臨夏盆地中更新統(tǒng)地層成洞條件分析研究

羅永海

（甘肅省水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730000）

0 概況

臨夏州位于黃河上游,地處甘肅中部西南面,北接蘭州市,東臨臨洮, 西倚海東地區(qū),南靠甘南。臨夏州地處青藏高原與黃土高原過(guò)渡地帶,境內(nèi)多山,地勢(shì)西南高,東北低,由西南向東北遞降,呈傾斜盆地。臨夏盆地形成于中生代,為斷陷盆地,發(fā)育在馬啣山-興隆山斷裂與西秦嶺北緣斷裂之間,新生代相對(duì)沉積[1-4]。臨夏盆地處于黃土高原西部,為東部季風(fēng)區(qū)、西北干旱區(qū)及青藏高原高寒區(qū)三大自然區(qū)交匯地帶,為典型的的大陸性季風(fēng)氣候特征[2-4]。臨夏盆地內(nèi)沉積了厚度巨大的新近系臨夏組紅色碎屑巖。盆地巖層受構(gòu)造作用輕微,產(chǎn)狀平緩,斷裂不發(fā)育,構(gòu)造以舒緩開(kāi)闊式褶皺為主,其南部受西秦嶺構(gòu)造影響,巖層傾角變陡。盆地邊緣沉積有下更新統(tǒng)（Q1）～中更新統(tǒng)（Q2）河流相老黃土及砂卵礫石,其中夾雜沼澤相青灰色老黏土,巖性較雜且含多層承壓水。

臨夏州是國(guó)家“兩屏三帶”黃河上游生態(tài)安全屏障的重要組成部分,也是甘肅國(guó)家生態(tài)安全屏障綜合試驗(yàn)區(qū)的重要組成部分,生態(tài)地位相當(dāng)重要。為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略思想,臨夏州提出了臨夏州供水保障生態(tài)保護(hù)水源置換工程,工程主要任務(wù)是向康樂(lè)、廣河、和政、東鄉(xiāng)、臨夏縣及臨夏市5 縣1 市供水,保障區(qū)域供水安全,補(bǔ)充河道生態(tài)水量,修復(fù)區(qū)域生態(tài)和改善人居環(huán)境。該項(xiàng)目對(duì)臨夏州經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、生態(tài)保護(hù)及江河治理開(kāi)發(fā)總體布局中具有支撐作用,意義重大。

該工程推薦方案從洮河中游的九甸峽水庫(kù)右岸引水,向西北經(jīng)康樂(lè)縣、廣河縣、和政縣,至臨夏縣境內(nèi)的大夏河一級(jí)支流槐樹(shù)關(guān)河右岸尕莊附近。泵站提水后其余洞段為自流引水?？偢删€輸水建筑物以隧洞為主,線路總長(zhǎng)111 km,其中隧洞92 km,倒虹吸及暗渠占19 km。該工程以隧洞為主,水文地質(zhì)條件復(fù)雜,部分洞段經(jīng)過(guò)臨夏盆地邊緣,洞身圍巖為富含多層高水頭承壓水中更新統(tǒng)（Q2）河流相老黃土及砂卵礫石,其中夾雜沼澤相青灰色老黏土。

1 中更新統(tǒng)地層洞段地質(zhì)條件

第四系中更新統(tǒng)洪積、沼澤堆積（Q2pl+fl）地層多處于盆地邊緣,為黃土丘陵地貌,洪積物巖性為青灰色砂卵礫石夾褐黃色～褐紅色離石黃土層,離石黃土單層厚5 m～15 m,呈堅(jiān)硬～硬塑狀,含鈣質(zhì)結(jié)核；砂卵礫石單層厚1 m～6.3 m,具微膠結(jié),以泥質(zhì)膠結(jié)為主,膠結(jié)性差,鉆孔巖芯多呈松散狀,含泥量較高；沼澤堆積巖性為青灰色砂卵礫石夾灰黑色～青灰色粉質(zhì)粘土,粉質(zhì)粘土有臭味,見(jiàn)腐殖質(zhì),含礫土、中細(xì)砂層、砂礫石夾層,粉質(zhì)粘土單層厚1 m～8 m,呈堅(jiān)硬～硬塑狀,局部含鈣質(zhì)結(jié)核。

沼澤相粉質(zhì)粘土夾砂卵礫石層,粉質(zhì)粘土透水性微弱,為相對(duì)隔水層；砂卵礫石層呈泥質(zhì)弱膠結(jié),中等透水,含多層承壓水,單層含水層厚1.0 m～5.8 m,含水層頂板埋深一般在較低的侵蝕基準(zhǔn)溝底面以下26 m～60 m,承壓水頭位于洞頂以上約100 m,最大單孔出水量15 L/min。含水層層面較平緩,該段為工程區(qū)地下水富水區(qū)。

2 中更新統(tǒng)地層洞段水文地質(zhì)特征

中下更新統(tǒng)（Q2）地層中粉質(zhì)粘土層透水性微弱,為相對(duì)隔水層；砂卵礫石層中等透水,為含水層,含水層層數(shù)較多,單層含水層厚度1 m～17 m。第四系孔隙潛水分布于梁峁區(qū),主要受大氣降水補(bǔ)給,水位隨季節(jié)有變幅,沿層面順坡排泄于地表或向溝谷潛水徑流。溝谷底部為層間承壓水,含水層頂板埋深在較低的侵蝕基準(zhǔn)溝底面以下20 m～60 m。據(jù)洞身鉆孔觀測(cè),隧洞位于區(qū)域地下水位以下,且附近沖溝均高于隧洞洞身,地下水排泄不暢,據(jù)洞身鉆孔ZK04 觀測(cè)結(jié)果,Q2砂卵礫石層為含承壓水層,承壓水頭大于100m,砂卵礫石洞段地下水活動(dòng)強(qiáng)烈,流量較大,鉆孔單孔流量21.65 m3/d。

（1）隧洞涌水量預(yù)測(cè)

根據(jù)《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（SL 629-2014）及地下水動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論,應(yīng)用降水入滲法和地下水動(dòng)力學(xué)方法對(duì)總干隧洞進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)。

①降水入滲法

式中：Qs為隧洞正常涌水量,m3/d；α為降水入滲系數(shù)；W為年降水量,mm；A為匯水面積,km2。

降水入滲系數(shù)α根據(jù)規(guī)范推薦,對(duì)臨夏盆地內(nèi)黃土類(lèi)隧洞,位于區(qū)域地下水位以下,α取值0.20。匯水面積A根據(jù)地形圖分水嶺量測(cè)；年降水量根據(jù)區(qū)域氣象多年平均降水資料取值；其它各隧洞具體計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 降水入滲法隧洞涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算表

表2 裘布依公式及古德曼經(jīng)驗(yàn)式隧洞涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算表

②地下水動(dòng)力學(xué)方法

隧洞正常涌水量根據(jù)裘布依公式計(jì)算：

式中：Qs為隧洞正常涌水量,m3/d；K為含水體的滲透系數(shù),m/d；H為洞底以上潛水含水體厚度,m；h為洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深,m；Ry為隧洞涌水地段的引用影響半經(jīng),m；L為隧洞通過(guò)含水體的長(zhǎng)度,m；r0為隧洞等價(jià)橫斷面的半經(jīng),m。

隧洞最大涌水量根據(jù)古德曼公式計(jì)算：

式中：Q0為隧洞最大涌水量,m3/d；d為隧洞等價(jià)橫斷面的直徑,m；其他符號(hào)意義同前。

根據(jù)計(jì)算成果可以看出,按降水入滲法計(jì)算的正常涌水量成果一般比按裘布依公式計(jì)算成果小,建議設(shè)計(jì)按大值考慮,施工期應(yīng)做好相應(yīng)的排水工程措施。

根據(jù)以上方法對(duì)隧洞涌水量進(jìn)行估算,單位出水量一般46 L/（min·10 m 洞長(zhǎng)）～57 L/（min·10 m 洞長(zhǎng)）,結(jié)合壓力水頭,初步判定隧洞通過(guò)中更新統(tǒng)地層段地下水活動(dòng)狀態(tài)呈線狀流水～涌水。根據(jù)計(jì)算成果將主要隧洞可能含水洞段水文地質(zhì)特征列表見(jiàn)表3。

表3 隧洞含水洞段水文地質(zhì)特征表（古德曼）

表4 不同狀態(tài)下引水隧洞垂直壓力

依據(jù)《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（SL 629-2014）綜合判定隧洞圍巖為Ⅴ2類(lèi)無(wú)自穩(wěn)性洞段,存在巖土體變形及突泥涌水問(wèn)題。

3 中更新統(tǒng)地層成洞分析

（1）物理力學(xué)性質(zhì)及參數(shù)

洪積、沼澤堆積離石黃土（Q2pl+fl）為構(gòu)成隧洞圍巖及連接段建筑物地基土體,夾砂卵礫石夾層,總厚度大于100 m,地層剖面見(jiàn)圖1。經(jīng)取樣試驗(yàn)：離石黃土砂粒含量5.8%～24%,平均12.8%；粉粒含量31.5%～69.9%,平均57.12%；粘粒含量17.9%～38.8%,平均28.33%；天然密度1.91 g/cm3～2.12 g/cm3,平均值2.04 g/cm3；干密度1.57 g/cm3～1.77 g/cm3,平均值1.67 g/cm3；壓縮系數(shù)（原狀）0.06 MPa-1～0.49 MPa-1,原狀抗剪強(qiáng)度：c=16.5 kPa～93.7 kPa,Φ=20.2°～31.9°；飽和抗剪強(qiáng)度：c=18.6 kPa～64.3 kPa,Φ=18.8°～30.4°；濕陷變形系數(shù)0.001～0.010。離石黃土為低～中壓縮性、非濕陷性土。垂直滲透系數(shù)5.64×10-8cm/s～1.94×10-5cm/s,屬弱～極微透水性。青灰色砂卵礫石夾層厚1 m～8 m,具微膠結(jié),以泥質(zhì)膠結(jié)為主,膠結(jié)性差,鉆孔巖芯多呈松散狀,含泥量較高,經(jīng)取樣試驗(yàn)：砂卵礫石卵石（60 mm～200 mm）含量2.9%～20.6%,礫石（2 mm～60 mm）含量47.1%～77.1%,砂（2 mm～0.075 mm）含量8.5%～19.6%,粉粘粒（≤0.075 mm）含量11.9%～33.3%。

圖1 隧洞地層剖面

洪積、沼澤堆積（Q2pl+fl）離石黃土夾砂卵礫石力學(xué)參數(shù)建議值：粘聚力（c）10 kPa～15 kPa,內(nèi)摩擦角為11°～15°,壓縮模量Es為4 MPa～6 MPa,堅(jiān)固系數(shù)f為0.3～0.5。

（2）隧洞圍巖壓力

黃土隧洞的圍巖壓力按普氏理論計(jì)算,計(jì)算參數(shù)主要取離石黃土參數(shù),重度取加權(quán)平均重度,按理想自然狀態(tài)與實(shí)際飽和狀態(tài)下分析計(jì)算。

洞頂垂直均布?jí)毫Γ?/p>

形成的壓力拱高度為：h1=a1/tanΦ

自然平衡拱計(jì)算跨度：a1=a+htan（45°-Φ/2）式中：γ為洞頂上覆土層的平均重度；a為洞室寬度的一半,取2.5 m；h為洞室高度,取2.5 m；f為堅(jiān)固系數(shù),也稱似摩擦系數(shù),在數(shù)值上定義為tanΦk。

中更新統(tǒng)地層離石黃土與砂卵礫石交錯(cuò)成層,離石黃土呈飽和狀態(tài),隧洞圍巖壓力較一般非飽和狀態(tài)下大,成洞條件隨之變差,上覆洞室圍巖壓力也增大。

（3）滲流破壞

隧洞圍巖主要為離石黃土（粉質(zhì)黏土）及砂卵礫石,砂卵礫石為含水層,離石黃土為隔水層。隧洞開(kāi)挖后,洞身在砂礫石段隧洞會(huì)涌水、涌砂。隧洞洞身在粉質(zhì)黏土段,承壓水水頭100 m,隔水層厚度15 m,其水力比降為6.67,大于臨界允許水力比降icr=1.12,會(huì)發(fā)生突泥、突水。

4 結(jié)論

以臨夏州供水保障生態(tài)保護(hù)水源置換工程為背景,對(duì)工程區(qū)進(jìn)行了大范圍的野外測(cè)繪工作,通過(guò)鉆孔試驗(yàn)取樣、分析了臨夏盆地中更新統(tǒng)地層成洞條件,并對(duì)洞室圍巖壓力進(jìn)行計(jì)算,評(píng)價(jià)分析了洞室破壞的主要工程地質(zhì)問(wèn)題,取得了以下結(jié)論：

（1）隧洞單位出水量一般46 L/（min·10 m 洞長(zhǎng)）～57 L/（min·10 m 洞長(zhǎng)）,結(jié)合壓力水頭,地下水活動(dòng)狀態(tài)呈線狀流水～涌水。施工期應(yīng)做好相應(yīng)的排水工程措施。根據(jù)隧洞工程地質(zhì)條件綜合判定隧洞圍巖為Ⅴ2類(lèi)無(wú)自穩(wěn)性洞段。

（2）對(duì)隧洞圍巖壓力計(jì)算分析,隧洞洞身圍巖壓力受承壓水的影響較大,離石黃土自然狀態(tài)下呈飽和狀,隧洞開(kāi)挖后出現(xiàn)突泥涌水等復(fù)雜工程地質(zhì)問(wèn)題。