东山供水工程石匣水库供水支线方案地质比选

荆海丰

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 工程概况

山西省东山供水工程为山西省境内的一项跨流域引调水工程，从山西省富水区清漳河流域、浊漳河流域调水到贫水区的汾河流域。工程主要位于山西省晋中市，横跨海河流域和黄河流域，供水体系涉及调水区3县：晋中市的左权县、榆社县和长治市的武乡县；受水区为晋中市南部5县（市）：太谷县、祁县、平遥县、介休市、灵石县。

调水区取水水源包括石匣水库、关河水库、云竹水库及二期水源。石匣水库供水支线是东山供水工程的供水支线之一。

2 石匣水库供水支线方案

对石匣水库供水支线，设计提出了高线方案、中线方案、低线方案三个方案进行比选。

2.1 高线方案

在石匣水库内设进水塔，采用压力管道将库水采用重力流方式送至坝下游石匣乡清漳西源右岸隧洞进口，管线长度约1.6 km。

从石匣乡清漳西源右岸隧洞进口至柳沟段采用隧洞引水，隧洞长度约26.3 km，其间设6条支洞，在隧洞进出口分别设进水池和出水池，全部采用钻爆法施工。

从柳沟至北图划段采用压力管道引水，管线长度约12.2 km；在北图划与关河水库供水支线汇合，汇合处设调压池。

石匣水库供水支线高线方案供水线路全长约40.1 km。

2.2 中线方案

在石匣水库内设进水塔，采用压力管道将库水采用重力流方式沿清漳西源河谷送至清漳西源下游右岸的苏亭隧洞进口。管线长度约21.5 km。

从苏亭隧洞进口至董家庄采用隧洞引水，在隧洞进出口分别设进水池和出水池。按隧洞施工方法，有二个比较方案，一是纯钻爆法，其间设10条支洞，二是钻爆法+TBM法，隧洞全长约40.3 km。其中，TBM法长约15 km。

从董家庄至北图划采用压力管道引水，管线长度约11.6 km；在北图划与关河水库供水支线汇合，汇合处设调压池。

石匣水库供水支线中线方案供水线路全长约73.4 km。

2.3 低线方案

从石匣水库至曹家峪，采用压力管道将库水采用重力流方式沿清漳西源河送至曹家峪，长度约39.5km。

从曹家峪至疙瘩滩主要采用隧洞引水，跨较大沟谷段设箱涵或压力管道，隧洞进出口处分别设进水池和出水池。隧洞按施工方法分为两个比较方案：一是采用TBM+钻爆法施工，长度约43.8 km，其中，TBM法隧洞段约15.2 km；二是采用纯钻爆法施工。

从疙瘩滩至阎家沟采用压力管道引水，长度约11.5 km；在阎家沟与关河水库供水支线汇合，汇合处设调压池。

石匣水库供水支线低线方案供水线路全长约103.5 km。

3 石匣水库供水支线各方案工程地质

各方案压力管线段虽长短不一，但涉及地层岩性均主要为第四系全新统洪冲积卵石混合土、级配不良砂（砾）、低液限粉（黏）土，地下水埋深一般较小，存在的主要工程地质问题相似，主要有基坑涌水、地基不均匀变形、地震液化、冲刷等。故各方案压力管线段地质条件不再一一介绍，以下主要简介各方案隧洞段工程地质条件及存在问题。

3.1 高线方案

隧洞总长26.3 km，隧洞最大埋深370 m。隧洞涉及的地层岩性为二叠系上统及三叠系砂岩、页岩及泥岩，洞段大多位于地下水位以下。主要存在隧洞软弱岩（泥页岩）段围岩变形问题，也存在渗水或涌突水问题。由于泥页岩的相对隔水作用，区内地下水多具有层间水特点，地下水位虽一般较隧洞高出很多，但作用在隧洞衬砌上的实际水头不一定高，分析隧洞涌水量也不甚大。

预测隧洞围岩类别主要为Ⅳ、Ⅴ类，分别占隧洞总长的47.6%、41.1%，部分为Ⅲ类，占11.3%。

3.2 中线方案

隧洞总长40.3 km，隧洞最大埋深480 m。隧洞涉及的地层岩性有：长城系石英岩状砂岩；寒武系灰岩、白云岩、页岩；奥陶系灰岩、泥灰岩；石炭系、二叠系砂岩、页岩、泥岩夹煤层；三叠系砂岩、页岩、泥岩。隧洞大多位于地下水位以下。

长城系石英岩状砂岩洞段岩石坚硬，主要存在渗水或涌突水问题，类比相似地区经验分析其涌水量不大；寒武系、奥陶系灰岩、白云岩洞段岩溶发育，存在渗水、涌水或突水问题，分析涌水量较大，还存在软弱岩（页岩、泥灰岩）段围岩变形问题；石炭系、二叠系、三叠系砂岩、页岩、泥岩主要存在隧洞软弱岩（泥页岩）段围岩变形问题，也存在渗水或涌突水问题，分析隧洞涌水量也不甚大。石炭系、二叠系下统煤层还存在压煤、有害气体、腐蚀性等问题，左权县城南隧洞通过高庄等煤矿，有穿采空区问题。

预测隧洞围岩类别以Ⅳ、Ⅴ类为主，分别占隧洞总长的43.6%、42.3%，部分为Ⅲ类，占14.1%。

3.3 低线方案

隧洞总长43.8 km，隧洞最大埋深730 m。隧洞涉及的地层岩性有：太古界变质岩；长城系石英岩状砂岩；寒武系灰岩、白云岩、页岩；奥陶系灰岩、泥灰岩；石炭系、二叠系砂岩、页岩、泥岩夹煤层；三叠系砂岩、页岩、泥岩。隧洞大多位于地下水位以下。

隧洞存在的主要工程地质问题与中线方案近似。该方案在武乡县戈北坪、合家垴村隧洞通过煤矿采空区。且该方案隧洞埋深较大，受地应力影响较大，可能出现围岩大变形，也不排除产生岩爆可能。

预测隧洞围岩类别以Ⅳ、Ⅴ类为主，分别占隧洞总长的42.3%、37.2%，部分为Ⅲ类，占20.5%。

4 石匣水库供水支线方案地质比选

根据高线、中线、低线三方案沿线的的工程地质条件、工程地质问题等情况进行分析比较。

从线路长度来看，石匣水库供水支线高线、中线、低线方案线路全长分别约为40.1 km、73.4 km、103.5km。其中，隧洞段长度分别约为26.3km、40.3km、43.8 km。从引水线路长度及隧洞段长度来看，高线方案引水线路及隧洞段最短，低线方案引水线路及隧洞段最长。

各方案压力管道段地质条件相似，存在的主要工程地质问题也基本相同，地质比较意义不大。但各方案隧洞段工程地质条件存在差别，主要从以下几个方面进行对比分析：

4.1 地层岩性

高线方案隧洞涉及的地层为二叠系上统及三叠系地层，以砂岩、泥岩为主；中线方案隧洞涉及地层从长城系至三叠系，岩性复杂，主要有石英岩状砂岩、灰岩、白云岩、泥灰岩、砂岩、页岩、泥岩等；低线方案涉及地层从太古界至三叠系，岩性复杂，较中线方案增加了多种类型的变质岩；总体看高线方案地层岩性较为单一。

4.2 地下水

三方案地下水位均大多高于洞顶，均存在渗水、涌水和突水问题，但中、低线方案隧洞穿越岩溶发育区，涌水量可能较大，突水问题可能较严重。且这些地段围岩渗透性强，外水压力折减较少，作用在隧洞衬砌上的水压较高。而高线方案分析隧洞涌水量不甚大，作用在隧洞衬砌上的实际水头一般不高（构造破碎带除外）。

4.3 煤矿采空区及压煤

高线方案隧洞从二叠系上统及三叠系砂岩、页岩、泥岩中穿过，沿线无煤层，无煤矿采空区，也不存在压煤问题；中线、低线方案均穿过煤层，存在压煤问题、有害气体影响问题及腐蚀性等问题，中线方案在高庄一带经过煤矿采空区，低线方案在戈北坪、合家垴一带经过煤矿采空区，存在采空区影响问题。

4.4 地应力影响

高、中、低线方案隧洞最大埋深分别为370 m、480 m、730 m，三方案中均存在软弱夹层，均可能受地应力影响产生围岩大变形，但高线方案隧洞埋深相对较小，地应力影响相对较弱，低线方案受地应力影响相对较大；另外，中、低线方案涉及坚硬岩较多，在适宜条件下不排除产生岩爆可能性。

4.5 围岩类别

各方案隧洞围岩类别均为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类，所占比例高线为11.3%、47.6%、41.1%，中线为14.1%、43.6%、42.3%，低线为20.5%、42.3%、37.2%。总体看三方案隧洞围岩类别比例差别不大，均以Ⅳ、Ⅴ类为主，其比例在79.5%～88.7%之间，低线方案Ⅲ类围岩比例虽然相对较多，但优势并不明显。

4.6 隧洞沿线环境影响

三方案隧洞均主要从基岩山区通过，沿线村庄稀少，未发现有较大的泉水，沿线没有保护区和饮用水水源地等。但中、低线方案隧洞处于娘子关泉域南部边缘地带，处于娘子关泉域范围内，且隧洞直接穿过碳酸盐岩区段，隧洞开挖可能对娘子关泉产生一定的影响。

5 结论

高线方案沿线水文地质、工程地质条件简单，隧洞埋深相对较小，避开了水文地质条件复杂和岩溶发育的寒武奥陶系石灰岩区，无煤矿采空区，无压煤问题，地应力影响相对较小，且隧洞长度较小。

中、低线方案沿线水文地质、工程地质条件较为复杂，隧洞埋深相对较大，通过岩溶发育地区时，涌突水问题及外水压力可能较大；通过煤系地层及采空区时，存在突水、有害气体、压煤等问题；地应力影响相对较大；隧洞长度较长。

综上所述，从工程地质角度考虑，推荐高线方案。