臨夏盆地中更新統地層成洞條件分析研究

羅永海

（甘肅省水利水電勘察設計研究院有限責任公司,甘肅 蘭州 730000）

0 概況

臨夏州位于黃河上游,地處甘肅中部西南面,北接蘭州市,東臨臨洮, 西倚海東地區,南靠甘南。臨夏州地處青藏高原與黃土高原過渡地帶,境內多山,地勢西南高,東北低,由西南向東北遞降,呈傾斜盆地。臨夏盆地形成于中生代,為斷陷盆地,發育在馬啣山-興隆山斷裂與西秦嶺北緣斷裂之間,新生代相對沉積[1-4]。臨夏盆地處于黃土高原西部,為東部季風區、西北干旱區及青藏高原高寒區三大自然區交匯地帶,為典型的的大陸性季風氣候特征[2-4]。臨夏盆地內沉積了厚度巨大的新近系臨夏組紅色碎屑巖。盆地巖層受構造作用輕微,產狀平緩,斷裂不發育,構造以舒緩開闊式褶皺為主,其南部受西秦嶺構造影響,巖層傾角變陡。盆地邊緣沉積有下更新統（Q1）～中更新統（Q2）河流相老黃土及砂卵礫石,其中夾雜沼澤相青灰色老黏土,巖性較雜且含多層承壓水。

臨夏州是國家“兩屏三帶”黃河上游生態安全屏障的重要組成部分,也是甘肅國家生態安全屏障綜合試驗區的重要組成部分,生態地位相當重要。為貫徹落實習近平總書記黃河流域生態保護和高質量發展戰略思想,臨夏州提出了臨夏州供水保障生態保護水源置換工程,工程主要任務是向康樂、廣河、和政、東鄉、臨夏縣及臨夏市5 縣1 市供水,保障區域供水安全,補充河道生態水量,修復區域生態和改善人居環境。該項目對臨夏州經濟社會發展、生態保護及江河治理開發總體布局中具有支撐作用,意義重大。

該工程推薦方案從洮河中游的九甸峽水庫右岸引水,向西北經康樂縣、廣河縣、和政縣,至臨夏縣境內的大夏河一級支流槐樹關河右岸尕莊附近。泵站提水后其余洞段為自流引水。總干線輸水建筑物以隧洞為主,線路總長111 km,其中隧洞92 km,倒虹吸及暗渠占19 km。該工程以隧洞為主,水文地質條件復雜,部分洞段經過臨夏盆地邊緣,洞身圍巖為富含多層高水頭承壓水中更新統（Q2）河流相老黃土及砂卵礫石,其中夾雜沼澤相青灰色老黏土。

1 中更新統地層洞段地質條件

第四系中更新統洪積、沼澤堆積（Q2pl+fl）地層多處于盆地邊緣,為黃土丘陵地貌,洪積物巖性為青灰色砂卵礫石夾褐黃色～褐紅色離石黃土層,離石黃土單層厚5 m～15 m,呈堅硬～硬塑狀,含鈣質結核；砂卵礫石單層厚1 m～6.3 m,具微膠結,以泥質膠結為主,膠結性差,鉆孔巖芯多呈松散狀,含泥量較高；沼澤堆積巖性為青灰色砂卵礫石夾灰黑色～青灰色粉質粘土,粉質粘土有臭味,見腐殖質,含礫土、中細砂層、砂礫石夾層,粉質粘土單層厚1 m～8 m,呈堅硬～硬塑狀,局部含鈣質結核。

沼澤相粉質粘土夾砂卵礫石層,粉質粘土透水性微弱,為相對隔水層；砂卵礫石層呈泥質弱膠結,中等透水,含多層承壓水,單層含水層厚1.0 m～5.8 m,含水層頂板埋深一般在較低的侵蝕基準溝底面以下26 m～60 m,承壓水頭位于洞頂以上約100 m,最大單孔出水量15 L/min。含水層層面較平緩,該段為工程區地下水富水區。

2 中更新統地層洞段水文地質特征

中下更新統（Q2）地層中粉質粘土層透水性微弱,為相對隔水層；砂卵礫石層中等透水,為含水層,含水層層數較多,單層含水層厚度1 m～17 m。第四系孔隙潛水分布于梁峁區,主要受大氣降水補給,水位隨季節有變幅,沿層面順坡排泄于地表或向溝谷潛水徑流。溝谷底部為層間承壓水,含水層頂板埋深在較低的侵蝕基準溝底面以下20 m～60 m。據洞身鉆孔觀測,隧洞位于區域地下水位以下,且附近沖溝均高于隧洞洞身,地下水排泄不暢,據洞身鉆孔ZK04 觀測結果,Q2砂卵礫石層為含承壓水層,承壓水頭大于100m,砂卵礫石洞段地下水活動強烈,流量較大,鉆孔單孔流量21.65 m3/d。

（1）隧洞涌水量預測

根據《引調水線路工程地質勘察規范》（SL 629-2014）及地下水動力學相關理論,應用降水入滲法和地下水動力學方法對總干隧洞進行涌水量預測。

①降水入滲法

式中：Qs為隧洞正常涌水量,m3/d；α為降水入滲系數；W為年降水量,mm；A為匯水面積,km2。

降水入滲系數α根據規范推薦,對臨夏盆地內黃土類隧洞,位于區域地下水位以下,α取值0.20。匯水面積A根據地形圖分水嶺量測；年降水量根據區域氣象多年平均降水資料取值；其它各隧洞具體計算成果見表1。

表1 降水入滲法隧洞涌水量預測計算表

表2 裘布依公式及古德曼經驗式隧洞涌水量預測計算表

②地下水動力學方法

隧洞正常涌水量根據裘布依公式計算：

式中：Qs為隧洞正常涌水量,m3/d；K為含水體的滲透系數,m/d；H為洞底以上潛水含水體厚度,m；h為洞內排水溝假設水深,m；Ry為隧洞涌水地段的引用影響半經,m；L為隧洞通過含水體的長度,m；r0為隧洞等價橫斷面的半經,m。

隧洞最大涌水量根據古德曼公式計算：

式中：Q0為隧洞最大涌水量,m3/d；d為隧洞等價橫斷面的直徑,m；其他符號意義同前。

根據計算成果可以看出,按降水入滲法計算的正常涌水量成果一般比按裘布依公式計算成果小,建議設計按大值考慮,施工期應做好相應的排水工程措施。

根據以上方法對隧洞涌水量進行估算,單位出水量一般46 L/（min·10 m 洞長）～57 L/（min·10 m 洞長）,結合壓力水頭,初步判定隧洞通過中更新統地層段地下水活動狀態呈線狀流水～涌水。根據計算成果將主要隧洞可能含水洞段水文地質特征列表見表3。

表3 隧洞含水洞段水文地質特征表（古德曼）

表4 不同狀態下引水隧洞垂直壓力

依據《引調水線路工程地質勘察規范》（SL 629-2014）綜合判定隧洞圍巖為Ⅴ2類無自穩性洞段,存在巖土體變形及突泥涌水問題。

3 中更新統地層成洞分析

（1）物理力學性質及參數

洪積、沼澤堆積離石黃土（Q2pl+fl）為構成隧洞圍巖及連接段建筑物地基土體,夾砂卵礫石夾層,總厚度大于100 m,地層剖面見圖1。經取樣試驗：離石黃土砂粒含量5.8%～24%,平均12.8%；粉粒含量31.5%～69.9%,平均57.12%；粘粒含量17.9%～38.8%,平均28.33%；天然密度1.91 g/cm3～2.12 g/cm3,平均值2.04 g/cm3；干密度1.57 g/cm3～1.77 g/cm3,平均值1.67 g/cm3；壓縮系數（原狀）0.06 MPa-1～0.49 MPa-1,原狀抗剪強度：c=16.5 kPa～93.7 kPa,Φ=20.2°～31.9°；飽和抗剪強度：c=18.6 kPa～64.3 kPa,Φ=18.8°～30.4°；濕陷變形系數0.001～0.010。離石黃土為低～中壓縮性、非濕陷性土。垂直滲透系數5.64×10-8cm/s～1.94×10-5cm/s,屬弱～極微透水性。青灰色砂卵礫石夾層厚1 m～8 m,具微膠結,以泥質膠結為主,膠結性差,鉆孔巖芯多呈松散狀,含泥量較高,經取樣試驗：砂卵礫石卵石（60 mm～200 mm）含量2.9%～20.6%,礫石（2 mm～60 mm）含量47.1%～77.1%,砂（2 mm～0.075 mm）含量8.5%～19.6%,粉粘粒（≤0.075 mm）含量11.9%～33.3%。

圖1 隧洞地層剖面

洪積、沼澤堆積（Q2pl+fl）離石黃土夾砂卵礫石力學參數建議值：粘聚力（c）10 kPa～15 kPa,內摩擦角為11°～15°,壓縮模量Es為4 MPa～6 MPa,堅固系數f為0.3～0.5。

（2）隧洞圍巖壓力

黃土隧洞的圍巖壓力按普氏理論計算,計算參數主要取離石黃土參數,重度取加權平均重度,按理想自然狀態與實際飽和狀態下分析計算。

洞頂垂直均布壓力：

形成的壓力拱高度為：h1=a1/tanΦ

自然平衡拱計算跨度：a1=a+htan（45°-Φ/2）式中：γ為洞頂上覆土層的平均重度；a為洞室寬度的一半,取2.5 m；h為洞室高度,取2.5 m；f為堅固系數,也稱似摩擦系數,在數值上定義為tanΦk。

中更新統地層離石黃土與砂卵礫石交錯成層,離石黃土呈飽和狀態,隧洞圍巖壓力較一般非飽和狀態下大,成洞條件隨之變差,上覆洞室圍巖壓力也增大。

（3）滲流破壞

隧洞圍巖主要為離石黃土（粉質黏土）及砂卵礫石,砂卵礫石為含水層,離石黃土為隔水層。隧洞開挖后,洞身在砂礫石段隧洞會涌水、涌砂。隧洞洞身在粉質黏土段,承壓水水頭100 m,隔水層厚度15 m,其水力比降為6.67,大于臨界允許水力比降icr=1.12,會發生突泥、突水。

4 結論

以臨夏州供水保障生態保護水源置換工程為背景,對工程區進行了大范圍的野外測繪工作,通過鉆孔試驗取樣、分析了臨夏盆地中更新統地層成洞條件,并對洞室圍巖壓力進行計算,評價分析了洞室破壞的主要工程地質問題,取得了以下結論：

（1）隧洞單位出水量一般46 L/（min·10 m 洞長）～57 L/（min·10 m 洞長）,結合壓力水頭,地下水活動狀態呈線狀流水～涌水。施工期應做好相應的排水工程措施。根據隧洞工程地質條件綜合判定隧洞圍巖為Ⅴ2類無自穩性洞段。

（2）對隧洞圍巖壓力計算分析,隧洞洞身圍巖壓力受承壓水的影響較大,離石黃土自然狀態下呈飽和狀,隧洞開挖后出現突泥涌水等復雜工程地質問題。