南水北調(diào)中線大寧河補水工程大昌至茅草坡段工程地質(zhì)適應(yīng)性研究

陳立德　陳州豐

摘要:設(shè)想南水北調(diào)延伸工程西線剪刀峽方案由大昌取水口、四個槽經(jīng)椿樹坪至剪刀峽隧洞、剪刀峽水庫、檀木取水口、檀木至茅草坡隧洞及堵河下游梯級水庫串聯(lián)而成。概括介紹了取水口和相關(guān)隧洞及區(qū)域工程地質(zhì)條件,分析評價其工程地質(zhì)適宜性和相關(guān)環(huán)境工程地質(zhì)問題。研究認(rèn)為,西線剪刀峽(檀木-茅草坡)方案一級泵站大昌八角丘場址工程地質(zhì)條件優(yōu)越,剪刀峽水庫庫尾二級取水泵站檀木場址工程地質(zhì)條件適宜;春樹坪至剪刀峽隧址區(qū)地表巖溶發(fā)育,巖溶涌水、涌泥是該隧洞段關(guān)鍵性工程地質(zhì)問題;檀木至茅草坡深埋長隧洞存在局部巖溶涌水尤其是近河斷裂接觸性巖溶涌水等工程地質(zhì)問題。

關(guān)鍵詞:大昌;檀木;南水北調(diào);補水工程;深埋長隧洞;巖溶;大寧河

中圖分類號:TV68;P942文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-1683(2009)05-0033-04

Geoengineering Condition of Da′ning River Water-Compensation Engineering Area

in Middle Route of South-to-North Water Transfer Project

CHEN Li-de,CHEN Zhou-feng

(Yichang Institute of Geology and Mineral Resource,Yichang,443003,China)

Abstract: The Jiandaoxia line consists of two-stage pumping station,two long tunnels and related reservoirs,which is the west route scheme of diverting Da'ning River to Han in the South-North Water Transfer Project. The paper introduces the regional geoengineering condition of the pumping station and related tunnel,and analyzes its property and related environmental and engineering problems.

Key words: Dachang;Tanmu;South-to-North Water Transfer Project;water-compensation;long deeply-burying tunnel;karst;Da'ning River

1 工程概況

南水北調(diào)中線將從丹江口水庫調(diào)水,將極大的緩解我國北方尤其是京津地區(qū)缺水問題。但是受丹江口水庫庫容和上游來水量的限制,遠(yuǎn)期調(diào)水量將不足以滿足用水地區(qū)的需要,屆時將從長江三峽水庫[1]或三峽水庫以下的長江干流補水增加調(diào)水量。其中大寧河補水工程[1-2]備受多方關(guān)注,設(shè)想的東西兩個宏觀方案中西線剪刀峽方案為各方所推崇[3-4]。

西線剪刀峽(檀木-茅草坡)方案[5-6],由大昌取水口、四個槽經(jīng)椿樹坪至剪刀峽隧洞、剪刀峽水庫、檀木取水口、檀木至茅草坡隧洞及堵河下游梯級水庫串聯(lián)而成,見圖1。本文將概括介紹取水口和相關(guān)隧洞及區(qū)域工程地質(zhì)條件。

大寧河補水工程設(shè)想自大昌八角丘泵站將大寧河水提揚至385 m高程,到達(dá)前池四個槽,經(jīng)四個槽-椿樹坪-剪刀峽隧洞(長25.5 km),將三峽庫水調(diào)至大寧河上游的剪刀峽水庫,剪刀峽水庫水位360 m;經(jīng)剪刀峽水庫庫尾檀木二級泵站提水達(dá)到566 m,穿越大巴山分水嶺檀木-茅草坡長隧洞(長35.4 km),進入堵河支流官渡河上游的龍背灣水庫庫尾(茅草坡出水口高程530 m)。方案分兩步實施[7],一期修建剪刀峽水庫引大寧河上游來水,可以滿足近期引水量15~20億m³,遠(yuǎn)期則引三峽庫水。如果在剪刀峽修建高360 m高拱壩,則可實現(xiàn)大巴山越嶺隧洞的自流(陳祖煜與作者討論)。該工程將引水和堵河梯級水庫蓄能發(fā)電結(jié)合起來,實現(xiàn)抽水、蓄能、發(fā)電和供水功能,將極大的降低調(diào)水成本。使大寧河補水工程具有極大的吸引力。

2 工程地質(zhì)條件分析

2.1 區(qū)域工程地質(zhì)條件概況

大寧河補水工程跨越大巴山山脈,以南為大寧河流域,以北為堵河流域,均屬長江水系。區(qū)內(nèi)山高谷深,地貌以中山為骨架,分水嶺一帶最高海拔為2 740 m,整體地勢自分水嶺向南北兩側(cè)逐漸降低。

大寧河流域的廣大地區(qū),區(qū)域構(gòu)造上位于黃龍山?jīng)_斷裂以南,主要出露寒武系-三疊系灰?guī)r、碎屑巖夾煤系地層,尤其以志留系、二疊系和三疊系廣泛分布。構(gòu)造變形以褶皺為特征,脆性斷裂不發(fā)育,由北向南褶皺由緊閉向開闊轉(zhuǎn)變,次級褶皺發(fā)育;分水嶺一帶向斜緊閉或往東揚起,而背斜往往向西傾伏。

大巴山分水嶺以北至松樹嶺水庫庫首,即堵河支流官渡河上游的廣大地區(qū),區(qū)域構(gòu)造上位于黃龍山?jīng)_斷裂以北、青峰斷裂以南。主要出露寒武系地層,尤其以水井沱組、石牌組碎屑巖分布廣泛,碳酸鹽巖局部發(fā)育,震旦系燈影組頂部僅在屏峰背斜核部有出露,而奧陶系-三疊系地層于龍背灣至官渡一帶出露面積較大。該區(qū)構(gòu)造變形明顯增強,以不對稱緊閉同斜-斜歪褶皺為特征,同斜褶皺發(fā)育,褶皺軸面多傾向北西,引水線路隧洞段局部直立,局部傾向南東,展布方向在260°~280°至80°~100°之間,傾角在30°~70°之間。與褶皺同期形成的斷裂發(fā)育?；顒有郧喾鍞嗔盐挥谒蓸鋷X水庫壩下官渡一帶,屬于引水線路天然河道段,對工程影響有限。

2.2 區(qū)域斜坡穩(wěn)定性對引水工程的影響

大寧河流域?qū)φ{(diào)水工程有重要影響的崩滑流等地質(zhì)災(zāi)害主要有白鹿溪泥石流[8]和神基坪至白鹿鎮(zhèn)一帶志留系碎屑巖岸坡變形失穩(wěn),對調(diào)水工程的危害表現(xiàn)在對庫尾的淤積和對庫尾二次提水泵站的淤埋,見圖2。

堵河流域黃龍灘水庫段岸坡滑坡分布十分普遍,滑坡類型主要為堆積層滑坡,其次為基巖滑坡。水庫運行至今,大多數(shù)滑坡出現(xiàn)過不同程度的變形。目前大部分滑坡已趨于穩(wěn)定但存在部分滑坡復(fù)活甚至產(chǎn)生新的斜坡變形。規(guī)模較大的不穩(wěn)定滑坡和崩塌,如布袋營滑坡、屈家坡滑坡、鉆炭巖崩塌等對工程的實施將帶來危害,目前對這些滑坡正在進行進一步監(jiān)測和治理之中。

3 取水口工程地質(zhì)條件評價

3.1 大昌八角丘一級取水口工程地質(zhì)條件

巫山縣大昌鎮(zhèn)位于大寧河中游,三峽水庫蓄水達(dá)到139 m高程后,大寧河在大昌一帶形成20 km2的內(nèi)湖,而蓄水至175 m高程后,內(nèi)湖面積將增加到40 km2,大寧河中下游大部分河段將具備向上游逆向輸水的條件。

大昌八角丘位于四個槽復(fù)向斜南翼。該向斜兩翼次級褶皺發(fā)育,其中南翼發(fā)育有大昌向斜和八角丘背斜,這些次級褶皺軸向與主褶皺一起使向斜形態(tài)呈“W”型,見圖3。在四個槽一帶出露巴東組三段泥灰?guī)r、灰?guī)r,向斜翼部由三疊系嘉陵江組四段白云巖及巴東組一、二段構(gòu)成,145 m高程以下以階地、漫灘沖洪積黏土、砂礫石為主,部分為卵礫石,孔隙發(fā)育,透水性一般較強。

大昌八角丘取水口具有良好的工程地質(zhì)條件。八角丘一帶地形開闊,便于工程布置和施工;覆蓋層僅8~10 m,較薄,強風(fēng)化層5~10 m,開挖深度不是太大;取水口兩側(cè)階地標(biāo)高大于190 m,地基以基巖為主,砂卵石層少,便于泵站基坑、渠道、圍堰施工;八角丘一級泵站地基為巴東組一段泥灰?guī)r、嘉陵江組四段白云巖,抗壓、抗滑穩(wěn)定條件好;管線基本垂直于構(gòu)造,地基山坡以逆向坡為主,利于管線穩(wěn)定;前池置于四個槽一帶三疊系巴東組三段灰?guī)r、泥灰?guī)r地層中,有利于邊坡穩(wěn)定,四個槽一帶山頂及近區(qū)地形開闊、存在合適凹槽地形;基本無崩滑流等不良工程地質(zhì)現(xiàn)象;取水口位于130 m高程,可以保證三峽水庫最低水位145 m時,有最低10 m水深,調(diào)水保障程度高。

主要不利因素是站址及壓力管線將在三疊系巴東組二段紅層中開挖,存在邊坡、高邊坡穩(wěn)定性問題,但易于工程措施處理;近河谷側(cè)圍堰地基砂卵石漸多,處理要求和難度略高。

3.2 檀木二級取水口工程地質(zhì)條件

擬建檀木取水口位于大寧河左岸,上距剪刀峽水庫庫尾約1.0 km,屬中山“V”型峽谷區(qū),河谷狹窄,河流近南北流向,河道微向東凸出,左岸為凹岸,呈萁狀,中陡坡,為二疊系吳家坪組灰?guī)r構(gòu)成的同坡順向坡,見圖4。坡度角30°左右。檀木上游300 m隘谷兩側(cè)均為峻坡、懸崖或峭壁。河床高程310 m,寬50 m左右。坡體下部無覆蓋層或覆蓋層較薄。

檀木位于神基坪背斜南翼發(fā)育的次級褶皺檀木向斜核部。檀木向斜分布于檀木及以西,走向90°～108°,并于檀木一帶向東揚起,總體為舒緩開闊褶皺。揚起端由二疊系吳家坪組中厚層燧石結(jié)核或燧石條帶灰?guī)r灰?guī)r地層構(gòu)成,巖體微風(fēng)化或弱風(fēng)化,巖性堅硬,沒有或少有軟弱泥質(zhì)或泥灰?guī)r夾層,但深部下伏有二疊系龍譚組煤系地層。

檀木取水口距離剪刀峽水庫庫尾4.0 km以上,無引水渠。與檀木上游3 km處的神基坪相比,檀木一帶地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定,地基抗壓抗滑穩(wěn)定條件、天然邊坡及巖體抗擾動穩(wěn)定條件優(yōu)勢明顯。初步比較研究認(rèn)為,檀木建泵站較神基坪適宜。

4 引水工程隧址區(qū)工程地質(zhì)條件及評價

4.1 四個槽經(jīng)椿樹坪至剪刀峽隧址區(qū)工程地質(zhì)條件

四個槽經(jīng)椿樹坪至剪刀峽隧址區(qū)為中低山地帶,隧洞沿線地形起伏大,地表高程200~1 663 m。巫溪東為以三疊系嘉陵江組為核部的巫溪復(fù)向斜所形成的復(fù)合巖溶槽谷地貌,南北兩側(cè)地勢較高。引水隧洞長24 km,受地形條件限制,可以在巫溪縣城東黑溝370 m高程左右設(shè)置一個施工支洞,使該洞線總體呈折線形。引水隧洞首段四個槽-椿樹坪為淺埋段,長2.0 km。椿樹坪-黑溝洞段洞長13.5 km,平均埋深600 m,最大埋深1 150 m;黑溝-剪刀峽洞段洞長7.5 km,平均埋深600 m,最大埋深1 100 m。該隧洞段埋深超過800 m的超深埋洞段超過7.0 km。

四個槽至椿樹坪為三疊系巴東組地層分布區(qū),四個槽一帶為巴東組三段泥質(zhì)灰?guī)r,四個槽以北至椿樹坪為巴東組二段紅色碎屑巖和巴東組一段灰色鈣質(zhì)泥巖。

春樹坪至剪刀峽隨址區(qū)三疊系大冶組以灰?guī)r為主,嘉陵江組以含膏鹽白云巖為主,局部以含燧石結(jié)核灰?guī)r為主,分布面積較大,二疊系以灰?guī)r夾煤系地層,引水隧洞出口有少量的志留系碎屑巖地層分布(見圖5)?？傮w上隧洞大部分洞段為堅硬巖石,巖體類型主要為Ⅱ、Ⅲ類,其中Ⅱ類占38.6%,Ⅲ類占40.0%,Ⅳ類占20.8%,Ⅴ類占0.6%。隧洞埋深大,具備成洞條件。對隧洞圍巖穩(wěn)定有利。但是由于該區(qū)碳酸鹽巖地層巖溶普遍發(fā)育,尤其是嘉陵江組白云巖或鹽溶角礫巖洞段巖溶更加發(fā)育,溶崩角礫巖工程地質(zhì)性質(zhì)不良且不均勻,洞穴堆積可能造成一定程度的碎屑流。二疊系梁山組及龍譚組煤系地層不良?xì)怏w對施工有一定影響,但距離隧洞或施工支洞口近,采取處理措施較易。

隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以褶皺為主,僅于剪刀峽一帶有東西向斷裂發(fā)育,斷裂構(gòu)造對洞室影響有限。

隧址區(qū)強含水透水可溶性碳酸鹽巖巖組廣泛出露,尤其是巫溪向斜核部三疊系嘉陵江組四段溶崩角礫巖發(fā)育,其工程地質(zhì)性質(zhì)復(fù)雜,受地形地貌和構(gòu)造控制,地表巖溶普遍發(fā)育,便于地表水匯聚和入滲。由于洞室靠近大寧河-楊溪河河間地塊分水嶺西側(cè),地形破碎,受排泄基準(zhǔn)面的限制及巖溶發(fā)育史的影響,地下巖溶不僅有東西向巖溶通道,而且發(fā)育北西向巖溶通道,垂直巖溶管道和水平巖溶管道均發(fā)育,地下巖溶水文網(wǎng)復(fù)雜。從巖溶發(fā)育的深度和發(fā)育類型、控制因素上看,洞室將不可避免的遭遇與洞線垂直的東西向巖溶通道,甚至可能遭遇南北向或北西向水平溶洞。尤其值得注意的是,擬建洞線高程在360～380 m之間,該高程上發(fā)育的夷平面和武家灣巖溶塌陷指示該高程水平巖溶可能較為發(fā)育。綜合分析認(rèn)為,巖溶地下水和巖溶涌水對該洞段的影響將是該洞段關(guān)鍵性工程地質(zhì)問題。同時隧洞的建設(shè)可能會在一定程度上造成諸如地表水疏干等環(huán)境地質(zhì)問題。

4.2 檀木至茅草坡隧址區(qū)工程地質(zhì)條件

西線剪刀峽(檀木-茅草坡)方案越嶺隧洞檀木至茅草坡段,隧洞高程560~530 m,將穿越大巴山分水嶺,隧址區(qū)海拔最高2 200 m,隧洞最大埋深1 600 m,由于堵河流域切割強烈,隧址區(qū)岔河一帶海拔高程780 m洞室埋深為200 m、五道河處海拔高程655 m埋深為70 m、馬家屋場海拔高程700 m埋深為115 m、頭道河海拔高程615 m埋深為30 m,可以考慮設(shè)置施工支洞,并用于長隧洞運行過程中的減壓井。

分水嶺以南洞線經(jīng)過的地層有志留系碎屑巖、二疊系、三疊系大冶組和嘉陵江組地層;分水嶺以北洞線經(jīng)過的地層以寒武系水井沱組和石牌組碎屑巖為主,少量石龍洞組、天河板組、覃家廟組和三游洞組地層多具備成洞條件,部分堅硬巖類在深埋或超深埋條件下存在巖爆可能的可能性。

隧址區(qū)碎屑巖為相對隔水層,加之硐室埋深大,地表發(fā)育的節(jié)理裂隙在深埋隧洞段往往成為隱裂隙,地下水水量不會太大;但在埋深較淺的洞段,尤其是在褶皺軸部地帶,可能賦存較豐富的地下水。

在分水嶺一帶為可溶性碳酸鹽巖分布區(qū),地表巖溶廣泛發(fā)育,但地下河往往以懸掛泉的形式出露,表明地下河的下切速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于地表河流,加之該隧洞段埋深普遍大于1 000 m,而地表排泄基準(zhǔn)面高,隧洞段可能出現(xiàn)的巖溶涌水可能較小。但是在分水嶺以北,以寒武系石龍洞組為核部的石灰窯向斜可形成較好的匯水構(gòu)造,該洞段埋設(shè)在200 m左右,在靜、動水壓力作用下,可能出現(xiàn)巖溶涌水或突水。

分水嶺以北引水線路隧洞段,主要的東西向斷裂構(gòu)造黃龍山?jīng)_斷裂、漁頭灣斷裂、清吉溝斷裂均斜切公祖河(圖6),與公祖河或其支流臨近,與地表水有密切的水力聯(lián)系,斷裂帶巖體破碎且均有可溶性碳酸鹽巖地層卷入,可能成為地下水運移的良好通道。其中,隧洞與黃龍山?jīng)_斷裂相交處埋深1 950 m,斷裂涌水或巖溶涌水量可能有限,但是隧洞與魚頭灣斷裂和清吉溝斷裂相交處,隧洞埋深為200~300 m,有可能造成斷裂涌水或巖溶涌水。

研究認(rèn)為,檀木-龍背灣越嶺隧洞段主要工程地質(zhì)問題為深埋洞段高地應(yīng)力至軟巖的變形和流變失穩(wěn),以及部分堅硬巖類的巖爆、長隧洞高壓涌水、沿河斷裂及巖溶涌水等。

5 主要結(jié)論

南水北調(diào)大寧河補水工程“西線剪刀峽(檀木-茅草坡)方案”大昌八角丘一級取水口工程地質(zhì)條件較好,剪刀峽水庫庫尾檀木二級取水口工程地質(zhì)條件適宜。四個槽經(jīng)椿樹坪至剪刀峽隧址區(qū)巖溶廣泛發(fā)育,該洞段主要工程地質(zhì)問題為巫溪向斜等重大構(gòu)造核部的巖溶塌陷、碎屑流,隔水層透水層界面附近的接觸性巖溶塌陷、涌水、碎屑流,深埋洞段高地應(yīng)力至圍巖失穩(wěn),長隧洞高壓涌水等。檀木至茅草坡越嶺隧洞主要工程地質(zhì)問題為深埋(300~800 m)、超深埋(800~2 000 m)洞段高地應(yīng)力至軟巖變形及流變、長隧洞高壓涌水,局部隔水層透水層界面附近的接觸性巖溶塌陷、沿河斷裂接觸性巖溶涌水或突水等主要工程地質(zhì)問題。

研究認(rèn)為,就國內(nèi)外已建工程經(jīng)驗而言,暫未發(fā)現(xiàn)在經(jīng)濟條件許可的前提下存在不可克服的問題[9-10]。南水北調(diào)中線大寧河補水工程“西線剪刀峽(檀木-茅草坡)”方案將“抽水蓄能”和“補水工程”有機的統(tǒng)一起來,有較大的可行性和科學(xué)性。

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