巴基斯坦某水电站引水隧洞地质风险分析与应对研究

程光伟， 杜潇翔

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

巴基斯坦某水电站引水隧洞地质风险分析与应对研究

程光伟， 杜潇翔

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

位于吉拉姆河上的巴基斯坦某水电站装机容量大、水头高、引水线路长，地质风险非常高。本文基于该项目的基本地质条件，系统分析了项目的各项地质风险，并重点就引水隧洞的涌突水问题、围岩变形问题、断裂分布及影响进行了论述，提出了相应应对措施建议。

引水隧洞； 涌突水； 抗断； 地质风险

1 工程概况

巴基斯坦某水电站位于巴基斯坦东北部的巴控克什米尔(AJK)境内的印度河(Indus River)支流吉拉姆河(Jhelum River)上，工程为单一发电任务的水电枢纽，拦河坝为曲线形混凝土重力坝，两条引水隧洞洞线相互平行，中心线间距45 m，隧洞直径8.5 m，单洞长度约为17.4 km，总设计引水流量为425 m3/s。电站总装机容量1 118 MW，多年平均总发电量为51.74亿kW·h。

2 工程区地质条件概述

工程区位于喜马拉雅山南麓，总体地势北东高，向南西逐渐降低。区内河谷深切，地势较陡，沟谷很发育，水系呈近平行的树枝状分布，所有大的沟谷多近平行展布，流向吉拉姆河，地貌形态特征主要受构造和岩性控制。

工程区位于亚喜马拉雅逆冲推覆体上，附近主要出露第三系穆里(Murree)组和卡米列(Kamlial)组地层。穆里(Murree)组地层年代为下中新统(N11)，由砂岩、粉砂岩、页岩、泥岩组成，局部见有少量透镜状砾岩，该层在工程区内广泛出露，厚达数百米。卡米列(Kamlial组地层年代为下)组地层年代为下～中中新统(N11～2)，由砂岩、泥岩/劈理化泥质粉砂岩和透镜状砾岩组成，分布于隧洞沿线一带。

工程区位于Hazara-Kashmir并合构造(HKS)上，主边界断裂带(MBT)将之包围成环形带在并合构造周围还有数条其他逆冲断裂带。工程区区域构造稳定性差，坝址区和厂房区50年超越概率10%的地面动峰值加速度(PGA)分别为315.0 gal(约0.321 g)和311.5 gal(约0.318 g)，均相当于地震基本烈度Ⅷ度。隧洞沿线的地震动加速度峰值分档为0.30 g区(参考范围值[0.28 g,0.38 g])，也相当于地震基本烈度Ⅷ度。

受气候和地质条件的控制，工程区域内岩体风化作用以物理风化(卸荷)为主，化学风化相对较微弱。工程区地形地貌总体发育趋势以上升为主，沟谷下切较深，形成高陡岸坡。岩体均受到明显风化和重力卸荷作用的影响，卸荷带深度一般小于30 m。

3 工程区主要地质风险分析

本项目区域构造稳定性差，断裂(尤其是活动断裂)极为发育，地震烈度高(Ⅷ度区)，岩体软硬相间，地质条件非常复杂，地质风险极高。本项目主要难点在于引水隧洞，具有超长、深埋、硬岩高地应力与岩爆、软岩塑性变形量大、塌方、涌突水问题突出、开挖支护难度大、安全问题突出等诸多不利因素。需重点关注长引水隧洞深埋引起的不良地质问题、隧洞过断裂带抗断问题、多条引水隧洞检修通道设置问题。

4 引水隧洞区主要地质风险分析

4.1 引水隧洞渗水和突水分析

渗水和突、涌水是隧道施工中最常见的水文地质现象。大量的突、涌水往往给工程带来许多困难和危害，甚至造成严重事故迫使工程停工，从而大大影响施工期限。隧洞施工仅出现水量不大的漏水、渗水等也会造成不同程度、不同类型的危害。除此之外，由于水的物理和化学作用，隧洞的工程地质水文地质条件也会出现恶化，从而产生其他类型的隧洞病害。

本项目隧洞沿线高耸宽大的山脉与河谷盆地相间分布，穿越2个较大的分水岭。雨季大气降水充沛，为地下水提供了丰富的来源。地层受新构造运动的影响，褶皱、断层及节理裂隙比较发育，为地下水的活动创造了空间条件。

现结合区内对地下水有控制意义的褶皱及断层等储水构造及隧洞掘进过程中推测易发生突、涌水及涌水量较大的区段，主要包括萨朗褶皱带、喜马拉雅前缘断裂带(HFT，F5)、f1断层、f2断层、f3断层、f4断层等部位。

以上构造部位均有利于地下水的赋存，从岩性、构造发育特征及勘探试验资料等方面判断，隧洞除了构造破碎带附近、向斜核部地层局部可能发生承压水和裂隙水集中式涌(突)水；而节理发育地层可能有裂隙水点状渗流外，大部洞段岩体渗透性较弱。

隧洞涌、突水地段主要是地质上的薄弱环节，如断层破碎带、节理裂隙密集带、向斜核部及岩相变化带等。尤其是赋存于断层带、向斜核部的承压水水头一般较高，据丹纳(Danna)向斜核部附近ZKT6钻孔揭露有高水头承压水，以此推测本工程可能会遇到超高水头的裂隙承压水。这些涌(突)水地段，不仅使隧洞的水文地质、工程地质条件恶化，强大的水压和围岩压力共同作用下，也可引起围岩大变形、坍方及冒顶，摧毁支撑。

隧洞所穿过地层主要为砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、劈理化粉砂质泥岩及泥岩。绝大部分洞段(约占86%)埋深大于260 m，具中等以上地应力。因受地应力影响，岩体的渗透性和富水均较弱，地下水活动性也随之减弱。所以宏观分析、判断，大部分洞段一般不会出现大的涌水，主要以滴、渗水为主。

但在隧洞穿过节理发育段砂岩、断层及其破碎带、穿阿加(Agar)河谷段以及向斜构造承压水或遭遇持续的强降雨时可能会出现涌水和突水现象。施工时应具备对涌水和突水现象的超前探测与超前处理的能力。

4.2 引水隧洞涌水量分析

在不考虑排水防渗措施的前提下，对隧洞开挖时(施工期)涌水量进行预测。

计算最大涌水量时分别采用古德曼经验公式和工程实践总结的经验公式，计算稳定涌水量时分别采用柯斯嘉科夫法和工程实践总结的经验公式。

古德曼经验公式：

式中K——含水体渗透系数，m/d，根据钻孔抽水试验及经验取值；

H——静止水位到洞身横断面等价圆中心距离，m；

d——洞身横断面等价圆直径，7 m；

L——隧道通过含水体的长度，m。

通过估算可知，一般洞段的稳定单位涌水量约6～9 m3/(d·m)，阿加(Agar)河谷段的稳定单位涌水量在50 m3/(d·m)左右；最大涌水量约为稳定涌水量的2～3倍。

上述估算仅按单条隧洞考虑，没有考虑双隧洞之间的相互影响和洞室开挖过程中的预灌浆及支护影响，且渗透系数采用钻孔深度范围内的岩体平均透水率，会大大消弱泥岩/劈理化泥岩对防渗的积极作用。因此，估算的涌水量要比实际涌水量大，仅供参考。考虑到隧洞围岩透水层、隔水层相间分布或以夹层形式出现，且总体透水性较弱，均一性极差，所以很难计算开挖期的涌水量，因此在分析类比的基础上建议一般洞段的涌水量以2～4 m3/(d·m)计。在隧洞穿过HFT断层带、向斜核部、断层破碎带及阿加河谷段时推测涌水量将会较大，甚至会发生突涌水，估计以上部位涌水量20～50 m3/(d·m)。

4.3 引水隧洞围岩挤压变形分析

工程区内SS2砂岩均一性差，多与劈理化泥岩互层或呈夹层状分布；而泥岩/劈理化泥岩或连续或互层或呈夹层状分布，性软。

在上部为砂岩、下部为粉砂质泥岩或泥岩的层面附近，经常会有严重的挤压剪切现象，且下部的粉砂质泥岩或泥岩/劈理化泥岩在一定范围内已经发生软化，这将严重影响围岩的变形。

理论上，通常用围岩强度应力比(S)判别法对围岩变形进行初步判断。经计算SS2砂岩的饱和单轴抗压强度约42 MPa，在埋深180～300 m的情况下围岩就会产生塑性变形，在埋深大于300 m的情况下将会发生大变形；泥岩/劈理化泥岩的岩石强度(天然状态)一般在15 MPa以下，围岩强度应力比值S很多小于0.5，在埋深大的泥岩段将会发生大的塑性变形、甚至挤出破坏。在断层挤压带及含地下水洞段这种变形或会严重。

根据泥岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩岩块纵波速度随时间衰减规律的测试成果分析，在隧洞开挖之后，这些岩性若经历长时间暴露，岩块强度必然发生不同程度的降低，从而导致围岩快速变形失稳。因此，建议一期支护采用能够封闭围岩的柔性支护为主，且在开挖后8小时之内完成，以充分保护这些岩体的强度，降低围岩的塑性变形。

4.4 地应力分析

工程区处于强烈挤压变形的褶皱带内，隧洞埋深大，大部分洞段的埋深在400～800 m，最大埋深达1 150 m。补充勘察过程中在隧洞首部的坝址右岸、隧洞中部和隧洞出口钻孔中分别进行了水压致裂法地应力测量。

(1)三个孔的实测结果均表明最大水平主应力占主导地位，该工程区的水平构造作用力明显。通过对世界应力图数据的检索可知，该区域的震源机制解结果均表明应力状态为有利于逆冲断层活动；而三个钻孔所揭露的岩体质量均较差，因此提供的可靠信息有限，故综合两种数据结果，该区域主导应力状态应为SHgt;Shgt;SV。

(2)三个钻孔实测所得到的测区最大水平主应力方向为NE70.3°～89°。

(3)根据隧洞沿线的地应力预测，最大水平主应力约56 MPa(埋深约1 150 m)。

根据《水力发电工程地质勘察规范》(GB50287-2006)附录P，对引水隧洞沿线岩体初始地应力进行分级，得出地应力分级的预测埋深、长度和所占比例，引水隧洞而言，中等地应力状况约为7.79 km，约占隧洞段的45%；高地应力洞段约为6.09 km，约占35%；极高地应力洞段约为0.57 km，约占3.3%。

4.5 HFT断裂带对引水隧洞的影响分析

隧洞穿越HFT断裂带及其影响宽带约600 m，断裂带对引水隧洞的影响分析如下：

4.5.1 对HFT断裂带宽度的初步判断

(1)根据EH-4音频大地电磁测深测试成果判断。根据物探EH-4音频大地电磁测深剖面DW1-DW1’及DW2-DW2’，在HFT出露的地表下部可见有一条倾向NE向的相对低阻异常带，高程600 m部位倾角约为55°～60°，据物探剖面推测宽度为400～550 m，在深部该异常带宽度变窄。

(2)根据钻孔岩芯判断。据HFT断裂带附近的勘探点揭露，钻孔岩芯状态极为破碎，不规则节理裂隙发育～极发育，挤压、扭转迹象明显，证实钻孔均在HFT断裂带破碎带内，但每个钻孔中均有少量岩芯较完整段。

(3)根据孔内电视成果判断。据部分钻孔孔内电视成果分析，孔深50.0 m以上孔壁完整性较好，裂隙平直，岩体较完整；但孔深50.0 m以下岩体内节理裂隙越来越密集，孔壁完整性也越来越差，如孔深54.0～60.0 m段，孔壁岩体破碎，似“角砾岩”状，节理裂隙发育不规则，多为方解石脉完全充填，表明此段岩体受构造影响剧烈；孔深140.0 m以下，岩体中方解石脉极发育，不规则节理发育，孔壁破碎，均表明岩体在构造带内。

综上初步认为，HFT实际上是由一系列近平行的破碎带、剪切带组成的逆冲断裂带，且由于岩性的差异，其间部分段岩体相对完整，呈“带中带”分布，其集中发育一条逆冲带，主要破碎带宽度预计在250～300 m之间。

4.5.2 HFT断裂带组成物质分析

HFT断裂带组成物质复杂，胶结程度各异。

破碎带中岩块岩性主要为粉砂岩、泥质粉砂岩和细砂岩，局部为泥岩/劈理化泥岩，局部可见角砾岩。

带内物质以方解石完全胶结为主，局部为半胶结(见图1)。由于泥质粉砂岩的强度低、隐微节理发育，造成带中很多泥质粉砂岩特别破碎。

图1 断层带中半胶结的SS2砂岩

4.5.3 HFT断裂带对隧洞的影响分析

(1)抗断问题。HFT断裂带属于全新世区域性活动断裂，走向NW，倾向NE，滑动速率约3 mm/a。其与隧洞轴线几乎正交，对隧洞存在抗断问题。

(2)渗水和突水。隧洞所穿过地层主要为破碎的砂岩夹泥岩/劈理化泥岩。隧洞最大埋深仅230 m，地下水位高于洞室底板约85 m，岩体总体为弱透水层，所以宏观分析、判断，大部分洞段一般不会出现大的涌水。但需注意的是，由于在该区的NW方向有一“堰塞塘”，HFT断裂带的新构造裂缝可能从“堰塞塘”中穿过，导致施工期湖水回灌，因此施工时应具备对涌水和突水现象的超前探测与超前处理的能力。

(3)围岩变形特性分析。该段隧洞最大埋深约230 m，泥岩/劈理化泥岩的强度低，在某些地段，泥岩单轴抗压强度与地应力的比值大部分小于1，在断层挤压带及含地下水洞段变形将会变得严重，在长期的外部荷载影响下可能会产生塑形挤出或顺层滑动。所以，施工时应具备对大断层进行超前探测与超前处理的能力，为优化设计提供有力的证据，设计需考虑对大断层的永久监测措施。

5 结 论

本项目装机容量大，水头高，引水线路长，工程区地质条件差，尤其是引水隧洞穿过活动断裂带，地质问题突出，在项目实施前应充分考虑到不利地质因素的影响，为后续工作的开展做好充分准备。设计时要考虑采取合理结构措施应对抗断问题，重视对高地应力和断层破碎带等引起的地质问题的处理；在施工过程中，建议做好超前地质预报，对可能的涌水和突水以及高地应力等现象进行超前探测与超前处理；根据引水隧洞在施工过程中揭露的地质现象，检验和修正前期勘察资料，对各处理措施进行动态调整，同时，布置永久监测措施，特别是对穿越断层带时重点观测变形、位移、有害气体超标等现象；运行阶段定期进行巡视，发现问题及时处理。

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2016- 05- 23

程光伟(1980-)，男，四川泸州人，硕士，高级工程师，研究方向为工程地质、风险管理。

TV672.1；TV221.2

B

1003-9805(2017)04-0057-03