黄河规划设计

引水口工程引水隧洞围岩分类及工程地质问题处理

葛勇刘冬蕴(地质总队)

〔摘要〕小浪底水利枢纽南岸引水口工程地处洛阳市孟津县境内，位于小浪底水利枢纽南岸，是小浪底水利枢纽组成部分，是为小浪底南岸灌区和洛阳市城市供水的大Ⅱ型引水工程。本文主要论述南岸引水隧洞围岩分类及工程地质问题处理两方面问题，进行总结，对今后类似工程的勘察研究具有指导意义。

〔关键词〕围岩分类工程地质问题钢拱架支护

1 工程概况

引水隧洞为钢筋砼圆形有压洞，开挖断面直径为4.5m、4.7m、5.1m，衬砌后洞径为3.6m，纵坡1.429‰，洞内设计流速2.8m/s，隧洞长3.174km，其中桩号0+00～0+025.8为明洞段。自进水塔向西南走向，进口高程235m，出口高程230.5m，高差4.5m。

2 工程地质特征

2.1围岩岩性及分布特征

组成隧洞围岩的地层主要有二迭系上统上石盒子组P₂^3-2、P₂^3-3、P₂^3-4、P₂^3-5、P₂^3-6岩组、石千峰组P₂⁴岩组和三迭系下统刘家沟组 T₁¹、T₁²、T₁^3-1、T₁^3-2、T₁⁴岩组地层。各岩组围岩在隧洞中分布情况见表1。

表1 隧洞各岩组围岩分布表

岩组	分布桩号	岩性
P₂^3-2	0+025.8～0+051	黄绿色泥钙质、钙硅质细砂岩
P₂^3-3	0+051～0+147.8	暗紫红色粉砂质粘土岩
P₂^3-4	0+147.8～0+262.2	黄绿色钙质细砂岩
P₂^3-5	0+262.2～0+337.4	暗紫红色粉砂质粘土岩
P₂^3-6	0+337.4～0+577.4	黄绿色钙质细砂岩
P₂⁴	0+577.4～1+396.2	暗紫红色粉砂质粘土岩
T₁¹	1+396.2～1+670	暗紫红色钙质、泥钙质粉细砂岩
T₁²	1+670～1+729	紫红色钙质细砂岩
T₁^3-1	1+729～2+070	紫红色钙硅质细砂岩
T₁^3-2	2+070～2+464.1	紫红色钙质、钙泥质粉细砂岩
T₁⁴	2+464.1～3+174	紫红色硅质、硅钙质粉细砂岩

2．2地质构造特征

（1）断层及其特征

隧洞施工中共揭露大小断层25条，其中对隧洞围岩稳定影响较大的断层特征和分布情况见表2。其中，F₂₃₀、F₄^’两条断层规模较大。其他断层也不同程度地对洞身围岩稳定性有一定影响，断层发育洞段岩石裂隙发育，岩石破碎，洞顶易产生塌落现象。

（2）节理发育情况及其特征

在引水口工程区发育的4组节理中，从隧洞地质编录资料显示，走向345°~ 355°这组节理最为发育，但大多层内发育，切层的很少。走向270°~ 290°这组节理在桩号1+900以前较为发育，且部分贯穿隧洞。走向 10°~30°这组节理在桩号2+470以后较为发育。走向60°~70°这组节理只是在局部洞段发育。洞室节理密度一般在1~2条/m。层状岩层中，4组节理均呈高角度切割层面致使岩石呈块状，局部破碎，顶部及两壁易产生塌落，掉块现象。部分洞段270°~290°走向节理与洞轴线夹角较小、呈纵向切割，并延伸较远，对围岩稳定性影响较大。

表2 隧洞断层特征及分布情况表

编号	位置	产状（°）			断层性质	断层宽度（m）	断层带物质组成及胶结情况
编号	位置	走向	倾向	倾角	断层性质	断层宽度（m）	断层带物质组成及胶结情况
F₂₃₀	0＋336.7	75	165	73	正	1.5	岩块、角砾、泥、松散
f₁³	0+505.6	80	170	69	正	0.1-0.5	角砾、泥、松散
F^’₃	0+723.4	295	25	55	正	0.2-1.0	岩块、泥、松散
f₁⁵	0+743.1	290	20	81	正	0.4	泥、密实
f₂¹	1+505.0	65	335	80	逆	0.25	角砾、泥、密实
F₄	1+670.0	45	135	80	正	0.25	角砾、泥、松散
F₄^’	2+463.9	10	100	88	正	5.1	岩块、角砾、泥、松散
f₃¹²	2+536.6	350	260	80	正	0.1-0.4	角砾、泥、密实
f₃¹⁰	2+660.5	33	123	74	正	0.1-0.5	岩块、角砾、泥、松散
f₃⁹	2+730.8	5	95	84	正	0.2-0.4	角砾、泥、松散
f₃⁵	2+985.0	360	270	87	正	0.5-1.0	岩块、角砾、泥、密实
f₃⁴	3+010.0	360	270	88	正	0.4-0.8	角砾、泥、松散

2.3水文地质情况

引水隧洞区地下水类型为基岩裂隙水，地下水分布情况及水量的大小主要与地形、裂隙发育情况和降水有关。

引水隧洞桩号0＋336（F₂₃₀断层）以前为二迭系地层，钻孔资料显示地下水位高程222.03m，洞室在地下水位以上，没有滴水、渗水现象。桩号0＋336～0＋900洞段，地下水位高程227.4m～257.44m，洞室大部分在地下水位以下，且该段上覆岩层受沟谷切割，地下水与外界地表水联系密切，较多数洞段渗水现象严重。根据寺院坡T₄₄₂长观孔资料显示，地下水位高程在270m左右，桩号0＋900以后，引水隧洞基本在地下水位以下。从隧洞开挖后的情况看，桩号0＋900～2＋360段渗水、滴水、线流点较多，尤以0＋900～0＋990、1＋882～1＋905、2＋127～2＋136段较为突出，局部洞顶、洞底线流水量达0.05L／S。

2.4岩石的力学性质

引水口工程区各岩组的岩石抗压强度指标见表3。二迭系P₂^3-3、P₂^3-5、P₂⁴岩组为粘土岩，属软岩；二迭系P₂^3-2、P₂^3-4、P₂^3-6岩组，三迭系 T₁¹、T₁²、T₁^3-2、岩组为钙质、泥钙质砂岩，属坚硬岩；三迭系T₁^3-1、T₁⁴岩组为钙硅质砂岩，属极坚硬岩。

表3 各岩组抗压强度(MPa)

岩组代号	P₂^3-3、P₂^3-5	P₂^3-4、P₂^3-6	P₂⁴	T₁¹	T₁²	T₁^3-1	T₁^3-2	T₁⁴
自然(干)岩体	32	98	34	94	83	122	92	170
饱和岩体	9	67	10	75	65	100	70	150

2.5地应力

据小浪底坝址区应力解除法、钻孔水压致裂法、声发射法和岩组法地应力测试成果分析，一般认为：岩体的初始应力以自重应力为主，同时受构造应力的影响，侧压力系数(入)在0.7～0.9之间，最大水平地应力方向约为NE45°，最大应力值在5 MPa左右，围岩岩体强度应力比(S)基本大于4，属低应力区，且空间应力状态分布较均匀，对隧洞轴线影响不大。

3 引水隧洞围岩分类

对引水隧洞围岩分类采用中国水利水电工程分类，根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287－99）附录P围岩工程地质分类方法对引水隧洞围岩进行分类。依据该规范中围岩分类的基本方法，对控制洞室围岩稳定的岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状五项因素之和的总评分为基本判据，围岩强度应力比为限定判据。参考岩体质量RQD、V_p等工程地质参数，对引水隧洞围岩进行工程地质分类（见表4）。

依据水利水电围岩工程地质分类，引水隧洞各类围岩分布情况见表5。

4 主要工程地质问题及处理措施

4.1地质构造对洞室围岩稳定的影响

隧洞施工阶段共揭露断层25条，其中又以F₂₃₀、F₄’两条断层规模最大，对洞室围岩稳定影响最大，其它断层对洞室围岩稳定性也有一定影响。走向270°～290°这组节理，与洞轴线近平行，在洞室内延伸较远，对洞室围岩稳定影响较大。同时局部洞段发育的节理密集带，造成岩体破碎，对洞室围岩稳定影响较大。对断层带、破碎影响带及节理密集带等不良地质洞段，除采用锚杆、喷混凝土加钢筋网、超前支护等措施外，对F₂₃₀、F₄’这两条大断层还采用格栅钢拱架支护。

表4 水利水电围岩工程地质分类(评分)表

项目	饱和单轴抗压强度R_c(MPa)	岩体完整性系数K_v	结构面状态	地下水位	主要结构面产状	总得分	围岩强度应力比	围岩类别
T₁⁴、T₁^3-1	30	25	18	-4	-2	67	>4	II
T₁^3-2、T₁²、T₁¹	25	28	20	-4	-2	67	>4	II
P₂^3-2、P₂^3-4 、P₂^3-6	15	25	18	-2	-2	54	>2	III
P₂^3-3、P₂^3-5 、P₂⁴	5	28	18	-2	-2	47	>2	III
断层带、裂隙密集带	5	12	15	-2	-2	28		IV

表5 南岸引水口工程引水隧洞围岩分类

桩号	围岩分类	桩号	围岩分类
0+025.8～0+310	III	0+742～0+751	IV
0+310～0+346	IV	0+751～1+374	III
0+346～0+687	III	1+374～2+455.5	II
0+687～0+695	IV	2+455.5～2+472	IV
0+695～0+720	III	2+472～2+824	II
0+720～0+731	IV	2+824～2+833	IV
0+731～0+742	III	2+833～3+174	II

4.2地下水对二迭系粘土岩、断层破碎带等不良岩体洞段围岩的影响

引水隧洞在桩号0+336（F₂₃₀断层）以后，大多数洞段均在地下水位以下。从隧洞开挖后的情况看，桩号0+900～2+360段渗水、滴水、线流点较多。二迭系粘土岩主要成分为伊利石，遇水后易产生膨胀、崩解。施工期补充了粘土岩的膨胀性实验，结果表明，二迭系粘土岩的膨胀压力最大140.25kPa。地下水对断层带、节理密集带充填物质，可能产生管涌和潜蚀作用。因此对防止结构内外渗要求较高，设计中对Ⅲ、Ⅳ类围岩洞段按抗裂设计，Ⅱ类围岩洞段按限裂设计，限制裂缝宽0.15mm。同时在粘土岩洞段纵向施工缝中增设了PVC止水片及跨缝钢筋。对于跨越断层的洞段为防止不均匀沉陷。将纵向钢筋由原Ф12改为Ф22。

5 结论

引水隧洞围岩为二叠系P₂^3-3～P₂⁴岩组、三叠系T₁¹～T₁⁴岩组，属Ⅱ、Ⅲ类围岩，规模较大断层破碎带为Ⅳ类围岩。对断层带、破碎影响带及节理密集带等不良地质洞段，除采用锚杆、喷混凝土加钢筋网、超前支护等措施，对F230、F₄’这两条大断层还采用格栅钢拱架支护。桩号0+324以后，特别是桩号0+890～2+360地下水多处集中渗漏，应采取堵漏措施。