陜北地區(qū)引調(diào)水線路工程主要工程地質(zhì)問題分析

王 帆

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院,陜西 咸陽 712000）

1 引言

近年來,陜北地區(qū)引調(diào)水線路工程是事關(guān)優(yōu)化陜北地區(qū)水資源配置、破解缺水困局的重中之重,能夠有效緩解陜北地區(qū)水資源供需矛盾,同時對促進陜北地區(qū)經(jīng)濟社會快速發(fā)展具有舉足輕重的作用。區(qū)域引調(diào)水線路工程也是當(dāng)前陜北地區(qū)貫徹落實黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略的重要舉措,對陜北地區(qū)經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展和國家能源化工基地建設(shè)起到強有力的水資源支撐作用。

陜北地區(qū)引調(diào)水線路工程主要涉及管線工程、輸水隧洞、各類建筑物的主要工程地質(zhì)問題,在廣泛的工程實踐和資料收集過程中,總結(jié)分析了陜北地區(qū)引調(diào)水線路工程遇到的相關(guān)工程地質(zhì)問題,為類似工程提供參考借鑒,對有效地提高工程地質(zhì)勘察工作效率有重要意義。

2 陜北區(qū)域地質(zhì)概況

陜北地區(qū)總面積約為8.3 萬km2,占陜西省總面積約為40%,陜北地區(qū)平均海拔1224 m,主要為黃土高原地貌,地勢總體呈西北高東南低,地貌形態(tài)主要有堆積-侵蝕形成的河谷階地區(qū)、沙漠區(qū)及構(gòu)造剝蝕形成的沙蓋黃土梁、峁區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)等地貌景觀。陜北沙漠區(qū)主要分布在陜西北部長城以北毛烏素沙漠南緣位置,地形整體較為平坦,以活動沙丘、沙壟為主。陜北地區(qū)出露的地層主要以第四紀(jì)及陸相中生代地層最為發(fā)育,缺失志留系和泥盆系。基巖主要以內(nèi)陸河湖相砂、泥巖互層,僅奧陶系出露海相灰?guī)r,第四系主要以黃土為主,另有沖洪積沉積物[1]。

陜北黃土高原位于我國西北,區(qū)內(nèi)大部分屬于暖溫帶半干旱氣候,水資源相對稀缺。陜北黃土高原河流均屬于黃河水系,河流依地勢高低,自西北至東南方向流淌,河流流經(jīng)深厚的黃土地區(qū),地面割切破碎,致使區(qū)內(nèi)黃土梁、峁、溝谷發(fā)育,水土流失嚴(yán)重[2]。

陜北黃土高原板塊上屬于華北地層,大地構(gòu)造屬中朝準(zhǔn)地臺,位于鄂爾多斯盆地向斜中段的東翼和東南角。總體為單斜地層,走向近南北,傾向西或南西、北西,傾角1°～5°。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造總體特征褶皺輕微,少見斷層,地震出現(xiàn)頻率小且強度低。陜北黃土高原區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性分級為穩(wěn)定性好。

3 管線及建筑物主要工程地質(zhì)問題

陜北地區(qū)引調(diào)水管線及倒虹、泵站等建筑物基礎(chǔ)主要為黃土、沙漠及河谷階地沖洪積堆積物,主要涉及砂土液化、黃土濕陷、土壤腐蝕、邊坡穩(wěn)定及凍土深度等工程地質(zhì)問題[3]。

3.1 砂土液化

陜北地區(qū)地震出現(xiàn)頻率小且強度低,根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》,陜北地區(qū)地震基本烈度大部分為Ⅵ度,可不進行地震液化判別,砂土液化問題不突出。但管線基若為砂層,承載力一般不滿足管基要求,不能直接作為基礎(chǔ),應(yīng)進行工程處理,建議對細(xì)砂進行夯實處理。

3.2 黃土濕陷性

陜北地區(qū)管線基礎(chǔ)主要為第四紀(jì)風(fēng)積黃土和黃土狀壤土,根據(jù)資料收集,陜北地區(qū)大部分黃土場地為自重濕陷性場地,濕陷等級較高,濕陷深度約20 m。根據(jù)工程實踐及引水線路工程特點,建議采用整片土（灰土）墊層處理,要求墊層的壓實系數(shù)應(yīng)≥0.97,并采取嚴(yán)格防水措施。

3.3 邊坡穩(wěn)定

陜北地區(qū)一般管線沿線地形起伏較大,在施工開挖時,存在邊坡穩(wěn)定問題,對土質(zhì)邊坡建議綜合坡比1∶0.75～1∶1.0,單坡高6 m～8 m,臺寬不小于3 m,并應(yīng)做好坡面排水設(shè)計。

3.4 凍土深度

陜北地區(qū)平均海拔較高,冬季氣溫普遍較低,工程實踐中應(yīng)充分考慮工程區(qū)標(biāo)準(zhǔn)季節(jié)性凍土最大深度,可根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007-2011）附錄F《中國季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深線圖》以及結(jié)合實際調(diào)查,確定工程區(qū)標(biāo)準(zhǔn)季節(jié)性凍土最大深度。同時應(yīng)根據(jù)《凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50324-2014）評價工程區(qū)季節(jié)性凍土平均凍脹率及凍脹等級。

4 隧洞主要工程地質(zhì)問題

近年來,陜北地區(qū)大中型引調(diào)水工程主要以砂、泥巖內(nèi)大直徑輸水隧洞為主,因而主要涉及圍巖穩(wěn)定、隧洞涌水、有害氣體等工程地質(zhì)問題及隧洞TBM 施工適宜性評價等問題[4]。

4.1 圍巖穩(wěn)定

陜北地區(qū)地層主要為中生代、古生代內(nèi)陸河湖相砂、泥巖互層,巖層多呈中厚-巨厚層,地質(zhì)構(gòu)造運動不顯著,同時,相關(guān)工程地質(zhì)條件相對較為簡單。在進行隧洞圍巖穩(wěn)定行分析時,首先應(yīng)按工程地質(zhì)特征,依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487-2008）中“圍巖工程地質(zhì)分類”標(biāo)準(zhǔn),同時考慮以巖石強度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水以及主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為判別依據(jù),并結(jié)合洞身段可能存在的軟弱夾層,對引水線路圍巖類別進行詳細(xì)劃分,并給出各類圍巖地質(zhì)參數(shù)建議值。

圍巖穩(wěn)定分析應(yīng)充分考慮巖體結(jié)構(gòu)面特征,同時考慮各層間錯動及泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況。因受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等因素控制了陜北地區(qū)一般層狀巖體的變形破壞。輸水隧洞工程可能涉及到的破壞主要為沿層面張裂、折斷坍塌,彎曲內(nèi)鼓等。針對隧洞施工過程中沿線局部有可能會出現(xiàn)的以上所涉及的圍巖穩(wěn)定性問題而導(dǎo)致的隧洞塌方,因而施工過程中應(yīng)在特別加強地質(zhì)預(yù)報,并及時采取相應(yīng)的支護加固措施。

陜北地區(qū)砂、泥巖中隧洞圍巖類別一般主要以Ⅲ類～Ⅴ類圍巖為主,其中Ⅲ類圍巖洞室局部穩(wěn)定性差,建議噴混凝土、噴錨支護、拱頂系統(tǒng)錨桿。Ⅳ類圍巖洞室不穩(wěn)定,建議隧洞開挖后需及時支護,并噴錨掛網(wǎng),必要時可全部襯砌或設(shè)鋼拱架,需注意施工期安全。Ⅴ類圍巖洞室極不穩(wěn)定,成洞條件非常差,開挖需支護緊跟或超前支護,需要全斷面襯砌。

根據(jù)收集工程資料,陜北地區(qū)洞室泥巖存在膨脹性及崩解性。一般隧洞泥巖屬低耐崩解性,說明泥巖易崩解。洞室大多處于地下水位以下,巖體處于飽和狀態(tài),洞室開挖后,洞周泥巖很短時間脫水崩解,對洞室的穩(wěn)定影響較大。洞室開挖后需要及時地進行噴護封閉。

4.2 有害氣體

陜北地區(qū)地層局部夾有煤層或煤線,該地層短隧洞可能存在有害氣體,一般應(yīng)進行了有害氣體測試,同時施工開挖應(yīng)加強有害氣體監(jiān)測。

4.3 隧洞涌水

對隧洞最大涌水量進行預(yù)測也是一項重要分析工作,一般根據(jù)勘探及試驗資料,依據(jù)《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（SL 629-2014）附錄E 中的E.3.3 第一條和第二條,分別應(yīng)用古德曼預(yù)測法和佐藤邦明預(yù)測法對隧洞最大涌水量進行預(yù)測。

4.4 隧洞TBM 施工適宜性評價

依據(jù)參考文獻及同類工程經(jīng)驗,影響隧洞TBM 施工穩(wěn)適宜性的因素主要有巖石的完整程度、單軸飽和抗壓強度、硬度、耐磨性等。

大多數(shù)硬巖TBM 在Rc=30 MPa～150 MPa 的巖石中掘進效率高,所以陜北地區(qū)該強度的砂巖、泥巖比較適宜TBM 施工。TBM 在巖石中掘進效率與巖體的完整系數(shù)呈正相關(guān),即完整系數(shù)越大掘進效率越高,當(dāng)完整系數(shù)大于0.75,掘進效率開始下降。砂巖耐磨性等級為低耐磨性～中等耐磨性,TBM施工條件好。

應(yīng)用TBM 施工隧洞過程中常見的地質(zhì)災(zāi)害為圍巖失穩(wěn)塌方、涌水突水、軟巖大變形等。根據(jù)地質(zhì)編錄統(tǒng)計,TBM施工隧洞圍巖失穩(wěn)塌方主要發(fā)生在節(jié)理密集帶,失穩(wěn)塌方段主要為不穩(wěn)定的Ⅳ類圍巖。輸水隧洞巖性若為泥巖,屬于軟巖,耐崩解性低。一般洞室均處于地下水位以下,巖體處于飽和狀態(tài),洞室開挖后,洞周泥巖很短時間脫水崩解,很可能存在軟巖大變形。建議采取超前地質(zhì)預(yù)報；適當(dāng)超挖及快速通過；及時支護等措施。

可根據(jù)《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（SL 629-2014）附錄C.0.2 進行隧洞TBM 施工適宜性分級；陜北地區(qū)一般砂巖地層中Ⅲ類圍巖,TBM 施工為基本適宜～適宜,隧洞為Ⅳ類圍巖,TBM 施工為基本適宜～適宜性差,隧洞為Ⅴ類圍巖是不適宜采用TBM 施工。

5 結(jié)論

近年來,陜北地區(qū)多個大中型引調(diào)水線路工程的建設(shè)是優(yōu)化陜北黃土高原水資源配置、破解缺水困局的關(guān)鍵所在,同時,陜北地區(qū)引調(diào)水工程也是進一步加快推進黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的重要工程措施。對陜北地區(qū)已有引調(diào)水線路工程存在的主要工程地質(zhì)問題進行總結(jié)分析,對今后同類工程地質(zhì)勘察工作開展具有一定的工程實用價值。