关键勘察技术的发展趋势及工程应用探析

南水北调西线工程被誉为中国21世纪的战略性工程,也是中国西部大开发战略的五大标志性工程之一,其重要性不言而喻。

2001年5月27～29日,水利部组织专家审查通过了《南水北调西线工程纲要及第一期工程规划》,同意报告提出的西线工程分三期实施的方案,即先实施第一期工程,再逐步实施第二、三期工程。

工程研究始于1952年。近年来,北方水资源严重缺乏的状况进一步加剧,因此,客观上加快了南水北调西线工程的研究进程。根据多年的基础研究,形成了现今被广泛认可的自通天河、雅砻江、大渡河上游分期开发引水至黄河上游的调水规划初步方案。三条河流的调水量为150亿～170亿m3。调水工程的主体区域是巴颜喀拉山及其南北两侧的长江黄河源头地区。

南水北调西线工程的区域环境地质条件是,从岩性上看,调水区分布的地层除太古界和寒武系之外,各时代均有出露。其中,以三叠系分布最广,岩性主要是浅变质砂、板岩及其韵律层组合,这套地层厚度巨大,挤压紧密,折皱强烈,岩性分布复杂。从区域稳定性上看,调水区主要断裂大多形成于中生代,以北西向断裂为主,第四纪早期构造运动较为强烈,北西向断裂大多后期重新活动,活动方式以逆冲兼走滑为主。晚更新世以来,特别是全新世以来,主要是调水区南北边界的玉树断裂、鄂陵湖南断裂和中部的桑日麻断裂东段有大规模活动,其他断裂活动性相对较弱,活动方式以水平左旋走滑为主。此外,西线调水区还发育有弥散性的近南北向的横向构造。这种弥散性的构造使得山体破碎,降低了洞室围岩的稳定性,给隧洞的防渗与加固处理带来困难。从外动力地质现象上看,调水区外动力地质现象发育程度不均,具有平面分区、垂向分带的特性,北区江河源和巴颜喀拉山主脊是地势较缓的高山区或极高山区,多年冻土厚度大,冻土现象(冰缘地貌)发育,地势平坦而岸坡变形现象稀少;南区(通天河称多、玉树以下,雅碧江温拖以下和大渡河壤塘、斜尔朝以下地区)为中深切割高山区或极高山区,属岛状多年冻土分布区,外动力地质现象垂向分带明显,4300m 以上为冻土冰缘地貌发育区,其下岸坡变形破坏现象(如滑坡、崩塌、泥石流等)较为发育,因此,西线调水工程建筑物区外动力地质现象发育。

根据南水北调西线工程建设的特点以及区域环境地质条件,该工程存在如下主要的重大工程地质问题:

(1)深埋隧洞的工程地质勘探技术与方法问题。深埋长隧洞跨越的工程地质单元多,工程水文地质条件复杂,工程地质问题隐蔽,给隧洞施工带来许多难以预料的困难。目前,深埋隧洞的地质勘察风险依然很大,预先认识隧洞经过部位岩体的地质结构,把握可能出现的突发性地质灾害,对于工程设计和施工部门是十分重要的。运用先进的勘探技术,查清深埋隧洞的工程地质问题,将是南水北调西线工程所面临的问题之一。

(2)深埋长隧洞的围岩稳定性问题。西线调水工程的自流线路洞体深埋于山体基岩之内,上覆岩体厚度一般为500～800m,最大厚度达1100m,因此,隧洞所在深度的岩体工程地质条件、围岩力学特性直接影响到隧洞的设计与施工。

——地温场分布与岩体地应力特征,影响地温场的主要参数是岩石的传热系数和地下水的流向及流速,但也与区域地质构造的稳定性和深部地壳结构的性质密切相关。根据地温增温率推算,引水隧洞高程处的地温可达20～25℃,局部地温异常区的洞室围岩温度可达53～68℃。从目前的工程地质实践看,地温的计算成果往往与实际情况有一定的误差。如何计算西线工程区的地温增温率,研究区域地质构造、深部地壳结构,预测隧洞断面处的岩温,以便指导施工,仍是需要进一步研究的基础地质问题。

——高压水的突水问题,地下水是影响围岩和洞室施工安全的重要因素,隧洞的涌水更是常见的工程地质灾害;而且,深埋长隧洞的涌水还具有涌水量大、水头压力高、补给丰富的特点。西线工程区地下水具有非多年冻土区地下水特点。松散岩类孔隙水、冻结层水、风化带网状基岩裂隙水等因隧洞埋藏深,对围岩稳定影响甚微。影响较大者主要为构造裂隙水,尤其是引水线路地区的某些顺河发育断层,与地表水有密切的水力联系,地下水源补给充沛,洞室的开挖必将形成地下水富集廊道,在断层破碎带内充填物和折皱核部的破碎岩石涌出,形成突水和碎屑流地质灾害。目前,隧洞涌水预测的准确性有待进一步提高。因此,针对不同的地质条件和水文地质背景,对涌水发生的环境地质条件进行必要的类比,预测隧洞施工中发生高压涌水的洞段,以便制定合理可行的防治措施,可以减少涌水灾害的发生概率,指导隧洞的施工。

——工程软岩的蠕变问题,软岩的变形特性取决于工程荷载与岩体强度的相互关系,软岩在高地应力作用下将产生大变形和长期流变,围岩的大变形和流变成为远比岩爆更难处理的工程地质问题。西线工程的引水隧洞洞径最大的接近10m,围岩多为浅变质砂板岩,根据现有浅部实测值,推断埋深1100～1300m 处铅直地应力将达到30MPa左右,而水平地应力可能达到18～20MPa左右,洞壁应力将为60MPa左右。在这样大的洞径、如此高地应力的持续作用下,砂板岩将产生怎样的变形和破坏;高应力软岩是否发育,工程部门应当采取什么措施,将是整个工程成败的技术关键。

(3)活断层和地震构造环境问题。活动断层对工程的破坏作用始终是工程地质学界关心的问题,过去的工程建设通常可以通过工程地质选线、选址来回避断层带,特别是活动断层带;但西线工程不同程度地邻近或穿越多条活动性断裂,其位置和方向不可能回避活动性深大断裂的影响。对于深大活动性断裂,断裂带宽度常达到数百米以上,断层变形的规律性及其变形量,特别是工程有效期内的变形量,以及由此引起的隧洞变形与稳定性问题是不可回避的问题。从目前国内活断层和地震监测的运转情况看,还有一些问题需要进一部深化。比如,根据活断层监测数据如何确定断层活动的警戒值,根据具体条件判断发震趋势;地震监测给出的本底地震数据如何用于地震的预报等等,这些问题仍有待深入探讨。

(4)冻土地质灾害。西线调水区引水工程建筑物多布置在多年冻土区和多年冻土与季节冻土的混交地带内,冻土工程地质问题复杂。多年冻土下限最大深度花石峡地区为55m,平均为40多m,主要表现为融沉危害;季节冻土主要表现为冻胀危害。根据调水区建筑物布置状况,位于季节冻土区的引水建筑物有引水枢纽、引水隧洞进出口及配套工程等,这些水工建筑物不可避免受到冻害的影响。对于引水隧洞,因其埋深大,多年冻土对引水隧洞洞身不会产生危害。但在隧洞进出口附近,由于工程建筑的营造,导致洞口部分地段的融化深度加大,可造成大面积的向源滑塌和溯源侵蚀,引起斜坡失稳。

(5)特殊地质介质的工程地质特性研究。在西线调水工程中,不可避免地会涉及到特殊地质介质及其工程地质性质问题,主要表现为:①活动性断裂及其宽大影响带内强烈构造破碎岩体的特殊性质;②岩体应变储能状态和高应变岩体的工程行为;③持续高地应力作用下深埋隧洞软岩大变形与长期流变行为;④非连续介质的力学特性研究。对西线工程特殊地质介质的工程地质特性认识的提高,以来于勘探技术的进步。

(6)其他环境地质问题。工程的兴建不仅要适应复杂的环境地质条件,而且会改变环境地质固有的平衡,会产生许多新的环境地质问题。主要表现为:①输水主洞和施工支洞的修建势必改变当地的水文地质条件,造成地下水位下降和地下水的流失,由此诱发的环境问题值得进一步研究;②输水明渠的岸坡稳定及大型泥石流的防治与处理;③岸坡稳定问题,西线区的水库岸坡分为松散岩类岸坡和基岩类岸坡两类,其变形破坏的形式主要是崩塌和滑坡;④水库诱发地震问题,初步认为,西线工程区有产生构造型水库地震的可能。

为适应我国水利科技发展战略的需要,结合正在进行的南水北调西线前期工程,我国水利水电工程亟待研究和开发的关键勘察技术有:

1)超深孔(1000m)取芯钻探技术;

2)深孔(1000m)地应力测试技术;(www.xing528.com)

3)高边坡三维摄像成图系统及稳定性监测预报技术;

4)三维地质模型;

5)测地机器人技术;

6)深厚覆盖层勘探技术;

7)高分辨率地球物理勘探技术;

8)深埋长隧道软弱围岩长期稳定性监测预报技术;

9)深埋长隧道施工地质超前预报技术;

10)物理风化作用的类型与工程应用;

11)高地震烈度区域稳定性研究技术与方法;

12)岩体卸荷带划分与探测技术等。

上述关键技术的发展方向、研究内容与工程应用领域见表12-9。

表12-9　水利科技发展战略需要的关键勘测技术一览表

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