水利項(xiàng)目工程須知技巧

　　文章是一篇水利工程論文，主要講述了水利水電項(xiàng)目深埋長(zhǎng)隧洞勘察方式要點(diǎn)等等。本文選自：《水利電力科技》,《水利電力科技》主要面向水利和電力系統(tǒng)的管理部門、設(shè)計(jì)院、科研院所，制造廠、發(fā)電廠、水利水電工程局、電建公司、水電站及大中專院校，兼顧外系統(tǒng)相關(guān)機(jī)械行業(yè)。

　　摘要：目前,深埋長(zhǎng)隧洞的工程地質(zhì)勘察還處于探索和積累經(jīng)驗(yàn)階段,不僅需要工程地質(zhì)分析、評(píng)價(jià)理論的豐富與完善,更需要勘察技術(shù)與方法的突破與創(chuàng)新。

　　關(guān)鍵詞：水利水電項(xiàng)目,水利工程,水利應(yīng)用,水利工程論文

　　一、深埋長(zhǎng)隧洞主要工程地質(zhì)問(wèn)題隧洞工程可能存在的工程地質(zhì)問(wèn)題主要有圍巖變形、塌方、巖爆、高外水壓力、突水、突泥和涌水、高地溫、巖溶、膨脹巖、有害氣體、有害水質(zhì)、放射性危害等。

　　從一些工程實(shí)例來(lái)看,深埋長(zhǎng)隧洞工程出現(xiàn)上述問(wèn)題的概率明顯更高,也更為復(fù)雜。

　　在一個(gè)工程中,一般有2~4個(gè)工程地質(zhì)問(wèn)題會(huì)比較突出,如錦屏二級(jí)發(fā)電洞主要問(wèn)題是巖爆和涌水,精伊霍鐵路天山隧洞主要是斷層帶、大溶隙涌水,魚箭口發(fā)電洞主要是溶洞突水、突泥,某達(dá)坂輸水隧洞主要是軟巖變形,奇熱哈塔爾發(fā)電洞主要是巖爆和高地溫等。突涌水、高應(yīng)力條件下的巖爆、軟弱破碎圍巖大變形和高地溫是深埋長(zhǎng)隧洞出現(xiàn)概率比較高的工程地質(zhì)問(wèn)題,對(duì)工程影響也較大。國(guó)內(nèi)如遼寧大伙房水庫(kù)輸水隧洞、野三關(guān)公路隧洞、精伊霍鐵路天山隧洞、錦屏二級(jí)發(fā)電洞等工程在施工期間曾因大量突水、突泥、巖爆、塌方而出現(xiàn)過(guò)人身傷亡和設(shè)備事故,并造成投資增加、工期延誤等不良影響。

　　特別需要提出的是,在極高應(yīng)力條件下,某些中硬巖也存在發(fā)生塑性變形的可能。

　　瑞士圣格達(dá)鐵路隧洞圍巖中存在一種糖粒狀砂巖,在高圍壓下發(fā)生塑性收斂變形達(dá)70cm以上,曾造成TBM卡機(jī)事故。新疆某達(dá)坂引水隧洞埋深不超過(guò)300m,但地應(yīng)力高,巖石以泥巖與砂巖為主,因圍巖擠壓和膨脹變形造成數(shù)十次TBM卡機(jī)事故。穿過(guò)煤系地層的隧洞,有害氣體和大變形問(wèn)題最為突出,比較典型的工程有廣渝高速公路華鎣山隧道和南昆鐵路家竹箐隧道。家竹箐隧道實(shí)測(cè)瓦斯壓力最大達(dá)到1.585MPa,高壓力瓦斯、大變形和大涌水給該隧洞施工造成了很大困難。廣渝高速公路華鎣山隧道不僅有煤層瓦斯,還遭遇了天然氣、二次生化氣及H2S等有害氣體,問(wèn)題更為復(fù)雜。

　　比較而言,這方面的問(wèn)題在水利水電工程中較為少見。

　　隧洞活斷層工程抗斷的已建工程實(shí)例尚未見到,規(guī)劃中的南水北調(diào)西線等幾個(gè)長(zhǎng)大隧洞工程,已將斷裂活動(dòng)性問(wèn)題作為主要工程地質(zhì)問(wèn)題之一進(jìn)行研究。考慮到強(qiáng)烈的破壞性,短時(shí)間內(nèi)形成較大錯(cuò)距的區(qū)域性活斷層應(yīng)盡力繞避,而以緩慢蠕變變形為主的活斷層在工程技術(shù)上是可以克服的。新疆某隧洞曾因放射性危害造成停工和方案改變,但是總的來(lái)說(shuō),出現(xiàn)嚴(yán)重放射性危害的工程實(shí)例較少見。

　　大范圍的侵入巖、煤系地層是放射性礦物易于積聚之地,如在工程中遇到此類地層應(yīng)進(jìn)行必要的勘察研究工作。大伙房輸水隧洞等工程勘察期間曾委托專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行放射性勘探。

　　線路上如存在大范圍放射性礦物,對(duì)施工、水資源危害較大,難以有效處理,應(yīng)首先考慮繞避。

　　二、深埋長(zhǎng)隧洞工程勘察技術(shù)1.遙感、地質(zhì)測(cè)繪和調(diào)查地面地質(zhì)工作仍是隧洞工程的主要勘察手段之一。

　　對(duì)于深埋長(zhǎng)隧洞工程,地質(zhì)調(diào)查和測(cè)繪的內(nèi)容、要求與常規(guī)隧洞工程有所不同。

　　在隧洞埋深達(dá)2000m甚至更深的情況下,洞線兩側(cè)2km甚至更遠(yuǎn)的巖體、斷裂都有可能會(huì)出現(xiàn)在隧洞圍巖中,因此測(cè)繪范圍宜擴(kuò)大到隧洞兩側(cè)各2km以上,有時(shí)為了追蹤重要的地質(zhì)現(xiàn)象,需要擴(kuò)大地質(zhì)測(cè)繪的范圍。

　　對(duì)于水文地質(zhì)條件的調(diào)查要充分重視,必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行專門的水文地質(zhì)、巖溶調(diào)查。

　　洞線附近的小流域與隧洞涌水問(wèn)題的評(píng)價(jià)有直接關(guān)系,應(yīng)納入調(diào)查與測(cè)繪范圍。

　　高山區(qū)的溪流、泉水往往沒有觀測(cè)資料,測(cè)繪過(guò)程中應(yīng)對(duì)地表水體的范圍、水量、水位進(jìn)行調(diào)查,應(yīng)選擇多個(gè)斷面采用簡(jiǎn)易儀器估測(cè)溪流流量,對(duì)泉水應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)查與觀測(cè)。

　　高山區(qū)氣溫、降雨量、蒸發(fā)量和降雨入滲規(guī)律與山下存在顯著不同,更缺乏直接的觀測(cè)資料,這些資料對(duì)于預(yù)測(cè)隧洞涌水量、地溫都是必要的,因此有條件時(shí)應(yīng)在洞線附近分高程設(shè)置專門的觀測(cè)站點(diǎn)。

　　深埋長(zhǎng)隧洞工程勘察范圍大、交通困難,并缺乏基礎(chǔ)地質(zhì)資料,地面調(diào)查與測(cè)繪工作是非常艱難的。

　　而遙感地質(zhì)測(cè)繪技術(shù)具有宏觀性、周期性、信息量豐富、快捷及成本低等優(yōu)點(diǎn),已成為深埋長(zhǎng)隧洞工程地質(zhì)勘察的一個(gè)重要手段。

　　如遼寧大伙房水庫(kù)輸水隧洞工程進(jìn)行了面積2100km2的1∶50000遙感地質(zhì)解譯工作,通過(guò)航片、衛(wèi)片解譯及野外驗(yàn)證,確定了80余條斷裂構(gòu)造,初步確定了巖土體范圍、地質(zhì)界線、地質(zhì)構(gòu)造等;南水北調(diào)西線工程選擇了ETM、SPOT和SAR等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為主要信息源,重點(diǎn)對(duì)30000km2范圍內(nèi)的斷裂構(gòu)造進(jìn)行了解譯。

　　2.綜合物探除常規(guī)物探方法外,為了探測(cè)深部地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象,近年使用較多的是可控源音頻大地電磁測(cè)深法(CSAMT)和高頻人文大地電磁測(cè)深法(EH4)。

　　如南水北調(diào)西線工程、陜西引漢濟(jì)渭穿秦嶺隧洞工程、新疆某補(bǔ)水工程穿天山隧洞等。

　　可控源音頻大地電磁法是根據(jù)不同頻率電磁波具有不同穿透深度的特點(diǎn),利用人工可控源產(chǎn)生音頻電磁信號(hào),探測(cè)地面電磁場(chǎng)的頻率響應(yīng)從而獲得不同深度介質(zhì)電阻率分布信息和目的體分布特征,其理論測(cè)深可達(dá)1500m,有效測(cè)深1100m。

　　與可控源音頻大地電磁法不同,高頻人文大地電磁測(cè)深法利用天然電磁波信號(hào)進(jìn)行探測(cè),其電磁波頻率相對(duì)較高,探測(cè)深度也相對(duì)淺一些,其理論測(cè)深為1000m,有效測(cè)深600~800m。

　　該方法雖然探測(cè)深度大,地形適應(yīng)性強(qiáng),但是精度還需要進(jìn)一步提高。

　　由于各種物探方法都有其優(yōu)缺點(diǎn),深埋長(zhǎng)隧洞物探勘察適宜采用綜合手段,不同方法之間相互補(bǔ)充和驗(yàn)證,采取點(diǎn)、線、面結(jié)合,定性與半定量結(jié)合的勘探布置和分析原則。

　　3.深鉆孔通過(guò)鉆探能夠直接了解深部地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水水位與水質(zhì)、巖溶等基本地質(zhì)條件,了解巖體放射性及有害氣體的賦存特征;通過(guò)巖芯觀察判斷隧洞圍巖類別,分析巖__爆的可能性;通過(guò)鉆孔可以取樣或在鉆孔內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)與測(cè)試工作,獲得深部巖體物理力學(xué)參數(shù)等。

　　因此,對(duì)于深埋隧洞工程,鉆探仍是不可替代的主要勘察手段之一。

　　目前,深鉆孔在國(guó)內(nèi)隧洞工程勘察中的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到較高水平。

　　南水北調(diào)西線隧洞最大鉆孔深度為470m;精伊霍鐵路北天山隧洞最大鉆孔深度約733m,平均鉆孔間距約2~3km;北天山某水工隧洞鉆孔最大深度886m,平均鉆孔間距達(dá)到3~5km;安康鐵路秦嶺隧洞鉆孔深度210~603m,孔間距約2km;引黃入晉工程隧洞鉆孔深度350m,平均間距約1km。

　　國(guó)外也在深埋長(zhǎng)隧洞工程地質(zhì)勘察中使用深鉆孔,如意大利與法國(guó)之間穿越阿爾卑斯山麓的鐵路隧道,長(zhǎng)約54km,有3.5km以上洞段埋深超過(guò)2000m,布置了20個(gè)鉆孔,其中有3個(gè)深度超過(guò)1000m,平均鉆孔間距小于3km;瑞士圣戈達(dá)快速鐵路隧洞和伯倫納鐵路隧洞也都布置深鉆孔,甚至在深孔底部又打水平孔。

　　可見,國(guó)內(nèi)外隧洞工程對(duì)鉆探的應(yīng)用都非常重視,并沒有因埋深大、地面工作條件惡劣而減少鉆孔。

　　但限于經(jīng)費(fèi)和設(shè)備能力,不少鉆孔是“懸掛”的,沒有達(dá)到洞身位置。

　　深鉆孔成本高昂,必須精心設(shè)計(jì),用于關(guān)鍵部位,并盡量一孔多用,除取芯外,常常利用鉆孔開展物探綜合測(cè)井、地應(yīng)力測(cè)量、孔內(nèi)變形試驗(yàn)、孔內(nèi)電視錄像以及地溫、放射性測(cè)量等試驗(yàn)測(cè)試工作。

　　4.鉆孔壓水試驗(yàn)常規(guī)的單管頂壓試驗(yàn)方法在大深度和高壓力下不適用。

　　一方面埋深很大時(shí)巖體吸水量小,常規(guī)橡皮栓塞的密封性能不能滿足要求;另一方面栓塞壓力難以控制,可能會(huì)被“壓翻”導(dǎo)致試驗(yàn)難以成功,并可能造成嚴(yán)重井內(nèi)事故。

　　雙栓塞法技術(shù)可靠并具有高試驗(yàn)精度,中水北方公司在600~850m深度成功完成多段壓水試驗(yàn)。關(guān)于試驗(yàn)段長(zhǎng)度,由于深部巖體滲透性較差,試驗(yàn)段長(zhǎng)度不能太短,在吸水量小的情況下適當(dāng)加大試驗(yàn)段長(zhǎng)度反而能降低試驗(yàn)誤差,還可以提高工作效率,如10~20m一段。

　　關(guān)于試驗(yàn)壓力,中水北方公司在某工程中采用雙栓塞方法進(jìn)行了常規(guī)壓水和高壓壓水對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果顯示3MPa和1MPa試驗(yàn)的透水率相近,顯示常規(guī)水頭壓水試驗(yàn)方法對(duì)于深埋隧洞仍是基本適宜的。

　　5.長(zhǎng)探洞錦屏二級(jí)引水發(fā)電洞實(shí)施了超過(guò)10km的勘探洞,獲得了大量難得的技術(shù)資料。

　　黃河大柳樹水利樞紐工程右岸發(fā)電洞也實(shí)施了1.2km的勘探洞,對(duì)發(fā)電洞成洞條件的論證起到了重要作用。

　　瑞士圣戈達(dá)隧洞為了解皮奧拉(Piora)地層的地質(zhì)條件,開鑿了長(zhǎng)度約為5.5km的隧洞。瑞士的伯倫納隧洞也采取了類似的勘探方式,在阿爾卑斯山主峰附近開鑿了約1km長(zhǎng)的探洞。

　　目前,國(guó)內(nèi)深埋長(zhǎng)隧洞工程地質(zhì)勘察中采用長(zhǎng)探洞的實(shí)例還不多,但在工程建設(shè)初期,結(jié)合施工支洞的施工進(jìn)行一些試驗(yàn)、測(cè)試是必要的。

　　如陜西引漢濟(jì)渭穿秦嶺隧洞,勘察單位就利用施工支洞進(jìn)行了深部巖體變形、物理力學(xué)特性等方面的測(cè)試和試驗(yàn)工作。

　　6.巖石(巖體)試驗(yàn)斷層破碎帶等巖體以及泥巖等軟巖,在高應(yīng)力下會(huì)發(fā)生擠壓變形,膨脹巖在水環(huán)境改變時(shí)會(huì)發(fā)生脹縮變形,一些中硬巖甚至硬巖在高應(yīng)力下也存在快速蠕變的可能。

　　在大深度、高應(yīng)力條件下,巖體中的空隙被壓密,巖體與巖石的強(qiáng)度特性較為接近,因此可以通過(guò)巖石的不同圍壓三軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M圍巖巖體的工作環(huán)境,了解巖體蠕變條件和特征,解決施工期哪些圍巖在什么條件下會(huì)發(fā)生快速蠕變變形問(wèn)題,為施工方法選擇、掘進(jìn)機(jī)選型提供基礎(chǔ)資料。

　　郭志通過(guò)試驗(yàn)證實(shí),溫度在數(shù)十度至百度時(shí),巖石的力學(xué)性質(zhì)與常溫時(shí)差異不大,可以不考慮高地溫對(duì)圍巖力學(xué)性質(zhì)的影響。但在高圍壓或卸荷條件下,圍巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度差異較大。

　　如某工程圍巖為淺變質(zhì)泥質(zhì)砂巖,單軸抗壓強(qiáng)度約70MPa,在30MPa圍壓下其長(zhǎng)期強(qiáng)度(抗剪強(qiáng)度)僅為峰值強(qiáng)度的一半。因此,對(duì)于大埋深隧洞應(yīng)考慮進(jìn)行巖石(巖體)的高圍壓蠕變?cè)囼?yàn),以確定巖體的長(zhǎng)期強(qiáng)度,為工程永久支護(hù)提供強(qiáng)度參數(shù)。針對(duì)掘進(jìn)機(jī)工效的試驗(yàn)研究不容忽視,實(shí)際上刀具選擇不當(dāng)會(huì)明顯影響掘進(jìn)效率,維護(hù)費(fèi)用也大大提高,與此有關(guān)的試驗(yàn)主要有巖石抗壓強(qiáng)度、石英含量、硬度和研磨性等。

　　三、幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)

　　1.循序漸進(jìn),逐步深入,重視施工階段的超前勘探鑒于深埋長(zhǎng)隧洞工程地質(zhì)勘察工作難度較大,存在的工程地質(zhì)問(wèn)題復(fù)雜,大量的勘探工期較長(zhǎng),費(fèi)用較高,因此深埋長(zhǎng)隧洞工程宜采取整體構(gòu)思、逐步加深的勘察方式。

　　超前勘探是深埋長(zhǎng)隧洞工程技施階段必不可少的超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)手段,對(duì)工程安全施工至關(guān)重要,應(yīng)納入施工工序,并應(yīng)作為技施階段勘察單位的重要勘察任務(wù)。

　　2.勘探布置應(yīng)抓住重點(diǎn)隧洞存在的主要工程地質(zhì)問(wèn)題是前期勘探的重點(diǎn)所在。

　　錦屏二級(jí)發(fā)電洞針對(duì)巖溶涌水問(wèn)題曾進(jìn)行了全面系統(tǒng)的巖溶調(diào)查和超長(zhǎng)探洞勘探,奇熱哈塔爾發(fā)電洞針對(duì)地?zé)崛鸬母叩販貑?wèn)題進(jìn)行了鉆孔地溫測(cè)量和大范圍泉水調(diào)查。國(guó)外也是這樣,為了查明關(guān)鍵地質(zhì)問(wèn)題不惜代價(jià)。如瑞士圣戈達(dá)快速鐵路隧洞,為查明北面圣哥達(dá)“地塊”和南面Pennine片麻巖帶之間皮奧拉地層特征,布置了長(zhǎng)度超過(guò)1000m的定向鉆孔,并在探洞內(nèi)布置了深300m的垂直孔;瑞士伯倫納鐵路隧洞,為了解一段復(fù)雜洞段的地質(zhì)條件,首先在主峰附近開鑿了一個(gè)長(zhǎng)900m的勘探洞,洞內(nèi)布置了深800m的垂直勘探孔,達(dá)到隧洞高程后沿洞線水平方向各延伸了約450m。

　　大變形、塌方、突涌水、高外水壓力、巖溶、有害氣體等,往往與斷層有直接或間接的關(guān)聯(lián),是勘探重點(diǎn)。

　　如引黃入晉工程、精伊霍鐵路天山隧洞、大伙房輸水隧洞等工程主要斷層均布置有鉆孔或探洞進(jìn)行控制。

　　3.充分利用高科技勘探手段鑒于深埋長(zhǎng)隧洞的特點(diǎn),常規(guī)勘察方法已無(wú)能為力,必須采用重型勘探設(shè)備和高科技手段。如航空航天遙感、超深鉆孔及孔內(nèi)測(cè)試、大深度地面綜合物探以及“三高”環(huán)境下的巖體力學(xué)試驗(yàn)等。

　　4.著重針對(duì)基本地質(zhì)條件的勘察,采用多種勘察方法互相補(bǔ)充驗(yàn)證對(duì)于深埋長(zhǎng)隧洞來(lái)說(shuō),無(wú)論是工程地質(zhì)分析理論還是勘察技術(shù)方法,都還不成熟,認(rèn)識(shí)深部地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象都還比較困難,因此要想在前期勘察設(shè)計(jì)階段完全查明工程地質(zhì)條件是不現(xiàn)實(shí)的,應(yīng)把工作重點(diǎn)放在對(duì)地層分布、巖組劃分、構(gòu)造形態(tài)與特征、水文地質(zhì)條件等基本地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)上,對(duì)于重要地質(zhì)現(xiàn)象、關(guān)鍵地質(zhì)問(wèn)題的勘察有必要采用多種方法和手段,以互相補(bǔ)充和驗(yàn)證。

　　5.勘察評(píng)價(jià)內(nèi)容具有針對(duì)性,并與施工方法相適應(yīng)采用鉆爆法、TBM法結(jié)合方式是深埋隧洞常用的施工解決方案。以鉆爆法突破復(fù)雜洞段,發(fā)揮鉆爆法適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn);條件簡(jiǎn)單洞段采用TBM法,發(fā)揮其掘進(jìn)速度快、效率高的優(yōu)勢(shì)。掘進(jìn)機(jī)只有在地質(zhì)條件適合的范圍才能充分發(fā)揮快速高效的優(yōu)勢(shì),而不同類型的掘進(jìn)機(jī)又有不同的特點(diǎn),圍巖類別、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征、巖石的研磨特性等直接影響掘進(jìn)機(jī)效率和運(yùn)行成本。這就要求勘察工作對(duì)圍巖性質(zhì)、大變形等問(wèn)題有較為充分的認(rèn)識(shí),勘察深度、提供資料的內(nèi)容必須滿足施工方法選擇需要,與施工方法相適應(yīng)。

　　6.勘察評(píng)價(jià)注重安全性現(xiàn)階段對(duì)于深埋長(zhǎng)隧洞主要工程地質(zhì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)以分析、推測(cè)為主,重點(diǎn)集中在判斷是否存在某些地質(zhì)問(wèn)題,“查明”是非常困難的。

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