下坂地水库深埋长引水发电洞主要工程地质问题及评价

焦振华

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

1 概况

下坂地水利枢纽工程是新疆塔里木河流域近期综合治理中的唯一重点山区水库工程，是以生态补水和春旱供水为主，结合发电的综合性水利枢纽工程。水库总库容8.67亿 m3，调节库容6.93亿m3，电站总装机150 MW，保证出力35.9 MW，年发电量4.644亿KW·h，是2015年喀克两地市电力系统调峰的骨干电源之一。

引水发电洞位于坝轴线左岸上游约240 m处，进口底板高程2 905 m，洞径 5.2 m，引水隧洞长 4614.875 m，设计最大流量89.69m3/s。属3级建筑物。

2 引水发电洞工程地质条件

引水发电洞为下坂地水利枢纽的主要组成部分。工程区地质条件复杂，前人所做工作很少，可利用资料缺乏。因此详细查明引水发电洞的工程地质条件，准确预测、预报引水发电洞内可能发生的地质灾害和特殊地质问题，才能为引水发电洞的设计和施工提供科学依据。

2.1 地形地貌

引水发电洞线地处帕米尔高原西昆仑剥蚀山区，最大埋深1 380 m。洞线穿越的山峰海拨高程一般为4 000 ～5 000 m，河谷高程一般为3 000～1 900 m，相对高差一般2 000 m左右，工程区高寒、低压、缺氧、地形总体呈山高、坡陡、谷深、岩石裸露、无植被的特点。

2.2 区域构造稳定性

工程区地处帕米尔高原，位于米亚活动断裂带和喀喇昆仑活动断裂带围限的构造上相对稳定的帕米尔～西昆仑抬升块体内，地震基本烈度为8度。根据地应力测试结果分析，工程区以自重应力为主，其量级属中等地应力水平。

2.3 地层岩性

洞身穿越角闪黑云二长片麻岩占洞长4/5，尾端为华力西期片麻状黑云斜长花岗岩。

角闪黑云二长片麻岩饱和抗压强度Rb=90Mpa～150Mpa，片麻状黑云斜长花岗岩饱和抗压强度Rb=60Mpa～90Mpa，属坚硬岩。

2.4 地质构造

工程区断裂构造不发育，穿越洞线的9条断层以近SN走向(与洞线近垂直，对洞室稳定有利)，张性为主，NW向压性断裂为次，倾角大多60°左右，少数倾角25°～35°，破碎带大多0.5 m左右，个别2 m～3 m。估计洞线还将穿越一定数量的断层，但其规模，影响程度不会超过已发现的9条断层。

洞身岩体呈厚层状、块状，主要发育两组裂隙，(1)组产状315°～327°/SW∠55°～85°(2)组产状 352°～10°/NE∠20°～50°，裂隙少，裂面闭合无充填，延伸长度一般小于5m，连通率小，裂隙走向与洞线走向大角度相交或近于垂直，对洞室围岩稳定有利。经施工开挖揭示的断层、节理、裂隙的特征与前期勘察结论基本一致，洞室稳定性好。

2.5 水文地质条件

工程区地下水主要靠季节性融雪补给，地下水以浅循环为主，按地下水赋存条件与水力性质，地下水类型可分为基岩风化裂隙水、构造水及第四系孔隙潜水三种类型。

根据压水试验统计，岩体的透水性随深度增加而变小。分析认为与结构面的张开度密切相关。洞线除哈木勒堤沟及断层通过地段透水性较大需采取排水措施外，一般透水性较弱。施工揭示洞室渗水的特点是以断层带和裂隙集中带为其主要通道，水量一般不大，采用一般性排水措施均可排除。

3 引水发电洞的主要工程地质问题及评价

3.1 围岩稳定性问题

洞顶埋深30～1 380 m，围岩基本为微风化～新鲜，强度较高，围岩稳定性总体较好。对洞室围岩稳定性影响较大的主要是断层。在通过洞线的9条断层中，6条埋深小于300 m，对洞室稳定性影响较大，其余3条埋深大于300 m，断层带窄，断带物质紧密，透水性差，对成洞有利。

根据探硐开挖揭示的地质特征，结合(GB50287－99)附录P的分类标准，洞室岩体稳定性分段评价如下:

桩号0+000～1+230.275段，洞身位于角闪黑云二长片麻岩，洞顶围岩厚度30 m～290 m，岩层走向为310°，倾向SW，倾角60°，洞线与岩层走向夹角为84°，对洞室稳定有利，岩体纵波速 2 000 m/s～3 500 m/s，f=5，Ko=50 MPa/cm，属Ⅲ类岩体。该段洞线穿过 F58、F63、F60、F61、F64等断层，破碎带宽度一般0.1 m～1.0 m，最大宽度12 m，局部属不稳定组合体，断层带附近为V类围岩。

桩号1+230.275～1+380.275段，洞线穿越哈木勒提沟，据物探钻探资料揭示，覆盖层厚度29.2 m～43 m，洞顶围岩厚度约 60 m，岩体呈微风化，岩体纵波速2 500 m/s，f=5，Ko=50 MPa/cm，属Ⅲ类围岩，围岩局部稳定性稍差。

桩号1+380.275～3+830.275段，洞线穿越角闪黑云二长片麻岩，岩层走向为330゜，倾向 SW，倾角60゜，洞线方向与岩层走向夹角为60゜，对洞室稳定有利，该段岩体完整，呈微风化，f=8，Ko=100 MPa/cm，属基本稳定的Ⅱ类围岩。洞顶围岩厚度100 m～1 400 m，属深埋隧洞。在1+590.275～2+420.275段洞线穿越 F97、F96、F95 等断层，断层带宽度多在0.1 m～0.5 m，充填物为岩脉或角砾碎块，较坚密，且顺层发育，对洞室稳定影响不大。

桩号3+830.275～4+614.875段，为华力西期片麻状黑云斜长花岗岩，岩石坚硬完整，洞顶围岩厚度110 m～500 m，f=9，Ko=110MPa/cm，围岩属稳定的Ⅱ类围岩。

洞线埋深较大，岩石多为坚硬岩，洞身围岩以Ⅱ(68.3%)、Ⅲ(占 30.5%)类为主，围岩的完整性，稳定性较好，岩体强度高，成洞条件好。建议对洞身中的V类围岩加强支护并衬砌，Ⅱ、Ⅲ类围岩应进行衬砌。根据施工开挖情况及洞室变形测量资料，施工图阶段对洞室衬砌型式进行了优化，Ⅱ、Ⅲ类围岩衬砌型式由钢筋混凝土衬砌改为锚喷处理。

3.2 涌水问题

工程区赋存的风化带基岩裂隙水因洞室埋芷较深，对洞室影响甚微。影响较大的主要为过沟浅埋段的松散岩类孔隙裂隙水及构造裂隙水。

洞室通过哈木勒提沟浅埋段。地表松散岩类孔隙裂隙水较丰富，存在集中涌水问题。建议施工加强排水措施。

洞室单个断层宽度较小，结合紧密，导水性差，其补给水源为远源高山融雪补给，水量有限，因此，构造裂隙水产生隧洞高压涌水的问题不突出。

经施工开挖过沟段洞室涌水量观测，岩断层带及裂隙面渗水明显，但涌水量较予计的要小。排水效果好，可形成良好的排水漏斗。

3.3 外水压力

通过压水试验成果分析，一般裂隙岩层的透水性随埋深增大而变弱，说明随埋深增大，岩体完整性变好，岩体结构面数量变少，张开度变小，裂隙水越来越少，因此除哈沟浅埋段及断层破碎带外，外水压力一般不大。

3.4 地应力及岩爆

引水发电洞进出口段钻孔水压致裂法及钻孔应变解除法地应力测试表明，侧压力系数均大于1，3个主应力关系表明水平主应力占主导地位，应力状态主要受区域地形地貌的影响，符合峡谷地形地应力场的分布规律，最大主应力量值4 Mpa～10 Mpa，属中等地应力水平，洞身段地应力场回归计算分析表明，引水发电洞最大埋深附近侧压力系数小于1，地应力场以自重应力为主，最大主应力量值大于20 Mpa，方向NW10°左右。

根据工程区地应力实测资料和洞身岩石室内力学试验参数，从地应力角度，运用《工程岩体分级标准》(GB50218－94)标准判别法及 Russenes、Turchaninov、Hoek岩爆判别法分析研究表明，引水发电洞进出口段及浅埋段岩体基本上不会产生岩爆，在引水发电洞埋深大于550m洞段可能发生中等岩爆～严重岩爆。对岩爆，一方面施工中要合理控制开挖进度，采取强化围岩(超前锚杆)及弱化围岩(超前钻孔高压注水)的措施，另一方面，可采用声发射仪对岩体内的声波加强监测以分析岩爆发生的可能性等。

施工中在埋深300 m洞段中，侧壁发生有片状轻微岩爆，面积一般在1 m2左右。

3.5 有害气体

引水发电洞出口200 m深的平硐测到的有害气体有:一氧化碳、二氧化碳、氡气及氡短寿命子体。其中二氧化碳，氡气及氡短寿命子体均超标。施工过程中要及时封闭围岩，加强通风及监测，以确保工作人员的身体健康及生命安全。

4 结论

引水发电洞整体地质条件较好，但仍然存在断层破碎带围岩失稳，过沟浅埋段围岩涌水地质灾害及岩爆、有害气体等特殊地质问题，地下洞室开挖施工过程中，在勘测阶段预测的基础上，加强了施工地质超前预报及监测工作。施工地质人员及时编录、分析、反馈了施工开挖后围岩地质条件的变化信息，提出了相应的处理措施与建议，优化了设计，节约了投资，缩短了工期。

深埋长隧洞的勘察，地质工作应贯穿于工程全过程，不断发现和解决问题，做到信息化勘察，动态设计，结论和意见是可变的，随着勘察阶段的深入，施工开挖，积累资料的增多，对问题的认识会更接近客观实际。