出流改道工程地质问题及成因分析与处理措施研究

2021-06-26白文学

中国科技纵横 2021年5期

白文学

（云南能阳水利水电勘察设计有限公司，云南曲靖 655000）

1.工程概况

星云湖、抚仙湖位于云南省玉溪市江川、澄江、华宁三县境内，是云南省九大高原湖泊中的两个姐妹湖，属南盘江水系。星云湖通过唯一出流通道隔河流至抚仙湖。为达到保护抚仙湖、治理星云湖及合理配置玉溪市水资源目的。通过长距离引水工程（出流改道），将水质较差的星云湖水引至玉溪城区，解决了星云湖劣类水流入污染抚仙湖。本工程引水线路进口星云湖边至九溪出口段长11.88km（隧洞长6491m），引水规模9.2m3/s，包括水利枢纽（含进出口闸、暗渠、顶管和隧洞等）和水质处理（含挺水植物带和人工湿地）两部分。工程总投资3.75亿元。

2.地质概况

出流改道引水工程区地处云南高原中部，区域构造位于云南山字型构造前弧内，介于普渡河断裂与小江断裂之间。引水线受区域断裂影响，地质构造复杂，次一级断裂和构造裂隙发育。引水工程穿越地貌单元多，由进口至出口先后经过了湖积盆地、斜坡丘陵、中低山和河谷小盆地；整条引水线既经过了较新的第四系湖积层（Ql）、冲洪积层（QPal）和上第三系（N）地层，又经过较老的震旦系（Z）上统陡山沱组（Zbd）、南沱组（Zbn）、下统澄江组（Zac）地层，经过的地层岩性复杂；引水线跨越了孔隙水、基岩构造裂水和岩溶水等不同的水文地质单元，断层交汇、构造复杂，其软基、软岩、半成岩、断层破碎带、涌水涌沙和突水突泥及塌方等不良工程地质问题较多。

3.工程地质问题

出流改道工程建筑物总体布置为：进口挺水植物带、进水闸、暗渠段（位于星云湖湖积盆地内）、涵管段（星云湖湖积盆地及斜坡丘陵上）中部隧洞段（位于中低山分水岭区）及出口明渠段、出口闸段、除藻池、人工湿地（位于九溪河谷盆地）。

3.1 进口段工程地质问题

进口段里程桩号分别为：（K0-397～K0-205）挺水植物带、（K0-205～K0-136）明渠过渡段、（K0-136～K0-104m）闸室段、（K0＋790～K4＋509m）顶（涵）管段，位于星云湖湖积盆地内及斜坡丘陵上，地面高程1720m～1740m。

3.1.1 淤泥质软基

（K0-397～K0＋790）段为进口挺水植物带、进水闸、暗渠段，本段长1187.0m，建筑物埋深较浅，施工采取明挖。工程建筑物挺水植物带―暗渠段，经过地层主要为湖积层（Ql）：粉土、粉质粘土、粉细砂含螺壳、夹软土或淤泥质透镜体，粉细砂呈饱和状。本段建筑物埋深浅，基础开挖部份地段遇到了软土、淤泥质及淤泥质土，地基承载力fk＜50kPa，存在基础承载力较低和不均匀沉陷软基不良地质问题。

3.1.2 涌水与涌沙

（K0＋790～K4＋509m）顶管段：本段长3719.0m，建筑物较深，采取顶管法施工。由于湖积盆地饱和粉细砂层中的地下水埋藏浅、水位较高，富水性较强（渗透系数K＝5.9×10-2cm/s），施工过程存在涌水与涌沙不良地质问题，较明挖施工难度增大。

3.1.3 地震液化

根据饱和无粘性土或少粘性土的液化破坏机理，场区第四系地层粉细砂层和粉土中，第三系半成岩地层呈粉土和粉细砂状，宜根椐标准贯入锤击数复判法，依以下公式判别。当N63.5＜Ncr，地震时砂土会发生液化。

经计算判别：第四系粉细砂层和粉土层中，地表以下0m～15.0m内，标准贯入试验平均值9.8，小于临界值平均值14.4击，存在地震砂土液化问题；15.0m以下砂土相对密实，标贯击数达17～24击，大于临界值，不会产生砂土液化。上第三系半成岩粉细砂岩、粉砂岩、泥岩，标贯击数达17～29击，平均值23.1击，大于临界值平均值13.5击，不会发生砂土液化。

3.2 中部隧洞段工程地质问题

里程（K4＋509～K11＋000）为隧洞段。本段总长6491m，地面高程1740m～1910m，隧洞埋深（上覆岩体厚）60m～170m。根据隧洞穿越不同围岩的工程地质条件，分为10大段，主要工程地质问题有：半成岩软岩的边墙挤胀变形，断层破碎带涌水涌沙，突水突泥，全强风化带、断层破碎带、不整合接触带及Ⅳ、Ⅴ类围岩的塌方问题等。

3.2.1 软岩挤胀变形

里程（K4＋509～K4＋730.63）为隧洞进口段，位于上第三系（N）与震旦系（Z）分界的不整合接触带上。围岩为上第三系粉砂岩、细砂岩、泥岩，局部有细砾岩及褐煤线，成岩程度浅，较为疏松。在地表呈陡坡和直立壁状，一般多可掰碎或捏成散砂及土状。在洞顶以上地面标贯试验N＝16～20击，孔内声波测试纵波速VP=1200m/s～1400m/s。动泊松比μd为0.38，动弹模Ed为0.4×104MPa，动剪模Gd为0.2×104MPa。

3.2.2 涌水与突水突泥

里程（K6＋470～K7＋099.34）隧洞段长629.34m，为F2-1断层破碎影响带，F2-1断层与隧洞呈30°～40°相交，断层宽1.5m～2.0m，破碎带与洞线相交较长，影响带宽400m～600m，岩性为澄江组（Zac）长石石英砂岩与粉砂质泥岩互层。洞身上下岩体透水率q最大达202Lu，呈中等～强透水、地下水位高、富水性和透水性强。施工时于此部位发生涌水，涌水量达50m3/h,并伴随大量的泥沙涌出。

里程（10+299～K11+000）隧洞段长701m，隧洞最大埋深90m，地下水高于隧洞底板60m～90m，隧洞处于震旦系下统澄江组（Zac）长石岩屑石英砂岩与上统南沱组（Zbn）冰碛砾岩、泥砾岩和粉砂质页岩及陡山沱组（Zbd）白云岩的接触带及区域大断层F1及F2-2、F2-3三条断层交汇带中。地质条件复杂，构造发育，应力集中，岩层强烈褶皱和扭曲，地层倾角变陡或倒转，Zac地层逆转超覆于Zbd之上。其断层破碎带及其影响带宽达388m～400m。断层带及影响带内岩体极破碎，呈散体结构，无自稳能力或自稳能力较差。断层两盘为Zbd白云岩夹石英砂岩及Zbn冰碛砾岩含水层，地下水丰富，外水压力大，承受于隧洞上部的静水头达90m。断层为含水构造，断层含水富水性强。施工时于此部位发生涌突水，涌水量达100m3/h,并伴随大量的泥沙涌突出。

4.处理措施

进口段位于星云湖湖积盆地内及斜坡丘陵地带，所遇到或所出现的工程地质问题主要为：明（暗）渠段与闸室段的淤泥质软基软基及饱和沙土地震液化。因埋深较浅，建筑物荷载不是太大，因此对基础采取木桩与碎石桩基处理。中部隧洞段因埋深较大，地质及构造复杂，尤其是处于断层交汇带、不整合接触带、强富水性地带、外水压力较大、上第三系粘土岩半成岩等洞段，所遇到或所出现的工程地质问题较多。由最初围岩的挤胀变形、涌水与涌沙、突水与突泥，近而发展和形成塌方。对于管些洞段形成的塌方，主要所采取以下工程处理措施。

通过采用排水降压以增强围岩强度，减少其不稳定性。施工中一般采用超前排水管，管长≥6m，间距1.5m～2.0m，水量较大的地方采取深孔超前排水(一般要求≥6m)，在洞室周边作浅孔排水(一般要求≥2m)，排水段用打孔花管，为避免砂泥质堵塞和流沙细粒物被水带走而形成空腔，可于其前端用透水的土工布堵塞。采用喷锚、洞顶超前管棚支护3m～6m，并加强横向和纵向钢拱架支护，在变形较明显的地段及时作钢筋混凝土衬砌及封底支护。