南水北调中线大宁河补水工程大昌至茅草坡段工程地质适应性研究

陈立德　陈州丰

摘要:设想南水北调延伸工程西线剪刀峡方案由大昌取水口、四个槽经椿树坪至剪刀峡隧洞、剪刀峡水库、檀木取水口、檀木至茅草坡隧洞及堵河下游梯级水库串联而成。概括介绍了取水口和相关隧洞及区域工程地质条件,分析评价其工程地质适宜性和相关环境工程地质问题。研究认为,西线剪刀峡(檀木-茅草坡)方案一级泵站大昌八角丘场址工程地质条件优越,剪刀峡水库库尾二级取水泵站檀木场址工程地质条件适宜;春树坪至剪刀峡隧址区地表岩溶发育,岩溶涌水、涌泥是该隧洞段关键性工程地质问题;檀木至茅草坡深埋长隧洞存在局部岩溶涌水尤其是近河断裂接触性岩溶涌水等工程地质问题。

关键词:大昌;檀木;南水北调;补水工程;深埋长隧洞;岩溶;大宁河

中图分类号:TV68;P942文献标识码:A 文章编号:1672-1683(2009)05-0033-04

Geoengineering Condition of Da′ning River Water-Compensation Engineering Area

in Middle Route of South-to-North Water Transfer Project

CHEN Li-de,CHEN Zhou-feng

(Yichang Institute of Geology and Mineral Resource,Yichang,443003,China)

Abstract: The Jiandaoxia line consists of two-stage pumping station,two long tunnels and related reservoirs,which is the west route scheme of diverting Da'ning River to Han in the South-North Water Transfer Project. The paper introduces the regional geoengineering condition of the pumping station and related tunnel,and analyzes its property and related environmental and engineering problems.

Key words: Dachang;Tanmu;South-to-North Water Transfer Project;water-compensation;long deeply-burying tunnel;karst;Da'ning River

1 工程概况

南水北调中线将从丹江口水库调水,将极大的缓解我国北方尤其是京津地区缺水问题。但是受丹江口水库库容和上游来水量的限制,远期调水量将不足以满足用水地区的需要,届时将从长江三峡水库[1]或三峡水库以下的长江干流补水增加调水量。其中大宁河补水工程[1-2]备受多方关注,设想的东西两个宏观方案中西线剪刀峡方案为各方所推崇[3-4]。

西线剪刀峡(檀木-茅草坡)方案[5-6],由大昌取水口、四个槽经椿树坪至剪刀峡隧洞、剪刀峡水库、檀木取水口、檀木至茅草坡隧洞及堵河下游梯级水库串联而成,见图1。本文将概括介绍取水口和相关隧洞及区域工程地质条件。

大宁河补水工程设想自大昌八角丘泵站将大宁河水提扬至385 m高程,到达前池四个槽,经四个槽-椿树坪-剪刀峡隧洞(长25.5 km),将三峡库水调至大宁河上游的剪刀峡水库,剪刀峡水库水位360 m;经剪刀峡水库库尾檀木二级泵站提水达到566 m,穿越大巴山分水岭檀木-茅草坡长隧洞(长35.4 km),进入堵河支流官渡河上游的龙背湾水库库尾(茅草坡出水口高程530 m)。方案分两步实施[7],一期修建剪刀峡水库引大宁河上游来水,可以满足近期引水量15~20亿m³,远期则引三峡库水。如果在剪刀峡修建高360 m高拱坝,则可实现大巴山越岭隧洞的自流(陈祖煜与作者讨论)。该工程将引水和堵河梯级水库蓄能发电结合起来,实现抽水、蓄能、发电和供水功能,将极大的降低调水成本。使大宁河补水工程具有极大的吸引力。

2 工程地质条件分析

2.1 区域工程地质条件概况

大宁河补水工程跨越大巴山山脉,以南为大宁河流域,以北为堵河流域,均属长江水系。区内山高谷深,地貌以中山为骨架,分水岭一带最高海拔为2 740 m,整体地势自分水岭向南北两侧逐渐降低。

大宁河流域的广大地区,区域构造上位于黄龙山冲断裂以南,主要出露寒武系-三叠系灰岩、碎屑岩夹煤系地层,尤其以志留系、二叠系和三叠系广泛分布。构造变形以褶皱为特征,脆性断裂不发育,由北向南褶皱由紧闭向开阔转变,次级褶皱发育;分水岭一带向斜紧闭或往东扬起,而背斜往往向西倾伏。

大巴山分水岭以北至松树岭水库库首,即堵河支流官渡河上游的广大地区,区域构造上位于黄龙山冲断裂以北、青峰断裂以南。主要出露寒武系地层,尤其以水井沱组、石牌组碎屑岩分布广泛,碳酸盐岩局部发育,震旦系灯影组顶部仅在屏峰背斜核部有出露,而奥陶系-三叠系地层于龙背湾至官渡一带出露面积较大。该区构造变形明显增强,以不对称紧闭同斜-斜歪褶皱为特征,同斜褶皱发育,褶皱轴面多倾向北西,引水线路隧洞段局部直立,局部倾向南东,展布方向在260°~280°至80°~100°之间,倾角在30°~70°之间。与褶皱同期形成的断裂发育。活动性青峰断裂位于松树岭水库坝下官渡一带,属于引水线路天然河道段,对工程影响有限。

2.2 区域斜坡稳定性对引水工程的影响

大宁河流域对调水工程有重要影响的崩滑流等地质灾害主要有白鹿溪泥石流[8]和神基坪至白鹿镇一带志留系碎屑岩岸坡变形失稳,对调水工程的危害表现在对库尾的淤积和对库尾二次提水泵站的淤埋,见图2。

堵河流域黄龙滩水库段岸坡滑坡分布十分普遍,滑坡类型主要为堆积层滑坡,其次为基岩滑坡。水库运行至今,大多数滑坡出现过不同程度的变形。目前大部分滑坡已趋于稳定但存在部分滑坡复活甚至产生新的斜坡变形。规模较大的不稳定滑坡和崩塌,如布袋营滑坡、屈家坡滑坡、钻炭岩崩塌等对工程的实施将带来危害,目前对这些滑坡正在进行进一步监测和治理之中。

3 取水口工程地质条件评价

3.1 大昌八角丘一级取水口工程地质条件

巫山县大昌镇位于大宁河中游,三峡水库蓄水达到139 m高程后,大宁河在大昌一带形成20 km2的内湖,而蓄水至175 m高程后,内湖面积将增加到40 km2,大宁河中下游大部分河段将具备向上游逆向输水的条件。

大昌八角丘位于四个槽复向斜南翼。该向斜两翼次级褶皱发育,其中南翼发育有大昌向斜和八角丘背斜,这些次级褶皱轴向与主褶皱一起使向斜形态呈“W”型,见图3。在四个槽一带出露巴东组三段泥灰岩、灰岩,向斜翼部由三叠系嘉陵江组四段白云岩及巴东组一、二段构成,145 m高程以下以阶地、漫滩冲洪积黏土、砂砾石为主,部分为卵砾石,孔隙发育,透水性一般较强。

大昌八角丘取水口具有良好的工程地质条件。八角丘一带地形开阔,便于工程布置和施工;覆盖层仅8~10 m,较薄,强风化层5~10 m,开挖深度不是太大;取水口两侧阶地标高大于190 m,地基以基岩为主,砂卵石层少,便于泵站基坑、渠道、围堰施工;八角丘一级泵站地基为巴东组一段泥灰岩、嘉陵江组四段白云岩,抗压、抗滑稳定条件好;管线基本垂直于构造,地基山坡以逆向坡为主,利于管线稳定;前池置于四个槽一带三叠系巴东组三段灰岩、泥灰岩地层中,有利于边坡稳定,四个槽一带山顶及近区地形开阔、存在合适凹槽地形;基本无崩滑流等不良工程地质现象;取水口位于130 m高程,可以保证三峡水库最低水位145 m时,有最低10 m水深,调水保障程度高。

主要不利因素是站址及压力管线将在三叠系巴东组二段红层中开挖,存在边坡、高边坡稳定性问题,但易于工程措施处理;近河谷侧围堰地基砂卵石渐多,处理要求和难度略高。

3.2 檀木二级取水口工程地质条件

拟建檀木取水口位于大宁河左岸,上距剪刀峡水库库尾约1.0 km,属中山“V”型峡谷区,河谷狭窄,河流近南北流向,河道微向东凸出,左岸为凹岸,呈萁状,中陡坡,为二叠系吴家坪组灰岩构成的同坡顺向坡,见图4。坡度角30°左右。檀木上游300 m隘谷两侧均为峻坡、悬崖或峭壁。河床高程310 m,宽50 m左右。坡体下部无覆盖层或覆盖层较薄。

檀木位于神基坪背斜南翼发育的次级褶皱檀木向斜核部。檀木向斜分布于檀木及以西,走向90°～108°,并于檀木一带向东扬起,总体为舒缓开阔褶皱。扬起端由二叠系吴家坪组中厚层燧石结核或燧石条带灰岩灰岩地层构成,岩体微风化或弱风化,岩性坚硬,没有或少有软弱泥质或泥灰岩夹层,但深部下伏有二叠系龙谭组煤系地层。

檀木取水口距离剪刀峡水库库尾4.0 km以上,无引水渠。与檀木上游3 km处的神基坪相比,檀木一带地质环境稳定,地基抗压抗滑稳定条件、天然边坡及岩体抗扰动稳定条件优势明显。初步比较研究认为,檀木建泵站较神基坪适宜。

4 引水工程隧址区工程地质条件及评价

4.1 四个槽经椿树坪至剪刀峡隧址区工程地质条件

四个槽经椿树坪至剪刀峡隧址区为中低山地带,隧洞沿线地形起伏大,地表高程200~1 663 m。巫溪东为以三叠系嘉陵江组为核部的巫溪复向斜所形成的复合岩溶槽谷地貌,南北两侧地势较高。引水隧洞长24 km,受地形条件限制,可以在巫溪县城东黑沟370 m高程左右设置一个施工支洞,使该洞线总体呈折线形。引水隧洞首段四个槽-椿树坪为浅埋段,长2.0 km。椿树坪-黑沟洞段洞长13.5 km,平均埋深600 m,最大埋深1 150 m;黑沟-剪刀峡洞段洞长7.5 km,平均埋深600 m,最大埋深1 100 m。该隧洞段埋深超过800 m的超深埋洞段超过7.0 km。

四个槽至椿树坪为三叠系巴东组地层分布区,四个槽一带为巴东组三段泥质灰岩,四个槽以北至椿树坪为巴东组二段红色碎屑岩和巴东组一段灰色钙质泥岩。

春树坪至剪刀峡随址区三叠系大冶组以灰岩为主,嘉陵江组以含膏盐白云岩为主,局部以含燧石结核灰岩为主,分布面积较大,二叠系以灰岩夹煤系地层,引水隧洞出口有少量的志留系碎屑岩地层分布(见图5)。总体上隧洞大部分洞段为坚硬岩石,岩体类型主要为Ⅱ、Ⅲ类,其中Ⅱ类占38.6%,Ⅲ类占40.0%,Ⅳ类占20.8%,Ⅴ类占0.6%。隧洞埋深大,具备成洞条件。对隧洞围岩稳定有利。但是由于该区碳酸盐岩地层岩溶普遍发育,尤其是嘉陵江组白云岩或盐溶角砾岩洞段岩溶更加发育,溶崩角砾岩工程地质性质不良且不均匀,洞穴堆积可能造成一定程度的碎屑流。二叠系梁山组及龙谭组煤系地层不良气体对施工有一定影响,但距离隧洞或施工支洞口近,采取处理措施较易。

隧址区地质构造以褶皱为主,仅于剪刀峡一带有东西向断裂发育,断裂构造对洞室影响有限。

隧址区强含水透水可溶性碳酸盐岩岩组广泛出露,尤其是巫溪向斜核部三叠系嘉陵江组四段溶崩角砾岩发育,其工程地质性质复杂,受地形地貌和构造控制,地表岩溶普遍发育,便于地表水汇聚和入渗。由于洞室靠近大宁河-杨溪河河间地块分水岭西侧,地形破碎,受排泄基准面的限制及岩溶发育史的影响,地下岩溶不仅有东西向岩溶通道,而且发育北西向岩溶通道,垂直岩溶管道和水平岩溶管道均发育,地下岩溶水文网复杂。从岩溶发育的深度和发育类型、控制因素上看,洞室将不可避免的遭遇与洞线垂直的东西向岩溶通道,甚至可能遭遇南北向或北西向水平溶洞。尤其值得注意的是,拟建洞线高程在360～380 m之间,该高程上发育的夷平面和武家湾岩溶塌陷指示该高程水平岩溶可能较为发育。综合分析认为,岩溶地下水和岩溶涌水对该洞段的影响将是该洞段关键性工程地质问题。同时隧洞的建设可能会在一定程度上造成诸如地表水疏干等环境地质问题。

4.2 檀木至茅草坡隧址区工程地质条件

西线剪刀峡(檀木-茅草坡)方案越岭隧洞檀木至茅草坡段,隧洞高程560~530 m,将穿越大巴山分水岭,隧址区海拔最高2 200 m,隧洞最大埋深1 600 m,由于堵河流域切割强烈,隧址区岔河一带海拔高程780 m洞室埋深为200 m、五道河处海拔高程655 m埋深为70 m、马家屋场海拔高程700 m埋深为115 m、头道河海拔高程615 m埋深为30 m,可以考虑设置施工支洞,并用于长隧洞运行过程中的减压井。

分水岭以南洞线经过的地层有志留系碎屑岩、二叠系、三叠系大冶组和嘉陵江组地层;分水岭以北洞线经过的地层以寒武系水井沱组和石牌组碎屑岩为主,少量石龙洞组、天河板组、覃家庙组和三游洞组地层多具备成洞条件,部分坚硬岩类在深埋或超深埋条件下存在岩爆可能的可能性。

隧址区碎屑岩为相对隔水层,加之硐室埋深大,地表发育的节理裂隙在深埋隧洞段往往成为隐裂隙,地下水水量不会太大;但在埋深较浅的洞段,尤其是在褶皱轴部地带,可能赋存较丰富的地下水。

在分水岭一带为可溶性碳酸盐岩分布区,地表岩溶广泛发育,但地下河往往以悬挂泉的形式出露,表明地下河的下切速度远远慢于地表河流,加之该隧洞段埋深普遍大于1 000 m,而地表排泄基准面高,隧洞段可能出现的岩溶涌水可能较小。但是在分水岭以北,以寒武系石龙洞组为核部的石灰窑向斜可形成较好的汇水构造,该洞段埋设在200 m左右,在静、动水压力作用下,可能出现岩溶涌水或突水。

分水岭以北引水线路隧洞段,主要的东西向断裂构造黄龙山冲断裂、渔头湾断裂、清吉沟断裂均斜切公祖河(图6),与公祖河或其支流临近,与地表水有密切的水力联系,断裂带岩体破碎且均有可溶性碳酸盐岩地层卷入,可能成为地下水运移的良好通道。其中,隧洞与黄龙山冲断裂相交处埋深1 950 m,断裂涌水或岩溶涌水量可能有限,但是隧洞与鱼头湾断裂和清吉沟断裂相交处,隧洞埋深为200~300 m,有可能造成断裂涌水或岩溶涌水。

研究认为,檀木-龙背湾越岭隧洞段主要工程地质问题为深埋洞段高地应力至软岩的变形和流变失稳,以及部分坚硬岩类的岩爆、长隧洞高压涌水、沿河断裂及岩溶涌水等。

5 主要结论

南水北调大宁河补水工程“西线剪刀峡(檀木-茅草坡)方案”大昌八角丘一级取水口工程地质条件较好,剪刀峡水库库尾檀木二级取水口工程地质条件适宜。四个槽经椿树坪至剪刀峡隧址区岩溶广泛发育,该洞段主要工程地质问题为巫溪向斜等重大构造核部的岩溶塌陷、碎屑流,隔水层透水层界面附近的接触性岩溶塌陷、涌水、碎屑流,深埋洞段高地应力至围岩失稳,长隧洞高压涌水等。檀木至茅草坡越岭隧洞主要工程地质问题为深埋(300~800 m)、超深埋(800~2 000 m)洞段高地应力至软岩变形及流变、长隧洞高压涌水,局部隔水层透水层界面附近的接触性岩溶塌陷、沿河断裂接触性岩溶涌水或突水等主要工程地质问题。

研究认为,就国内外已建工程经验而言,暂未发现在经济条件许可的前提下存在不可克服的问题[9-10]。南水北调中线大宁河补水工程“西线剪刀峡(檀木-茅草坡)”方案将“抽水蓄能”和“补水工程”有机的统一起来,有较大的可行性和科学性。

参考文献:

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[10] 霍有光.南水北调大宁河补水、长湖调水各方案的利弊对比[J].科技导报,2003,( 5):6-9.