ATS水利樞紐工程引水發(fā)電洞工程地質(zhì)問題及評(píng)價(jià)

關(guān)志偉

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊 830091)

ATS水利樞紐工程引水發(fā)電洞工程地質(zhì)問題及評(píng)價(jià)

關(guān)志偉

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊 830091)

ATS水利樞紐工程是YRQH干流山區(qū)下游河段的控制性水利樞紐工程，是YRQH干流梯級(jí)規(guī)劃中“兩庫十四級(jí)”的第十一個(gè)梯級(jí)。在分析研究ATS水利樞紐工程引水發(fā)電洞沿線工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，闡述了有害氣體及放射性、高地溫、巖爆、突涌水與外水壓力等主要工程地質(zhì)問題，建議在施工過程中加強(qiáng)地質(zhì)配合工作，以保證施工順利進(jìn)行。

引水發(fā)電洞；地質(zhì)構(gòu)造；地質(zhì)現(xiàn)象；工程地質(zhì)問題；評(píng)價(jià)

1 項(xiàng)目概況

ATS水利樞紐工程是YRQH干流山區(qū)下游河段的控制性水利樞紐工程，是YRQH干流梯級(jí)規(guī)劃中“兩庫十四級(jí)”的第十一個(gè)梯級(jí)。工程位于新疆維吾爾自治區(qū)南疆喀什地區(qū)莎車縣霍什拉甫鄉(xiāng)和克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣的庫斯拉甫鄉(xiāng)交界處，地理坐標(biāo)E 76°27′41″，N 37°57′28″。工程建成后，在保證向塔里木河干流生態(tài)供水前提下，將替代泥沙淤積及灌溉效益較差平原水庫，多年平均供給YRQH流域灌區(qū)灌溉用水 51.38億m3，極大改善YRQH流域灌區(qū)灌溉條件；可將YRQH下游一般防護(hù)對(duì)象的防洪標(biāo)準(zhǔn)從不足 2.5 a一遇提高到20 a一遇，將重要防護(hù)對(duì)象防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)從20 a一遇提高到50 a一遇。

引水發(fā)電洞利用YRQH在下游河道彎曲呈“Ω”型的地形條件，采用“裁彎取直” 在右岸平行布置二條引水發(fā)電洞，軸線間距彎道段前為40m，彎道段后為45-60m，采用一洞兩機(jī)聯(lián)合供水的布置型式，電站共4臺(tái)機(jī)組，單洞設(shè)計(jì)引用流量222.4m3/s，Ⅰ#發(fā)電引水隧洞長(zhǎng)6050.602m，Ⅱ#發(fā)電引水隧洞長(zhǎng)5994.499m。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

引水發(fā)電系統(tǒng)位于中、低山區(qū)，地形起伏，廠房距壩址直線距離5.7km，引水發(fā)電隧洞穿越“Ω”型河道所圍限基巖山體，山頂高程2000-2583m，區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育，其中，規(guī)模較大的有3條，分別為壩址右岸1#沖溝、3#沖溝及克孜拉孜溝，前二條沖溝總體走向320°，最大切深250-270m，克孜拉孜溝溝口段呈近EW走向，后段轉(zhuǎn)為近SN走向，切深80-150m。各沖溝底部均分布洪積物，平時(shí)干涸，暴雨時(shí)有洪流通過。發(fā)電引水洞線穿越上述沖溝。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

引水發(fā)電系統(tǒng)位于鐵克里克斷隆與莎車凹陷兩個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元交界位置，兩構(gòu)造單元以ATS斷裂為界，西為鐵克里克斷隆，主要為石炭系地層，斷裂東側(cè)為莎車凹陷，地表主要出露白堊系、第三系地層。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造方向總體以北西向?yàn)橹鳎耷l(fā)育，巖層總體走向北西向，產(chǎn)狀300°-350°SW∠30°-80°，區(qū)內(nèi)發(fā)育的構(gòu)造主要有：

2.2.1 斷裂

1)F28(ATS斷裂)：穿越引水隧洞后段，斷裂產(chǎn)狀315°-350°SW∠54°-70°，斷裂帶寬度約100m，主要為碎裂巖、糜棱巖、構(gòu)造透鏡體及斷層泥。

2)F28-1：為ATS斷裂次級(jí)斷裂，穿越引水隧洞后段，為石炭系與白堊系地層界線，斷裂產(chǎn)狀315°-350°SW∠54°-70°，破碎帶寬度40m，主要為碎裂巖、糜棱巖、構(gòu)造透鏡體及斷層泥。

3)F91：穿越引水隧洞后段，斜切克孜拉孜溝，順層斷層，斷層產(chǎn)狀340°SW∠65°，破碎帶寬度2.5m，主要為碎裂巖、糜棱巖。

4)F92：穿越引水隧洞后段，斜切克孜拉孜溝，順層斷層，斷層產(chǎn)狀20°SE∠65°，破碎帶寬度3m，主要為碎裂巖、糜棱巖，平行發(fā)育兩條，間距7m。

5)F93：穿越引水隧洞后段，斜切克孜拉孜溝，順層斷層，斷層產(chǎn)狀10°SE∠80°，破碎帶寬度4.5m，主要為碎裂巖、糜棱巖、斷層泥。

6)F100：穿越壓力鋼管，斷層產(chǎn)狀305°SW∠30°，破碎帶寬度3-5m，主要為碎裂巖、糜棱巖。該斷裂為ATS次級(jí)斷裂，受ATS斷裂擠壓作用，該斷裂切割A(yù)TS下盤白堊系地層，使之一套地層疊加于同套地層之上，上部地層形成向斜構(gòu)造(5#向斜)。

7)F101：穿越引水隧洞末端，斷層產(chǎn)狀300°SW∠70°，破碎帶寬度3-5m，主要為碎裂巖、糜棱巖。受ATS斷裂擠壓作用，該斷層大致沿5#向斜核部軸向發(fā)育，切割白堊系地層。

8)F102：位于廠址區(qū)調(diào)壓井附近，順層發(fā)育，層面呈弧形，總體產(chǎn)狀40°-70°SE∠40°-60°，向下游逐漸轉(zhuǎn)為270°-280°SW∠35°-40°，破碎帶寬度3-4m，主要為斷層角礫巖，沿?cái)鄬泳植堪樯鄬印?/p>

2.2.2 褶皺

1#向斜：位于引水隧洞南側(cè)，核部軸向285°，傾向北西，傾角約30°，軸向與隧洞近平行。該向斜由石炭系沉積巖地層組成。

2#向斜：位于3#沖溝，核部軸向305°，近水平發(fā)育，規(guī)模較小。該向斜由石炭系沉積巖地層組成。

3#背斜：為引水隧洞段主要構(gòu)造，核部位于隧洞后段，軸向5°，北部轉(zhuǎn)為350°，傾向南西至南東，傾角約25°，兩側(cè)地層對(duì)稱分布，西翼產(chǎn)狀45°-75°，東翼65°-85°。該向斜由石炭系沉積巖地層組成。

4#小褶曲：位于引水隧洞后段，核部軸向與隧洞大角度相交，軸向350°，由3個(gè)連續(xù)的小背斜組成，受ATS斷裂擠壓影響，兩翼巖層均傾向南西，傾角50°-70°，層面褶曲強(qiáng)烈。該向斜由石炭系沉積巖地層組成。

5#向斜：位于調(diào)壓井位置，受ATS斷裂及F100共同作用，ATS下盤白堊系地層疊加于同套地層之上，上部地層形成5#向斜構(gòu)造。向斜核部軸向約300°，傾向南東，傾角20°-40°，向斜軸向長(zhǎng)度約3km，兩翼寬度約1.5km。該向斜主要由白堊系砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖、白云質(zhì)灰?guī)r等地層組成。

2.2.3 裂隙

區(qū)內(nèi)構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈，褶皺褶曲發(fā)育，灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為中硬巖，巖質(zhì)硬、脆，節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要垂直層面共軛發(fā)育或順層面發(fā)育，延伸長(zhǎng)度較小，岸坡部位受重力作用多見卸荷裂隙發(fā)育，多平行岸坡發(fā)育，與層面及其它裂隙組合易形成不穩(wěn)定巖體。區(qū)內(nèi)白堊系砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖地層多呈互層狀，巖質(zhì)軟硬相間，裂隙不發(fā)育。

2.3 物理地質(zhì)現(xiàn)象

引水發(fā)電系統(tǒng)物理地質(zhì)現(xiàn)象較為發(fā)育，主要有泥石流、不穩(wěn)定巖體、卸荷、風(fēng)化、巖溶等。

2.3.1 泥石流

引水隧洞沿線的山體基巖基本呈裸露狀態(tài)，沖溝發(fā)育且深切山體，溝底多為洪積形成的含土碎塊石、碎石土層，厚度約數(shù)十米。沿線巖石局部易風(fēng)化，在沖溝兩側(cè)坡面上堆積松散的碎屑物質(zhì)，形成泥石流的物質(zhì)來源，沖溝縱坡較大，植被發(fā)育較少，暴雨期易形成水性泥石流。在引水隧洞沿線的各條沖溝內(nèi)，均存在泥石流問題，據(jù)ATS地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估成果，各沖溝的泥石流地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性均為中等。

對(duì)深埋于地下的引水隧洞而言，泥石流對(duì)其安全無影響，但對(duì)引水發(fā)電隧洞沿線布置于溝內(nèi)或溝邊的各條施工支洞、臨時(shí)施工道路而言，泥石流對(duì)其安全將構(gòu)成一定威脅。項(xiàng)目施工時(shí)，施工洞挖棄出來的渣料應(yīng)嚴(yán)禁堵塞泄洪通道，并加強(qiáng)施工期泥石流監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)。

2.3.2 巖體風(fēng)化、卸荷及崩塌

1)風(fēng)化。引水線路沿線巖體的風(fēng)化受巖性、結(jié)構(gòu)面及地形的控制，從巖性條件看，白云質(zhì)灰?guī)r、石英砂巖抗風(fēng)化能力最強(qiáng)，地形上多呈凸起山梁或陡壁；粉晶細(xì)晶灰?guī)r抗風(fēng)化能力次之；含泥質(zhì)粉晶灰?guī)r、頁巖、泥巖抗風(fēng)化能力最差，地形上多呈沖溝或鞍部。從構(gòu)造條件看，巖體裂隙發(fā)育，為風(fēng)化營力侵入并向深部擴(kuò)展提供了條件，風(fēng)化層深度變化較大，陡坡及河床處風(fēng)化層深度較淺，沖溝底和緩坡處風(fēng)化層深度相對(duì)較大，斷層帶及其交匯處常形成囊狀風(fēng)化。

2)卸荷與崩塌。工程區(qū)表部巖體除向河谷卸荷外，利用層面向沖溝的松馳卸荷較為顯著，據(jù)平硐揭露，平行河谷的卸荷裂隙切割深約15m；沖溝兩側(cè)巖壁卸荷裂隙帶水平深度為8-10m。這些卸荷裂隙常與層面及緩傾角節(jié)理裂隙形成不利組合，產(chǎn)生塌滑及崩塌，堆積于坡腳及沖溝內(nèi)。

2.4 水文地質(zhì)條件

地下水主要有2類：①為孔隙潛水，主要分布在河床沖積層的砂卵礫石層中，主要受YRQH水補(bǔ)給，水位隨河水位變化，水量較充沛，此外沿線沖溝內(nèi)松散堆積物內(nèi)亦分布孔隙潛水，主要受大氣降水補(bǔ)給；②基巖裂隙水，主要賦存于引水發(fā)電建筑物區(qū)基巖裂隙及斷層帶內(nèi)，沿裂隙網(wǎng)絡(luò)運(yùn)移，主要受冰雪融水及大氣降水的補(bǔ)給，總體向YRQH排泄。

工程區(qū)氣候干燥，山頂無終年積雪分布，大氣降水稀少，基巖裂隙水貧乏。

3 引水發(fā)電系統(tǒng)主要工程地質(zhì)問題

3.1 有害氣體及放射性

引水隧洞區(qū)洞室圍巖以石炭系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和白堊系砂巖、泥巖、白云質(zhì)灰?guī)r等為主，工程區(qū)范圍內(nèi)無煤、石油和天然氣分布，瓦斯危害的可能性較小。隧洞后段穿越ATS斷裂，斷裂規(guī)模較大，延伸長(zhǎng)約70km，斷裂走向與區(qū)內(nèi)沉積地層走向一致，斷裂帶為有害氣體的運(yùn)移及聚集創(chuàng)造了有利條件，故沿?cái)嗔褞б赘患泻怏w。引水隧洞沿線及鄰近地區(qū)無放射性物源地層，存在放射性元素的可能性不大。由此分析，引水發(fā)電洞存在瓦斯危害及放射性的可能性不大，但隧洞穿越斷裂時(shí)易富集有害氣體，施工期需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)及通風(fēng)措施。

3.2 高地溫問題

高地溫是深埋長(zhǎng)隧洞工程中的一種地質(zhì)災(zāi)害。工程區(qū)地面多年平均氣溫低，未發(fā)現(xiàn)溫泉發(fā)育，隧洞沿線溝谷發(fā)育，切割深，利于熱量散失，無放射性元素分布，隧洞埋深大部分在200-450m，最大埋深660m，局部地溫梯度可能較高，可采用通風(fēng)和噴水降溫度措施。

3.3 巖爆

隧洞多為深埋隧洞，最大埋深為630m，隧洞圍巖多為中厚層-巨厚層狀巖體，大部分巖體較完整，部分巖體完整性差或破碎，洞線穿越“Ω”型河道所圍限基巖山體，沿線沖溝發(fā)育，多呈”V”型，深切山體，切深300-400m，隧洞高于現(xiàn)代河床80-140m，隧洞沿線除過大沖溝段外，地下水多不活動(dòng)。

在峽谷地區(qū)，從谷坡至山體以內(nèi)，可區(qū)分為地應(yīng)力釋放區(qū)、地應(yīng)力集中區(qū)和原始地應(yīng)力區(qū)。峽谷的影響范圍，在水平方向一般為谷寬的1-3倍。谷坡位于越高的位置，將會(huì)產(chǎn)生越大的地應(yīng)力釋放區(qū)的影響范圍。兩岸山體的最大主應(yīng)力方向一般平行于岸坡，而在河谷谷底較深部位，最大主應(yīng)力方向趨于水平且轉(zhuǎn)向垂直于河谷。

洞線距谷坡最遠(yuǎn)距離2.5km，其洞線高程位置對(duì)應(yīng)的谷寬一般700-2000m，且隧洞沿線沖溝發(fā)育，深切山體，對(duì)地應(yīng)力亦有一定的釋放作用，所以洞線基本處于地應(yīng)力釋放區(qū)，初步判斷最大地應(yīng)力為自重應(yīng)力。巖石天然密度取2.61g/cm3，經(jīng)計(jì)算，洞室埋深<383m的地段，巖體自重應(yīng)力<10MPa，為低地應(yīng)力區(qū)；洞室埋深在383-630m之間的地段，巖體自重應(yīng)力介于10-20MPa，為中等地應(yīng)力區(qū)。隧洞最大埋深630m，一般250-400m，局部埋深較大，隧洞埋深大于300m的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r地段施工中可能存在輕微巖爆，局部白云質(zhì)灰?guī)r深埋段可能存在中等巖爆。

3.4 突涌水與外水壓力

1)根據(jù)氣象、地形、地貌以及地質(zhì)條件初步判斷，隧洞設(shè)計(jì)底板高程均高于河水位，地下水為基巖裂隙水，主要補(bǔ)給來源為大氣降水，區(qū)內(nèi)降雨稀少。

2)隧洞通過地段地下水以基巖裂隙潛水為主，其賦存和分布具有明顯的不均勻性。

3)隧洞圍巖以層狀結(jié)構(gòu)的沉積巖為主，巖體總體上富水性較差，可能富水地段為過大沖溝段的巖體淺部和斷層帶，大沖溝多有暫時(shí)性水流分布，暴雨時(shí)有洪流通過，巖體淺部由于受卸荷影響滲透性較強(qiáng)，斷層破碎帶由于具有良好的儲(chǔ)水和導(dǎo)水性能，并且沿?cái)鄬佣嘤袦瞎确植迹诘乇砗偷叵滤畢R集，易于形成不同形式的富水帶。

4)隧洞地下水活動(dòng)段主要位于3#沖溝到ATS次級(jí)斷裂F28-1之間，主要以Ⅲ類圍巖為主，部分Ⅳ類，少量Ⅴ類。結(jié)合工程區(qū)勘探資料，確定隧洞各類圍巖外水壓力折減系數(shù)，見表1。

表1 外水壓力折減系數(shù)

綜合上述，隧洞一般洞段為無水和僅有少量滲水或滴水，地下水主要富集在ATS斷層及影響帶、局部裂隙密集帶和過大沖溝處淺埋段附近，ATS斷裂破碎帶及影響帶具有良好的儲(chǔ)水和導(dǎo)水性，隧洞穿越斷裂帶位置低于鄰近沖溝約100m，該段隧洞具有涌水的可能性，施工期需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

3.5 地下水腐蝕性問題

隧洞沿線地下水主要為基巖裂隙水，根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪及工程區(qū)地下水檢測(cè)成果，工程區(qū)內(nèi)石炭系地層沿裂隙局部見石膏薄膜分布，C1h地層內(nèi)可見黃鐵礦分布，白堊系、第三系地層內(nèi)見石膏層分布，區(qū)內(nèi)氣候干燥，各因素均易于地下水中鹽分的聚集，綜合分析，引水隧洞沿線地下水對(duì)混凝土具有結(jié)晶類硫酸鹽型中等-強(qiáng)腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有中等腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，須做好防腐處理措施。建議1#引水發(fā)電洞右岸樁號(hào)1+368之后洞段、2#引水發(fā)電洞右岸樁號(hào)1+200之后洞段可采用高抗硫水泥摻粉煤灰的處理措施。

3.6 石膏層的工程特性及處理建議

場(chǎng)地內(nèi)的石膏層主要分布于廠房后邊坡的白堊系上統(tǒng)英吉沙群(K2)地層中，存在形式為石膏層、石膏團(tuán)塊和石膏脈，其工程特性及對(duì)水工建筑的影響是引水發(fā)電系統(tǒng)的主要工程地質(zhì)問題之一。

3.6.1 石膏層的分布特征

場(chǎng)地內(nèi)白堊系地層中的石膏有原生和次生的兩種，與巖石同時(shí)形成的化學(xué)沉積礦物為原生石膏，原生石膏被溶蝕的石膏溶液在裂隙中再次結(jié)晶的產(chǎn)物為次生石膏。在巖石中存在的形式有以下4種。

1)團(tuán)塊狀石膏：在巖體內(nèi)石膏呈形狀不規(guī)則的團(tuán)塊，分布無規(guī)律，團(tuán)塊直徑1-15cm不等，最大的達(dá)30cm。

2)脈狀石膏：在巖體的斷層和裂隙中，石膏呈脈狀斷續(xù)充填，厚度一般為0.2-15cm，總含量小于15%。

3)薄層至中厚層狀石膏：石膏多呈層狀、條帶狀及透鏡體狀產(chǎn)出，厚度0.8-2.4m。含量13.8-24.5%。

4)巨厚層石膏：分布于廠房下游及ATS村以北，厚度10-50m。

3.6.2 石膏的成份及力學(xué)性質(zhì)

石膏是單斜晶系礦物，主要化學(xué)成分是硫酸鈣(CaSO4)。根據(jù)試驗(yàn)成果，石膏的力學(xué)性質(zhì)如下：密度1.77-1.82g/cm3，抗剪強(qiáng)度較低，天然狀態(tài)下摩擦角為37.5°-38.5°，抗壓強(qiáng)度2.15-2.83 MPa，變形模量7.46-13.8MPa，飽和狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度0.78-1.56 MPa。

根據(jù)以上力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，未被溶蝕的石膏層抗壓強(qiáng)度與泥巖相接近，變形參數(shù)則比泥巖略高，從抗壓強(qiáng)度和變形參數(shù)來看，基本可滿足調(diào)壓井等建筑物的要求。

3.6.3 石膏的危害及防治

溶蝕后的石膏強(qiáng)度急劇下降，同時(shí)，會(huì)造成地下水中SO42-含量大幅增加，使得對(duì)混凝土建筑物腐蝕性增強(qiáng)，因此在工程運(yùn)行工況下，石膏層是否溶蝕至關(guān)重要。

建議在地下洞室施工中遇到石膏時(shí)，采用全部挖除進(jìn)行換填的處理措施，調(diào)壓井施工時(shí)須做好防滲處理，應(yīng)采用高抗硫酸鹽水泥，并在混凝土與巖體之間增加防腐蝕材料嚴(yán)格地進(jìn)行封閉。

4 結(jié) 論

本工程可研階段投入了大量技術(shù)工作，本階段在其基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)測(cè)繪、物探、鉆探、洞探及試驗(yàn)手段對(duì)發(fā)電引水建筑物的工程地質(zhì)條件進(jìn)行了勘察，通過多種勘探方法的綜合運(yùn)用，總結(jié)了主要工程地質(zhì)問題，并對(duì)處理措施提出了建議。

[1]周慧蓉.圍灘水電站引水發(fā)電系統(tǒng)工程地質(zhì)評(píng)價(jià)[J].山西水利,2014(03):25-26.

[2]徐峻嶺.引硫濟(jì)金引水隧洞主要工程地質(zhì)問題研究[J].西北水電,1997(01):45-47.

1007-7596(2017)08-0124-04

2017-07-24

關(guān)志偉(1984-)，男，新疆烏魯木齊人，工程師，從事水利水電工程地質(zhì)及水文地質(zhì)工作。

TV221.2

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