（水利工程专业论文）南水北调东线穿黄河工程过河隧洞开挖涌水预测分析研究.pdf

中文摘要 本论文为论证水下隧洞开挖涌( 渗) 水这一主要地质问题，以南水北调东线穿 黄河工程过河隧洞为例，较详细地论述了该工程的地质条件，特别是水文地质 条件。 由于该隧洞自黄河河底以下可溶岩层中穿过，其主要工程地质问题为黄河 水、潜水和岩溶裂隙水“三水相通 ，隧洞开挖会发生涌水。 采用地面钻探、物探等勘探手段很难将隧洞地质情况进一步搞清，为此，开 挖穿黄勘探试验洞不仅能查明隧洞的地质条件( 重点为岩溶和水文地质条件) ， 而且在开挖探洞中探索在岩溶地区用预先灌浆堵漏的方法开挖水下隧洞的可能 性，进行各种科学试验，为以后隧洞的设计和施工提供必要的科学依据。 勘探试验洞开挖成功至今已历经近二十年，实践表明，只要采用合理的工程 处理措施，在复杂的水下岩溶区开挖隧洞是完全具备可行性，从而为工程实施 奠定了重要基础。 本论文通过收集探洞各个时期的资料，进行分析整理归纳，采用各种方法对 隧洞开挖时涌( 渗) 水情况进行预测和论述，并对涌( 渗) 水提出具体的工程处理 措施。 关键词：穿黄河隧洞涌水预测南水北调东线 a bs t r a c t i no r d e rt od e m o n s t r a t et h ek e yg e o l o g i c a lp r o b l e mo ft h er u s h i n gc o n d i t i o n d u r i n gt h eu n d e r w a t e rt u n n e le x c a v a t i o n ，t hi se s s a yt a k e st h ee a s tr o u t eo ft h e s o u t h - n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t ( s n w t p ) a sa ne x a m p l et o g i v eam i n u t e d e s c r i p t i o nt ot h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o no ft h i sp r o j e c t ，p a r t i c u l a r l yi t sh y d r o l o g i c a l c o n d i t i o n d u et oc u t t i n gt h r o u g ht h er o c ku n d e rt h eb o u o mo ft h ey e l l o wr i v e r ，t h ek e y e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lp r o b l e mi st h em e e t i n go ft h ey e l l o wr i v e rw a t e r , p h r e a t i c w a t e ra n dk a r s tf i s s u r ew a t e r t oe x c a v a t et h et u n n e lw i l lr e s u l ti nt h er u s h i n go f w a t e r i t sd i f f e r e n tt om a k ef u r t h e rc l e a ro ft h et u n n e l sg e o l o g i c a lc o n d i t i o nb ym e a n s o ft h ef o l l o w i n gm e t h o d s ，s u c ha sd r i l l i n g & g e o p h y s i c a le x p l o r a t i o n ，e t c t h e r e f o r e ， e x c a v a t i n gp r o s p e c t i n gt u n n e lc a nn o to n l yf i n d so u tt h et u n n e l sg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ( t h ef o c a lp o i n ti sk a r s t & h y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n ) ，b u ta l s oe x p l o r e st h ep o s s i b i l i t yo f e x c a v a t i n gt h eu n d e r w a t e rt u n n e lb yg r o u t i n gb e f o r e h a n di nt h ek a r s ta r e ai nt h e p r o c e s so ft h ee x c a v a t i o na n dc a r r i e so u ta l lk i n d so fs c i e n t i f i ce x p e r i m e n t s w h i c h c a np r o v en e c e s s a r ys c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ef u r t h e rd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h e t u n n e i u pt on o w , t h es u c c e s s f u le x c a v a t i o no fp r o s p e c t i n gt u n n e lh a sg o n et h r o u g hf o r n e a r l yt w e n t yy e a r s t h ep r a c t i c es h o w st h a ti ti sc o m p l e t e l yp o s s i b l et oe x c a v a t et h e u n d e r w a t e rt u n n e li nt h ec o m p l i c a t e dk a r s ta r e aa sl o n ga sr e a s o n a b l em e a s u r e sb e i n g u s e d a l lt h ea b o v eh a se s t a b l i s h e dt h ei m p o r t a n tf o u n d a t i o no f t h ec o n s t r u c t i o n t h i se s s a yc o l l e c t s ，a n a l y s e sa n dc o n c l u d e st h ee x c a v a t i o ni n f o r m a t i o no f d i f f e r e n tp e r i o d s ，p r e d i c t sa n dd e m o n s t r a t e st h er u s h i n gc o n d i t i o nd u r i n gt h et u n n e l e x c a v a t i o n ，a n da l s or a i s e st h es p e c i a ls t e po f t h et r e a t m e n t k e yw o r d s ：t h et u n n e la c r o s sy e l l o wr i v e r , r u s h i n go fw a t e r , f o r e c a s t ，e a s tr o u t e o ft h es o u t h - n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t ( s n w t p ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得：叁盗叁堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢_ i 嘲签字啉加9 年月玎日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一躲、嘲 签字日期：沙譬年2 月灯日 导师签名： 签字日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 目前，世界各国在交通运输、水利水电、矿山开采、城市市政以及 军事工程等方面修建了大量的、规模巨大的地下工程。据不完全统计， 我国已建和在建的水利水电地下工程达2 3 0 个，水工隧洞总长达4 0 0 余k m ，如天津引滦入津工程、甘肃引大入秦工程、山西万家寨引黄工 程、贵州天生桥水电站、四川太平驿水电站、四川福堂水电站和云南 掌鸠河调水工程等。交通方面，国外已建成的日本青函海底隧道和英 法英吉利海峡海底隧道，开始论证或部分施工的日韩海底隧道、奥意 b a s i sb r e n n e r 铁路隧道、瑞士g o t t h a r d 铁路隧道及挪威l a e r d a l 公路隧 道等。国内已经建成的衡广铁路复线大瑶山隧道、朔黄铁路长梁山隧 道、西康铁路秦岭隧道、渝怀铁路圆梁山隧道及西安南京铁路东秦 岭隧道等，成渝高速公路中梁山隧道、北京八达岭高速公路潭峪沟隧 道、晋焦高速公路牛郎河隧道、甬台高速公路大溪岭隧道、川i 藏公路 二郎山隧道、广渝高速公路华蓥山隧道、渝合高速公路尖山子隧道及 云南大保高速公路大箐隧道等相继贯通或投入运营。 由于地下工程特别是隧洞具有缩短空间距离、对高山峡谷地区适用 性强及无法替代等地面工程所无法比拟的优点。可以预见，在跨流域 调水、水电、铁路、公路及矿产资源等领域，我国会修建更多的地下 工程。 l9 9 6 年1 1 月2 2 日在中国工程院环境委员会成立大会上，中国工程 院院士钱七虎指出，l9 世纪是桥的世纪，2 0 世纪是高层建筑的世纪， 而2l 世纪应该是地下洞室开发利用的世纪。因此，面对环境恶化和城 市化问题日益突出，他建议，要把地下空间的开发利用放到可持续发 展的战略高度超前考虑。他认为，一个国家人均国民生产总值达到 8 0 0 l0 0 0 美元，就有力量开发利用地下空间，中国在2 0 世纪末就达 到这一水平，预计21 世纪将和世界同步或稍后进入地下空间开发利用 的时期。地下空间是资源，需要有偿占用和长远规划l ij 。 纵观隧洞的修建历史，制约其发展的因素可以分为两大类。一类是 施工技术方面的，如，掘进技术、通风技术及支护衬砌技术等；另一 类则是开挖可能遭遇的施工地质灾害的超前预报及其控制技术。施工 第一章绪论 地质灾害本质上是由水、岩、热、气等固体、准流体及流体构成的复 杂地质系统对开挖扰动做出的响应或反馈，响应的方式和程度不同， 灾害的类型和规模也就不同，具体灾种包括硬岩岩爆、软岩大变形、 高压突涌水、高地温及有害气体突出等。 本课题试图以南水北调东线穿黄河工程过河隧洞为例，根据南水北 调东线穿黄河隧洞的地质条件，在已开挖穿黄探洞的基础上，主要研 究在开挖隧洞涌水的可能性，预测涌水的部位、涌水量的大小以及应 采取的主要措施等，为工程设计和施工提供资料。 1 2 国内外研究现状 隧洞是水利工程特别是调水工程中重要的水工建筑物之一，其长度 短则数百米，长则数公里，甚至数十公里，经常需要穿越不同的地质 单元，因此隧洞所处的地质环境和地质条件复杂多变，带来隧洞的工 程地质问题多种多样，开挖突涌水就是隧洞的主要工程地质问题之一 皿，3 】。特别是位于地表水体( 海、湖及河流等) 以下的隧洞，该问题更加 突出。 国内外对隧洞开挖涌水问题一向非常重视，如已竣工的英法英吉利 海底隧道、日本青函海底隧道，正在实施的南水北调中线穿黄河工程 隧洞、长江沿岸城市过江隧道以及设想中的台湾海峡海底隧道等，均 无一例外地需要研究这一问题。 突涌水属于隧洞施工中遇到的流体地质灾害类型之一。其具有以下 特点： ( 1 ) 发生几率高。由于地下水的高度流动性、在地壳表层中分布的普 遍性以及大多数隧洞都处于地下水富集带附近或其以下，只要存在导 水通道，就可能发生涌水，因此，其发生条件要宽松得多。据不完全 统计，在我国19 9 6 年建成运营的4 8 0 0 余座隧洞中，约三分之一发生 过涌水问题，其中3 0 余座属于大型涌水，每座的涌水量均超过1 0 1 0 4 m 3 d ，最大的达2 0 6x1 0 4 m 3 d 。 ( 2 ) 给施工造成巨大影响。隧洞发生涌水，轻则停工，造成人员伤亡 和设备损失，影响施工周期，重则会影响整个工程方案，甚至造成工 程报废。 ( 3 ) 引发环境地质问题。一旦发生大规模的隧洞涌水，不仅施工本身 第一章绪论 会严重受阻，而且可能引起浅层地下水及地表水枯竭，甚至引起地面 塌陷等伴生的环境地质问题。如襄渝铁路中梁山隧道涌水造成地表 l4 k m 2 范围内的井泉干枯、农田漏水，给当地三个乡的人畜饮水造成 极大困难；再如衡广铁路复线的南岭隧道施工涌水、涌泥，连溪河水 全部灌入隧道，造成大面积地面塌陷，引起京广线既有铁路和l0 7 国 道路基严重下沉一j 。 也正是由于上述原因，无论是在隧道勘测设计阶段还是施工阶段， 涌水都是重点研究和解决的施工地质灾害之一，研究的核心则在于超 。- 前预测。 2 0 世纪5 0 年代后期，日本学者高桥彦治( 在修建北陆隧道中) ，首 次提出了简便的隧道涌水量计算方法。此后，许多学者在涌水( 量) 的室 内模拟和涌水量的计算方法方面进行了大量的研究工作。从6 0 年代后 期开始，日本学者伊腾洋、佐腾邦明等利用室内渗流槽对水下隧道的 涌水量预测问题进行了模拟试验研究；8 0 年代初，另一日本学者基于 模拟试验，提出了隧道涌水量预测的非稳定流方法；前苏联学者阿拉 文( v i a r v i n ) 和努米洛夫( s n n u m e r o v ) 基于模拟试验结果提出用 复数速度势理论计算水底条形渗渠的涌水量。几十年来，国外学者提 出了许多涌水量预测模型和试验方法。l9 8 7 年，日本学者将隧道涌水 量的预测方法分为：以经验或统计资料为基础的预测方法、以水力学 公式为基础的预测方法和依据水的汇入排出模拟建立的预测方法。我 国学者在引进、吸收国外涌水量预测方法的基础上，也提出了一些预 测模型。目前，在我国隧道涌水方面所用的模型基本上可以分为：非 确定性统计模型、确定性数学模型和随机数学模型三大类。 无论采用何种预测模型、什么预测方法( 甚至包括比拟法) ，隧洞围 岩渗透特性都是涌水量、涌水水头压力计算中必须采用或考虑的关键 性水文地质参数。从某种程度上可以说，如果查明了围岩渗透性的空 间分布，涌水预测问题也就基本解决了。 1 3 主要研究内容和技术路线 收集南水北调东线工程的地质资料( 包括区域地质、工程地质，重 点是水文地质资料) 、工程设计资料( 7 - 程布置、施工方法等) 、穿黄探 洞设计、施工的资料、探洞维护期资料、除险加固设计施工资料等， 第一章绪论 对上述资料进行综合分析，根据本工程的特点( 隧洞最大的工程地质问 题为隧洞施工存在“三水相通问题”) ，结合目前国内外水利水电行业 隧洞施工涌水问题的研究成果，并参考其它行业( 如铁路、公路、矿山 及国防等) 的资料，运用水文地质学、地下水动力学等理论对本工程隧 洞开挖时可能的涌水部位、涌水量以及相应的处理措施进行研究。 鉴于自上世纪七十年代开始至今，本工程已积累了大量翔实、全面 系统的资料，经过多次国内外专家的论证，而且在八十年代末至九十 年代初开挖了穿黄探洞，为隧洞的设计施工奠定了坚实的技术基础。 因此本课题研究可行。 通过对本课题的研究，进一步完善前人对类似工程的研究成果，达 到预测、分析水下隧洞开挖涌水的目的。 主要研究以下主要内容： ( 1 ) 研究本工程区的地质资料，包括区域地质、工程地质及水文地质 等； ( 2 ) 研究穿黄探洞( 19 8 5 l9 9 0 年) 开挖资料，包括超前钻孔涌水情 况、预注浆情况、灌浆材料、探洞揭露的地质情况、探洞所作的科研 试验等； ( 3 ) 研究探洞维护期( 19 9l 今) 的资料，包括维护记录、探洞日常出 水情况等； ( 4 ) 研究探洞除险加固灌浆处理( 19 9 9 2 0 0 0 年) 的资料，包括钻孔资 料、出水情况、灌浆情况等； ( 5 ) 研究隧洞设计资料( 包括工程布置及施工方法等) ，探洞和隧洞的 关系等； ( 6 ) 分析研究隧洞开挖时可能的涌水部位、涌水量以及相应的处理措 施等。 通过以上研究，着力解决北方岩溶区水下开挖隧洞的超前预测工 作，并合理处理工程问题。 4 第二章地质背景 2 1 工程项目概况 第二章地质背景 弟一早 圯快月京 南水北调工程是解决我国北方地区水资源严重短缺问题的重大战 略举措，经过半个世纪的研究，规划确定分别从长江上、中、下游向 北方调水的南水北调西、中、东三条调水线路，形成与长江、黄河、 淮河和海河相互连通的“四横三纵”总体格局。 黄淮海东部平原是我国当前严重缺水的地区之一，特别是海河流 域，不论是人均还是耕地亩均占有的水资源量均为全国平均水平的百 分之十。上个世纪八十年代以来，我国北方地区持续干旱，缺水问题 日益严重，已达到难以为继的程度。突出表现为黄河频繁断流、河湖 干涸、地表水已很少入海。不少城市的生活与工业供水靠挤占农业用 水来维持，部分平原地区靠连年超采地下水维持低水平的供水。 社会经济的迅速发展已超出当地水资源的承受能力，由于缺水，近 年难以维持生态平衡，环境日益恶化，大量超采地下水，引起地下水 位大幅度持续下降，形成大面积地下水漏斗区及地面沉降区，造成不 良后果。这种情况将随着工农业的进一步发展而愈益严重。为改变这 一状况，相继采取了多项措施，如引滦入津、引黄济津、大力推广各 种节水措施、调整工农业生产结构等，但是，单从本地区开源节流， 不能从根本上解决问题。实施跨流域调水是解决华北地区严重缺水的 根本举措，从上个世纪五十年代就开始设想的南水北调工程作为战略 措施提到议事日程上来。 东线工程的规划论证工作始于2 0 世纪5 0 年代，有关部门做了大量 的调研、论证和科学研究工作，取得了许多重要的成果，为科学比选 东线调水方案打下了坚实的基础。 东线工程从长江下游干流取水，基本沿京杭运河向北送水。在北方 水资源配置的总体格局中，考虑到东线工程位置偏东，地势较低，拟 定其供水区域为黄淮海平原东部和山东半岛，主要供水目标为解决京 沪铁路沿线和山东半岛的城市缺水，并为农业和生态环境补水。见图 2 1 和2 2 。 第二章地质背景 曼 j 图2 1南水北调东线工程线路图 图2 - 2南水北调东线输水干线纵断面示意图 第二章地质背景 南水北调东线工程在山东省东平县和东阿县两县交界处穿越黄河， 与黄河形成“立体交叉”，穿黄隧洞在河底岩层中通过，隧洞埋深约 7 00 m 。见图2 - 3 和2 - 4 。 图2 - 3南水北调东线穿黄河工程总体布置圈 芽黄同工程纵剐捆不惹圈 芒i l i i i lz l 。燮 ：纛焉 型堕兰! 祭毛芗= 堂“ i 鳖l 鲨芒! l ! 型! 塑i 妄垂鑫些旺鹭| 10e d l md r 1k mfu z k m 图2 - 4南水北调东线穿黄河工程纵剖面示意图 22 地质概况 221 地形地貌 穿黄河工程在地貌上位于鲁西山区与华北平原的交界地带，区域总 的地势为西高东低。 穿黄河隧洞位于山东省东、f 、东阿两县交界处黄河位山险工段。隧 第二章地质背景 洞进口位于黄河南岸滩地隐伏的解山生产土堤，堤项高程4 3 m ，堤内 外地面高程4 1 4 2 m ；出口在黄河北大堤外位山险工堤脚处，黄河大 堤堤项高程4 9 m ，堤外地势平坦，高程4 0 0 m 左右。 两堤之间黄河宽度仅2 8 0 m ，为黄河下游河道最窄的卡口之一。卡 口处黄河主流线靠近北大堤，河底局部出现深槽，最低处高程为31m 。 卡口的上下游河槽显著增宽，河床底高程为3 4 3 6 m 。 因第四纪以来本区地壳运动以下降为主，所以工程区的古地形地貌 均被掩埋。位于黄河南岸的解山几乎全部被埋没，仅有零星基岩出露， 该处高程为4 1 8 m 。位于北大堤外侧的位山，目前高出地面l0 余米， 山顶高程5 2 m 。山体由寒武系崮山组薄板状灰岩组成，原为当地一个 采石场，目前已废弃。经过地质勘察了解，从基岩的起伏情况看，位 山、解山之间的黄河主河槽段为一隐伏的近南北向的基岩鞍形山梁。 该山梁主要由寒武系张夏组灰岩构成( 顶部残存崮山组地层) ，鞍部岩面 高程约14 m ，宽约百余米，山梁两侧坡度较缓，坡角约l0 。穿黄河 隧洞基本沿山梁布置，隧洞上覆基岩厚度和分布宽度均能满足工程布 置的需要，可以说是理想的穿越黄河之处。 2 2 2 地层岩性 与穿黄河隧洞有关的地层主要为寒武系和第四系。隧洞围岩主要为 寒武系中统张夏组( 2 z ) 、上统崮山组( 3 9 ) 地层。 1 寒武系上统崮山组( 3 9 ) 分为3 层。由上而下分述如下。 ( 1 ) 第三层( 3 9 3 ) ：薄板状灰岩，青灰或蓝灰色，细晶结构，致密 状或竹叶状，层薄如板，单层厚度3 5 c m ，少数l0 2 0 c m ，局部夹 页片状黄绿色页岩。本层厚2 7 m ，主要分布于位山、解山顶部。 ( 2 ) 第二层( 3 9 2 ) ：页岩与薄层灰岩互层，页岩多为黄绿色，少数 为紫色，单层厚度1o 3 0 c m ；薄层灰岩一般厚2 0 c m 左右，最薄仅数 厘米，较为破碎。该层具有自上而下灰岩成分逐渐增加而页岩逐渐减 少的过渡特征。层间褶皱发育。本层厚度2 0 m 左右，层顶面高程2 9 - - - 3 4 m 。主要分布于位山、解山。 ( 3 ) 第一层( 3 9 1 ) ：杂色页岩。本层上部为厚3 m 多的紫色钙质页岩， 页理清晰，泥质含量7 0 ，碳酸盐含量2 5 ，其它5 ；中部为厚2 米多的灰绿色( 风化后为黄绿色) 白云质灰岩或泥灰岩，微粒结构，白云 石含量多达4 0 ，泥质含量15 2 0 ，含隐晶质浅灰色的灰岩扁豆体， 第二章地质背景 层理发育，风化后呈页片状，颇似页岩( 曾称之为黄绿色页岩) ；下部为 厚1m 多的薄层灰岩，致密状或小竹叶状，含海绿石达3 ，铁质5 及少许泥质。 2 寒武系中统张夏组( 2 z ) ，总厚度17 0 m ，从下至上分为12 层。与 隧洞有关的是上部的7 11 层。由上而下分述如下。 ( 1 ) 第l1 层( 2 z ) ：致密状灰岩，灰色，厚层状，以隐晶质致密状 为主，尚有微粒、不等粒结构及花斑状结构，含海绿石明显，方解石 含量达8 0 ，白云石含量15 及少许泥质。顶部有厚0 2 o 5 m 的黑 灰色，含化石碎片及海绿石明显的鲕状灰岩。本层厚度2 0 8 1 2 2 1 0 m ， 层顶面高程为2 7 m 。 ( 2 ) 第l0 层( 2 2 1 0 ) ：鲕状灰岩，深灰色，含鲕粒多且大，鲕粒明显， 问有赭色花斑，中厚层。具鲕粒者方解石含量高达9 0 ，白云石5 ； 具花斑者白云石含量2 0 2 5 。本层厚度为13 2 15 5 m ，层顶面高 程为一14 一2 0 m 。隧洞主要在该层中开挖。 、 ( 3 ) 第9 层( 2 2 9 ) ：厚层状灰岩，暗灰色，缝合线发育，缝合面多为 黑色，有泥质页片，致密状间有赭色花斑( 白云石构成) ，方解石含量高 达8 4 ，白云石含量个别高达4 0 ，其它微量。见有海绿石。本层厚 l8 7 2 2 1 6 6 m ，层顶面高程一3 9 一3 4 m 。 ( 4 ) 第8 层( 2 2 8 ) ：粗晶灰岩，灰色或灰白色，鲕粒结构，鲕粒大且 明显，方解石含量6 0 8 0 ，局部白云石含量高达3 5 ，含微量泥质。 本层与下部的第7 层( 2 z7 ) 合并厚度为3 2 m ，层顶面高程为一4 9 - - 一 5 3 m 。 3 第四系( q 4 ) 地层按其成因类型分为全新统现代冲积层、全新统冲 积湖积层、全新统下河流冲积层，上更新统坡积洪积层和上更新统坡 积残积层等。 2 2 3 地质构造和地震基本烈度 2 2 3 1 地质构造 根据前期地质勘察和穿黄河勘探试验洞的揭露，位山、解山一带岩 层平缓，褶皱轻微，岩层呈单斜状，地层产状为走向n e 6 0 - 8 0 0 ，倾 向n w ，倾角2 3 0 。 地质构造形迹主要为断裂，以低级别低序次的小断裂为主。其破碎 带宽度在0 1 1 0 m 之间，影响带宽度1 o 5 0 m ，受区域断裂控制， 第二章地质背景 以压扭性为主，受后期鲁西旋卷构造影响，断层性质趋于复杂，断层 统计见表2 1 。 表2 1穿黄探( 隧) 洞断层统计表 断 出露当 断层商产状力 序层 地或探隧洞桩号倾 学 破碎带 号编 洞桩号 走向 向 倾角 性 宽度 备注 ( e r a ) 号质 洞线西 张与洞轴线近 lf l 侧5 0 n w 3 4 0 。s w8 5 0 扭 3 0 7 0 于平行 6 0 m 张 探洞洞口开 2 f 2o 0 0 4 57 + 1 1 6 15n e 4 0 0s e8 5 。2 0 3 0 挖涌水量 扭 3 0 4 0 m3 h 单孔涌水量 压( 开挖探洞 3f 3o + 0 7 07 + 0 4 1 6 5n e 3 0 0s e8 0 。2 0 扭时，下 同) l0 0 m3 h o + 1 0 27 + 0 0 4 6 5 压 2 0 4 0 单孔涌水量 4f l ln e 3 0 0n w8 5 0 扭1 4 4 m3 h o + l0 77 + 0 0 9 6 5 压 单孔涌水量 5f 1 2o + 1 6 26 + 9 4 9 6 5 n e 6 0 。s e7 7 08 0 扭 4 2 m3 h o + 2 0 l6 + 9 0 9 6 5 张 单孔涌水量 6f 1 4n e 5 5 。s e8 5 。 扭 l o 5 0 2 1 0 m 3 h o + 2 0 26 + 9 1o 6 5 o + 2 6 7 5 6 + 8 4 3 8 5 张 7f l5n e 6 0 。n w7 8 。 扭 1 0 2 0 0 + 2 6 7 86 + 8 4 4 15 o + 3 0 4 86 + 8 0 6 2 5 压 单孔涌水量 8f 5n e 4 5 0n w8 3 01 0 2 0 o + 3 0 5 46 + 8 0 6 8 5 扭3 m h o + 3 9 26 + 7 l7 15 压 单孔涌水量 9 f 6n e 3 0 0n w8 0 02 0 o + 3 9 4 56 + 7 1 9 6 5 扭 2 0 0 m 3 h o + 4 0 8 8张 1 0f 1 66 + 7 0 2 8 0n e 8 0 。s e8 l 。 2 0 扭 o 十4 l8 6 + 6 8 5 6 5 张单孔涌水量 1 lf 1 7n e l 8 。s e8 7 。l o o + 4 2 66 + 6 9 3 6 5 扭 2 0 0 m 3 h 张 1 2f l8o + 4 3 96 + 6 7 2 6 5n e 7 0 0s e8 0 02 0 3 0 扭 o + 4 6 7 66 + 6 3 9 15 压单孔涌水量 1 3f 4 n e 3 0 0n w8 0 。4 0 1 0 0 o + 4 7 2 56 + 6 4 4 0 5 扭 2 0 0 m3 h 构造裂隙产状与断裂大体一致，主要发育两组裂隙，第一组裂隙走 向n e 2 5 。4 0 。，间距5 l0 m ，延伸较长；第二组裂隙走向为n w 3 0 5 。3l5 。以走向n e 组较为发育，n w 组次之，两组裂隙倾角均较 陡。沿裂隙溶蚀现象明显，裂隙溶蚀张开宽度0 1 2 0 c m ，个别形成 小溶洞。 第二章地质背景 2 2 3 2 地震基本烈度 根据中国地震动参数区划图( g b l8 3 0 6 2 0 0 1 ) ，工程区的地震 动峰值加速度为0 1 0 9 ，相当于地震基本烈度度。 2 2 4 水文地质条件 工程区地下水主要有第四系松散层孔隙水和基岩岩溶裂隙水两类。 黄河在本区为地上“悬河”，河水补给第四系孔隙水和灰岩裂隙岩 溶水。 1 第四系松散层孔隙水 ( 1 ) 含水层及其特征 主要赋存于第四系全新统现代冲积层( q 4 3 a 1 ) 粉、细砂层中。在黄河 解山、位山卡口处，由于过流断面窄，河底基岩面高，多次遭到黄河 “揭底”冲刷，然后又回淤了较厚的现代冲积物。因此致使松散岩类 的不同含水层在垂直方向上产生了水力联系，互相沟通。 现代冲积的含水岩性主要为粉、细砂层夹少量的壤土或砂壤土薄层 透镜体，其颗粒组成向深部逐渐变细，渗透性相应渐强。根据钻孔中 不同深度取样、试验可知，粉砂层的颗粒组成为砂粒占61 4 3 ，粘粒 o 6 3 无压漏水q = w j 3 2 6 8 58 7 4 2 8 2 3 w k 2 3 3 9 q = 8 7 0 2 0 6 5 19 6 - 9 粉质 w k 2 0 3 9 2 2 4 17 4 5 粘土 3 4 8 1 w j 33 9 o 3 0o 3 0= 4 5 2 3 4 5 1 第二章地质背景 从表中可以看出，钻孔中发现的溶洞以垂直向发育为主，呈竖井状， 水平向规模较小，成层性不明显。溶洞多为充水无其它充填物，有的 仅在溶洞底部分布少量碎石及黑灰色淤泥质粘土，有的充填细砂或棕 红色粘土。钻探过程中时常发现溶洞段不返水。钻孔中发现的溶洞以 w k 31 孔的为最大。该溶洞洞顶高程9 m ，在张夏组2 2 1 1 灰岩中，洞 底高程4 8 3 2 m ，在张夏组2 2 9 层，溶洞高近4 0 m ，近于直立状。后来 在该孔北北东方向0 9 m 处打抽水试验主孔2 时未发现溶洞。但在其西 南方向5 m 处的w k 3 3 孔中，5 8 6 3 m 高程处发现溶洞，如与w k 31 孔的溶洞相连，该溶洞倾向北西，倾角8 3 。8 5 。此外用物探方法 测试，发现在w k 3 3 孔以西3 2 m 处为一溶洞异常点，高程4 3 8 m ，分 布在2 2 9 层中；在w k 3 3 孔以东3 6 m 处，又发现两个异常点，其一 分布在4 3 8 m 高程，于2 2 9 层中，其二分布在5 8 m 高程的2 2 8 层中。 因此推测w k 31 孔的溶洞向两侧呈不规则状倾斜，延伸不远。 在w k l8 、w k l4 两孔钻探过程中，发现有涌砂现象。以w k l8 孔 涌砂较高，在孔深8 5 m ( 高程5 0 0 6 m ) 附近进尺快，无岩芯，发现溶洞， 并出现涌砂，涌高7 m ，为黄色粉细砂。w k l4 孔孔深7 8 9lm ( 高程- 3 6 m ) 时，孔内出现大量涌砂，涌高3 6 9 m 。 ( 2 ) 岩溶分布规律 岩溶多沿断层、裂隙分布，如w kl8 孔涌砂较大的溶洞可能沿f 3 断层发育而成，w k 31 孔中的溶洞及有涌砂现象的w k l4 孔中的溶洞， 均可能沿断层f 4 发育。从物探测试发现的异常点，也反映溶洞多沿断 层方向展布。如沿f l 断层出现l2 个异常点，沿f 4 断层出现10 个异常 点，沿f 5 断层出现5 个异常点，沿f 6 断层出现10 个异常点等。 从区域和w k 3l 孔中发现的三个溶洞情况看，溶洞在水平和垂直 方向常呈串珠状展布。 上述两个出现涌砂的溶洞，分布在掩埋山梁的两侧，该处寒武系张 夏组灰岩项部的崮山组，被剥蚀后残存较薄，如w k l8 孔3 9 1 层余厚 仅0 8 0 m ，w k l4 孔3 9 1 层厚1 6 5 m 。因此该处是否有通天的裂隙存在， 致使覆盖层中的粉细砂，顺裂隙流向溶洞值得考虑。w k l4 孔中遇到 的溶洞规模虽然较小，但涌砂经打捞仍不见减少，可见砂的来源较充 足，是否在钻孔旁侧有较大的溶洞存在，值得研究。对其进行物探测 试，在w k l4 孔旁侧，张夏组2 2 9 层中有异常点存在，高程一5 0 m 。 在崮山组3 9 岩层中，亦有规模不大的溶洞发育，其最高的高程 为2 8 m 。张夏组灰岩中发现的溶洞最高高程为4 m ，于2 z 层中；最 第二章地质背景 低高程6 3 m ，在2 2 8 层中。 根据张夏组灰岩中钻孔揭露的溶洞，计算张夏组灰岩的孔岩溶率和 线岩溶率，来反映岩溶发育的程度，见表2 8 。 表2 8张夏组灰岩岩溶率统计表 孔岩溶率 线岩溶率 层位岩性总孔数有岩溶孔孔岩溶累计进溶洞进线岩溶 ( 个)数( 个)率( )尺( m )尺( m )率( ) 致密状 2 z l l 6 061 0 01 1 2 5 9 07 5 20 7 灰岩 鲕状灰 2 2 1 0 512 3 97 4 0 5 6 6 5 8o 9 石 厚层灰 2 2 9 4 736 47 9 4 7 71 9 2 92 4 石 粗晶灰 2 2 8 3 03lo 03 8 9 6 29 9 82 6 石 从表中可以看出，孔岩溶率以2 2 1 0 层最低，2 2 9 层次之；线岩 溶率以2 2 1 1 层最低，2 2 1 0 层次之。引水隧洞主要在2 2 1o 层中穿过， 就两种岩溶率反映，其岩溶发育程度相对较弱。 ( 3 ) 岩溶发育影响因素 岩溶发育与岩性、地貌、水文地质条件和地质构造关系密切。 1 ) 与岩性的关系 对张夏组灰岩进行室内光性鉴定和化学成分分析，化学分析成果见 表2 - 9 。 从表中所列的主要化学成分看，2 z 2 2 8 层的方解石含量为 7 9 8 2 ，其中2 2 9 层含量稍低；白云石含量1 2 17 ，其中 2 2 8 层较高。酸不溶物以2 2 9 层较高，已接近5 。按化学成分组成， 2 2 1 1 2 2 8 层均应称之为含白云质灰岩。 表2 - 9张夏组灰岩化学成分分析成果统计表 组 主要成分所占比例( )主要计算值 层位酸不c a o方解石白云石 数 c a o m g o c 0 2 溶物 m g o( )( ) 第二章地质背景 2 z i l l34 9 9 23 0 3 4 2 2 03 5 81 6 4 88 2 2 01 2 6 8 ，z l o 7 4 9 9 73 0 3 4 2 2 63 7 01 6 4 98 2 2 41 2 5 2 2 2 9 l04 8 8 83 3l 4 1 9 2 4 9 91 4 7 77 9 1 2 1 4 9 2 2 2 8 25 0 5 14 0 4 4 3 7 81 6 71 2 5 08 0 7 l1 7 7 7 注：表中主要成分为平均值；其它微量成分未计入。 为鉴定岩性和结构特征，进行室内光性鉴定。测得矿物组成与化学 成分分析成果一致，方解石含量8 0 8 5 ，白云石含量1 0 2 0 。 按光性鉴定定名，张夏组灰岩2 z 2 2 8 层也为含白云质灰岩。从 光性鉴定结果反映，2 2 9 和2 2 8 两层白云石含量稍高些，2 2 1 0 层方 解石含量高达9 0 ，张夏组灰岩之所以岩溶发育，首先从岩性的化学 成分组成上，具有易被水溶解的条件。 2 ) 与地貌的关系 工程区位于低山丘陵和平原两种地貌的交界地带。昔日在华北大平 原初具规模时，古地貌在工程区以东为低山丘陵，地势较高，以西为 低洼平原，地势高差悬殊。工程区正处于地下水排泄区，有利于岩溶 的发育。特别是隧洞通过的黄河河底埋伏山梁，古地貌为一单薄山脊， 可以认为一般岩溶是较为发育的。 3 ) 与地质构造的关系 工程区岩层近于水平，褶曲轻微，地质构造上没有大的断裂。目前 发育的数条小断层破碎带宽度均不大，断层、裂隙都以高角度为主等 特点，给本区岩溶多沿垂直向发育布下了格局，构造规模小，影响着 岩溶的规模也不会太大。 4 ) 与水文地质条件的关系 本区岩溶主要在前述的岩溶形成的第三期和第四期，即第三纪和第 四纪中更新世时期形成的。当时该处处于剥蚀上升阶段，张夏组灰岩 大面积出露，地下水循环强烈，此时形成的岩溶多以垂直向为主的竖 井状。第四纪中更新世以后，工程区处于下降阶段，岩溶均被埋藏于 地下深处，因此，在工程区发现的岩溶均较深。但由于地下水动力作 用，岩溶仍在继续缓慢地发展。 总之，张夏组( 2 z ) 灰岩岩溶发育程度高于崮山组( 3 9 ) 地层，另一 特点为沿断层和裂隙方向发育，连通好的较大裂隙均有不同程度溶蚀 第二章地质背景 现象，其次以蜂窝状溶孔较为多见，个别处有直径2 o 3 0 o c m 小溶洞， 填充粘土和方解石结晶体。 2 3 主要工程地质问题 通过上述分析研究，穿黄河隧洞位于黄河之下，隧洞上覆地层岩溶 发育，从而造成黄河水、潜水及岩溶裂隙水存在