齐热哈塔尔水电站引水隧洞特殊工程地质问题

赵国斌, 高玉生, 屈志勇, 胡相波

(中水北方勘测设计研究有限责任公司 勘察院,天津　300222)

0　引言

深埋长隧洞是水利、水电、交通等领域的关键工程,尤其在中国西部地区的长距离调水和引水式发电工程中,超长距离和超埋深的引水隧洞已经起到了主体工程的作用。在深埋长隧洞的定义方面,国际隧道协会把长度为3～5 km的隧道定为长隧道[1];中国水利水电系统将埋深>600 m的隧洞定义为深埋隧洞;钻爆法施工长度>3 km、TBM法施工长度>10 km的隧洞定义为长隧洞[2]。

齐热哈塔尔水电站位于中国帕米尔高原喀喇昆仑山区,为高水头引水式发电站。隧洞具备埋深大,距离长,岩性单一,所处构造单元复杂等特点,施工过程中出现了岩爆、高地温等一系列特殊的工程地质问题。

1　引水隧洞基本地质条件

1.1　工程概况

齐热哈塔尔水电站位于新疆喀什地区塔什库尔干河上,为本河流开发的第二级电站,上一级为已投入正常运行的下坂地水利枢纽,下一级为正在进行前期勘察的巴格泽子水电站。

1.2　构造特征

引水隧洞区域为帕米尔、塔里木盆地和昆仑山三个构造区的交汇地带,断裂发育,按其走向可分为北西—南东向和东西或近东西向两组,其中北西—南东向构造最为发育,断裂规模宏大,是区域主要控制性构造。区域内主要存在的构造断裂带包括喀喇昆仑断裂、塔什库尔干断裂、康西瓦断裂、布伦口断裂、安大力塔克断层、瓦恰断层、科科什老可断裂带等深大断裂,并且部分断裂至今仍然是较为活跃的区域断裂。微观上来看,岩体内因动力变质作用形成大量片理及片麻理,对岩体强度产生明显的影响。

引水隧洞通过地段断层发育,有F2、F3、F4、F11、F12等多条Ⅱ级大型断层,规模较小的Ⅲ、Ⅳ级断层发育有31条,按产状主要分为三组,走向分别为NW330°～350°、NE10°～20°和NE60°～70°。

1.3　地层岩性

1.4　岩石力学特征

岩石室内试验表明,饱和状态下单轴压缩强度σc=76.04～108.45 MPa,为坚硬岩。

三轴压缩试验得到的岩石的峰值强度、弹性模量随围压增加而增大,泊松比随围岩增加而减小,三者与围压均表现出明显的线性相关,当σ3=20 MPa时,峰值强度σc=393.12 MPa。

巴西劈裂试验表明,不同埋深岩样的抗拉强度有所差别,主要受岩石的物质组成和微观结构影响较大。天然状态下抗压强度与抗拉强度比值为σc/σt=12.75～19.57。

现场点荷载试验得到的岩石单轴抗压强度为62.2 MPa,小于室内单轴压缩试验得到的值。从平行和垂直结构面加载得到的岩石强度指标来看,有明显的差异,分别为66.32 MPa和107.71 MPa,其各项异性系数为σ⊥/σ∥=1.62,表现出明显的各项异性特征。

2　引水隧洞特点

2.1　属超埋深、超长距离引水隧洞

2.2　构造活跃区存在较高的水平地应力

区域内存在着至今仍在活动的多条断裂构造,且基本为走滑断裂,地应力测试表明该区域存在较高水平地应力,且最大主应力方向与区域构造走向保持一致。

2.3　工程区域内具有较高的大地热流背景

据中国科学院地质与地球物理研究所庞忠和研究员的研究资料[3],帕米尔高原大地热流值[4]为150～350 mW/m2,在中国能与之相比的只有西藏南部和台湾地区。该区热流背景值很高,有利于地热系统的形成。另外引水隧洞通过区域地表有温泉出露,温泉水温2011年11月份测试为67 ℃。

3　高地应力问题

本引水隧洞穿越岩性单一,以坚硬岩为主,因此高地应力主要表现在隧洞开挖过程中出现的岩爆现象。

3.1　岩爆产生的条件

(1)开挖揭露引水隧洞中90%以上围岩岩性为片麻状花岗岩和变质闪长岩。该类岩石饱和单轴抗压强度>60 MPa,由单轴抗压强度和抗拉强度表示的脆性指数在10～13,由此可见围岩岩石坚硬、脆性度高。

(2)开挖揭露的多数洞段裂隙不发育,仅见有少量闭合的、延伸不长、随机分布的许多小微裂隙,且基本处于干燥状态,Ⅱ、Ⅲ类围岩类别占全部洞长的80%以上。

(3)高地应力的存在,主要表现为:①工程地处帕米尔高原,区域内活动断裂发育,由此产生较高的水平地应力。②引水隧洞埋深大,垂直应力高。③引水隧洞多平行河谷布置,且需要穿过两条区域断裂和3处沟谷地段,由于地形和构造产生的局部地应力集中现象是存在的。④开挖洞形不规则产生的局部断面应力集中产生较高地应力。

基于上述分析认为,无论是初始地应力场还是因人为扰动产生的地应力集中导致的高水平应力在本工程中是普遍存在的,可见岩爆问题的发生在齐热哈塔尔水电站引水隧洞的开挖过程中是不可避免的。

3.2　岩爆的表现形式

施工过程中,在上覆岩体厚度仅为70 m的洞段就发生了“闷雷声”,表现为无岩体剥落的I级岩爆;部分埋深较小部位发生了洞壁连续片状剥落的Ⅱ级岩爆;在主洞洞段发生了以右侧(临河谷一侧)拱顶部位连续剥落、持续时间长达2年之久的Ⅱ级岩爆;在局部埋深超过500 m的洞段发生了具有轻微弹射和块状剥落的较高烈度等级的Ⅲ级岩爆,埋深超过1 500 m时出现了较强烈的Ⅲ级岩爆。

本工程岩爆的主要特征包括:①持续时间长,最长超过2年;②影响深度大,局部影响深度达1.8 m;③空间范围广,沿右侧拱顶连续长度达150 m;④发生位置规律,岩爆发生和连续发生片状剥落的位置一般在右侧(临河一侧)起拱线和拱顶范围内;⑤破坏模式受隧洞洞向、最大主应力方向以及岩体内微观结构面发育情况制约明显;⑥岩爆发生时普遍有声响,表现为似玻璃破碎的“噼里啪啦”声、鞭炮声、闷雷声等;⑦岩块多以剥落的形式与母岩脱落,在掌子面和腰墙部位偶见弹射,且岩块的脱落往往滞后于施工结束一段时间,因烈度等级不同滞后时间不同。

3.3　岩爆的影响

岩爆作为一种地质灾害,对于地下工程的施工安全与运行安全影响重大,主要表现在:

(1)施工过程揭露的岩爆现象表现出时间上的突发性、滞后性以及持续性,因此在岩爆的预测上有很大难度;

(2)岩爆的破坏表现出空间上的连续,岩爆连续发生在断面的某一位置沿洞向持续一段距离,且在本工程中这一位置具有规律性,而零星岩爆表现出明显的随机分布性;

(3)岩爆在断面同一位置的持续破坏表现出追溯性,破坏持续时间长,影响深度大,因此岩爆破坏对该部位在运行期的稳定影响就成为一个关键问题。

虽然国内外对岩爆的研究已经很多,但岩爆理论或者预测与防治方法并不具有普遍的指导意义,因此,施工过程中揭露的岩爆现象也是非常值得总结与研究的。

3.4　岩爆洞段的防护措施

(1)开挖后及时对岩爆部位进行随机锚杆、系统锚杆、锚杆+钢筋网片、锚杆+钢筋网片+喷射混凝土、锚杆+钢纤维混凝土等措施进行支护,均取得了有效的防护效果,阻止了岩爆部位的持续剥落。

(2)对有弹射的部位采用及时封闭的措施保证施工安全,具体为当掌子面发生弹射时,采用5～10 cm的素混凝土对掌子面进行封闭,然后再进行开挖。

4　高地温问题

齐热哈塔尔水电站引水隧洞开挖过程中有超过3 km的洞段出现了高地温现象。

4.1　高地温的表现形式

引水隧洞开挖过程中出现了高温带压气体喷出、洞壁干热的高地温现象,具体表现为:

(1)超过170 ℃的高温气体沿裂隙和钻孔喷出,且有一定压力,随时间的推移,压力降低直到零;

(2)干热的洞壁岩体,爆破孔钻孔过程中掌子面岩体温度瞬间达到119 ℃,保持90 ℃以上的洞段长度超过500 m;

(3)在上述两种热源的影响下,隧洞内空气温度保持在50 ℃以上的洞段超过1 km。

4.2　高地温产生的条件

4.2.1高的大地热流背景值

勘察期钻孔中进行的地温量测表明:

(1)该区域内存在8～11 ℃/100 m的地温梯度;

(2)距本工程直线距离100 m的布伦口—公格尔水电站引水隧洞施工过程中也出现了高地温现象。

上述现象均表明工程区域内存在的高的大地热流背景值可能会产生高地温问题。

4.2.2温泉的出露

与引水隧洞垂直距离2 km的塔什库尔干河河谷堆积物中有温泉涌出。2011年11月温泉水温达67 ℃,且出露高程低于隧洞底板高程分布约100 m。

4.2.3不利于热量消散的岩体条件

(1)隧洞沿线岩体完整,呈微—新鲜状,且为微—极微透水条件;

(2)裂隙和断层构造不发育,不利于外界水源的补给;

(3)完整岩体使得岩体中储存的热量不能消散,因此岩体内积聚了大量的热量,开挖过程中随之释放,由此造成高地温问题。

综上所述,引水隧洞施工过程遇到高地温现象是不可避免的。

4.3　高地温的影响

(1)施工难度增大,严重影响施工人员生命安全和施工进度;

(2)影响支护措施的实施,在高温环境下,普通混凝土的强度及其与洞壁的粘结效果会受到极大影响;

(3)二次衬砌混凝土的施工与强度保证措施几乎不可能实现;

(4)外冷里热(水温10 ℃以下,岩壁温度60 ℃以上)的环境条件下影响混凝土耐久性和洞壁岩体稳定。

4.4　高地温的应对措施[5]

在高地温洞段,采用通风、冰块降温和缩短工人工作时间等方式艰难地开挖,最终实现了高地温洞段的贯通。

5　其他工程地质问题

除岩爆和高地温问题之外,洞段穿过区域断裂时的稳定问题，隧洞涌水的预测和涌水断裂带的外水压力问题也是本工程需要研究的工程地质问题。相对而言,这些问题较为常见。

参考文献:

[1]范文田.世界铁路特长隧道长度的排位问题[G]//铁路工程建设科技动态报告文集(铁路隧道与地下工程分册).成都:西南交通大学出版社,1995.

[2]GB50487—2008，水利水电工程地质勘察规范[S].

[3]庞忠和,杨峰田,袁利娟,等.新疆塔县盆地地热显示与热储温度预测[J].地质论评,2011,57(1):86-88.

[4]Hu Shengbiao,He Lijuan and Wang Jiyang.Heat flow in the continental area of China:a new data set[J].Earth and Planetary Science Letters,2000,179(2):407-419.

[5]赵国斌,程向民,孙旭宁.齐热哈塔尔水电站引水隧洞高地温表现与对策[J].资源环境与工程,2013,27(4):566-567,591.