔn)確地判斷開挖圍巖條件,指導(dǎo)實際工程施工。