南水北調西線(xiàn)工程及其主要工程地質(zhì)問(wèn)題

  南水北調西線(xiàn)工程(簡(jiǎn)稱(chēng)西線(xiàn)工程)位于青藏高

 

  原東北部, 從長(cháng)江上游采用深埋長(cháng)隧洞方案經(jīng)巴顏喀拉山輸水入黃河, 其建設規模、難度都是當今世界之最;給工程地質(zhì)和巖石力學(xué)提出了新的挑戰。目前, 西線(xiàn)工程規劃確定的一期開(kāi)發(fā)目標是大渡河方案, 二期是雅礱江方案, 規劃有仁青里和阿達樞紐,三期是通天河方案, 規劃有同加和側仿樞紐;三條河流的調水量為150 ～ 170 億m3。從技術(shù)經(jīng)濟及運行管理等方面對比, 西線(xiàn)工程目前擬采用自流引水方案。

 

  1  工程區及河段樞紐工程地質(zhì)條件

 

  西線(xiàn)工程區是新構造活動(dòng)相對發(fā)育的地區之一, 也是青藏高原地貌的陡變帶, 因此, 調水區的地理、地質(zhì)特征都有其獨特的方面。

 

  1 .1  地層巖性

 

  根據地質(zhì)特征可分為:(1)北巴顏喀拉-阿尼瑪卿構造地層元(Ⅱ1), 以三疊系中統甘德組和下統昌馬河組地層為主, 局部為上統巴顏喀拉群;(2)中巴顏喀拉構造地層單元(Ⅱ2), 主要為三疊系下統昌馬河組、中統甘德組和上統巴顏喀拉群, 夾巖漿巖帶;(3)南巴顏喀拉構造地層單元(Ⅱ3), 以三疊系上統的巴顏喀拉組為主, 局部為三疊系中統甘德組和下統的昌馬河組;(4)玉樹(shù)-義敦構造地層單元(Ⅱ4),以三疊系上統巴塘群為主, 夾有中基性巖漿巖帶。

 

  調水區除太古界和寒武系之外, 各時(shí)代地層均有出露。其中以三疊系分布最廣, 巖性主要是淺變質(zhì)砂、板巖及其韻律層組合, 這套地層厚度巨大、擠壓緊密, 褶皺強烈, 多為軸面向北東傾斜的緊閉型復式褶皺, 地層大多呈陡傾角?；∩? 缺少標志層, 野外只能依據巖性組合、變質(zhì)程度和砂板巖比例進(jìn)行綜合分層。砂、板巖屬中等堅硬～ 堅硬巖體, 砂巖屬弱～ 中等透水巖體, 板巖為相對不透水層。

 

  1 .2  區域穩定性

 

  調水區主要斷裂大多形成于中生代, 以北西向斷裂為主, 第四紀早期構造運動(dòng)較為強烈, 北西向斷裂大多后期重新活動(dòng), 活動(dòng)方式以逆沖兼走滑為主。

 

  晚更新世以來(lái), 特別是全新世以來(lái), 主要是調水區南北邊界的玉樹(shù)斷裂、鄂陵湖南斷裂和中部的桑日麻斷裂東段有大規?；顒?dòng), 其它斷裂活動(dòng)性相對較弱,活動(dòng)方式以水平左旋走滑為主。此外, 西線(xiàn)調水區還發(fā)育有彌散性的近南北向的橫向構造(圖2), 這種彌散性的構造使得山體破碎, 降低了洞室圍巖的穩定性, 給隧洞的防滲與加固處理帶來(lái)困難。

 

  西線(xiàn)調水區處于可可西里-金沙江地震帶中地震活動(dòng)水平相對較低的中西部地區, 區內地震分布零星, 強震相對較少, 震級大多以中等為主, 地震強度和頻度相對較低, 地震活動(dòng)性相對較弱。地震動(dòng)峰值加速度大部分地區為0 .10g 、局部為0 .15g (相當于地震基本烈度Ⅶ 度區), 達日地區為0 .20g(相當于地震基本烈度Ⅷ 度區), 阿壩地區為0 .05g。

 

  調水區分為阿尼瑪卿和玉樹(shù)兩個(gè)不穩定區、巴顏喀拉山北部次不穩定區、兩湖和巴顏喀拉山南部?jì)蓚€(gè)基本穩定區以及巴顏喀拉山中部穩定區。引水樞紐和主要水工建筑物主要規劃在基本穩定和穩定區。

 

  1 .3  外動(dòng)力地質(zhì)現象

 

  調水區外動(dòng)力地質(zhì)現象發(fā)育程度不均, 具有平面分區、垂向分帶的特性。北區江河源和巴顏喀拉山主脊是地勢較緩的高山區或極高山區, 多年凍土厚度大, 凍土現象(冰緣地貌)發(fā)育, 地勢平坦而岸坡變形現象稀少。南區(通天河稱(chēng)多、玉樹(shù)以下, 雅礱江溫拖以下和大渡河壤塘、斜爾尕以下地區)為中深切割高山區或極高山區, 屬島狀多年凍土分布區, 外動(dòng)力地質(zhì)現象垂向分帶明顯, 4300m 以上為凍土冰緣地貌發(fā)育區, 其下岸坡變形破壞現象如滑坡、崩塌、泥石流等較為發(fā)育。

 

  西線(xiàn)調水工程建筑物主要布置在中南部地區,處于片狀多年凍土向島狀多年凍土的過(guò)渡地帶, 屬輕微～ 中等切割高山區。引水樞紐均在多年凍土下限(4250m)之下, 易進(jìn)行工程處理, 凍土凍害和河谷岸坡變形破壞不致對工程造成重大危害。

 

  1 .4  通天河與雅礱江河段樞紐工程地質(zhì)條件經(jīng)綜合比選, 目前選取通天河的楚瑪爾河口～直門(mén)達河段, 雅礱江的宜?！?甘孜河段、支流達曲阿安以上和泥曲仁達以上河段, 大渡河足木足河亞爾堂～ 斜爾尕河段以及支流綽斯甲河上杜柯～ 雄拉河段為取水河段。樞紐均處于穩定區或基本穩定區,地震動(dòng)峰值加速度為0 .10 ～ 0 .15g 。壩段附近砂礫料和塊石料比較豐富, 防滲土料普遍缺乏。庫區一般封閉條件較好, 不存在向鄰谷或洼地的永久滲漏問(wèn)題。庫區主要為牧區, 水庫淹沒(méi)損失很小, 不存在浸沒(méi)問(wèn)題。

 

  1 .4 .1  通天河河段

 

  (1)同加樞紐:總體地勢西北高南東低, 屬中等切割高山～ 中高山區, 河谷為“V”形橫向谷。凍土主要為季節凍土, 厚度一般為1 .03m ;多年凍土呈不連續島狀分布。壩段基巖主要為砂、板巖互層, 褶皺發(fā)育, 多為NW 向緊密直立褶皺, 節理發(fā)育中等。

 

  微風(fēng)化砂巖干抗壓強度為136 ～ 151MPa , 板巖為72～ 97MPa 。河床覆蓋層厚度9 .4 ～ 10 .1m 。壩區附近缺乏天然砂礫石料;近壩庫段(7 ～ 12km)存在三處不穩定岸坡, 對樞紐穩定有一定影響。

 

  (2)側仿樞紐:壩段總體地勢北高南低, 河谷為“V”形斜向谷, 兩岸坡度25 ～ 42°, 外動(dòng)力地質(zhì)現象不太發(fā)育, 岸坡穩定條件較好。巖性主要為二疊紀的片巖、砂巖夾板巖及三疊紀的大理巖、片巖、長(cháng)石石英砂巖等, 屬中等堅硬～ 堅硬巖類(lèi)。區內超基性、基性和中性巖脈十分發(fā)育, 多為順層侵入。壩段褶皺和斷裂構造較為發(fā)育, 壩基可能存在沿砂巖裂隙、大理巖溶隙、褶皺核部及破碎帶的滲漏問(wèn)題。

 

  1 .4 .2  雅礱江河段

 

  (1)仁青里樞紐:壩段河谷狹窄, 呈“V”形, 兩岸谷坡30 ～ 40°, 右岸崩塌較發(fā)育, 但規模不大。壩段巖性主要為花崗閃長(cháng)巖, 抗壓強度為89 .8 ～ 129 .8MPa 。壩段褶皺和斷裂不發(fā)育, 節理屬不發(fā)育～ 中等發(fā)育。壩基強風(fēng)化帶巖體透水率為29 .9 ～ 47 .56Lu , 弱風(fēng)化及新鮮基巖透水率為0 .97 ～ 2 .15Lu ;河床覆蓋層厚1 .8 ～ 10m , 基巖風(fēng)化帶厚1 ～ 6m 。近壩區塊石料豐富, 砂礫料質(zhì)量和儲量基本滿(mǎn)足要求, 土料距壩段較遠(8 ～ 22km)。主要問(wèn)題是:右岸松散堆積體厚3 ～ 47m , 坡腳雨季經(jīng)常發(fā)生滑塌, 施工清除量較大。

 

  (2)阿達樞紐:河谷為“V” 形峽谷, 谷底寬度70～ 130m , 兩岸坡度25 ～ 40°, 基本對稱(chēng), 外動(dòng)力地質(zhì)現象不發(fā)育, 岸坡穩定性較好。壩段基巖為砂、板巖及花崗閃長(cháng)巖, 屬堅硬巖石。壩段斷裂構造不發(fā)育,不發(fā)育集中滲漏通道。

 

  2  一期工程的地質(zhì)條件

 

  2 .1  工程概況

 

  一期工程選擇從雅礱江的支流達曲引水, 經(jīng)大渡河流域到黃河支流賈曲, 簡(jiǎn)稱(chēng)達賈引水方案, 全長(cháng)260km , 隧洞長(cháng)244km , 主要由5 個(gè)樞紐、7 段隧洞、一段明渠串聯(lián)而成, 引水量40 億m3 。5 座引水樞

 

  紐指阿柯河的克柯、麻爾曲的亞爾堂、杜柯河的上杜柯、泥曲的仁達、達曲的阿安樞紐, 樞紐的壩高分別為63m 、123m 、104m 、108m 、115m ;7 段隧洞指通過(guò)支流使引水隧洞自然分為7 段;明渠指的是出口處賈曲的16 .1km 的引水渠道。

 

  從規劃方案看, 達賈引水方案并沒(méi)有無(wú)法克服的技術(shù)難關(guān), 在國內國際上均有相似的工程實(shí)例。

 

  國內的龍羊峽和西藏的羊卓雍湖水電站的海拔和凍土條件與一期工程相似, 一期工程規劃壩高在60 ～123m , 壩型初步選定當地材料壩, 在技術(shù)上可行。

 

  相對來(lái)講, 主要的工程地質(zhì)問(wèn)題集中在深埋長(cháng)隧洞的勘察及施工方面, 一期工程規劃的最長(cháng)單洞為73km , 隧洞的施工和勘探難度較大。但國外已有近似長(cháng)度的隧洞投入運營(yíng), 正在施工的長(cháng)隧道有瑞士56 .9km 長(cháng)的San Gotthard 鐵路隧道和法-意52 .0長(cháng)的Basis 鐵路隧道。因此, 如何進(jìn)行深埋長(cháng)隧洞的勘測、處理施工及運行期間的工程地質(zhì)災害就成為制約西線(xiàn)一期工程順利實(shí)施的重大技術(shù)問(wèn)題。同時(shí), 一期工程規劃有16 .1km 長(cháng)的引水明渠出口, 又位于季節凍土區, 引水明渠運行過(guò)程中的穩定性問(wèn)題也顯得相當突出。

 

  2 .2  各壩段主要地質(zhì)條件

 

  一期工程區地層主要為三疊系巴顏喀拉群的砂巖、板巖及砂板巖互層, 局部出露有灰巖和巖漿巖體;工程區復式褶皺和斷裂構造較發(fā)育, 斷裂的走向以北西向為主, 但線(xiàn)性延伸較短, 多不具有明顯的斷裂結構面, 在TM 圖像上多表現為灰色的影紋條帶。樞紐多布置在穩定區, 除阿安樞紐地區的地震動(dòng)峰值加速度為0 .15g 外, 大部分地區的地震動(dòng)峰值加速度為0 .10g 。初步地質(zhì)勘察表明, 5 座樞紐處未發(fā)現大的構造斷裂帶, 巖性為砂巖、板巖或砂板巖互層, 局部發(fā)育有灰巖, 屬中等堅硬～ 堅硬巖類(lèi);壩段河谷一般為“V”型, 岸坡穩定性好, 處于基本穩定區, 建壩條件良好。

 

  (1)阿安壩段:壩段河谷呈“V” 形, 谷底寬度38～ 90m , 兩岸坡度30 ～ 34°, 為逆向坡, 總體穩定條件較好。壩段基巖為中厚層砂巖夾板巖, 弱風(fēng)化砂巖抗壓強度為41 .2 ～ 63 .6MPa , 弱風(fēng)化板巖為33 .5 ～46 .2MPa 。區內褶皺構造發(fā)育, 斷層規模很小。壩段河谷處于背斜核部, 巖層走向與河流平行, 對壩基防滲不利, 滲漏形式主要是沿裂隙及背斜軸部向下游滲漏。河床覆蓋層厚度6 .11 ～ 17 .42m , 平均10 .58m 。

 

  (2)仁達壩段:壩段河谷呈“V”形, 谷底寬度170～ 350m , 為縱向谷。兩岸坡度25 ～ 45°, 為逆向坡,總體穩定條件較好, 見(jiàn)有5 處小規模的表層滑坡體,最大約5 ～ 6 萬(wàn)m3 。壩段基巖主要為中厚層砂巖夾板巖, 弱風(fēng)化砂巖抗壓強度為53 .1 ～ 114MPa , 弱風(fēng)化板巖為41 ～ 66 .8MPa , 屬中等堅硬～ 堅硬巖石。

 

  壩區總體為一背斜, 軸部沿泥曲延伸, 兩翼基本對稱(chēng), 斷裂構造不太發(fā)育, 僅見(jiàn)3 條小斷層, 破碎帶寬度一般1 .5 ～ 2 .5m 。壩基處于背斜核部, 裂隙較為發(fā)育, 存在沿裂隙密集帶滲漏問(wèn)題。河床覆蓋層厚度1 .03 ～ 5 .78m 。

 

  (3)上杜柯壩段:壩段總體地勢西北高東南低,屬淺～ 中等切割高山區, 河谷較為開(kāi)闊, 為斜向谷,兩岸岸坡較緩, 天然岸坡穩定條件較好, 外動(dòng)力地質(zhì)現象不太發(fā)育。壩段基巖為砂、板巖互層, 地層褶皺強烈, 出露的斷層延伸短, 規模小。節理裂隙發(fā)育程度總體上屬完整～ 不發(fā)育, 局部地段為中等發(fā)育。

 

  砂巖的干抗壓強度為99 .3 ～ 147 .7MPa , 板巖為26 .8 ～ 40 .2MPa , 一般為中等堅硬～ 堅硬巖類(lèi)。壩基巖體透水率一般為3 .2 ～ 9 .5Lu , 屬弱透水, 局部裂隙發(fā)育孔段透水率達11Lu , 屬中等透水。河床覆蓋層厚度一般4 ～ 17m , 河床下部基巖風(fēng)化帶厚度6 .49 ～ 15 .5m , 新鮮基巖埋深一般10 ～ 21m 。

 

  (4)亞爾堂壩段:壩段總體地勢西北高東南低,屬淺切割～ 中等切割的高山區, 河谷呈“ V” 形或淺“U”形, 為橫向谷或斜向谷, 河漫灘及階地等微地貌較發(fā)育。兩岸山坡穩定性較好, 未發(fā)現大的滑坡、崩塌或傾倒變形體。壩區基巖為砂、板巖, 地層褶皺強烈, 小規模斷層發(fā)育。壩基巖體透水率為1 .4 ～21Lu , 屬弱透水～ 中等透水。巖層傾向上游, 天然防滲條件較好, 不存在繞壩滲漏問(wèn)題, 壩基滲漏的形式主要是沿裂隙向下游滲漏。壩段砂巖、板巖屬中等堅硬～ 堅硬巖石。河床覆蓋層厚度9 .55 ～ 20 .19m , 基巖風(fēng)化帶厚6 .53 ～ 14 .12m 。

 

  (5)克柯壩段:壩段總體地勢西高東低, 屬中等切割的中高山區。河谷呈不對稱(chēng)“V”形, 為斜向谷或縱向谷, 右岸陡峻, 左岸低緩, 岸坡整體穩定條件較好, 局部有小規模崩塌或殘坡積物滑塌存在。壩段基巖為砂、板巖, 弱風(fēng)化砂巖抗壓強度大于60MPa , 弱風(fēng)化板巖38 .2 ～ 44 .3MPa , 屬中等堅硬～ 堅硬巖類(lèi)。壩區褶皺構造總體為一規模較大的倒轉復式背斜, 兩翼次級褶皺發(fā)育。區內斷裂構造不發(fā)育, 節理總體上屬中等發(fā)育。河床覆蓋層厚度約23m , 基巖風(fēng)化帶厚度為6 ～ 10m , 下部新鮮基巖埋深約33m 。壩基無(wú)集中滲漏通道, 滲漏形式主要是沿砂巖裂隙向下游滲漏。

 

  一期工程洞線(xiàn)的最大埋深約1100m , 隧洞圍巖多為Ⅲ類(lèi), 斷裂破碎帶和褶皺核部圍巖主要為Ⅳ類(lèi);存在的主要問(wèn)題是:穿越斷層破碎帶的圍巖穩定性問(wèn)題, 順河發(fā)育斷層洞段的涌水和突水問(wèn)題, 出口明渠段的邊坡穩定、滲漏及凍害問(wèn)題等。西線(xiàn)的工程地質(zhì)問(wèn)題集中在深埋長(cháng)隧洞的勘察和地質(zhì)災害處理方面。

 

  3  若干重大工程地質(zhì)問(wèn)題討論

 

  3 .1  深埋隧洞的工程地質(zhì)勘察

 

  深埋長(cháng)隧洞跨越的工程地質(zhì)單元多, 水文地質(zhì)條件復雜, 工程地質(zhì)問(wèn)題隱蔽、復雜, 給隧洞施工帶來(lái)許多難以預料的困難。目前, 深埋隧洞的地質(zhì)勘察風(fēng)險依然很大, 預先認識隧洞經(jīng)過(guò)部位巖體的地質(zhì)結構, 把握可能出現的突發(fā)性地質(zhì)災害, 對于工程設計和施工部門(mén)是十分重要的。

 

  西線(xiàn)工程區海拔高, 凍土地貌發(fā)育, 地形相對高差大, 植被發(fā)育, 地質(zhì)觀(guān)測點(diǎn)稀少, 給地面地質(zhì)調查工作帶來(lái)極大的困難;采用過(guò)遙感、物探等手段進(jìn)行過(guò)地質(zhì)勘測工作, 但精度有待進(jìn)一步提高。如何從已知的地表地質(zhì)情況認知深埋隧洞的圍巖特征, 是一個(gè)亟需解決的方法問(wèn)題。萬(wàn)家寨引黃工程TBM開(kāi)挖中圍巖類(lèi)別的確定方法提供了可行的思路[ 3] ,國內的勘察實(shí)踐表明, 深埋長(cháng)隧洞的勘察又必須是多種勘察方法及多種勘察手段的綜合利用。需要注意的是, 綜合物探在評價(jià)隧洞圍巖特性方面有著(zhù)不可替代的作用, 根據圍巖的物性參數, 間接判斷圍巖的質(zhì)量等級, 通過(guò)隧洞勘探加以驗證, 是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。

 

  3 .2  深埋長(cháng)隧洞的圍巖穩定性問(wèn)題

 

  西線(xiàn)調水工程的自流線(xiàn)路洞體深埋于山體基巖之內, 上覆巖體厚度一般為500 ～ 800m , 最大厚度達1100m 。因此, 隧洞所在深度的巖體工程地質(zhì)條件、圍巖力學(xué)特性直接影響到隧洞的設計與施工。

 

  3 .2 .1  地溫場(chǎng)分布與巖體地應力特征

 

  影響地溫場(chǎng)的主要參數是巖石的傳熱系數和地下水的流向及流速, 但也與區域地質(zhì)構造的穩定性和深部地殼結構的性質(zhì)密切相關(guān)[ 5] 。計算結果表明, 西線(xiàn)調水區內平均地溫梯度介于18 ～ 26 ℃/km 之間, 平均值多在22 ℃/km 左右;地溫梯度的高值區主要分布于清水河、達日～ 久治、玉樹(shù)以及甘孜附近的馬尼干戈～ 溫拖四地區, 其平均地溫梯度達到24 ～ 26 ℃/km , 是調水區內中高溫地下熱水的主要排泄區。根據地溫增溫率推算, 引水隧洞高程處的地溫可達20 ～ 25 ℃, 局部地溫異常區的洞室圍巖溫度可達53 ～ 68 ℃。從目前的工程地質(zhì)實(shí)踐看, 地溫的計算成果往往與實(shí)際情況有一定的誤差;但如何計算西線(xiàn)工程區的地溫增溫率, 研究區域地質(zhì)構造、深部地殼結構, 預測隧洞斷面處的巖溫, 以便指導施工, 仍是需要進(jìn)一步研究的基礎地質(zhì)問(wèn)題。

 

  地應力和巖爆關(guān)系密切, 對西線(xiàn)工程的深埋隧洞而言, 其洞室的穩定不可避免受到高地應力和巖爆的威脅。引水隧洞大部分洞段上覆巖體厚度在400 ～ 600m 之間, 隧洞的圍巖主要為三疊系的淺變質(zhì)砂板巖, 局部洞段為花崗巖、花崗閃長(cháng)巖, 這些堅硬脆性巖體具備了儲存高能量的條件;同時(shí)部分洞段將穿越高地應力區。計算結果顯示, 隧洞開(kāi)挖時(shí)可能會(huì )遇到50MPa 左右的高水平擠壓應力;巖爆預測表明, 隧洞經(jīng)過(guò)的黑云母花崗閃長(cháng)巖洞段肯定會(huì )發(fā)生巖爆, 但強度的大小取決于硐室荷載工況。

 

  初始地應力狀態(tài)是評價(jià)巖爆發(fā)生的重要條件,目前, 西線(xiàn)地區僅在兩個(gè)鉆孔中進(jìn)行了地應力的測試, 且深度在200m 以?xún)萚 6] , 難以滿(mǎn)足實(shí)際需要。巖爆的發(fā)生與施工方法也有一定的關(guān)系, 初步研究, 西線(xiàn)工程的長(cháng)隧洞傾向于采用雙護盾全斷面掘進(jìn)機(TBM)施工, 在TBM 施工條件下, 巖爆發(fā)生的概率顯著(zhù)降低。因此, 在西線(xiàn)工程的進(jìn)一步研究中, 應以巖爆與巖性和圍巖應力的關(guān)系、圍巖中原始應力狀態(tài)為重點(diǎn), 進(jìn)行長(cháng)隧洞災害發(fā)生洞段預報系統研究,為隧洞襯砌結構的選擇、合理選擇硐線(xiàn)、走向、硐室斷面型式及施工程序的選擇等提供地質(zhì)依據。

 

  3 .2 .2  高壓水的突水問(wèn)題

 

  地下水是影響圍巖和洞室施工安全的重要因素, 隧洞的涌水更是常見(jiàn)的工程地質(zhì)災害;而且, 深埋長(cháng)隧洞的涌水還具有涌水量大、水頭壓力高、補給豐富的特點(diǎn)。西線(xiàn)工程區地下水具有非多年凍土區地下水特點(diǎn)。松散巖類(lèi)孔隙水、凍結層上水、風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水等因隧洞埋藏深, 對圍巖穩定影響甚微, 影響較大者主要為構造裂隙水。尤其是引水線(xiàn)路地區的某些順河發(fā)育斷層, 與地表水有密切的水力聯(lián)系, 地下水源補給充沛, 洞室的開(kāi)挖必將形成地下水富集廊道, 使斷層破碎帶內充填物和褶皺核部的破碎巖石涌出, 形成突水和碎屑流地質(zhì)災害。

 

  目前, 隧洞涌水預測的準確性有待進(jìn)一步提高;因此, 針對不同的地質(zhì)條件和水文地質(zhì)背景, 對涌水發(fā)生的環(huán)境地質(zhì)條件進(jìn)行必要的類(lèi)比, 預測隧洞施工中發(fā)生高壓涌水的洞段, 以便制定合理可行的防治措施, 可以減少涌水災害的發(fā)生概率, 指導隧洞的施工。

 

  3 .2 .3  工程軟巖的蠕變問(wèn)題

 

  軟巖的變形特性取決于工程力與巖體強度的相互關(guān)系, 軟巖在高地應力作用下將產(chǎn)生大變形和長(cháng)期流變, 圍巖軟巖的大變形和流變成為遠比巖爆更難處理的工程地質(zhì)問(wèn)題。西線(xiàn)工程的引水隧洞洞徑最大的接近10m , 圍巖多為淺變質(zhì)砂板巖, 根據現有淺部實(shí)測值, 推斷埋深1100 ～ 1300m 處鉛直地應力將達到30MPa 左右, 而水平地應力可能達到18 ～20kPa 左右, 洞壁應力將為60MPa 左右。在這樣大的洞徑、如此高地應力的持續作用下, 砂板巖將產(chǎn)生怎樣的變形和破壞, 高應力軟巖是否發(fā)育, 工程部門(mén)應當采取什么措施, 將是整個(gè)工程成敗的技術(shù)關(guān)鍵。

 

  目前, 如何認識在持續高地應力作用下深埋洞室軟巖變形和長(cháng)期流變的機制、規律和工程處理問(wèn)題仍然是工程設計、施工中的難題。隧道變形的預測是一個(gè)比較復雜的問(wèn)題[ 7] , 研究復雜地質(zhì)構造條件下巖體運動(dòng)的機理, 給出巖體地下開(kāi)挖過(guò)程中巖體變形的規律以及長(cháng)期的蠕變效應可能對工程的影響, 可以為工程設計提供依據和為巖體穩定性預測預報系統建立不可缺少的理論平臺。通過(guò)室內試驗, 進(jìn)行水-巖(應力)-溫度耦合作用數值模擬研究和軟弱圍巖變形的硐室尺寸效應的物理模擬研究, 結合實(shí)際地質(zhì)條件(巖石的強度和變形特性), 給出軟巖在一定應力作用下的時(shí)間-應變曲線(xiàn), 計算出隧洞最大允許變形量, 是一個(gè)可行的研究方法。

 

  3 .3  活斷層和地震構造環(huán)境問(wèn)題

 

  活動(dòng)斷層對工程的破壞作用始終是工程地質(zhì)學(xué)界關(guān)心的問(wèn)題, 過(guò)去的工程建設通?？梢酝ㄟ^(guò)工程地質(zhì)選線(xiàn)、選址來(lái)回避斷層帶, 特別是活動(dòng)斷層帶;但西線(xiàn)工程不同程度地鄰近或穿越多條活動(dòng)性斷裂, 其位置和方向不可能回避活動(dòng)性深大斷裂的影響。對于深大活動(dòng)性斷裂, 斷裂帶寬度常達到數百米以上, 斷層變形的規律性及其變形量, 特別是工程有效期內的變形量, 以及由此引起的隧洞變形與穩定性問(wèn)題是不可回避的問(wèn)題。因此, 研究活斷層的變形型式和變形速率是評價(jià)活斷層對工程影響的先決條件。

 

  在西線(xiàn)工程區的活動(dòng)斷層中, 以桑日麻斷裂、鮮水河斷裂和甘德南斷裂對工程的影響最大, 也是主要的發(fā)震斷裂, 應加強研究上述主要發(fā)震斷裂在工程壽命期(100 ～ 200 年)內的活動(dòng)特征(包括活動(dòng)性分段、活動(dòng)方式、活動(dòng)周期及活動(dòng)速率等)?；顢鄬拥谋O測數據對于隧洞穿越活斷層需采取的結構措施十分有用, 地震監測對于結構設計和水庫誘發(fā)地震預測意義重大, 地形變監測主要取得地殼不均勻差異升降的數量級, 以便對隧洞的比降作出科學(xué)設計。

 

  從目前國內活斷層和地震監測的運轉情況看, 還有一些問(wèn)題需要進(jìn)一部深化, 比如, 根據活斷層監測數據如何確定斷層活動(dòng)的警戒值, 根據具體條件判斷發(fā)震趨勢;地震監測給出的本底地震數據如何用于地震的預報等等, 這些問(wèn)題仍有待深入探討。

 

  3 .4  凍土地質(zhì)災害

 

  西線(xiàn)調水區引水工程建筑物多布置在多年凍土區和多年凍土與季節凍土的混交地帶內, 凍土工程地質(zhì)問(wèn)題復雜。多年凍土下限最大深度花石峽地區為55m , 平均為40 多米, 主要表現為融沉危害;季節凍土主要表現為凍脹危害。根據調水區建筑物布置狀況, 位于季節凍土區的引水建筑物有引水樞紐、引水隧洞進(jìn)出口及配套工程等, 這些水工建筑物不可避免受到凍害的影響。對于引水隧洞, 因其埋深大,多年凍土對引水隧洞洞身不會(huì )產(chǎn)生危害。但在隧洞進(jìn)出口附近, 由于工程建筑的營(yíng)造, 導致洞口部分地段的融化深度加大, 可造成大面積的向源滑塌和溯源侵蝕, 引起斜坡失穩, 因此在施工中必須加強護坡和排水設施。

 

  此外, 一期工程規劃的引水明渠坐落在沖洪積扇和階地上, 其修建必然改變這些地區的地下水補排條件, 造成沖洪積扇中的水體排泄通道不暢, 誘發(fā)凍脹災害的發(fā)生, 導致一期工程16 .1km 明渠的穩定受到凍害的威脅。在嚴寒地區修建水庫, 除了存在非寒區影響庫岸穩定的因素外, 當水庫蓄水后, 必然會(huì )因為熱容量的增大而改變當地的小氣候環(huán)境,出現熱融滑塌和凍融泥石流, 特別是當地下冰被庫水沖掏暴露于地表后, 其溯源滑塌的危害性更大, 也增加了庫內淤積, 是一個(gè)不可忽視的工程地質(zhì)問(wèn)題。

 

  3 .5  特殊地質(zhì)介質(zhì)的工程地質(zhì)特性研究

 

  在西線(xiàn)調水工程中, 不可避免地會(huì )涉及到特殊地質(zhì)介質(zhì)及其工程地質(zhì)性質(zhì)問(wèn)題, 主要表現為:(1)活動(dòng)性斷裂及其寬大影響帶內強烈構造破碎巖體的特殊性質(zhì);(2)巖體應變儲能狀態(tài)和高應變巖體的工程行為;(3)持續高地應力作用下深埋隧洞軟巖大變形與長(cháng)期流變行為;(4)非連續介質(zhì)的力學(xué)特性研究。

 

  寬大活動(dòng)性斷裂帶內強烈構造破碎巖體的性質(zhì), 如結構性質(zhì)、壓縮變形性質(zhì)、強度性質(zhì)及滲透性等與中小型斷層帶的物質(zhì)有顯著(zhù)不同, 也與完整巖體和松散土體有本質(zhì)區別;由此也決定了寬大斷層帶將可能出現一系列難于處理的工程地質(zhì)問(wèn)題, 如圍巖結構性坍塌、圍巖擠入縮徑變形與壓剪破壞、圍巖遇水軟化、泥化發(fā)生大規模溜坍或突泥等。

 

  過(guò)去, 大型山體滑坡的預報、鐵路隧道端部的塌落、礦藏開(kāi)采的巖爆和地面沉陷以及石油開(kāi)采中的油井縮孔等大量問(wèn)題的處理主要依賴(lài)于經(jīng)驗的判斷, 已有的理論研究的成果, 難以直接用于水利工程, 對像巖體這樣的非連續介質(zhì)研究的基本框架還沒(méi)有形成。研究復雜地質(zhì)構造下的工程荷載、構造應力、滲透力、溫度荷載等多種性質(zhì)力源的耦合問(wèn)題, 必須解決多種結構模型的介質(zhì)在變形和運動(dòng)中的協(xié)調問(wèn)題。

 

  3 .6  其他環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題

 

  工程的興建不僅要適應復雜的環(huán)境地質(zhì)條件,而且會(huì )改變環(huán)境地質(zhì)固有的平衡, 會(huì )產(chǎn)生許多新的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。主要表現為:(1)輸水主洞和施工支洞的修建勢必改變當地的水文地質(zhì)條件, 造成地下水位下降和地下水的流失, 由此誘發(fā)的環(huán)境問(wèn)題值得進(jìn)一步研究;(2)輸水明渠的岸坡穩定及大型泥石流的防治與處理;(3)岸坡穩定問(wèn)題, 西線(xiàn)區的水庫岸坡分為松散巖類(lèi)岸坡和基巖類(lèi)岸坡兩類(lèi), 其變形破壞的形式主要是崩塌和滑坡;據西線(xiàn)工程去的岸坡調查和統計資料, 巖體結構面與臨空面的關(guān)系是影響岸坡穩定的主要因素。(4)水庫誘發(fā)地震問(wèn)題,西線(xiàn)工程的水庫規模、構造條件、地應力和地震活動(dòng)性等因子有利于誘發(fā)水庫地震, 而巖性條件和滲透條件等則屬于非有利因子, 初步認為, 西線(xiàn)工程區有產(chǎn)生構造型水庫地震的可能。

 

  4  主要認識和結論

 

  西線(xiàn)工程地質(zhì)條件相對復雜, 但主要水工建筑物均布置在基本穩定區和穩定區, 引水樞紐的建壩地質(zhì)條件較好, 避開(kāi)了主要活動(dòng)帶, 庫區淹沒(méi)損失小, 工程地質(zhì)條件可行。一期工程區的區域地質(zhì)條件在整個(gè)西線(xiàn)工程區中是最優(yōu)的, 樞紐位于基本穩定區。深埋長(cháng)隧洞工程典型的地質(zhì)問(wèn)題如高地溫、高壓涌水、高地應力及巖爆等問(wèn)題均可能出現。從初步研究來(lái)看, 斷層帶涌水、碎屑流及軟巖問(wèn)題較為突出, 高地溫問(wèn)題也不容忽視。