百岛湖水库输水隧洞工程地质分析及评价

邓靖川 徐路 魏赛拉加

摘 要：随着我国水利工程向着长、大、深的方向发展，输水隧洞建设无疑是水利工程的关键性控制工程。笔者以百岛湖水库输水隧洞（公黄隧洞）为研究对象，在详细调研隧道周边的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件的基础上，通过野外调查、钻探、物探和室内试验的手段，提出了该隧洞建设将可能会遇到的工程地质问题：煤矿与采空区、煤系段瓦斯、隧道涌水、突泥、地下水腐蚀性、对环境水系影响、高地应力、隧洞围岩稳定性和施工对周边环境的影响等问题，并给出了相应的工程处理建议。

关键词：百岛湖水库;水利工程;输水隧洞;工程地质

中图分类号：TV554   文献标志码：A   文章编号：1003-5168（2022）6-0080-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.06.019

Engineering Geological Analysis and Evaluation of the Water

Transmission Tunnel of Baiquan Lake Reservoir

DENG Jingchuan1    XU Lu2    WEI Sailajia3

（1.Chongqing Surveying and Design Institute of Water Resources，Electric Power and Architecture Co.，Ltd.， Chongqing 401120，China; 2. Zhejiang Sinoma Engineering Survey and Design Co.， Ltd.， Hangzhou 310022，China; 3. China Geological Environmental Monitoring Central Station of Qinghai， Xining 800001，China）

Abstract：With the development of Chinese water conservancy project in the long， large and deep direction， water transmission tunnel construction is undoubtedly the key control project of water conservancy project. The author takes the Baidao Lake Reservoir water transmission tunnel （Gonghuang tunnel） as the research object， on the basis of the detailed investigation of the topography， formation， geological structure and hydrogeological conditions around the tunnel， the engineering geological problems that will be encountered in the tunnel construction are presented： coal mine and mining area， coal section gas， tunnel gushing， mud penetration， groundwater corrosion， impact on environmental water system， high ground stress， stability of tunnel surrounding rock and impact of construction on the surrounding environment， and the corresponding engineering treatment suggestions are also given.

Keywords：Baidao Lake Reservoir;water conservancy project;water-conveyance tunnel;engineering geology

0 引言

2006年2月國务院印发的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》指出，水资源优化配置与综合开发利用是水和矿产资源重点开发领域中的优先主题 [1]。目前，我国已相继建成南水北调（中、东线一期）、引滦入津、引大入秦、引碧入连、引黄入晋、引洮供水等一批跨流域调水工程。而南水北调（西、中线二期、东线二三期）、滇中引水、引汉济渭等重大工程也已经或即将进入建设期[2-4]。未来十年，我国将迎来水利工程建设的高峰期，长距离、跨流域调水是国家水资源优化配置的重大战略举措[5]。我国在建、拟建的主要水利工程大多在西部、西南部地区的崇山峻岭中，深埋式超长输水隧洞建设无疑是关键性的控制工程[6]。一方面，这些输水隧洞地处高地震烈度区，地形地貌复杂，地下地质环境恶劣;另一方面，隧洞单洞距离长、埋藏深度大[7]。

笔者以百岛湖水库输水隧洞（公黄隧洞）为研究对象，通过对该隧道周边的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件的认真分析，提出了该输水隧洞工程建设主要面临的工程地质问题：煤矿与采空区、煤系段瓦斯、隧道涌水、突泥、地下水腐蚀性、对环境水系影响、高地应力、隧洞围岩稳定性和施工对周边环境的影响等问题。在提出问题的基础上，对每一问题进行了详细论证，结合野外调查、钻探、物探和室内试验的手段，给出了最佳处理建议。

1 工程概况及基本地质条件

百岛湖水库是一座具有城乡供水、农业灌溉等综合效益的中型水利工程。水库位于重庆市奉节县梅溪河一级支流车家坝河中下游河段，坝址位于奉节县红土乡廖家咀处。坝址处距红土乡约为2 km，距奉节县城约为50 km，有604乡道通过，交通条件方便。

百岛湖水库输水隧洞（公黄隧洞）起点位于岩头溪左岸面坊里采砂厂（已关停）附近，终点位于黄井水库上游柏林里处，主要穿越梅溪河流域与朱衣河流域分水岭。

1.1 地形地貌

百岛湖水库输水隧洞（公黄隧洞）线路内梅溪河、黄井河河谷切割较深，谷底高程为200～600 m;其间分水岭高程多为800～1 400 m;总体为侵蚀—剥蚀构造中—低山地貌。

1.2 地层岩性

公黄隧洞主要穿越侏罗系遂宁组—三叠系须家河组地层，地层岩性详表1。

1.3 地质构造

输水隧洞主要穿越朱衣背斜北西翼，断裂构造不发育，次级构造主要表现为裂隙;以近南北向的横张裂隙为主，近东西向的纵张裂隙次之。在隧洞区外南西侧的牛马槽煤矿洞口附近发育一顺河向断层（牛马槽断层），构造条件总体较为简单。

朱衣背斜：发育于春树塝—朱衣镇—李家坝一带，轴线总长为28 km，轴向为近东西向，轴部主要分布巴东组地层，两翼依次出露须家河组至新田沟组地层，轴部开阔两翼不对称，北西翼岩层倾角为14°～39°，南东翼岩层倾角为23°～64°。

牛马槽断层：发育于双河口—牛马槽—裁缝包一带，断层呈东西向延伸，长5～6 km;倾向北面，倾角为50°～55°;上下盘均为薄层状砂、页岩互层，层面与断层面相近;为顺层面挤滑逆断层。断层破碎带及两侧影响带宽约为10 m，主要由断层角砾岩组成。属Ⅱ级大型断层，构造稳定。断层带胶结一般较差，附近河谷大致沿断层发育。

1.4 水文地质条件

输水隧洞线路沿线主要分布沉积碎屑岩地层;区内河谷深切，山高坡陡，沟谷发育，排泄条件好。降水大部分形成坡面流汇入沟谷;少部分顺孔隙和裂隙下渗成为地下水。按地下水的赋存条件主要分为基岩裂隙水和覆盖层孔隙水。区内无大泉分布，水文地质条件较简单。

在钢厂坪—牛马槽窑口段断层河谷存在河流下渗进入煤矿采空区现象;该段河床高程为480～840 m;沿河分布有钢厂坪—牛马槽—院马路窑口（已关停），原许可开采高程为300～950 m。本次调查发现钢厂坪—牛马槽窑口段断层河谷干涸断流，牛马槽窑口下游开始出现明流，在下游河段水量明显增大。在原钢厂坪煤矿院马路窑口（+511 m平硐口）处发现矿区积水外流现象，见图1。目前设有排水渠道及引水管道，排水口高程為511.5 m，预估流量为0.3～0.6 m3/s。原矿区511.5 m高程以下可能存在较大规模采空区积水问题。本隧洞选线中已予以绕避。

2 工程地质问题及处理建议

2.1 煤矿与采空区问题

输水隧洞线路区内珍珠冲组底部及须家河组地层主要为含煤系地层;为内陆河湖沼泽相含煤碎屑岩，以长石石英砂岩、石英粉砂岩为主局部夹透镜状薄煤层或煤线，单层煤厚度为0.05～0.40 m。公黄隧洞出口段（干23+789.40～干24+337.40）通过该煤系地层。经调查该段为原钢厂坪煤矿一采区，主要开采为300～500 m高程的须家河组K41、K42两薄煤层。根据《钢厂坪煤矿资源整合初步设计说明书》（中煤科工集团重庆设计研究院2011年），该区煤矿开采历史较长，不排除局部存在老窑及废弃巷道的可能，建议煤矿整合后在开采过程中采取“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后挖”的开采策略。建议超前钻探间隔岩层厚度不小于20 m。可研阶段勘察工作中对公黄隧洞出口的煤系地层段，委托重庆岩土工程检测中心采用天然场音频大地电磁法（AMT法）进行了物探工作。

物探结论为：①在测线0～320 m、550～610 m洞身段，判释为较破碎、较软弱岩体;测线320～400 m、530～550 m洞身段，判释为破碎、软弱或含水岩体;测线400～530 m段判释为极破碎、极软弱或富水岩体;测线610～912 m洞身段判释为较完整岩体。②从物探电性特征分析，测线高程为500 m以上区域未见明显由采空区引起的高/低阻异常。

本阶段采用深孔GK06对物探低视电阻率区（测线为400～530 m段）进行了复核，孔深为130 m，深入隧洞底板高程以下5 m。钻探揭露该物探低电阻段岩性主要为页岩与砂岩不等厚互层，部分层面夹煤线，构造裂隙较发育，岩芯多呈短柱状，岩体完整性较差;孔内地下水位埋深为98 m，水位高程为587.91 m（高于输水隧洞），未发现采空区。钻探揭示情况与物探资料基本相符。

综上所述，根据钻探、物探判定特征与工程地质条件及矿区资料相符，设计输水隧洞洞身高于煤矿采空区高程;隧洞与煤矿采空区间岩层厚度大于40 m，交叉影响小。洞身局部存在裂隙性破碎、富水带，建议加强支护措施。建议施工期间采用水平钻探+物探加强超前地质预测预报工作。根据本区煤矿开采经验，超前钻探安全间隔岩层厚度应不小于20 m。

2.2 煤系段瓦斯问题

公黄隧洞主要穿越朱衣背斜北西翼，为单斜向地层。由进口至出口依次穿越遂宁组、上沙溪庙组、下沙溪庙组、新田沟组、自流井组、珍珠冲组、须家河组地层。其中：遂宁组至自流井组段为非煤系地层;珍珠冲组—须家河组段为含煤地层。

本隧洞出口段穿越该含煤地层，根据钢厂坪煤矿资料，本区煤层厚度薄，单层煤厚度仅为0.05～0.40 m。本区煤层顿煤瓦斯含量（绝对瓦斯涌出量）为0.96～1.79 m3/t，属高瓦斯工区。含煤段隧洞最大埋深为150 m，按矿区瓦斯压力规律P=2.03 H计算，最大瓦斯压力为0.3 MPa。

根据穿煤层隧洞段地质条件复核，该段隧洞为出口浅埋段，为单斜向岩层，沿线呈凸出山脊，物探及钻探揭示洞身及以上岩体完整性较差，不具备瓦斯气体储气结构，不存在瓦斯突出条件。拟建隧洞下部300～500 m高程为原钢厂坪煤矿开采区，下部瓦斯气体已由采空区释放。经采用ADKS-4四合一检测仪在钢厂坪煤矿院马路窑口处检测，采空区内瓦斯气体含量低，详见表2。洞身以下不存在高压瓦斯气体上涌突出的条件。

综上所述，珍珠冲组—须家河组含煤地层段（干23+789.40～干24+337.40）隧洞属高瓦斯工区。依据《水利水电工程地下建筑物工程地质勘察技术规程》（DL/T 5415—2009）附录P瓦斯隧洞分类标准，按顿煤瓦斯含量为0.96～1.79 m3/t，瓦斯压力<0.3 MPa;本段为高瓦斯工区，建议按二级瓦斯地段等级进行防护衬砌。对该段隧洞建议全断面封闭，不设排水孔，并加强瓦斯监测工作。

其余洞段虽属非瓦斯工区，但为保证施工安全防止局部瓦斯积聚，建议做好瓦斯气体监测和通风管理。

2.3 隧道涌水、突泥问题

公黄隧洞区为侏罗系上统、下统及三叠系上统须家河组地层，岩性以碎屑岩为主，局部灰岩、泥灰岩以薄夹层形式分布，不存在大规模岩溶发育条件;按地下水赋存条件属裂隙水区，不存在岩溶涌水、突泥问题。

本区大部分洞段穿越砂岩、泥岩、页岩地层;较完整岩体段地下水活动状态多为渗水、滴水，一般无水压力;地下水主要沿裂隙面渗漏，裂隙处地下水活动状态多为淋雨状、线状流水，微具承压性。该类岩层段地下水流量较小，压力低，对工程施工影响小。但由于本工程隧道沿线无开挖支洞条件，隧洞单面掘进长度大，加之引水隧洞为单坡向隧洞，向下游掘进段底板倾洞内，无法自流排水，可能会存在较大积水问题，建议加强抽排措施。

公黄隧洞出口段穿越原钢厂坪煤矿采空区，矿区附近段河床高程为480～600 m，原窑口511 m高程排水渠处存在积水外排现象，流量为0.3～0.6 m3/s。本工程穿越矿区段隧洞高程为565 m，高于附近窑口排水口高程，洞段存在大规模采空区涌水的可能性小。但本段为傍山浅埋，距离北东侧支沟较近（平距为50～200 m），且略低于河床高程。根据物探及钻探揭示洞身岩体完整性较差、富水，局部可能存在裂隙性渗水。由于该段为二级瓦斯工区，洞壁采用全断面封闭，不设排水孔，建议外水压力折减系数取0.9。施工期间建议结合超前地质预报进行复核。

出口段隧洞单面掘进长度大，建议设计、施工中加强排水措施。

2.4 地下水腐蚀性问题

公黄隧洞主要穿越砂、泥岩地层地区，除出口附近存在含煤地层段外，其余段无特殊岩矿层分布。本次对隧洞出口附近已关停煤矿水的水质检测虽未发现异常，但在下游黄井河床处检测发现有SO42-离子大幅增加现象。结合须家河组煤系地层同类隧洞施工经验（开县赵家输水隧洞同地层SO42-离子达1 778.89 mg/L），不排除局部煤层地下水可能存在强硫酸盐型腐蚀性。建议对该珍珠冲组—须家河组含煤地层段（干23+789.40～干24+337.40）段支护结构采取相应防腐措施。

2.5 对环境水系影响问题

公黄隧洞沿线地表主要为砂泥岩地层区，深埋隧洞与地表水系及浅层基岩裂隙水间有多层（泥岩）隔水层阻隔，洞身段地下水与浅部水系的水力联系较小，且砂泥岩洞段渗水量小，并设计采用全断面衬砌，深埋隧洞段对周边水环境影响较小。

隧洞进口浅埋段局部裂隙较发育，隧洞开挖可能对洞口附近小范围存在地下水疏干影响，为减小施工对周边环境的影响，建议对浅埋裂隙渗水进行灌浆防渗处理。

隧洞出口煤系地层段为二级瓦斯工区，洞壁采用全断面封闭，不设排水孔;对环境水系影响小

2.6 高地应力问题

公黄隧洞为穿山深埋隧洞，竖向最大埋深约为750 m。本区构造应力影响不明显，本次垂直向最大应力推算采用公式σvmax=γh;推算结果大致为：隧洞埋深小于500 m段，σvmax<10 MPa，属低地应力区;隧洞埋深500～750 m段，10 MPa≤σvmax<15 MPa，属中地应力区。

中、低地应力区基本不会出现岩爆现象;硬质岩类地应力释放主要表现为局部洞壁岩体剥落、掉块现象;软质岩类局部可能存在小的变形位移现象。但由于本工程洞径较小，岩层倾角较大，洞身具备一定的自稳能力，成洞性尚好，地应力影响小。

2.7 隧洞围岩稳定性问题

公黄隧洞走向S20°E，位于渠马河向斜南翼，为单斜向地层，岩层产状由进洞口的N85°E/NW∠12°渐变为出洞口的N80°W/NE∠48°。本区次级构造影响主要表现为陡倾裂隙，其中以近南北向的横张裂隙为主，近东西向的纵张裂隙次之。本工程为深埋隧洞，裂隙面多为微张—闭合，裂面粗糙。主要结构面均与洞向呈大角度斜交（>30°），主要结构面对洞壁稳定性较为有利;本隧洞围岩稳定性不存在大的问题，在开挖过程中，局部可能存在掉块或变形现象，采取相应支护措施可安全通过。

2.8 施工对周边环境的影响问题

公黄隧洞远离村镇，且一般埋深较大，爆破施工对附近环境影响总体较小;仅隧洞进口附近地表分布少量民房，且隧洞埋深较浅为100～150 m;爆破会对附近地表房屋产生不利影响，建议采用控制爆破或非爆破开挖工艺通过。

公黄隧洞出口下游即为黄井水库，该水库承担为奉节县城供水的任务。为避免施工废水影响库内水质，建议进出口处应加强废水处理措施，满足达标排放。

3 结语

百岛湖水库输水隧洞（公黄隧洞）施工将会遇到煤矿与采空区、煤系段瓦斯、隧道涌水、突泥、地下水腐蚀性、对环境水系影响、高地应力、隧洞围岩稳定性和施工对周边环境的影响等问题。

①根据钻探、物探、工程地质条件和矿区资料分析，隧洞与煤矿采空区间岩层厚度大于40 m，交叉影响小。洞身局部存在裂隙性破碎、富水带，建议加强支护措施，施工期间采用水平钻探+物探加强超前地质预测预报工作。

②珍珠冲组—须家河组含煤地层段（干23+789.40～干24+337.40）隧洞属高瓦斯工区。建议按二级瓦斯地段等级进行防护衬砌。对该段隧洞建议全断面封闭，不设排水孔，并加强瓦斯监测工作。

③公黄隧洞区为侏罗系上统、下统及三叠系上统须家河组地層，岩性以碎屑岩为主，局部灰岩、泥灰岩以薄夹层形式分布，不存在大规模岩溶发育条件，按地下水赋存条件属裂隙水区，不存在岩溶涌水、突泥问题。

④公黄隧洞区地下水腐蚀性弱;对环境水系影响小;虽属中地应力区，但对隧洞影响小;隧洞围岩稳定性不存在大的问题，在开挖过程中，局部可能存在掉块或变形现象，采取相应支护措施可安全通过;隧洞远离村镇，且一般埋深较大，爆破施工对附近环境影响总体较小，加强废水处理措施，满足达标排放即可。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国务院办公厅.国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）[S].北京：中国法制出版社，2006.

[2] 张杰，李玮，李立民，等.引汉济渭输水隧洞围岩构造特征对工程地质的影响[J].现代隧道技术，2021（3）：23-32.

[3] 王永生.观景口水利枢纽输水线路岩石顶管设计与实践[J].中国水利，2021（19）：34-36.

[4] 范世运，王赫.水利工程输水隧洞施工开挖与衬砌技术研究[J].东北水利水电，2021（9）：26-27，35.

[5] 王强.长距离、大体积、有压输水隧洞充水试验研究[J].水利建设与管理，2021（8）：41-45.

[6] 吴剑疆，罗立哲.深埋输水隧洞施工风险评价[J].水利规划与设计，2021（11）：122-127.

[7] 卢功臣，蒋锐.长距离输水隧洞稳定性及支护研究[J].地下水，2021（3）：122-124.