白龍江引水工程華池至延安段重大工程地質(zhì)問(wèn)題研究

焦 振 華

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 陜西 西安 710001)

水資源分布不均已成為制約人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，我國(guó)水資源人均占有量較低，由于氣候和地理?xiàng)l件差異，水資源分布不均問(wèn)題尤為突出，主要表現(xiàn)在時(shí)空分布不均勻[1-3]。從時(shí)間上看，雨季與旱季雨量差異較大，從空間上看，從南到北水資源數(shù)量依次遞減[4-5]。水資源分布不均問(wèn)題導(dǎo)致的水資源供需矛盾問(wèn)題日益嚴(yán)重。以陜西省為例，關(guān)中地區(qū)人均水資源占有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陜南地區(qū)，供需矛盾極為突出[6]。為解決這一問(wèn)題，實(shí)施修建引水、供水工程以實(shí)現(xiàn)跨地域調(diào)水顯得極為迫切。

白龍江引水工程是為解決甘肅省東部地區(qū)及陜西省延安北部地區(qū)水資源短缺問(wèn)題而修建的大型工程，橫跨甘肅陜西兩省，覆蓋甘肅省隴東南天水、平?jīng)觥c陽(yáng)三市20縣(區(qū))以及陜西省延安市4縣(區(qū))共24縣(區(qū))[7]。該工程建成后，將極大緩解延安革命老區(qū)及甘肅東部省市的缺水現(xiàn)狀，對(duì)于推動(dòng)陜、甘兩省革命老區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高區(qū)域供水安全保障能力，改善革命老區(qū)和六盤(pán)山區(qū)民生，鞏固脫貧攻堅(jiān)成果，促進(jìn)受水區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的作用[8-9]。

白龍江飲水工程由水源工程、輸水總干線、輸水干線和末端備用水庫(kù)四部分組成，取水于水量豐沛的嘉陵江支流白龍江，是長(zhǎng)江流域向黃河流域跨區(qū)域的調(diào)水工程。工程跨越多個(gè)地區(qū)，沿線地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，不良地質(zhì)發(fā)育。以延安段為例，輸水管線跨越多個(gè)黃土地質(zhì)單元，黃土濕陷性帶來(lái)的淺表滑坡等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題突出[10-11]。為了白龍江輸水工程的設(shè)計(jì)建設(shè)，需要對(duì)工程沿線進(jìn)行詳細(xì)的環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)及工程地質(zhì)勘察，掌握沿線不良地質(zhì)分布情況，以便采取相應(yīng)的工程措施進(jìn)行治理或進(jìn)行繞避。本文根據(jù)白龍江引水工程華池至延安段的地質(zhì)勘測(cè)成果，概括了基本的水文地質(zhì)條件，對(duì)其沿線壓力管線、隧道、涵洞等重要工程節(jié)點(diǎn)的工程地質(zhì)情況進(jìn)行了介紹，分析了其中面臨的主要工程地質(zhì)問(wèn)題，對(duì)后續(xù)工程設(shè)計(jì)建設(shè)有一定的借鑒意義。

1 工程概況

白龍江引水工程華池至延安段西起甘肅省華池縣城東北方向約6 km的喬河鄉(xiāng)張莊村附近，東至寶塔區(qū)河莊坪鎮(zhèn)紅莊水庫(kù)，線路總體呈東西向布置，工程由延安干線、4座事故檢修庫(kù)及退水設(shè)施組成。延安干線包括延安段、志安段、安寶段、吳起段、志丹段、安塞段、寶塔段。供水對(duì)象為延安市寶塔區(qū)、安塞區(qū)及吳起縣、志丹縣4縣區(qū)的縣城、工業(yè)園區(qū)等。該段引水工程總體布局示意見(jiàn)圖1。引水工程線路總長(zhǎng)209.08 km，其中隧洞20座、長(zhǎng)89.57 km、比降1∶5000(局部1∶1500)、斷面2.5 m×2.5 m(局部2.5 m×3.05 m)，壓力管道長(zhǎng)119.52 km，倒虹吸5座，長(zhǎng)1.61 km，涵洞7座，長(zhǎng)0.55 km，調(diào)壓池1座，進(jìn)、出水池11座，分水口4處。

圖1 引水工程總體布局示意圖

2 工程地質(zhì)條件

陜北黃土高原是在第三紀(jì)末起伏和緩的準(zhǔn)平原基礎(chǔ)上，歷經(jīng)第四紀(jì)以來(lái)多次黃土堆積和侵蝕作用形成的，水流切割使得本區(qū)地形破碎、溝壑發(fā)育[12-14]。工程區(qū)一級(jí)地貌單元為黃土高原，地勢(shì)總體西北高東南低，地面標(biāo)高900 m～1 800 m。工程區(qū)地勢(shì)西北高東南低，平均海拔1 200 m。線路地面最大高程1 650 m，位于志丹縣以西的西陽(yáng)灣，最低高程為1 050 m，位于西川河河谷。工程區(qū)由于長(zhǎng)期的侵蝕作用，地表支離破碎，梁峁密布，溝壑縱橫，山高坡陡，河谷深切，基巖裸露。黃土梁、峁基本呈連續(xù)狀分布，溝澗地與溝谷地交互縱橫，支離破碎，梁峁相間，黃土覆蓋厚度30 m～180 m(見(jiàn)圖2)。北部峁多于梁；南部梁多于峁；東南部還有少量殘塬。此外，在各種坡面、陡壁發(fā)育有細(xì)溝、線溝、切溝、懸溝、崩溝、滑坡、黃土柱以及緩坡，局部地段發(fā)育有陷穴、淺凹等小地貌。山大溝深，切割深度達(dá)200 m，河溝一般呈“V”字形。引水工程穿越的主要地貌單元有：黃土長(zhǎng)梁、黃土峁梁、河谷階地。黃土長(zhǎng)梁和黃土峁梁上部土層最大厚度180 m(黃土層厚8 m～25 m，黃土狀壤土層厚140 m～150 m，新近系紅黏土層厚15 m～25 m)；河谷階地主要以沖洪積堆積物為主(砂質(zhì)壤土、粉質(zhì)壤土積砂礫石)。黃土長(zhǎng)梁地層中黃土、古土壤及黃土狀壤土均具有一定的濕陷性。

圖2 引水工程隧洞典型斷面示意圖

引水工程線路兩側(cè)100 km范圍內(nèi)無(wú)區(qū)域深大斷裂帶和活動(dòng)斷層，線路沿線地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，構(gòu)造活動(dòng)對(duì)工程影響較小。發(fā)育的不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為淺表層土質(zhì)滑坡和崩塌，距離線路較遠(yuǎn)，對(duì)線路無(wú)影響[15]，可不予考慮。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及勘探，工程區(qū)沿線出露的地層主要為白堊系和侏羅系兩大地層。其中白堊系出露環(huán)河組(K1h)砂質(zhì)泥巖、頁(yè)巖及長(zhǎng)石砂巖及洛河組(K1l)長(zhǎng)石砂巖；侏羅系出露安定組(J2a)泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、直羅組(J2z)砂質(zhì)泥巖、粉砂巖以及延安組(J2y)砂巖、砂質(zhì)泥巖等。

地下水以第四系孔隙潛水及基巖裂隙水為主；環(huán)境水地表水及地下水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性；對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋為弱腐蝕性；對(duì)鋼結(jié)構(gòu)為弱腐蝕性。

引水工程隧洞長(zhǎng)89.57 km，以基巖隧洞為主。其中土洞長(zhǎng)2.7 km，占隧洞總長(zhǎng)3.01%；基巖洞室長(zhǎng)度為86.61 km，占隧洞總長(zhǎng)的96.7%。Ⅴ類(lèi)圍巖長(zhǎng)度10.31 km，占隧洞總長(zhǎng)的11.51%；Ⅳ類(lèi)圍巖長(zhǎng)度30.24 km，占隧洞總長(zhǎng)的33.76%；Ⅲ類(lèi)圍巖長(zhǎng)度為46.32 km，占隧洞總長(zhǎng)的51.71%)；隧洞主要以Ⅲ類(lèi)圍巖為主，Ⅳ類(lèi)次之。洞室位于地下水位以下段長(zhǎng)74.03 km(基巖洞室長(zhǎng)72.86 km，黃土洞室長(zhǎng)1.17 km)，占隧洞總長(zhǎng)82.65%。

3 重大工程地質(zhì)問(wèn)題

引水工程線路由壓力管線、隧洞、倒虹與涵洞等單項(xiàng)工程組成，其中壓力管道長(zhǎng)119.52 km，隧洞20座(全長(zhǎng)89.57 km)，倒虹吸5座(合計(jì)長(zhǎng)1.61 km)，涵洞7座(合計(jì)長(zhǎng)0.55 km)。引水工程存在黃土濕陷、基坑排水、邊坡穩(wěn)定，隧洞同時(shí)存在圍巖穩(wěn)定、隧洞涌水、軟巖變形等工程地質(zhì)問(wèn)題，是制約線路方案選擇的主要工程地質(zhì)問(wèn)題。

3.1 壓力管線重大工程地質(zhì)問(wèn)題

壓力管道主要沿吳堡川河漫灘及一、二級(jí)階地布設(shè)，地形起伏不大，坡度2°～5°，存在的岸坡主要為跨越地貌單元時(shí)的天然陡坎和人工明挖管溝臨時(shí)邊坡兩種。

壓力管線長(zhǎng)119.522 km，黏性土管基段長(zhǎng)14.43 km，占管道總長(zhǎng)的12.07%；粗粒土管基段長(zhǎng)89.96 km，占管道總長(zhǎng)的75.27%；基巖管基段長(zhǎng)11.41 km，占管道總長(zhǎng)的9.55%。壓力管線段存在黃土濕陷、基坑排水等工程地質(zhì)問(wèn)題。

黏性土管基段線路長(zhǎng)14.43 km，均具有濕陷性，占管道總長(zhǎng)的12.07%；其中濕陷等級(jí)為Ⅰ級(jí)(輕微)段長(zhǎng)0.65 km，占管道總長(zhǎng)0.31%；濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)(中等)段長(zhǎng)2.73 km，占總長(zhǎng)1.31%；黃土及黃土狀壤土管基長(zhǎng)度為11.05 km，占管道總長(zhǎng)的5.31%，濕陷等級(jí)為Ⅲ級(jí)(嚴(yán)重)—Ⅳ級(jí)(很?chē)?yán)重)。

第四系堆積體管基占總長(zhǎng)90.14%，基巖管基占9.86%，具有濕陷性的管基長(zhǎng)度占總長(zhǎng)的6.9%，存在基坑涌水的長(zhǎng)度為2.9%。

3.2 隧洞重大工程地質(zhì)問(wèn)題

隧洞長(zhǎng)89.57 km，以基巖隧洞為主。其中土洞長(zhǎng)2.7 km，占隧洞總長(zhǎng)3.01%；基巖洞室長(zhǎng)度為86.61 km，占隧洞總長(zhǎng)的96.7%。隧洞段存在洞室圍巖穩(wěn)定、黃土濕陷、地下水涌水以及進(jìn)出口邊坡穩(wěn)定性等工程地質(zhì)問(wèn)題。

隧洞Ⅴ類(lèi)圍巖長(zhǎng)度10.31 km，占隧洞總長(zhǎng)的11.51%；圍巖巖體破碎，圍巖開(kāi)挖后不能自穩(wěn)，初步襯砌后洞段變形破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致初期支護(hù)破壞，型鋼亦發(fā)生嚴(yán)重扭曲變形，噴層開(kāi)裂、剝落、掉塊；位于第四系中更新統(tǒng)黃土狀土中的Ⅴ2類(lèi)圍巖，長(zhǎng)度193 m(安寶段95 m、寶塔段98 m)，洞室極不穩(wěn)定，成洞條件差。Ⅳ類(lèi)圍巖長(zhǎng)度30.24 km，占隧洞總長(zhǎng)的33.76%；圍巖自穩(wěn)性差，隧洞施工期間應(yīng)特別注意分析結(jié)構(gòu)面的組合形式及相互切割關(guān)系，對(duì)潛在的不穩(wěn)定地質(zhì)體提前作出預(yù)報(bào)。Ⅲ類(lèi)圍巖長(zhǎng)度為46.32 km，占隧洞總長(zhǎng)的51.71%；圍巖自穩(wěn)性較好，局部可能產(chǎn)生掉塊現(xiàn)象或小規(guī)模坍塌問(wèn)題。

黃土隧洞濕陷變形段長(zhǎng)1.17 km；黃土峁梁和黃土長(zhǎng)梁地層中黃土、古土壤及黃土狀壤土上部均具有一定的濕陷性，屬自重濕陷性場(chǎng)地，地基土濕陷等級(jí)為Ⅱ(中等)—Ⅳ(很?chē)?yán)重)，地基土自重濕陷性量最大值達(dá)1 047.0 mm，基礎(chǔ)下剩余濕陷量最大值達(dá)1 043.0 mm。

洞室位于地下水位以下段長(zhǎng)74.03 km(基巖洞室長(zhǎng)72.86 km，黃土洞室長(zhǎng)1.17 km)，占隧洞總長(zhǎng)83.0%。洞室最大埋深300.0 m，最小埋深約3.0 m，隧洞穿越淺埋段溝道共7處，溝道常年流水，存在較大的外水壓力，可能會(huì)持續(xù)下滲、發(fā)生隧洞涌水，隧洞最大涌水量2.719 m3/d。

基巖隧洞穿越的地層巖性主要為長(zhǎng)石砂巖、砂質(zhì)泥巖及頁(yè)巖互層。砂質(zhì)泥巖及頁(yè)巖為軟質(zhì)巖—中硬巖地層，屬黏土巖，膠結(jié)程度差，顆粒較細(xì)、含有親水性黏土礦物及較大的比表面積，具有遇水軟化、失水崩解的特性，水理性質(zhì)差；巖體相對(duì)軟弱，可能發(fā)生軟巖變形，其長(zhǎng)度約13.0 km。

隧洞進(jìn)、出口有土質(zhì)斜坡、混合型斜坡、基巖斜坡。土質(zhì)部分巖性為風(fēng)積堆積(Q3eol)黃土和風(fēng)洪積堆積(Q2eol+pl)黃土狀壤土；巖質(zhì)部分巖性為環(huán)河組長(zhǎng)石砂巖、砂質(zhì)泥巖及頁(yè)巖等，薄層至中厚層狀，水平層理，往往受節(jié)理裂隙切割，巖體較破碎；斜坡坡面基本平整，植被較發(fā)育，呈上緩下陡，上部自然坡角35°～45°，下部自然坡角40°～55°。隧洞進(jìn)出口邊坡穩(wěn)定性影響工程施工及硐口段的安全。

根據(jù)地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)勘察資料，引水隧洞沿線，洞身多位于完整性較好的白堊系系砂巖或砂質(zhì)泥巖中，巖體透水性以弱—微透水為主，局部中等透水。一般條件下，巖體本身不易發(fā)生規(guī)模較大的集中滲流、涌水或暴發(fā)性突水。

3.3 倒虹及涵洞段重大工程地質(zhì)問(wèn)題

引水工程共布設(shè)倒虹5座 (長(zhǎng)度1.61 km) 、涵洞7座(長(zhǎng)度0.55 km)；倒虹及涵洞段存在邊坡穩(wěn)定、溝道沖刷以及基坑排水等工程地質(zhì)問(wèn)題，其基礎(chǔ)位于河漫灘、黃土塬及基巖斜坡上，兩岸邊坡現(xiàn)狀基本穩(wěn)定。河漫灘基礎(chǔ)存在排水問(wèn)題、黃土塬基礎(chǔ)存在濕陷問(wèn)題。

倒虹及涵洞段跨越溝道多呈“V”型、混合型斜坡，溝內(nèi)季節(jié)性流水。溝坡上部為第四系松散堆積黃土及黃土狀壤土組成的土質(zhì)斜坡，下部侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)強(qiáng)風(fēng)化砂巖、泥巖互層，自然坡角40°～52°，兩岸小沖溝較發(fā)育，植被不甚發(fā)育。倒虹及涵洞管基位于黃土塬與基巖斜坡上，溝坡的穩(wěn)定性將影響倒虹及涵洞工程的施工安全。溝道比降較大，河流沖刷深度2.0 m～2.5 m，建議埋深大于溝道沖刷深度(2.5 m)，并對(duì)上、下游進(jìn)行砌護(hù)處理，建議允許沖刷流速V0=0.8 m/s～1.0 m/s。基礎(chǔ)位于地下水位以下，存在基坑排水問(wèn)題，施工時(shí)應(yīng)采取排水措施。

倒虹或涵洞管基位于河漫灘沖洪積堆積層地段，河流沖刷深度最大可達(dá)2.5 m，管基可能遭受溝水沖刷；管基局部位于地下水位以下，存在基坑涌水、排水問(wèn)題。

引水工程主要工程地質(zhì)問(wèn)題見(jiàn)表1。

表1 引水工程主要工程地質(zhì)問(wèn)題及評(píng)價(jià)

4 結(jié) 論

(1) 白龍江引水工程華池至延安段由壓力管線、隧洞、倒虹與涵洞等單項(xiàng)工程組成，穿越的主要地貌單元有黃土長(zhǎng)梁、黃土峁梁、河谷階地。沿線的重要工程主要有壓力管線、隧洞、倒虹及涵洞。

(2) 壓力管線長(zhǎng)119.522 km，其中具Ⅰ級(jí)(輕微)—Ⅳ級(jí)(很?chē)?yán)重)濕陷性的管道總長(zhǎng)14.43 km(占12.07%)；地下水埋深較淺段，長(zhǎng)約3.5 km(占2.9%)，存在基坑涌水問(wèn)題。

(3) 隧洞長(zhǎng)89.57 km，其中長(zhǎng)10.31 km的Ⅴ類(lèi)圍巖巖體破碎，圍巖開(kāi)挖后不能自穩(wěn)，初步襯砌后洞段變形破壞嚴(yán)重；位于第四系中更新統(tǒng)黃土狀土中的Ⅴ2類(lèi)圍巖(長(zhǎng)度193 m)極不穩(wěn)定，成洞條件差。隧洞穿越淺埋段溝道共7處，溝道常年流水，存在較大的外水壓力，可能發(fā)生隧洞涌水，隧洞最大涌水量2.719 m3/d。隧洞砂質(zhì)泥巖及頁(yè)巖為軟質(zhì)巖—中硬巖地層相對(duì)軟弱，可能發(fā)生軟巖變形。

(4) 倒虹及涵洞段跨越溝道多呈“V”型、混合型斜坡，管基位于黃土塬與基巖斜坡上，溝坡的穩(wěn)定性將影響倒虹及涵洞工程的施工安全。