灵石中部引黄供水线路分水洞工程地质调查

2018-02-19王鸿燕

山西水利 2018年11期

关键词：泥灰岩奥陶系峰峰

王鸿燕

（灵石县水务局，山西灵石 031300）

1 区域地质概况

1.1 地形地貌

灵石县地处太原盆地与临汾盆地之间的隆起带，全县呈东西高，中间低的宽缓槽形地形，区内地形起伏大，高低悬殊，全县最高处为东部的霍山区牛角鞍，高程为2 566.6 m，最低为南关石桥村灵石汾河出口处，高程为580 m。

灵石县地貌按成因及形态可划分为溶蚀高中山，剥蚀侵蚀低山、黄土台塬及山间河谷区。灵石县全境属黄河流域汾河水系，汾河发源于宁武县管涔山麓，穿越太原盆地，从介休白岸和灵石境内的桑平峪之间入境，流经两渡、翠峰、夏门、南关四镇，由南关石桥村流向霍州市，在河津市西南汇入黄河。汾河是区内最大河流，从中部纵贯南北，境内主要支流有静昇河、仁义河、交口河和段纯河，其中右岸主要支流为交口河和段纯河，左岸支流为静昇河和仁义河。

1.2 地层岩性

本区出露的地层由老到新有：太古界太岳山群柏杨河组（ATb）和石膏山组（ATs）；元古界长城系（Zch）；古生界寒武系（∈）、奥陶系（O）、石炭系（C）、二叠系（P）；新生界上第三系（N），第四系中更新统（Q2）、上更新统（Q3）、全新统（Q4）及人工堆积（Qs）。

1.3 供水线路工程地质

灵石中部引黄县域小水网供水工程，供水起点在中部引黄交汾灵支线桩号38+920处。供水线路自交汾灵隧洞至前进水库后，沿着段纯河往下游至段纯河和汾河交会处，自交会处再往下至南关镇和仁义河上游逍遥村受水点的线路走向，根据地形自交会处沿着汾河右岸向下游铺设管道，至南关镇后跨过汾河至左岸，在左岸沿着仁义河向上游至逍遥村东方铝业集团。

2 分水洞工程地质条件

2.1 地形地貌

分水洞从中部引黄交汾灵支线桩号38+920处，至前进水库西侧枣园沟右岸，总长5 810 m，洞口断面为城门洞型，洞高3.04 m，洞底高程928.026 m。其后接680 m浆砌石渠道至前进水库。该段为剥蚀侵蚀低山区，走向N73°E，沿线地形起伏较大，地面高程932～1 230 m，沿线较大的冲沟有枣园沟及其支沟。

2.2 地层岩性

隧洞沿线发育的地层从老到新有：奥陶系中统峰峰组灰岩、白云质泥灰岩、泥灰岩；石炭系中统本溪组砂质页岩、页岩夹薄煤层、铝土岩、硫铁矿；石炭系上统太原组、山西组泥岩、页岩夹砂岩、煤层、石灰岩；第四系中更新统洪积浅红、浅黄色低液限粘土夹古土壤；第四系上更新统风积淡黄色低液限粉土；第四系全新统洪冲积低液限粘土、卵石混合土层。

2.2.1 沿线钻孔岩芯采取率及RQD

沿线共布置了2个钻孔，钻孔岩芯采取率及RQD统计结果见表1。

2.2.2 沿线钻孔声波测试成果

沿线1个钻孔（ZK17-2）进行了钻孔声波测试，钻孔声波测试成果见表2。

2.2.3 隧洞围岩岩石物理力学指标

隧洞围岩主要为奥陶系中统峰峰组灰岩、泥灰岩，据工程沿线钻孔取样，进行室内试验，隧洞围岩岩石物理力学试验成果见表3。奥陶系中统峰峰组灰岩的有关性质指标如下：其颗粒密度平均值2.70 g/cm3，天然密度平均值为2.67 g/cm3，烘干密度平均值为2.65 g/cm3，饱和密度平均值为2.68 g/cm3；吸水率0.96%，饱和吸水率1.24%；单轴饱和抗压强度2.3～45.7 MPa，平均值27.5 MPa，属较软岩；软化系数0.64，泊松比0.29，饱和变形模量3.71×104MPa；饱和抗剪断强度的凝聚力C为2.95 MPa，内摩擦角Φ为47.4°。

表1 分水钻孔岩芯采取率及RQD值统计表单位：%

表2 ZK17-2钻孔（桩号4+241）声波测试成果统计表

表3 隧洞围岩岩石物理力学指标统计表

隧洞围岩在钻进过程中较为破碎，灰岩、泥灰岩渗透系数为7.8×10-5～8.7×10-4cm/s，平均值2.0×10-4cm/s，大值平均值7.6×10-4cm/s，具弱～中等透水性。

2.3 地质构造

隧洞沿线无明显断层等地质构造，岩体岩层产状N20°E/SE∠5°，主要发育两组节理裂隙，岩体中主要发育两组节理裂隙，其产状分别为：①N12°～36°E/NW∠82°～89°，一般张开2～6 mm，无充填，隙面起伏粗糙，延伸远；②N66°～80°E/SE∠81°～86°，一般张开3～10mm，无充填或少量泥质充填，隙面平直光滑。

2.4 水文地质

沿线地下水主要为碳酸盐岩类裂隙水、碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙水和松散岩类孔隙水。

碳酸盐岩类裂隙水主要赋存于奥陶系灰岩裂隙或溶隙中，泥灰岩为相对隔水层。主要靠大气降水入渗和松散岩类孔隙水补给，由高处向低洼地带径流或越流排泄。

碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙水，主要赋存于石炭系砂岩、灰岩裂隙或溶隙中，泥灰岩、页岩、泥岩及煤层为相对隔水层。主要靠大气降水入渗和松散岩类孔隙水补给，由高处向低洼地带径流或越流排泄。

松散岩类孔隙水主要赋存于第四系洪冲积卵石混合土、级配不良砂中，主要接受大气降水及地表水的入渗补给和山区基岩裂隙水侧向径流补给，地下水也向河谷低凹地带径流、排泄。

于隧洞沿线钻孔ZK17-1中取地下水样1组，水化学类型为SO4-HCO3-Mg-Ca型。依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487-2008）附录L环境水腐蚀判定标准，地下水对混凝土具中等腐蚀性，水中Cl－（含硫酸盐折算后）含量为144.57 mg/L，介于100～500 mg/L之间，对混凝土结构中钢筋为弱腐蚀性；PH值为7.29，介于3～11之间，（Cl－＋SO42-）含量为507.06 mg/L，大于500 mg/L，对钢结构具中等腐蚀性。

2.5 物理地质现象

隧洞沿线主要物理地质现象为基岩风化、岩溶。工程区内基岩强风化带厚，一般为5 m左右。岩溶发育于碳酸盐岩地层中，形态主要以溶蚀裂隙为主，伴有溶沟、溶槽、溶孔等，可见少量溶洞，在节理密集带及软弱层间挠曲等处岩溶较发育，充填或半充填棕黄色含碎石粘土、低液限粘土等。岩溶发育程度较强烈的地层为奥陶系中统峰峰组地层。

此外，钻孔ZK17-1（桩号D2+450）深度60.6～63.3 m，有厚2.7 m的采空区未充水，位于隧洞上部约180 m，高程约1 114 m；钻孔ZK17-2（桩号D4+230），深度25.4～27.3 m有厚1.9 m的采空区未充水，位于隧洞上部约67 m，高程约1 000 m，因距洞顶60 m以上，故推测该段采空区对隧洞影响不大。

3 分水洞工程地质评价

该隧洞及渠道段全长6.49 km。

3.1 桩号D0+000～D5+350地段

地面高程1 025～1 230 m，洞底埋深97～202 m。围岩岩性为奥陶系中统峰峰组（O2f）灰岩、泥灰岩。岩层产状N20°E/SE∠5°。地下水位高程914.4～989.6 m，自隧洞进口向下游水位渐低。

其中桩号D0+000～D4+533.5段地下水位高于洞底，隧洞开挖过程中存在涌水问题；桩号D4+533.5～D5+350段地下水位低于洞底。根据钻孔注水试验结果，灰岩、泥灰岩渗透系数为0.66 m/d。准确预测隧洞涌水量一直是国内外隧道勘察的难点之一，目前尚无成熟的方法。根据隧洞沿线水文地质条件，采用以下公式对可能受地下水影响洞段涌水量进行估算。

潜水非完整式水平坑道公式：

式中：Q——预测涌水量，m3/d；

B——隧洞通过含水体的长度，m；

K——含水体渗透系数，m/d；

R1、R2——补给方向和排泄方向影响宽度，m；

H1、H2——对应R1、R2隧洞处水头，m；

b——隧洞宽度，m；

S——平均降深，m；

T——隧洞底至隔水底板距离，m。

根据场地的水文地质条件，假设H1=H2=H，R1=R2，则上式简化为：

表4 D0+000～D4+533.5隧洞段涌水量Q估算表

由表4可知，隧洞段涌水量约为11 547.1 m3/d。建议隧洞开挖时采用分段施工方式并采取合理排水措施，并加强围岩监测工作。

灰岩为硬质岩，岩体较完整，泥灰岩为软～较软岩。经综合判定，其中Ⅲ类围岩约占该段的60%，建议其围岩单位弹性抗力系数500～1 000 MPa/m，坚固系数3～4，泊松比0.26～0.29，变形模量5～7.5 GPa，围岩局部稳定性差，不及时支护可能产生塌方或变形破坏，建议喷混凝土、系统锚杆加钢筋网支护。Ⅳ类围岩约占该段的20%，建议围岩单位弹性抗力系数300～500 MPa/m，坚固系数2～3，泊松比0.29～0.32，变形模量2～5 GPa。围岩不稳定，自稳时间很短，规模较大的各种变形和破坏都可能发生，建议喷混凝土、系统锚杆加钢筋网，刚性支护，并浇筑混凝土衬砌。Ⅴ类围岩约占该段的20%，建议围岩单位弹性抗力系数50～100 MPa/m，坚固系数0.5～1，泊松比0.35～0.45，变形模量0.05～0.5 GPa。围岩极不稳定，不能自稳，变形破坏严重，建议喷混凝土、系统锚杆加钢筋网，刚性支护，并浇筑混凝土衬砌。部分洞段存在涌水、突水可能性。局部岩溶可能较发育，可能遇溶洞。

其中桩号D2+450地段洞顶上部约180 m处有厚2.7 m的采空区，桩号D4+230地段洞底上部约67 m处有厚1.9 m的采空区，因距洞顶60 m以上，故推测该段采空区对隧洞影响不大。桩号D4+230～D5+350地段，因煤系地层下倾，分布高程降低，洞顶到石炭系太原组煤系地层厚度变小，尽管该段目前尚无煤矿分布或规划，但也不能完全排除因私采而形成采空区的可能。施工时应加强超前预报，并采取相应的工程措施，防止突水、突泥及有害气体的危害。

隧洞进出口地层岩性均为奥陶系中统峰峰组（O2f）灰岩、泥灰岩。地基承载力地质建议值200～300kPa；建议基坑临时开挖边坡1∶0.3～1∶0.5。进口段地下水位于洞顶以上，隧洞开挖过程中存在涌水问题。

3.2 桩号D5+350～D5+810地段

地面高程932～1 050 m，洞底埋深0～122 m。围岩岩性为石炭系本溪组（C2b）砂页岩、灰岩、硫铁矿、铝土岩。岩层产状N20°E/SE∠5°。该洞段地下水，位于洞底以下。

该洞段所穿砂页岩、硫铁矿、铝土岩为较软岩，围岩不稳定，受节理裂隙切割，岩体较破碎，完整性较差，围岩工程地质分类为Ⅳ类。建议围岩单位弹性抗力系数300～500 MPa/m，坚固系数2～3，泊松比0.29～0.32，变形模量2～5 GPa。围岩不稳定，自稳时间很短，规模较大的各种变形和破坏都可能发生，建议喷混凝土、系统锚杆加钢筋网，刚性支护，并浇筑混凝土衬砌。该段洞顶上部为煤系地层，不能完全排除因私采而形成采空区的可能。段内存在煤层气有害气体。施工时应加强超前预报，并采取相应的工程措施，防止突水、突泥及有害气体的危害。部分洞段存在涌水、突水可能，且煤层附近地下水对混凝土可能有腐蚀性。

另外，隧洞出口段围岩及洞脸边坡地层岩性，为石炭系本溪组铝土岩、页岩，围岩极不稳定，属Ⅴ类围岩。隧洞开挖时应遵循“早进洞，晚出洞”的原则，尽量减低开挖边坡高度，在村庄附近不放大炮，以免对房屋等造成影响。

3.3 桩号D5+810～D6+489.95地段

该段为渠线，沿线地层为第四系全新统洪冲积（Q4Pal）卵石混合土层、奥陶系中统峰峰组（O2f）灰岩、泥灰岩层。地下水位3.8～5.9m。渠基开挖底面多位于地下水位以上。

桩号D5+810～D5+909地段渠基置于奥陶系中统峰峰组（O2f）灰岩、泥灰岩层，桩号D5+909～D6+489.95地段渠基置于第四系全新统洪冲积（Q4Pal）卵石混合土层。地基承载力地质建议值：灰岩400～500 kPa，泥灰岩200～300 kPa，卵石混合土为150～200 kPa。建议基坑临时开挖边坡：基岩1∶0.3～1∶0.5；卵石混合土水上1∶0.5～1∶0.75，水下1∶1～1∶1.5。

渠基存在因岩性不一或结构密实程度不同而产生的不均匀变形问题，建议对渠基进行夯实或碾压处理。