ATS水利枢纽工程引水发电洞工程地质问题及评价

2017-09-15关志伟

黑龙江水利科技 2017年8期

关键词：冲沟卸荷隧洞

关志伟

(新疆水利水电勘测设计研究院,乌鲁木齐 830091)

ATS水利枢纽工程引水发电洞工程地质问题及评价

关志伟

(新疆水利水电勘测设计研究院,乌鲁木齐 830091)

ATS水利枢纽工程是YRQH干流山区下游河段的控制性水利枢纽工程，是YRQH干流梯级规划中“两库十四级”的第十一个梯级。在分析研究ATS水利枢纽工程引水发电洞沿线工程地质条件的基础上，阐述了有害气体及放射性、高地温、岩爆、突涌水与外水压力等主要工程地质问题，建议在施工过程中加强地质配合工作，以保证施工顺利进行。

引水发电洞；地质构造；地质现象；工程地质问题；评价

1 项目概况

ATS水利枢纽工程是YRQH干流山区下游河段的控制性水利枢纽工程，是YRQH干流梯级规划中“两库十四级”的第十一个梯级。工程位于新疆维吾尔自治区南疆喀什地区莎车县霍什拉甫乡和克孜勒苏柯尔克孜自治州阿克陶县的库斯拉甫乡交界处，地理坐标E 76°27′41″，N 37°57′28″。工程建成后，在保证向塔里木河干流生态供水前提下，将替代泥沙淤积及灌溉效益较差平原水库，多年平均供给YRQH流域灌区灌溉用水 51.38亿m3，极大改善YRQH流域灌区灌溉条件；可将YRQH下游一般防护对象的防洪标准从不足 2.5 a一遇提高到20 a一遇，将重要防护对象防护标准从20 a一遇提高到50 a一遇。

引水发电洞利用YRQH在下游河道弯曲呈“Ω”型的地形条件，采用“裁弯取直” 在右岸平行布置二条引水发电洞，轴线间距弯道段前为40m，弯道段后为45-60m，采用一洞两机联合供水的布置型式，电站共4台机组，单洞设计引用流量222.4m3/s，Ⅰ#发电引水隧洞长6050.602m，Ⅱ#发电引水隧洞长5994.499m。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

引水发电系统位于中、低山区，地形起伏，厂房距坝址直线距离5.7km，引水发电隧洞穿越“Ω”型河道所围限基岩山体，山顶高程2000-2583m，区内冲沟发育，其中，规模较大的有3条，分别为坝址右岸1#冲沟、3#冲沟及克孜拉孜沟，前二条冲沟总体走向320°，最大切深250-270m，克孜拉孜沟沟口段呈近EW走向，后段转为近SN走向，切深80-150m。各冲沟底部均分布洪积物，平时干涸，暴雨时有洪流通过。发电引水洞线穿越上述冲沟。

2.2 地质构造

引水发电系统位于铁克里克断隆与莎车凹陷两个次级构造单元交界位置，两构造单元以ATS断裂为界，西为铁克里克断隆，主要为石炭系地层，断裂东侧为莎车凹陷，地表主要出露白垩系、第三系地层。

区内构造方向总体以北西向为主，褶曲发育，岩层总体走向北西向，产状300°-350°SW∠30°-80°，区内发育的构造主要有：

2.2.1 断裂

1)F28(ATS断裂)：穿越引水隧洞后段，断裂产状315°-350°SW∠54°-70°，断裂带宽度约100m，主要为碎裂岩、糜棱岩、构造透镜体及断层泥。

2)F28-1：为ATS断裂次级断裂，穿越引水隧洞后段，为石炭系与白垩系地层界线，断裂产状315°-350°SW∠54°-70°，破碎带宽度40m，主要为碎裂岩、糜棱岩、构造透镜体及断层泥。

3)F91：穿越引水隧洞后段，斜切克孜拉孜沟，顺层断层，断层产状340°SW∠65°，破碎带宽度2.5m，主要为碎裂岩、糜棱岩。

4)F92：穿越引水隧洞后段，斜切克孜拉孜沟，顺层断层，断层产状20°SE∠65°，破碎带宽度3m，主要为碎裂岩、糜棱岩，平行发育两条，间距7m。

5)F93：穿越引水隧洞后段，斜切克孜拉孜沟，顺层断层，断层产状10°SE∠80°，破碎带宽度4.5m，主要为碎裂岩、糜棱岩、断层泥。

6)F100：穿越压力钢管，断层产状305°SW∠30°，破碎带宽度3-5m，主要为碎裂岩、糜棱岩。该断裂为ATS次级断裂，受ATS断裂挤压作用，该断裂切割ATS下盘白垩系地层，使之一套地层叠加于同套地层之上，上部地层形成向斜构造(5#向斜)。

7)F101：穿越引水隧洞末端，断层产状300°SW∠70°，破碎带宽度3-5m，主要为碎裂岩、糜棱岩。受ATS断裂挤压作用，该断层大致沿5#向斜核部轴向发育，切割白垩系地层。

8)F102：位于厂址区调压井附近，顺层发育，层面呈弧形，总体产状40°-70°SE∠40°-60°，向下游逐渐转为270°-280°SW∠35°-40°，破碎带宽度3-4m，主要为断层角砾岩，沿断层局部伴生石膏层。

2.2.2 褶皱

1#向斜：位于引水隧洞南侧，核部轴向285°，倾向北西，倾角约30°，轴向与隧洞近平行。该向斜由石炭系沉积岩地层组成。

2#向斜：位于3#冲沟，核部轴向305°，近水平发育，规模较小。该向斜由石炭系沉积岩地层组成。

3#背斜：为引水隧洞段主要构造，核部位于隧洞后段，轴向5°，北部转为350°，倾向南西至南东，倾角约25°，两侧地层对称分布，西翼产状45°-75°，东翼65°-85°。该向斜由石炭系沉积岩地层组成。

4#小褶曲：位于引水隧洞后段，核部轴向与隧洞大角度相交，轴向350°，由3个连续的小背斜组成，受ATS断裂挤压影响，两翼岩层均倾向南西，倾角50°-70°，层面褶曲强烈。该向斜由石炭系沉积岩地层组成。

5#向斜：位于调压井位置，受ATS断裂及F100共同作用，ATS下盘白垩系地层叠加于同套地层之上，上部地层形成5#向斜构造。向斜核部轴向约300°，倾向南东，倾角20°-40°，向斜轴向长度约3km，两翼宽度约1.5km。该向斜主要由白垩系砂岩、泥质砂岩、泥岩、白云质灰岩等地层组成。

2.2.3 裂隙

区内构造挤压强烈，褶皱褶曲发育，灰岩、白云质灰岩为中硬岩，岩质硬、脆，节理裂隙较发育，主要垂直层面共轭发育或顺层面发育，延伸长度较小，岸坡部位受重力作用多见卸荷裂隙发育，多平行岸坡发育，与层面及其它裂隙组合易形成不稳定岩体。区内白垩系砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩地层多呈互层状，岩质软硬相间，裂隙不发育。

2.3 物理地质现象

引水发电系统物理地质现象较为发育，主要有泥石流、不稳定岩体、卸荷、风化、岩溶等。

2.3.1 泥石流

引水隧洞沿线的山体基岩基本呈裸露状态，冲沟发育且深切山体，沟底多为洪积形成的含土碎块石、碎石土层，厚度约数十米。沿线岩石局部易风化，在冲沟两侧坡面上堆积松散的碎屑物质，形成泥石流的物质来源，冲沟纵坡较大，植被发育较少，暴雨期易形成水性泥石流。在引水隧洞沿线的各条冲沟内，均存在泥石流问题，据ATS地质灾害评估成果，各冲沟的泥石流地质灾害危险性均为中等。

对深埋于地下的引水隧洞而言，泥石流对其安全无影响，但对引水发电隧洞沿线布置于沟内或沟边的各条施工支洞、临时施工道路而言，泥石流对其安全将构成一定威胁。项目施工时，施工洞挖弃出来的渣料应严禁堵塞泄洪通道，并加强施工期泥石流监测和预报。

2.3.2 岩体风化、卸荷及崩塌

1)风化。引水线路沿线岩体的风化受岩性、结构面及地形的控制，从岩性条件看，白云质灰岩、石英砂岩抗风化能力最强，地形上多呈凸起山梁或陡壁；粉晶细晶灰岩抗风化能力次之；含泥质粉晶灰岩、页岩、泥岩抗风化能力最差，地形上多呈冲沟或鞍部。从构造条件看，岩体裂隙发育，为风化营力侵入并向深部扩展提供了条件，风化层深度变化较大，陡坡及河床处风化层深度较浅，冲沟底和缓坡处风化层深度相对较大，断层带及其交汇处常形成囊状风化。

2)卸荷与崩塌。工程区表部岩体除向河谷卸荷外，利用层面向冲沟的松驰卸荷较为显著，据平硐揭露，平行河谷的卸荷裂隙切割深约15m；冲沟两侧岩壁卸荷裂隙带水平深度为8-10m。这些卸荷裂隙常与层面及缓倾角节理裂隙形成不利组合，产生塌滑及崩塌，堆积于坡脚及冲沟内。

2.4 水文地质条件

地下水主要有2类：①为孔隙潜水，主要分布在河床冲积层的砂卵砾石层中，主要受YRQH水补给，水位随河水位变化，水量较充沛，此外沿线冲沟内松散堆积物内亦分布孔隙潜水，主要受大气降水补给；②基岩裂隙水，主要赋存于引水发电建筑物区基岩裂隙及断层带内，沿裂隙网络运移，主要受冰雪融水及大气降水的补给，总体向YRQH排泄。

工程区气候干燥，山顶无终年积雪分布，大气降水稀少，基岩裂隙水贫乏。

3 引水发电系统主要工程地质问题

3.1 有害气体及放射性

引水隧洞区洞室围岩以石炭系灰岩、白云质灰岩和白垩系砂岩、泥岩、白云质灰岩等为主，工程区范围内无煤、石油和天然气分布，瓦斯危害的可能性较小。隧洞后段穿越ATS断裂，断裂规模较大，延伸长约70km，断裂走向与区内沉积地层走向一致，断裂带为有害气体的运移及聚集创造了有利条件，故沿断裂带易富集有害气体。引水隧洞沿线及邻近地区无放射性物源地层，存在放射性元素的可能性不大。由此分析，引水发电洞存在瓦斯危害及放射性的可能性不大，但隧洞穿越断裂时易富集有害气体，施工期需加强监测及通风措施。

3.2 高地温问题

高地温是深埋长隧洞工程中的一种地质灾害。工程区地面多年平均气温低，未发现温泉发育，隧洞沿线沟谷发育，切割深，利于热量散失，无放射性元素分布，隧洞埋深大部分在200-450m，最大埋深660m，局部地温梯度可能较高，可采用通风和喷水降温度措施。

3.3 岩爆

隧洞多为深埋隧洞，最大埋深为630m，隧洞围岩多为中厚层-巨厚层状岩体，大部分岩体较完整，部分岩体完整性差或破碎，洞线穿越“Ω”型河道所围限基岩山体，沿线冲沟发育，多呈”V”型，深切山体，切深300-400m，隧洞高于现代河床80-140m，隧洞沿线除过大冲沟段外，地下水多不活动。

在峡谷地区，从谷坡至山体以内，可区分为地应力释放区、地应力集中区和原始地应力区。峡谷的影响范围，在水平方向一般为谷宽的1-3倍。谷坡位于越高的位置，将会产生越大的地应力释放区的影响范围。两岸山体的最大主应力方向一般平行于岸坡，而在河谷谷底较深部位，最大主应力方向趋于水平且转向垂直于河谷。

洞线距谷坡最远距离2.5km，其洞线高程位置对应的谷宽一般700-2000m，且隧洞沿线冲沟发育，深切山体，对地应力亦有一定的释放作用，所以洞线基本处于地应力释放区，初步判断最大地应力为自重应力。岩石天然密度取2.61g/cm3，经计算，洞室埋深<383m的地段，岩体自重应力<10MPa，为低地应力区；洞室埋深在383-630m之间的地段，岩体自重应力介于10-20MPa，为中等地应力区。隧洞最大埋深630m，一般250-400m，局部埋深较大，隧洞埋深大于300m的灰岩、白云质灰岩地段施工中可能存在轻微岩爆，局部白云质灰岩深埋段可能存在中等岩爆。

3.4 突涌水与外水压力

1)根据气象、地形、地貌以及地质条件初步判断，隧洞设计底板高程均高于河水位，地下水为基岩裂隙水，主要补给来源为大气降水，区内降雨稀少。

2)隧洞通过地段地下水以基岩裂隙潜水为主，其赋存和分布具有明显的不均匀性。

3)隧洞围岩以层状结构的沉积岩为主，岩体总体上富水性较差，可能富水地段为过大冲沟段的岩体浅部和断层带，大冲沟多有暂时性水流分布，暴雨时有洪流通过，岩体浅部由于受卸荷影响渗透性较强，断层破碎带由于具有良好的储水和导水性能，并且沿断层多有沟谷分布，利于地表和地下水汇集，易于形成不同形式的富水带。

4)隧洞地下水活动段主要位于3#冲沟到ATS次级断裂F28-1之间，主要以Ⅲ类围岩为主，部分Ⅳ类，少量Ⅴ类。结合工程区勘探资料，确定隧洞各类围岩外水压力折减系数，见表1。

表1 外水压力折减系数

综合上述，隧洞一般洞段为无水和仅有少量渗水或滴水，地下水主要富集在ATS断层及影响带、局部裂隙密集带和过大冲沟处浅埋段附近，ATS断裂破碎带及影响带具有良好的储水和导水性，隧洞穿越断裂带位置低于邻近冲沟约100m，该段隧洞具有涌水的可能性，施工期需加强监测。

3.5 地下水腐蚀性问题

隧洞沿线地下水主要为基岩裂隙水，根据地质测绘及工程区地下水检测成果，工程区内石炭系地层沿裂隙局部见石膏薄膜分布，C1h地层内可见黄铁矿分布，白垩系、第三系地层内见石膏层分布，区内气候干燥，各因素均易于地下水中盐分的聚集，综合分析，引水隧洞沿线地下水对混凝土具有结晶类硫酸盐型中等-强腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具有中等腐蚀性，对钢结构具有中等腐蚀性，须做好防腐处理措施。建议1#引水发电洞右岸桩号1+368之后洞段、2#引水发电洞右岸桩号1+200之后洞段可采用高抗硫水泥掺粉煤灰的处理措施。

3.6 石膏层的工程特性及处理建议

场地内的石膏层主要分布于厂房后边坡的白垩系上统英吉沙群(K2)地层中，存在形式为石膏层、石膏团块和石膏脉，其工程特性及对水工建筑的影响是引水发电系统的主要工程地质问题之一。

3.6.1 石膏层的分布特征

场地内白垩系地层中的石膏有原生和次生的两种，与岩石同时形成的化学沉积矿物为原生石膏，原生石膏被溶蚀的石膏溶液在裂隙中再次结晶的产物为次生石膏。在岩石中存在的形式有以下4种。

1)团块状石膏：在岩体内石膏呈形状不规则的团块，分布无规律，团块直径1-15cm不等，最大的达30cm。

2)脉状石膏：在岩体的断层和裂隙中，石膏呈脉状断续充填，厚度一般为0.2-15cm，总含量小于15%。

3)薄层至中厚层状石膏：石膏多呈层状、条带状及透镜体状产出，厚度0.8-2.4m。含量13.8-24.5%。

4)巨厚层石膏：分布于厂房下游及ATS村以北，厚度10-50m。

3.6.2 石膏的成份及力学性质

石膏是单斜晶系矿物，主要化学成分是硫酸钙(CaSO4)。根据试验成果，石膏的力学性质如下：密度1.77-1.82g/cm3，抗剪强度较低，天然状态下摩擦角为37.5°-38.5°，抗压强度2.15-2.83 MPa，变形模量7.46-13.8MPa，饱和状态下抗压强度0.78-1.56 MPa。

根据以上力学性质指标及相关工程经验，未被溶蚀的石膏层抗压强度与泥岩相接近，变形参数则比泥岩略高，从抗压强度和变形参数来看，基本可满足调压井等建筑物的要求。

3.6.3 石膏的危害及防治