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探讨长距离调水工程勘察设计施工中应注意的问题

2020-06-04 157 上传者：管理员

摘要：为解决中国某些地区缺水问题，自20世纪80年代开始，中国已经兴建或规划设计了数十项大型跨流域调水工程。本文汇集了中国现有的20项调水工程资料，基本涵盖了中国境内大部分调水工程。文中介绍了有关工程概况，编制了中国长距离调水工程特征一览表，绘制了调水工程分布图，按照中国地质环境分区分别阐述了各调水工程的地质环境特点，论述了长距离调水工程中常见的工程地质问题，包括:区域地质复杂环境问题、活动性构造及其对洞室稳定的影响、高地应力与围岩稳定问题、高压水头引起的洞室涌水和外水压力对隧洞衬砌影响问题、碎屑流问题、高地温问题、有害气体问题、边坡稳定问题、特殊岩土问题、过河隧洞或大型渡槽问题、矿区塌陷与渗漏问题、岩溶问题等，同时也指出了勘察、设计与和施工中应注意的问题。

关键词：
地质环境
工程地质学
工程地质问题
长距离调水工程
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作为一个历史悠久的农业大国，我国人均水资源仅有世界人均水量的1/4，被列入13个主要贫水国的行列。

这有限的水资源在空间分布上极不均衡，主要表现在南北方的差异(图1)(慧聪水工业网，2016)。北方人均水资源不到全国平均水平的35%，北方耕地面积亩均水资源仅为全国平均水平的26%。

图1 中国水资源分布图

中国西北地区有占全国国土面积1/4的荒漠，而且现在还在以每年大约1个县面积的速度继续扩张，而大规模荒漠治理只能依赖于大规模跨流域调水。随着国民经济的发展，水资源的不足严重制约了地方经济的发展，缺水地区水荒严重，水资源供需矛盾日益加剧，水环境持续恶化。在以上情况下，大型跨流域调水工程的实施就成为必然。这是实现我国水资源战略布局调整、优化水资源配置、解决中国南北方和某些局部地区缺水问题的一项特大基础措施，其对保证和促进我国各地区统一协调地发展经济、改善环境和社会稳定都具有十分重要的意义。中国从20世纪80年代开始兴建调水工程，但大规模的兴建则是近10～20年的事。因此针对长距离调水工程及其工程地质问题研究的较少。特别是由于地域的限制，大部分工程地质技术人员都局限于某一具体工程的勘察设计或科学研究。从全国范围内对中国调水工程的地质问题进行一个系统的阐述本文应属首次。

1、中国长距离调水工程概况

1.1 中国长距离调水工程分布

中国长距离调水工程分布见图2。从图中可以看出以下特点:(1)本文所列的调水工程主要集中在中国的东中部，其他地区零散分布。(2)调水工程主要分布在经济发达地区，也可以说调水工程的兴建是与当地经济发展相适应的。

1.2 中国长距离调水工程主要技术指标

中国长距离调水工程主要技术指标见表1。

2、中国长距离调水工程地质环境

中国地质调查局发展研究中心编制的《中国地质环境分区图(1︰500万)》(中国地质调查局发展研究中心，2017)将中国国土划分为7个大区39个亚区，并给出了各区的地质特征及存在的主要问题。本文中所列出的20个长距离调水工程在7个大区中均有分布，但以在Ⅱ区(黄淮海-长三角平原地质环境区)、Ⅲ区(华南基岩低山丘陵地质环境区)和Ⅳ区(西北黄土高原地质环境区)相对密集。各工程所在地质环境区域见图2，其地质环境特点见表2。

3、中国长距离调水工程中的主要工程地质问题

长距离调水工程跨过多个流域，其工程地质条件和工程地质问题具有多样性、复杂性的特点，且有些问题是调水工程所特有的，如渠道穿越河道问题等。中国西部的调水工程由于所处地理位置、气候和大地构造环境的特殊性，其工程地质问题更加复杂。现将其中具有调水工程特色的工程地质问题分述如下。

3.1 复杂环境下的区域地质问题

长距离调水工程距离长远，跨越多个地质地貌单元和区域构造单元。如南水北调西线工程地处青藏高原构造活动区，地震烈度高，部分洞段将跨越多条区域性活动断层，对工程影响较大。

3.2 活动性构造中的洞室稳定问题

活动性构造对长大隧洞的稳定影响较大。为此在区域调查的基础上，应进行区域构造稳定分析，复核工程各区段的地震基本烈度，研究大地不均匀变形对隧洞安全稳定的影响，对跨活动性断层的洞段应进行专门的稳定分析并采取特殊的工程措施。

3.3 高地应力与围岩稳定问题

长大隧洞一般埋深较大，地应力较高。高地应力下的洞室极易产生变形失稳或发生岩爆。为此应进行专门的现场地应力测试和应力场反演计算，分析研究高地应力下的洞室稳定性并选取合适的支护方式。

3.4 高压水头引起的洞室涌水问题以及外水压力对隧洞衬砌影响问题

长距离输水隧洞埋深可达数百米甚至上千米，天然地下水位也远高于隧洞高程，此时隧洞具有较大的外水压力。隧洞施工中在穿越破碎岩体时可能产生高压涌水，隧洞支护也将承受巨大的外水压力。为此应进行地下水位的监测工作，结合岩体特征进行地下水三维分析计算，评估外水压力对洞室衬砌的影响。

3.5 洞内碎屑流问题

在高压水头的作用下，隧洞中的破碎岩体或断层充填物可能会随着地下水的突然涌出形成碎屑流。为此应研究破碎岩体和大断层带的分布位置、物质组成、水头压力等，分析评价其可能的失稳条件。

3.6 高地温问题

地温在地壳中随着深度的加大而升高，新构造活动区局部也可能存在高地温异常带。岩体的性状在高地温的作用下可能会产生变化，从而出现新的工程地质问题或工程问题。为此应进行区域地温场调查，在现场钻孔中不同深度进行地温测试，研究高地温对工程地质条件、对工程建筑物与工程施工的影响。

3.7 有害气体问题

长距离调水工程所处地层复杂多变，某些岩体中可能存在有害气体。有害气体将危害施工人员的健康安全甚至工程安全。为此应进行区域地质环境调查，分析研究可能产生有害气体的地层及地质构造，在现场进行有害气体的检测和预防。

3.8 高边坡稳定问题

边坡稳定是工程建设中最常见的工程地质问题。在长距离调水工程中，渠道或其他地面建筑物不可避免地要穿越或座落在高山、峡谷、坡地、沟壑等地质单元上，因此可能会出现开挖的高边坡。即使在平原地区，当渠道穿过沟谷或地势低洼地段时，也可能会出现人工填筑高边坡。这些就会产生高边坡稳定问题。

3.9 特殊岩土问题

长距离调水工程穿越多种地质单元，不仅所遇的基岩岩性多种多样，也会遇到各种各样的特殊土。常见的有膨胀土、黄土、软黏土、冻土等(张翔等，2015)。

(1)膨胀土渠坡稳定问题。膨胀土遇水膨胀后强度降低，致使渠坡的稳定性较差。南水北调中线总干渠在黄河以南地段强和中等膨胀土分布长度约43ikm，黄河以北分布长度77ikm。

(2)黄土类土的湿陷性问题。南水北调中线工程和中国西北部的调水工程一般都会遇到黄土类土。黄土类土一般具弱湿陷性，部分具中等湿陷性，且均为非自重湿陷性。南水北调中线工程黄土类土渠坡累计长度约245ikm。

(3)软黏土问题。南水北调中线工程和中国东部调水工程一般都会遇到软黏土。软黏土一般为第四系湖沼相或海相沉淤泥质黏土，呈软-流塑状，抗剪强度低，影响渠坡稳定，或产生较大的沉降。南水北调中线总干渠南阳段软黏土分布长度约4ikm，天津干渠软黏土累计分布长度约15ikm。

(4)冻土问题。分布在中国青藏高原、东北地区、西北地区的调水工程存在冻土问题。冻土随着季节温度的变化，土体发生冻结或融化，其自身强度的变化、温度的变化、土体应力的变化及产生的形变等都可能对建筑物造成破坏。

3.10 过河隧洞或大型渡槽问题

长距离调水工程不可避免地要跨越其他河流，因而要兴建穿河工程。穿河工程主要有两种型式，一为地下隧洞，一为河上渡槽。两种过河型式存在的工程地质问题主要有:建筑物的抗震稳定、地基震动液化、震陷、基础冲刷、地基承载力、不均匀沉陷、岸边坡稳定、土洞稳定等。不同的穿河型式对上述工程地质问题有所侧重。

隧洞方案对地质条件要求相对简单，其抗震性能好，震动液化影响较小，震陷问题较小，无基础冲刷问题，地基承载力要求相对较低，不均匀沉陷问题相对小(荷载为线荷载，分布均匀，且小)，但存在隧洞涌水问题、隧洞衬砌内外水压差问题等。渡槽方案对地质条件要求相对较高，抗震性能相对较差(地震加速度的放大)，震动液化问题和震陷问题相对较大。另有基础冲刷问题、不均匀沉陷问题(荷载分布为点荷载，不均匀，且大)，地基承载力要求也相对较高。

3.11 矿区塌陷与渗漏问题

长距离调水工程在经过矿区时除存在压覆矿产问题外，地下采空区也影响着调水工程的安全稳定。采空区对调水工程的影响主要有地面塌陷、输水工程渗漏。南水北调中线工程经过河南省焦作煤矿区等处的采空区累计长度15ikm，压煤段累计长度83ikm。

3.12 岩溶问题

长距离调水工程为线性工程，穿越多个地质区域，所遇岩溶问题也就更加复杂。岩溶可能导致引水工程出现渗漏、塌陷等问题。在隧洞工程区，也会影响洞室的稳定和工程运行的安全(廖存刚等，2017)。

4、长距离调水工程勘察设计施工中应注意的问题

长距离调水工程与一般水利工程有许多不同之处，其主要特点一是为线性工程，二是跨越多个地质单元。因此在前期勘察过程中，有以下问题需引起注意。

4.1 深埋长隧洞的勘察

长距离调水工程线路中很多是深埋长隧洞，如南水北调西线工程、引汉济渭工程等。南水北调西线工程中隧洞最大埋深可达3000im以上。此时钻探不仅工作量大、费用高、施工难度大，取得的地质资料也十分有限。平洞勘探也具有相同的问题。地面地质测绘在做大深度地质推测时其准确度也大大降低。在这种情况下，航测技术、遥感技术、区域地质分析法以及工程地质技术人员的技术水平和经验等就尤为重要(李广诚，2002)。

4.2 初步勘察相对容易，详细勘察难度大

仅仅从工程地质的角度讲，也许可以说规划阶段的初步勘察相对容易，而到可行性研究阶段、初步设计阶段做详细勘察时难度加大。前期阶段的初步勘察精度较低，一般只收集一些区域地质资料，结合一些简单的勘探工作就可以了。而在后期做详细勘察时，需要针对建筑物的位置和特点做深入、细致、到位的勘探工作，其工作难度成倍增加(李广诚，2002)。

4.3 勘察深度的把握

长距离调水工程长度动辄数百公里，中间还夹有多个建筑物，诸如隧洞、渡槽、泵站等。如果以常规水利水电工程的勘察深度来要求长距离调水工程，显然是要求过高了。目前尚无长距离调水工程专门的规程规范，对勘察深度没有统一、明确的规定，在各调水工程中，各勘察设计单位都是自己把握，即使是审查单位也多是凭经验、凭感觉。这样就使各个调水工程的勘察深度把控不一，甚至出现越是工程规模大、线路长，单位线路长度内所作的勘察工作越少的不合理现象。同时也难免遗漏某些工程地质问题或分析判断不够准确。

4.4 工程施工时应注意的问题

施工期地质工作的难点主要表现在以下几个方面:(1)能否根据较少的勘探资料和相关地质资料，做出一个相对准确的地质分析和判断，为建筑物所在部位提供一个相对准确的工程地质条件描述。(2)在隧洞掘进过程中，为减少工程施工事故并提供地质技术支撑，做好工程地质超前预报至关重要。(3)由于长距离调水工程规模巨大，一般采用现代化的机械化施工方法，此时能否及时收集资料，做好工程地质编录与描述，为工程设计、工程施工和工程运行积累资料。从工程管理和工程施工的角度来说，长距离调水工程遇到的问题还有:多支参建队伍的协调管理问题、移民搬迁与安置问题、各种因素造成的阻工问题等，此处不做赘述。

5、结论

由于中国幅员辽阔，又存在区域性水资源分配不均的差异，这种差异包括中国南北方的差异，东西部的差异，发达地区与欠发达地区的差异，人口密集与人口稀疏地区的差异等等，兴建调水工程包括长距离调水工程是必然的，而且有数量越来越多、规模越来越大的发展趋势。调水距离越长，工程规模越大，所遇到的工程地质问题也就越复杂多样，解决问题的难度也就越大。因此，系统深入地研究调水工程地质问题也就越来越有重要的意义。

参考文献：

[1]陈奇,李广诚.2002.南水北调西线隧洞工程地质勘察评价方法讨论[J].成都理工学院学报,29(3):334-339.

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[3]李广诚,严福章.2004.南水北调工程概况及其主要工程地质问题[J].工程地质学报,12(4):354-360.

[4]李广诚.2002.南水地调西线隧洞工程地质勘察评价方法的思考与建议[J].水利规划设计,(4):37-42.

[5]廖存刚,刘皓,孙文超,等.2017.滇中引水工程昆明段岩溶水发育规律及对隧洞工程的影响[J].工程地质学报,25(S1):7-15.

[6]张翔,李宗龙,马显光.2015.滇中引水工程隧洞软岩工程地质特性研究[J].工程地质学报,23(S1):303-312.

王志强,李广诚.中国长距离调水工程地质问题综述[J].工程地质学报,2020,28(02):412-420.