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黄河龙青段主要环境工程地质问题分析思路论文

摘要： 介绍了黄河上游龙青段主要环境工程地质问题的分析思路，以达到抛砖引玉、交流和提高水电工程地质勘测水平的目的。

关键词： 龙青段坍岸岸坡稳定渗漏浸没淤积诱发地震

以多泥沙著称的黄河是我国第二大河流，全长5464km，流经9省（区），以内蒙托克托县和河南花园口为界分上、中、下游三段。龙青段位于黄河上游龙羊峡～青铜峡河段，全长918km，是落差最大的河段。地势总体上是SW部高，海拔均在4000m以上，相对高差达600～900m；由SW向NE逐渐降低至海拔2000m左右，沟壑纵横，相对高差100～300m，呈黄土丘陵，梁、峁、塬等地貌；再向NE海拔降低至1200～1700m的贺兰山～六盘山一带。

龙青段黄河主要支流有隆务河、大夏河、洮河、湟水、庄浪河、宛川河、祖历河、清水河、苦水河等9条，河谷地貌总体为峡谷与盆地呈串珠状相间分布，自上游至下游依次为共和盆地、龙羊峡、贵德盆地、松巴峡、沙柳湾、李家峡、水地川、公伯峡、甘循川、积石峡、丹阳川、寺沟峡、临夏盆地、刘家峡、永靖川、盐锅峡、上铨川、八盘峡、新城川、柴家峡、兰州盆地、桑园峡、皋兰川、小峡、什川、大峡、条城川、乌金峡、靖远川、红山峡、王佛川、黑山峡、卫宁盆地、青铜峡、银川盆地，尚不包括其间的次级盆地与峡谷，盆地与峡谷及两边高山均以断裂为界，这种串珠状地貌为开发黄河水力资源提供了自然条件。

龙青段主要环境工程地质问题包括：滑坡，泥石流，黄土湿陷，水库淤积（固体径流来源），水库诱发地震等。

1滑坡问题

分析滑坡应坚持内因（如坡体结构、不利弱面组合等）与外因（地震、降雨、水库蓄水过程、人类活动诱发滑坡）相结合的原则，综合考虑。

不同的岸坡结构决定着滑坡变形破坏的类型、数量和规模。结构面的不利切割、组合、形成稳定条件差的边坡，在地震、降雨、水库蓄水过程中产生滑坡。如龙羊峡（查西、查纳、查东、龙西、农场、峡口滑坡）、拉西瓦（多右、多左、多隆、赛卡、扎卡、泥鳅滑坡）、李家峡（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号、夏群寺滑坡）、公伯峡（Ⅰ～Ⅷ号滑坡）、积石峡（Ⅰ～Ⅵ号滑坡）等，工程中结合水库工作条件来分析两岸滑坡体（群）、评价岸坡稳定性。

分析中应注重：

（1）如龙羊峡、李家峡水库蓄水和库水位的变动，分析时要充分估计水的渗透压力及浮托力对岸坡稳定的不利影响。

（2）分析时查明岸坡中软弱结构面存在、交切方式、遇水软化对岸坡稳定的不利影响；尤其是软弱带存在亲水性很强的粘土矿物或易溶盐、易软化、易崩解的岩土。

（3）分析时要充分考虑地震作用对岸坡稳定的不利影响，龙羊峡、李家峡、公伯峡等滑坡稳定分析中采用地震加速度系数来分析地震的影响程度。

（4）对于近坝库岸或靠近重要工业建筑的大型滑坡，如李家峡（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号、夏群寺滑坡）或坍塌体，分析时应注意突然失稳造成的涌浪破坏，岩土体直接对建筑物、人员伤害，并估计其危害程度。

（5）人类工程活动诱发滑坡的主要表现在：不合理削坡、爆破附加力、工农业用水不当等。如李家峡左岸“金三角”、兰州五泉山～红山根一带山坡因坡脚不当开挖产生滑坡；龙羊峡坝下游的虎丘山因泄流水雾影响而产生滑坡。

2泥石流问题

西北地区是我国泥石流最活跃、最发育、规模最大的地区之一。仅甘肃省内泥石流分布面积达70000km2，占全省面积的15％，近30年来发生规模较大的泥石流多达122次。

泥石流以一种介于洪水和滑坡之间的高浓度固～液相颗粒流、携带大量固体物质（泥、砂、石）注入黄河或其支流，加大水库淤积。

泥石流的形成需具备丰富的松散固体物质、陡峻的地形和足够的水源3个基本条件。

龙青段泥石流以西部高山峡谷型泥石流和东部黄土高原型泥石流为主。西部高山峡谷型泥石流主要分布于黄河及其主要支流两岸，泥石流以零星分布、规模相对较小的稀性泥石流为主；东部黄土高原型泥石流呈不连续状分布于黄河两岸、兰州部分地区及支流祖历河谷，泥石流的固体物质主要是黄土，大块石极少，亦称为泥流。

3黄土湿陷问题

黄土在一定压力（200kPa）作用下，受水浸湿，结构迅速破坏而发生显著附加下沉（沉降量与承压板宽度之比等于或大于0.023）的土，即为湿陷性黄土。

湿陷性黄土主要分布于黄河及其支流的河漫滩和低阶地、丘陵的斜坡地带、黄土峁或塬的斜坡或顶部。因建筑物自重引起的湿陷称自重湿陷，因附加应力引起的湿陷称非自重湿陷。龙青段东部即为陇西黄土高原，是全国湿陷性黄土最发育的.地区，具备粉粒含量大而粘粒含量相对较小，干容重小，湿陷量大、湿陷敏感、发展快、多具自重湿陷的特点。

自重湿陷在兰州曾做过黄土自重湿陷试验，其中龚家湾注水30d，湿陷量60cm；安宁区注水60d，湿陷量10cm；西固区注水42d，湿陷量16cm（1958～1963年）。如永登附近几个渠道，经过低阶地和河谷平原时，渠道均有严重的阶梯状变形、错断，尤其是经过庄浪河Ⅱ级阶地时湿陷6～8m，致使渠道严重破坏（孙广忠等，1959）。

非自重湿陷如西北民族学院曾有两栋学生楼因厕所水浸入地基，发生强烈湿陷而受破坏；西宁南川因施工用水入渗地下而发生湿陷，一夜间建筑物产生不均匀沉陷16cm。总之引起非自重沉陷的原因在于对建筑物场址的工程地质环境认识不够，设计或施工不当等。

4水库诱发地震问题

应从了解诱发地震特点、分析地震发生的内、外因方面入手。

4.1诱发地震特点

在时间上往往在蓄水1个月或数日后才开始发震，1年或几年后发生主震，余震延续时间长，有的可达数10年；在空间上震中分布在水库区附近，一般距库岸不超过几～十几公里，并多局限在一定范围之内；震源深度浅，多数3～5km，随发震次数增多，震源深度逐渐加大；在强度上震级不大，但震中烈度偏高（如Ⅲ级地震，震中烈度Ⅴ～Ⅵ级）；在序列上前震—主震—余震具备前震期长，为1年或数年，伴随小地震多，余震衰减慢的特点；也有没有明显生震的情况。震源机制多属陡倾角的正断层，少数属平推断层。

如龙羊峡围堰蓄水时曾发生3.1级地震；李家峡电站1996年12月水库蓄水后，至1997年3月水库（据李家峡地震台记载）产生等于或大于3级地震有3次，而小于3级的地震多达2000余次，且随库水位的持续稳定3个月后，地震次数明显减少。

4.2诱发地震形成的地质背景

地震分布在性脆、且有较好渗漏特征的岩体内。如厚层碳酸盐岩层、岩浆岩、变质岩等；库区常有较大断层存在，且多是近代活断层。震中常处于构造不稳定、应力易集中或断陷盆地边缘等部位；库区位于稳定地块边缘，温泉出露或火山活动地段，易发生诱发地震。

4.3库水引发库区地震的原因

上述条件是发生诱发地震的内因和前提，库水通过对岩体结构弱点的作用，引发库区地震。其库水作用特点表现在：

（1）库水引起库区岩体变形和沿断层的几何界面产生应力集中；

（2）库水渗透增大岩体孔隙压力，导致断层面有效应力减少和抗剪强度降低；

（3）库水对库岸岩体的物理和化学作用，对断裂面弱化、润滑和腐蚀作用；

（4）龙青段水库诱发地震特征。

据地质背景的差异，可将龙青段水库诱发地震划成4个区段：

（1）龙羊峡～拉西瓦段

龙羊峡位于日月山～瓦里贡山隆起带，北有青海湖～西秦岭北缘断裂，东有NNW向尕让～岗察寺断裂，新构造运动明显，曲乃亥热水沟有高温热泉出露，库区地应力较高（26.6MPa），处于Ⅶ度地震裂度区；拉西瓦库区出露性脆的花岗闪长岩、变质岩、凝灰岩，库区5条NWW向大断裂（拉西瓦、曲合棱、曲乃亥、多隆沟、大山水沟），地应力较高，处于Ⅶ度地震裂度区。水库蓄水后会产生一定震级的诱发地震。

（2）李家峡～积石块段

NE方向有拉脊山弧形断裂带，南有青海湖～西秦岭北缘断裂，属于Ⅵ～Ⅶ度地震裂度区。李家峡库区混合岩、片岩间夹花岗伟晶岩，库中断层成为库水富集、运移的良好通道，增强水动力效应，促进深部渗透循环。水库蓄水后可产生震级不大的水库诱发地震。

（3）寺沟峡～乌金峡段

南距青海湖～西秦岭北缘断裂较远，西有拉脊山弧形断裂带，还有NWW向红崖子、河口、王哥集及雾宿山南线断裂，属于Ⅶ度地震裂度区。水库蓄水后产生震级极小的诱发地震。

（4）黑山峡～青铜峡段

其间有景泰～海原、中卫～同心两大活动断裂、牛首山～罗山断裂带等，属于Ⅶ～Ⅷ度地震裂度区，水库蓄水后会产生一定震级的诱发地震。

5水库岸边再造与泥沙淤积

5.1岸边再造

水库蓄水后，沿岸地质环境发生变化，使河流局部侵蚀基准面和地下水位的抬高，岸边浸润、冲刷、水击等作用加剧。

岸边岩土体受水浸泡、地下水位抬高，水的作用促使岸边岩土体的性质迅速恶化，引起岸边发生坍塌、崩落、石堆等不良地质现象产生。

如李家峡水库蓄水后沿水库岸边普遍产生坍塌的是松散层（如坡积碎石土、黄土类土），形成沿岸、近水边的新生“三角面”。而岸坡存在结构面的不利稳定组合时，库水位抬升后会引起局部边坡浅层滑落。

5.2水库淤积

应从黄河及各支流所携带的固体物质多少、流域内岩土特性、植被多寡、气候特点、径流特征等方面入手分析。

（1）壅水淤积：浑水进入壅水段后，泥沙扩散到全断面，随携沙能力沿流程降低，泥沙沉积于库底，粗粒沉积于上游，细粒在下游，长期作用即形成淤积三角洲。

（2）异重淤积：在多泥沙河流（如黄河）中发生。当入库水的含沙量高，且土粒多，并有足够流速时，浑水进入壅水段后，粗颗粒优先沉积，而含土粒的浑水潜入清水下面，沿库底继续向坝前运动，异重流若被带至坝前，在回流作用下使库水变浑，土粒能缓淤库底。定期开启排沙底孔，异重流浑水或其沉淀物能排出库外，延长水库使用寿命。

（3）淤积末端上延（俗称翘尾巴）：由于三角洲的增高会引起库尾水深变浅，流速增大，使壅水末端向上游迁移。

（4）淤积危害性分析：对于年调节或多年调节的水库，淤积可造成库容损失，使调节能力、保证出力和防洪标准降低，达不到原有兴利指标。特别是龙羊峡、刘家峡、小观音这3个多年调节和反调节水库，库容损失引起的经济损失更为严重；大量泥沙行抵坝前，增大水轮机磨损，导致机组效率降低；随着翘尾巴的发展，增加库区淹没、浸没，促使库尾地下水位抬高，造成次生盐碱化。西北气候干燥，植被稀薄，为黄河及其支流的固体径流提供了自然条件。因此，本区水库淤积显得格外严重。

6结语

西部大开发的国策，温暖着西部人的心。但仅仅是心热还不够，西部人应以建设家园为已任，认识西部、了解西部。西部水力资源丰富，水电工程建设中的环境工程地质问题，也或多或少地制约着西部水电开发的步伐。了解西部水电工程的岩性特征、交流西部水库环境工程地质问题分析思路，让更多西部人认识它、了解它。

参考文献：

［1］中科院兰州冰川冻土研究所.甘肃泥石流［M］.北京：人民交通出版社，1982.

［2］韩文峰.黄河黑山峡大柳树松动岩体工程地质研究［M］.兰州：甘肃科学技术出版社，1993.

［3］S.K.Guha.国外工程地质研究［M］.北京：地质出版社，1986.200－209.

［4］冯连昌，郑晏武.中国湿陷性黄土［M］.北京：中国铁道出版社，1982.

深埋隧道工程的灾害地质问题论文

摘要 ：在进行深埋隧道工程施工过程中，由于洞程较长，洞深埋设较大，地质条件较复杂，在施工时，如果处理措施不当会出现高地温、岩爆、高压涌水等问题。鉴于此，以实际工程为例，对深埋隧道工程主要存在的灾害地质问题进行了分析和探讨，保证了施工的顺利进行，以期为类似工程提供参考与借鉴。

关键词 ：深埋隧道工程；灾害地质；高压涌水

1工程概况

太行山高速公路邯郸东坡隧道位于武安市岭底村南、七水岭村东、涉县东坡村东北处。隧道为分离式特长隧道，隧道工程总施工长度为3134m。左幅为ZK38+624~ZK41+740，长3116；右幅为K38+642~K41+776。最大埋深为176m。本文以此工程为例，对深埋隧道工程主要灾害地质问题进行分析和探讨。

2深埋隧道中的高地温难题

深埋地下隧道的工程中，地质问题是需要进行探索和研究的关键领域，最先要通过预测天然地温，一旦地温超过30℃一般将其称之为高地温。高地温不仅会恶化深埋隧道作业的环境，还会严重降低工人的劳动生产率，甚至会对现场施工人员的生命造成极大危害。此外，对深埋隧道施工材料选取的难度也相应增加[1]。然而，地温值是随着地下工程埋深在不断变化的，但地下工程的最大埋深和地温值的增加关系不是呈线性的，因为造成这种深埋隧道中的高地温问题的原因主要是地下水活动以及近期岩浆活动中放射性生热元素含量较高等。

3深埋隧道与岩爆的高地应力问题

在深埋地下隧道的工程中，其中一个突出的地质难题就是岩爆问题。地下隧道工程埋得越深，其地应力就会越高。深埋隧道工程和近地表工程的不同之处除了具有较高的水平构造应力外，最主要取决于围岩出现的高地应力。它不仅在硐侧壁引起高压应力，还导致硐顶部出现高拉应力，这样会导致硐室围岩不稳定，埋下隐患。由于高地应力的存在，一些黏性土含量较高，而硬岩含量较低的围岩就会产生被塑性挤出的可能。高地应力不断释放，地下隧洞就会发生变形，往往会出现隧洞短时间内突然变小的异常现象。就好比从掌子面距离正洞30m开始，洞身变形的长度有40m，起初的支架保护结构破坏就会非常严重，通过测量计算，隧洞拱顶的下沉在10~20cm之间，隧洞的拱脚和边墙也出现不同程度的挤压和移位，甚至还有混凝土开裂的情况[2]。这时就需设计一套科学有效、刚柔结合、综合治理的施工方案。为克制高地应力，考虑使用约1万根超长锚杆，要求总长超过11×104m，把地下隧洞中的断面改成环形成拱，做到先柔后刚、先放后抗的设计要求。岩爆受影响的原因有地震爆破，也有相邻岩爆或机械等外因动力的振动，但其中影响岩爆的最基本原因是岩石的结构特征。经过大量的数据分析发现，岩石颗粒排列呈定向排列还是随机排列，岩石是胶结连接还是结晶连接，是钙质胶结还是硅质胶结，这最终关系着岩爆烈度的强弱。例如：（1）随机排列的花岗岩、闪长岩等岩石的岩爆烈度，会比片麻岩、花岗片麻岩、糜棱岩等具有定向排列的围岩颗粒更强一些；（2）结晶连接的深层岩浆岩石中的岩爆烈度比胶结连接的沉积岩强；（3）具有硅质胶结岩石的天生桥二级水电站引水隧洞比关村坝的隧道中钙质胶结岩石的爆烈度强。

4深埋隧道中的高压涌水难题

深埋地下隧道的施工过程中，除了高地温以外，涌水问题也成为隧道运营中亟待解决的又一难题。由于地质条件复杂，隧道通过的地段会挖掘出很多水流量大的地质单元，一般就会出现涌水量大或水头压力高的情况。地下水水压在深部岩体中极高时，就会导致岩体水力劈裂。这就说明在高水头压力的作用下，在岩体的突水点附近，岩体断续裂隙、裂缝是朝着某个方向的，受网状交织的构造裂隙影响，经过融合后发生扩展的裂隙、空隙最终张裂开来。随着隧道深部岩体涌水量越来越大，地下水水压越来越高，会导致深埋隧道工程围岩水力劈裂。一旦出现水力劈裂的情况，就会迅速连通裂隙，空隙的张裂程度就会越来越大，涌水的渗透力会越来越强。再加上动水压力的影响，裂隙会再扩展，而使在裂隙面上的充填物发生剪切变形和位移。不论是在深埋隧道工程中还是在浅埋隧道中，容易发生的地质灾害主要表现为断层破碎带，岩体不整合接触面和结构不利组合段造成的塌方、地震，还有瓦斯爆炸、有害气体以及溶岩塌陷、泥屑流等[3]。其中，瓦斯爆炸主要指甲烷CH4在相对封闭的煤系构造地层中，由冲击波的产生、剧烈的氧化作用而导致的爆破，其灾害性极强。

5基岩裂隙水

5.1基岩裂隙水的含义

只有储存在坚硬岩石裂隙中的非可溶性地下水，才被统一归纳在基岩裂隙水的`传统范畴中，根据含水介质的基础特征，可以将地下水分为空隙、裂隙、岩溶3种，但并非在地下水、岩石以及岩石中的空隙这3者之中产生对应关系。贮水空隙系统具有双重空隙介质，在地下水勘探中，关于贮水空隙类型还探索到了新的领域。基岩裂隙水主要存在于受符合地质构造条件的属坚硬或半坚硬的岩石所控制的以裂隙为主的贮水空间，是具有运动、富集规律的地下水。不管是溶蚀裂隙地下水在可溶性岩石中的部分，还是孔隙裂隙水中的半坚硬岩石，都属于基岩裂隙水，而它与其他类型地下水的基本区别，关键在于是不是受地质构造因素的严格控制。岩石含水的裂隙有成岩裂、构造裂和风化裂，主要是依照它的成因来划分的。如果非要与风化裂隙水和成岩裂隙水作比较，那么水源集中、水量较大的必定是构造裂隙。

5.2基岩裂隙水的特点

由于主控因素作用，不同的蓄水构造中分布、富集基岩裂隙水的基本规律和决定主控的因素也基本相同，具有独特的分布和运动规律。我国基岩裂隙水富集的基本特色理论就是蓄水构造系统，其主要特点如下。（1）基岩裂隙水具有复杂多样的埋藏和分布形态。将储存、运移基岩裂隙水的空间和通道，叫做岩石裂隙。基岩裂隙的大小和基岩裂隙的形状，以及控制埋藏和分布裂隙发育带的产状，都是受地质构造、地层岩性、地貌条件等影响的。埋藏、分布不均匀的基岩裂隙水，大多具有不规则的含水层、多种多样形态、分布呈带状的特点[4]。比如用脆性和塑性这两种地层做比较，会产生较强的赋水性。若裂隙发育在褶皱构造中，像褶皱轴、转折、背斜倾伏等处，富水段的形成就会比较容易，而压性断裂破碎带中的赋水性是比较差的。（2）复杂的基岩裂隙水中，由于储存空间中不均匀的介质，埋深程度不同的同一含水层，其地下水的运动状态也各有不同。对于岩石中所要形成和分布的空隙，最基础的因素是地质构造，主要表现在：岩石裂隙的发育和裂隙水的储存都是受地质构造和地层岩性所影响，其中，基岩裂隙水的运动规律也被地质构造所牵制。由于地下水面的不同，即便是在基岩相同的裂缝水中，也是有时而出现无压水，时而出现承压水的情况[5]。层流、管道流、紊流、明渠流水是在岩石裂隙、溶洞的特殊形态作用下形成水运动的不同状态，因此，基岩裂隙水的不均一性以及强烈的方向感，是导致裂隙岩体的透水复杂多样、不具有规律性的根本原因。

6结论

在深埋地下隧道的工程中，比较突出的几大地质难题包括高地应力及岩爆问题、高压涌水突水问题、高地温问题等。此外，还有像地震震害、瓦斯有害气体爆炸以及涌水突泥、围岩塌方、岩溶塌陷、泥屑流等。于是，在这个复杂的、系统的深埋隧道工程中，关于灾害地质的研究，对隧道工程能否顺利开展是关键的一步，在隧道工程施工前应按照隧道工程的各方面具体情况，采取有效、有针对性的防御措施。

参考文献：

[1]重庆交通科研设计院.公路隧道设计规范：JTGD70—2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2]上海市隧道工程轨道交通设计研究院，清华大学.隧道工程防水技术规范：CECS370—2014[S].北京：中国计划出版社，2014

[3]孙赤.锦屏二级深埋隧道大理岩段突水破坏机理研究[D].成都：成都理工大学，2014.

[4]王洪新.土压平衡盾构刀盘开口率选型及其对地层适应性研究[J].土木工程学报，2010（3）：88-92．

[5]武力，屈福政，孙伟，等.基于离散元的土压平衡盾构密封舱压力分析[J].岩土工程学报，2010，32（1）：18-23．