南水北调西线一期工程的工程地质和岩石力学问题

岩石力学与工程学报 Vol.24 No.20

2005年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2005

南水北调西线一期工程的工程地质和

岩石力学问题

王1，杨维九1，刘丰收1

，2

(1. 黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003；2. 中国地质大学，北京 100083)

摘要：南水北调西线一期工程由“四坝、二堰、七洞”组成，年调水量40×108 m3。工程的最大难点在于深埋长隧洞的勘察、设计与施工。工程地质条件相对复杂，枢纽的建坝地质条件较好，块石料满足要求，库区淹没损失小。隧洞区的主要岩石类型为三叠纪的砂岩和板岩，局部出露有灰岩和岩浆岩。深埋长隧洞存在着诸多复杂的工程地质和岩石力学问题，但在目前的经济技术条件下是可以解决的，不存在制约西线工程实施的技术难关和地质条件。

关键词：岩石力学；南水北调西线工程；深埋长隧洞；地质条件

中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)20–3603–11

ENGINEERING GEOLOGY AND ROCK MECHANICAL PROBLEMS IN WEST ROUTE OF SOUTH-TO-NORTH WATER TRANSFER PROJECT

WANG Xue-chao1，YANG Wei-jiu1，LIU Feng-shou1

，2

(1. Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，China；

2. China University of Geosciences，Beijing 100083，China)

Abstract：The first phase of west route of South-to-North Water Transfer Project consists of 4 dams，2 weirs and 7 tunnels which transfer water of 4 billion cubic meters to the Yellow River annually. The most complicated part of the project belongs to the design and construction of these long tunnels at great depths. The majority of strata lithology are Triassic sandstone and slate；and the dam condition is good. With complicated engineering geologic condition，the major existing problems include the stability of surrounding rock passing through shattered zone，high geostress and high geo-temperature of deeply bedded tunnels，inrush of water，and the slope stability of tunnel′s intake. These complex engineering geologic problems can be solved. The geological condition is feasible. The elevation of the project varies from 3 400 m to 4 800 m，where oxygen is in shortage and heavy physical labor is not applicable. So TBM method is acceptable，whose double protection shields are adopted for excavation in the project.

Key words：rock mechanics；west route of South-to-North Water Transfer Project；deep-lying long tunnel；geological condition

收稿日期：2005–06–13；修回日期：2005–08–15 基金项目：国家自然科学基金资助项目(90302011)

作者简介：王(19–)，男，博士，1997年于北京大学地质学系获博士学位，现为教授级高级工程师，主要从事南水北调西线工程中工程地质方面的研究工作。E-mail：wangxchao@263.net。

• 3604 • 岩石力学与工程学报 2005年

1 引 言

从长江上游通过巴颜喀拉山引水到黄河上游是中国南水北调工程的西线方案(简称南水北调西线工程)，是补充黄河水资源的不足，解决中国西北和华北部分地区干旱缺水、繁荣发展中西部经济和改善生态环境的一项跨流域的重大调水工程和重大战略举措[1

，2]

河上游。考虑可调水量及工程规模，确定通天河歇马—直门达、雅砻江宜牛—甘孜、大渡河斜尔尕3条重点引水河段。由于南水北调西线工程建设难度较高，规模宏大，本着由低海拔到高海拔、由小到大、由近及远、由易到难的规划思路，宜分批分期实施南水北调西线工程。其中，第一期工程从雅砻江、大渡河支流调水40×108 m3，第二期工程从雅砻江调水(45～50)×108 m3，第三期工程从通天河计划年调水量为(75～80)×108 m3，3条河共调水(160～ 由于上述3条河流的引水河段水170)×108 m3(图1)。

面高程均比黄河的水面高程低80～450 m，引水线路规划有抽水和自流2种方式。抽水方案拟通过地面及地下建筑穿越巴颜喀拉山引水入黄河；自流方案则采取深埋长隧洞穿越巴颜喀拉山引水入黄。三期工程引水隧洞在达曲以后平行布置，引水隧洞出口均位于黄河干流上游河段右岸。从技术和经济条件而言，目前，推荐自流方案作为调水的主要形式。

一期工程依次从雅砻江的支流达曲、泥曲，大渡河上游支流色曲、杜柯河、玛柯河和克曲6条河流调水至黄河。推荐方案总布置整体上由“四坝、二堰、七洞”组成(图2，表1)，引水线路总长255.9 km，其中7段隧洞总长252.7 km，跨河(沟)建筑物6座总长3.2 km。“四坝”包括达曲的阿安、泥曲的仁达、杜柯河的珠安达、玛柯河的贡杰，坝高114～160 m；“二堰”指色曲的洛若、克曲的克柯。阿安、

。西线工程区的自然条件相对恶劣，具

有复杂的地形地貌、岩性和区域构造背景，地质条件较为复杂，岩性主要是三叠纪浅变质砂、板岩及其韵律层组合，厚度巨大、挤压紧密，褶皱强烈，地层大多呈陡倾角。同时，南水北调西线工程采取大库高坝长隧洞方案，水库诱发地震、岸坡稳定等将是十分重要的工程地质问题[3]。深埋长隧洞所经地区跨越的工程地质单元多，水文工程地质条件复杂，这给隧洞施工带来许多难以预料的困难。南水北调西线工程区主要地质问题有活断层、冻土与冻害、深埋长隧洞工程地质问题、水库工程地质问题等，尤其是断层的活动性和深埋长隧洞围岩变形与稳定性问题[4]。在未来工程施工和运行期间，也将会遇到一系列岩石力学问题。

西线调水工程区位于青藏高原的东北部，规划从通天河、雅砻江和大渡河引水，采用深埋长隧洞穿过长江与黄河的分水岭——巴颜喀拉山引水至黄

图1 南水北调西线工程总体布局规划图

Fig.1 General plan of the west route of South-to-North Water Transfer Project

第24卷 第20期 王等. 南水北调西线一期工程的工程地质和岩石力学问题 • 3605 •

N

图2 南水北调西线一期工程总布置图

Fig.2 General layout of the first stage in west route of South-to-North Water Transfer Project

表1 项目建议书阶段各水库主要特征指标 Table 1 Main characteristic indexes of the reservoirs in

pre-feasibility study

水库 阿安 仁达 洛若 珠安达 贡杰 克柯 合计

坝址高程

/m 3 604.0 3 594.0 3 747.0 3 538.5 3 437.0 3 485.0

坝址多年平 坝址多年平

最大坝高

均径流量 均引水量

/m 8383

/(10 m) /(10 m) 10.50 11.30 4.54 14.26 13.45 5.69

7.0 7.5 2.5 10.0 9.5 3.5

坝型

1 000 m以上。大渡河流域为中强切割高山区。

西线调水区深居内陆高原，具有随纬度和高度而显著变化的高原–山地天气系统。空气稀薄缺氧，气压低，降雨量少而不均，蒸发量大，气温低，日温差大，年降水量由北向南、由西向东逐渐增加。巴颜喀拉山以北具有高原亚寒半干旱气候特征，低温少雨多风；巴颜喀拉山以南具亚寒～寒温带半湿润气候特征。大渡河深切河谷区，随着海拔降低、纬度南移和西南季风北上，半湿冷气候逐渐增强。

年均气温为0 ℃的高程界限，在巴颜喀拉山北侧约为3 700 m，南侧约为3 950 m。一般平均气温随高度增加而减少的比例值为0.7 ℃/(102 m)；在其他条件相同时，纬度偏北1°，年均气温降低1.2 ℃。海拔高程为3 000～4 500 m的地区，地面气压大都为600～700 hPa，相当于海平面气压的60%，空气中的含氧量相当于海平面的72%～60%，大约海拔每升高1 000 m，含氧量减少10%。从上述调水区地貌和气象特征[5]可以看出，调水区的环境变化和海拔及纬度有明显的关系，海拔高度是影响调水区环境的重要因素之一。

2.2 土地覆盖类型和植被覆盖度

调水区土地主要类型包括林地、灌丛地、沼泽草地、草甸草地、荒草地、裸地和高山寒漠等。根据植被指数(NDVI)特征，一般地，高覆盖度类型(植被覆盖度＞75%)主要集中在河谷低海拔地区；中高覆盖度类型(植被覆盖度60%～75%)主要分布在调水区东部低海拔地区；中覆盖度类型(植被覆盖度45%～60%)主要分布在西部高原丘陵地；低覆盖度类型(植被覆盖度＜45%)主要分布在高山和沟壑地[5]。

130.50 沥青心墙坝122.80 面板堆石坝

混凝土闸+

30.00

面板坝

114.00 沥青心墙坝160.00 面板堆石坝52.00 混凝土坝

59.74 40.0

珠安达坝址采用抗震性好的沥青心墙堆石坝，其余采用混凝土面板堆石坝；“七洞”即由河流切割而成的7条自然洞段，分别接纳调水河流水量，隧洞底坡全程坡降为1/1 416，最大设计洞径8.68 m，挖洞总工程量约1 600×10 m。

一期工程区年降雨量界于600～700 mm。各条河流来水相对均匀，万年一遇洪峰流量不到1 000 m/s，各引水枢纽导流及泄洪规模不大，均结合地形地质等条件布置溢洪道、泄洪洞等泄水建筑物。4座主要水库采用多年调节、均匀引水方式。2座次要水库，洛若和克柯，采用无调节不均匀引水。

3

4

3

2 工程区地学环境现状评估

2.1 地貌及气象特征

调水区地貌特点是西北部较高，海拔多在 4 200 m以上，起伏小，是河流发源区；东部和南部地势逐渐降低，但山峰林立，切割深，高差可达

• 3606 • 岩石力学与工程学报 2005年

2.3 冻 土

南水北调西线工程区属于青南藏北高原多年冻土区，冻土下界高程总的发育趋势为北部低、南部高，西部低于东部。季节冻土主要分布于调水区的东部和其他区域的河流滩地及盆地边缘。此外，多年冻土的平面分布主要受制于海拔高度，在一定程度上也服从纬度地带性规律，大致纬度每降低 1 ℃，多年冻土下界高程升高约130 m。

多年冻土环境是个很脆弱的生态系统，一旦遭到破坏，恢复极其缓慢，在很多情况下甚至是不可逆的，尤其是在极不稳定的岛状冻土区，外界条件的变化会使其产生敏感反映。近数十年来，调水区岛状多年冻土多呈区域性退化趋势。南水北调西线工程的实施可能会加剧多年冻土的退化，使冻土环境遭到破坏。 2.4 外动力地质现象

调水区外动力地质现象较为发育，在平面上呈现分区性，垂向上具有一定的分带性。滑坡、崩塌、泥石流、寒冻风化岩屑、岩堆、融冻泥流、冻胀丘、风成沙丘等不良地质现象较发育，且表现出明显的地域性。在遥感图像上可以明显看到，滑坡、崩塌、泥石流等主要分布于北纬33°20′以南地区，以北少见。据分析，这种地域性的分布主要受岩性、地貌、构造及气候条件的控制。

外动力地质现象在平面上的分布大致同植被土壤分布规律一致。大致以红原—安羌—壤塘—色达—温拖—邓柯—称多—玉树为界，以北地区的地势高差渐大，处于片状多年冻土向岛状多年冻土过渡地带，大渡河河谷发育有泥石流、滑坡等。总体来说，调水河段岸坡变形破坏的规模较小，且大多在水库淹没线之下，不会对调水枢纽构成重大危害。以南为强烈或中等切割高山区或极高山区，属岛状多年冻土区，地势高差有的达2 000 m以上，又处于多雨和新构造运动强烈地震多发区，各种外动力地质现象均很发育，垂直分带性明显。 2.5 地下水环境特征

调水区内地下水的水化学特征受含水层岩性、地下水补径排条件和气候诸因素控制。一般来说，矿化度低，按舒卡列夫分类方法，地下水水化学类型主要为HCO3-Ca，HCO3-Ca·Mg型，局部地区分布有SO4·HCO3-Ca·Mg，HCO3·SO4-Ca·Mg和 Cl-Ca型水；其中，HCO3-Ca型水主要分布于巴颜

喀拉山主脊及达日、阿坝等平原、丘陵、低山区，地下水浅部径流交替循环迅速，水化学成分基本保持着大气降水的水化学特征。HCO3-Ca·Mg型水主要分布于巴颜喀拉山南麓、两侧沉降带及阿尼玛卿山地区，因为地下水径流途径长，或者地下水与地表水在基岩裂隙中反复交替循环溶滤，使水中Mg2+含量增加。

一般地，调水区地下水大多为无色、无嗅、无味、透明，总硬度多小于450 mg/L(以碳酸盐计)，矿化度多小于0.5 g/L，pH值多为6.5～8.5，Ca2+含

−

量都小于1.0 mg/L，Fe3+含量小于0.3 mg/L，NO1−及NO3含量都未超标，符合饮用水要求。区内地

下水一般无侵蚀性，局部地区碎屑岩类裂隙孔隙水对混凝土既有强烈结晶性侵蚀作用，又有结晶分解复合性侵蚀作用。

上述环境指标基本客观地反映了调水区地学环境的现状。地貌特征反映了环境的复杂性；气象特征说明调水区的环境受海拔和纬度的影响较大，海拔越高，地学环境越趋于恶劣；土地覆盖类型反映了调水区地表的覆盖状况，其中，草甸草地、林地和灌木丛占多数，反映自然生态环境状况良好；植被覆盖度反映了调水区的抗侵蚀能力，中高覆盖度和中覆盖度类型占72.9%；冻土反映调水区的地温状况，而外动力地质现象则反映了调水区的气候变化和地壳变动情况。这些环境指数综合反映了调水区环境质量的不均一性，从中可以看出，地学环境较好的地区占多数，而调水区地学环境比较脆弱、恶劣的地区主要分布于高寒高山区，地学环境比较敏感地区主要分布于调水区西部的高原丘陵地带。

3 工程地质条件

3.1 区域地质条件

工程区主要出露的是沉积岩、火山岩及浅变质岩系，以中生界三叠系浅变质碎屑岩为主，另有少量白垩纪火山岩、红色碎屑岩，局部出露有灰岩和岩浆岩。工程区岩石类型绝大部分是浅变质砂、板岩及其韵律层组合。

西线工程区主体位于巴颜喀拉褶皱带，主要构造线呈NW～NWW向，部分地段向东出现弧形偏转。岩石、地层均已遭受广泛的低绿片岩相区域低温动力变质。工程区内褶皱构造十分发育，主要沿

第24卷 第20期 王等. 南水北调西线一期工程的工程地质和岩石力学问题 • 3607 •

NWW向展布，一般形成复式背斜或向斜。在空间上，褶皱构造与断裂构造相伴产出，靠近断裂带褶皱的完整性多被破坏，形成褶–断式的构造组合样式。

工程区内地震分布零星，强震相对较少，震级大多以中等地震为主，地震强度和频度相对较低，地震活动性相对较弱。地震活动主要与活动断裂关系密切，具有重复性、迁移性，其迁移方向与活动断裂的走向一致，其震源机制受控于NW向左行走滑及NE向右行走滑。一期工程处于可可西里—金沙江地震带中地震活动水平相对较低的中西部地区，是青藏高原强烈活动区内相对弱活动区之一，地震动峰值加速度在泥曲—杜柯河段、杜柯河—玛柯河段、玛柯河—克曲段为0.10 g，克曲—黄河段为0.05 g，仅达曲—泥曲段因靠近甘孜、炉霍地区局部为0.15 g(相当于地震基本烈度Ⅶ度区)。地壳活动性以稳定类型为主，不稳定和次不稳定区仅局限于区内一些活动性较强的分界断裂上，呈不连续分布，反映了地质构造现代活动的分布差异性。引水枢纽主要处于稳定区和基本稳定区内[6]。

工程区的新构造运动相对较弱，主要表现为西高东低的掀斜式隆起，垂直差异运动不甚明显，断裂活动幅度较小。主要大断裂带有阿坝断裂带、亚尔堂断裂带、上杜柯断裂带、色达断裂带、达曲断裂带等。全新世以来的主要活动断层有阿坝断层带；全新世以来可能活动的主要断层为色达断层带；第四纪以来活动的主要断层有旦都—丘洛断层带、上杜柯断层带。

工程区地下水划分为松散岩类孔隙水与基岩裂隙水。松散岩类孔隙水主要分布在工程区山间盆地、高原区和大型沟谷中的第四系松散堆积层中。基岩裂隙水可分为风化裂隙水和构造裂隙水，构造裂隙水区包括克曲以东的大部分地段(色达一带除外)，含水岩组的岩性以浅变质砂岩、板岩为主，偶夹灰岩；风化带网状裂隙水限于高原丘陵区。 3.2 枢纽工程地质条件

引水坝段河谷多呈“V”形或浅“U”形，两岸天然岸坡基本稳定，建坝地形条件一般较好[7]。坝区基岩均为砂岩、板岩，属中等坚硬～坚硬岩类，强度指标可满足建坝的一般技术要求。坝段岩层一般褶皱强烈，断层不甚发育。坝段均处于稳定区或

一期工程区各调水河流块石料丰富，储量、质量均满足规范要求，人工骨料岩石力学指标满足规范要求，有少数骨料可能存在碱活性问题。达曲的土料运距较远，天然砂砾石料部分指标不合格。泥曲缺乏土料，砂砾石料中，砂砾石含泥量高，质量较差，质量指标一般不满足规程要求。杜柯河建材种类齐全，质量、储量基本满足要求。玛柯河砂砾石料储量丰富，主要位于河谷上游的宽谷段，运距较远；土料除天然含水率偏高外，其余各项指标均满足规范要求，但运距较远，开采运输十分不便；块石料储量、质量满足要求，距坝址较近。克曲的砂砾石料和土料均位于坝址下游，运距较远，但质量、储量满足要求；坝址附近块石料丰富，质量、储量满足要求。

库区一般封闭条件较好，不存在向邻谷或洼地的永久渗漏问题。库区主要为牧区，人口稀少，无重要的城镇和工农业生产基地，有少量寺庙和宗教建筑物，矿产资源分布很少，水库淹没损失很小，不存在浸没问题。

工程引水枢纽均在多年冻土下限(4 250 m)之下，属季节冻土区，冻土冻害和河谷岸坡变形破坏不致对工程造成重大危害。 3.3 引水隧洞工程地质条件

南水北调西线一期工程总体布置中，深埋长隧洞为工程的主要组成部分，其投入约占工程总费用的85%以上。由于特殊的地理条件，深埋长隧洞可能遇到难以预见的不良地质条件，将成为高原寒冷地区深埋长隧洞施工的潜在风险，也是南水北调西线工程地质勘察的重点。

线路方向大多与区域构造线方向呈大角度相交或近于垂直，隧洞围岩总体具有较好的应力状态，并且能以较短的距离穿越主要构造破碎带，有利于地下洞室的围岩稳定。另外，深埋隧洞的抗震性能较好，受冻土、滑坡、泥石流等不良外动力地质现象的影响较小。

砂、板岩岩石强度中等坚硬～坚硬，隧洞围岩以III类围岩为主，次为II类围岩，局部为IV类围岩。围岩变形计算结果表明，以II～III类围岩为主的洞段，岩石以砂岩夹板岩为主，岩体强度较高，基本不存在围岩变形问题。以III类围岩为主的大埋深洞段，变形量较小，可以推断在III类围岩中不存在变形问题；但在局部以板岩为主地段，变形量较

基本稳定区，地震基本烈度为Ⅵ～Ⅶ度。

• 3608 • 岩石力学与工程学报 2005年

大，存在围岩变形问题。II类围岩由于岩体完整性较好，岩体强度高，不存在变形问题。IV类围岩和断层带，岩石破碎，岩体强度较低，围岩变形量较大，围岩变形问题严重。除部分构造破碎带外，一般洞段岩体完整性较好，有利于工程兴建，从围岩的分类和变形计算结果可知，采用TBM施工是可行的。

砂岩属弱～中等透水岩体，板岩为相对不透水层，地下水径流排泄不畅，基岩富水性较弱，一般洞段发生涌水、突水的可能性不大。

布有断层下降泉，断层泉清澈透明，流量为(0.080～

0.513) m3/s。断层的涌水、活动性值得关注。

全新世以来可能活动的主要断层主要是色达断层带，该断层带规模巨大，断层破碎带宽2～3 km；断层破碎带现今多表现为松散的炭化断层泥、碎裂角砾岩，挤压构造透镜体、斜冲及水平擦痕等。断裂带控制了现代地貌的形成，沿断裂带形成许多后成谷地及断陷槽沟；沿断层带，发育有线状分布的冷泉，泉水为下降泉，表明断层可能为具有透水性的断层带。钻孔试验证明，地下53 m段仍为炭化明显的强风化断层泥，说明该带工程地质条件十分脆弱，易于垮塌，地表水易沿断层、裂隙对隧道充水，造成严重事故。

第四纪以来活动的主要断层有旦都—丘洛断层带和上杜柯断层带。前者主要由一组NNW向断层组成，断层带组合宽度为200～1 000 m，发育有松散的构造角砾岩堆积物，胶结极差，所有通过断层的水系均出现偏转，显示断层具有明显的活动性。上杜柯断层带由近10条NWW向、规模不一的断区域延伸长超过500 层所组成，断裂带宽3～4 km，

4 隧洞的主要工程地质问题

西线一期工程深埋长隧洞存在着诸多复杂的工程地质问题，如活动性断层对洞室稳定的影响、高地应力与岩爆、高压水头与涌水、高地温问题、有害气体等，可以说，隧洞工程常遇的地质问题一期工程都可能遇到；同时还有一些特有的地质问题，这些问题的存在不仅影响洞线的布置，更重要的是影响到工期和造价。

4.1 断层活动性对深埋隧洞的影响

西线工程区断裂近期活动的主要方式是左旋走滑兼有逆冲，这种活动方式对与之较大角度斜交的隧洞，可能产生与断层活动强度相当的错动变形，破坏隧洞的支护。当隧洞穿越这种断层时，宽大的断层带变形将使较长的洞段围岩产生变形并破坏，进而影响到围岩的稳定性，形成突出的地质灾害[8]。活断层的错动表现为沿断层两盘的突然相对滑动，工程措施对减少其危害很难奏效。因此，隧洞在抗断方面存在不利因素，强震时可能产生严重错动损害。就目前地震区地下工程的实践分析，地下工程的震动破坏往往是随工程埋深增加而衰减。初步认为引水隧洞在抗震方面，即使在IX度区深埋洞室仍较稳定。一期工程引水线路区仅有少量的Ⅷ度区，且没有傍山洞段，浅埋洞段也很少，埋深大于300 m的洞段占82%，因此，隧洞抗震问题影响不大。

全新世以来的主要活动断层有阿坝断层带，位于克曲—黄河段的起始地段，包括了阿坝盆地南北断层带，总计宽约10 km，与引水线路呈直角相交。该断层带是一条十分明显的活动断层带，其后期活动性表现为相对的地堑式正断层带，且沿断层带分

km；该断层具有多期活动的特点，具有清晰的负地形地貌标志，经ESR测年结果，获得其年龄值为

(111±18)×103 a；该断层带宽度较大，岩体变形较为强烈，结构破碎，可能引起围岩变形并形成地质灾害。

4.2 高地应力和岩爆

西线工程隧洞的围岩主要为三叠系的浅变质砂板岩，局部洞段为花岗岩、花岗闪长岩，这些坚硬脆性岩体具备了储存高能量的条件；部分断裂带附近存在构造应力集中区，同时部分洞段将穿越高地应力区。对西线工程的深埋隧洞而言，其洞室的稳定不可避免地受到高地应力和岩爆的威胁。

工程区线路所经过区域地质构造较复杂，地层岩性变化较大，初始地应力场分布也比较复杂，影响因素很多。隧洞埋深一般为300～500 m，最大达

1 150 m；但沿线最大水平主应力随深度亦呈现较良好的线性关系，总的方向为NE～NEE，线路区水平地应力以构造应力为主。地应力测试表明，3个主应力关系表明水平主应力占主导地位，属于构造影响强烈地区，水平挤压应力可能高达50 MPa左右。由于地应力与深度成一定的比例关系，所以地下工程埋深越大，发生岩爆的概率越大。

第24卷 第20期 王等. 南水北调西线一期工程的工程地质和岩石力学问题 • 3609 •

围岩类别和岩爆有着直接关系，一般来讲，围岩类别越低(如II，III类围岩)，岩体越完整致密，岩体结构多呈块、层状，岩爆越易发生；相反，高类别围岩往往是应力释放地段，发生岩爆的可能性较小，所以引水线路II～III类围岩洞段应考虑岩爆问题。线路洞室埋深大部分洞段大于200 m，且围岩以III类围岩为主，都有发生岩爆的可能，深度超过1 000 m时更应高度重视。但由于围岩多为层状的砂岩和板岩，裂隙发育，裂隙水普遍存在，预测岩爆的强度为中等强度[4]。 4.3 地下水及高压涌水

线路区赋存的松散岩类孔隙水、风化带网状基岩裂隙水等因洞室埋藏深，对围岩稳定影响甚微，影响较大者主要为构造裂隙水。引水洞线区基岩主要为砂岩、板岩及其组合的韵律互层，碳酸盐岩基本不发育。砂岩中裂隙发育，为透水含水层；板岩裂隙不发育，为相对隔水层。地下水主要赋存在砂岩层中，被密集的砂板岩互层隔断。尽管深部水压力可能很高，但水量不会太大。同时，基岩断层大多为压性或压扭性断层，单个断层带宽度较小，且多为紧密的糜棱岩状物质，其导水性较差，涌水水源有限，在绝大多数断层带，形成持续高压涌水是困难的。因此，深埋长隧洞的高压涌水问题不严重。

一期工程引水洞高于主要河流的河底，因此，尽管存在顺河断裂，但断裂主要沿支沟发育，地表补给源较小，易于工程处理。值得注意的是，隧洞出口附近部分洞段埋深不大，地表为河流源区的沼泽地貌，地表水丰富，可能存在涌水问题。

沿断裂带(包括断层影响带)的涌水和突水，是隧洞涌水的主要来源，特别是这些断裂带通过的沟谷浅埋段，是有突水危险的主要地段。除了大断裂带外，小断裂和紧密褶皱虚脱的转折端，特别是这些构造的交会处，也是不可忽视的地下水通道。

由于隧洞围岩，特别是断层带围岩多为软弱的砂板岩或经挤压破坏的破碎岩或糜棱岩，在饱水条件下，这种岩体将会严重软化。而西线区引水洞洞径达10 m，且断层带常常为由密集断层破碎带构成的较宽的断层带，宽度常达数百米乃至上千米。在这种条件下有可能形成一定规模的突泥和坍落灾害。

4.4 高地温问题

℃/km，平均值多在22 ℃/km左右。其中，达日—久治地区平均地温梯度达到24～26 ℃/km，是调 水区内中高温地下热水的主要泄出区。根据有关资料可以推算，深埋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 ℃[4]，显然在地温异常区内洞段施工存在困难，需采取特殊措施。

一期工程线路区上杜柯—亚尔堂段、亚尔堂—克柯段穿越达日—久治高地温梯度区，线路西部年保玉则山温泉水温高达85 ℃。温泉的存在，说明隧洞经过地区有可能存在由高水热活动引起的高温地层问题。这些地下热水的存在，将增加工程的施工难度，影响到围岩的稳定性。同时，水质分析表明，高温的地下热水对金属铁可能具有潜在性腐蚀作用。

4.5 持续高地应力作用下岩石的力学特性

西线工程采用深埋长隧洞输水，砂岩和板岩在持续应力和一定温度下的力学特性直接与隧洞运行的安全有关。试验结果表明，部分板岩的饱和单轴抗压强度在30 MPa以下，软岩在高地应力作用下将产生大变形和长期流变。因此，在西线工程近10 m洞径的情况下，在高地应力的持续作用下，砂板岩将产生怎样的变形和破坏，在施工时应当采取什么措施，将是整个工程成败的技术关键。

西线工程区的砂岩具有低孔隙率、致密等特点，在高侧压、地温及高渗透压力作用下，其强度及变形具有复杂的特点。在不同的温度条件下，砂岩的强度均与侧压成线性关系，侧压越高，其强度越高。低侧压时，强度随温度升高而增加，较高侧压时，强度随温度升高有降低的趋势。试验表明，单轴压缩条件下，砂岩的强度随着温度的升高而增加，岩石的强度与温度间呈现出良好的线性关系。据预测，隧洞埋深处围岩的温度不会超过60 ℃，因此，温度引起的岩石强度降低的可能性较小。试验结果表明，砂岩在持续高地应力和高温作用下，弹性模量变化不明显，但强度会有增大或减少的现象，在施工期需要注意这一现象。

试验结果也显示，板岩的强度具有明显的各向异性，但在长期应力作用下，其蠕变变形的比例很小。在地下水的长期作用下，板岩的强度明显降低，但弹性模量随吸水率的增加出现增大的趋势。因此，在隧洞的衬砌支护中，要考虑到板岩遇水强度

南水北调西线工程区内平均地温梯度为18～26

• 3610 • 岩石力学与工程学报 2005年

降低的现象，但发生大变形的可能性较小。 学的理论和方法，有效地利用地表露头和部分人工露头提取岩体的地质信息，推断洞线附近岩体的结构、水文地质条件，以及岩体工程性质，对在工程前期研究阶段进行岩体的工程分类和评价是有意义的。

5.2 软岩变形研究

软岩大变形是一种特殊的围岩变形现象，也是威胁洞室稳定性的一大难题。软弱围岩区域往往塑性地压较大，软岩在高地应力作用下将产生大变形和长期流变，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10 m，围岩多为浅变质砂板岩，根据现有浅部实测值，推断埋深1 100～1 300 m处铅直地应力将达到30 MPa左右，而水平地应力可能达到18～20 kPa，洞壁应力将为60 MPa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，应当采取什么措施，将是整个工程成败的技术关键。

目前，如何认识在持续高地应力作用下深埋洞室软岩变形和长期流变的机制、规律和工程处理问题仍然是工程设计、施工中的难题。隧道变形的预测是一个复杂的难题，因此，研究复杂地质构造条件下岩体运动的机理，给出开挖过程中岩体变形的规律以及长期的蠕变效应可能对工程造成的影响，可以为工程设计提供依据，为岩体稳定性预测预报系统的建立提供不可缺少的理论平台。

研究工作的重点是调查高地应力带和高地温带的分布，对脆性岩体的分布和力学特性进行研究。通过室内试验，进行水–岩(应力)–温度耦合作用数值模拟研究和软弱围岩变形的洞室尺寸效应的物理模拟研究，结合实际地质条件(岩石的强度和变形特性)，给出软岩在一定应力作用下的时间–应变曲线，计算出隧洞最大允许变形量。研究结果可以为管片的设计、应力与配筋，TBM检修时段选择、施工台班安排提供依据。

5.3 基于TBM施工的围岩分类研究

目前流行的岩体分级方法，基本上是针对隧洞稳定性的等级划分而提出的，直接用于TBM施工隧道围岩分级有其局限性。选用合理的参数系统来描述隧道围岩的力学特性是重要的[10]。TBM施工隧道围岩分级应针对工程岩体的可掘进性来划分，即针对掘进速度(Av)和刀具的寿命指数进行工程岩体分级。和掘进速度(Av)和刀具的寿命指数相关的岩体力学特征参数有：岩石的单轴抗压强度(Rc)，岩石

5 西线工程主要岩石力学问题的研究

方向

西线工程以深埋长隧洞为主要输水形式，在隧洞的设计、施工和运行中将会遇到一系列的岩石力学问题。这些问题主要包括：构造活动带岩体静力与动力参数；深埋长隧洞围岩动力和静力变形破坏模式；深埋长隧洞围岩动力稳定性；深埋长隧洞围岩变形的尺寸效应；深埋长隧洞软弱围岩大变形、流变与围岩稳定性；深埋长隧洞脆性围岩岩爆与围岩稳定性；深埋长隧洞围岩与衬砌相互作用模式以及支护优化设计；深埋长隧洞地温环境与围岩变形的温度效应；深埋长隧洞地应力环境与持续高地应力下岩体与工程建筑物的共同作用；深埋长隧洞衬砌抗切变和抗轴变性能及其优化设计；断层破碎带边坡岩体稳定性问题；边坡岩体动力稳定性；边坡与洞室联合作用下的岩体稳定性以及冻土边坡的冻融变形与稳定性。

针对西线工程的实际情况，本文对目前比较关注的岩石力学问题的研究思路作一探讨。 5.1 统计岩体力学的应用

由于西线工程隧洞的单洞洞线长、埋深大，同时隧洞沿线地形起伏大，用地表工程地质测绘方法推断深部信息的能力是十分有限的，钻探工程方面只是一孔之见。同时西线地区岩层陡倾，数百米深的钻孔在洞线附近穿过岩层的真实厚度可能只有几米，获取的有用信息将十分有限。超前洞一般在施工阶段才能实施，不能满足勘察设计阶段研究工作的要求，现有的地球物理手段对埋深数百米处洞线的岩体也只能进行粗略的分段，常常不能满足对岩体结构、岩体工程性质参数研究的要求。

统计岩体力学是一门新兴的岩体力学理论[9]，根据统计岩体力学理论，人们可以通过对大量的地表露头及少量的钻孔、探硐、边坡开挖面等人工露头的岩体结构和相关地质信息的精细测量和统计分析，抽取岩体结构等方面的要素，建立岩体结构的几何概率模型，进行岩体工程分类；结合岩石与岩体结构面的力学测试成果，建立岩体的力学模型，并提取岩体的变形和强度等力学参数；结合岩体结构面的尺度、粗糙度和张开度，以及岩体应力场的分布和地球物理探测资料，建立岩体水力学模型，提取不同深度岩体的水力学参数。采用统计岩体力

第24卷 第20期 王等. 南水北调西线一期工程的工程地质和岩石力学问题 • 3611 •

的硬度(NCB)，岩石的耐磨性指数(Ab)，岩石的泊松比(μ )，弹性模量(E)，岩体结构面的发育程度(即岩体完整程度)，主要结构面的产状与隧道轴线的组合关系等。用这么多的参数来分级显然是不合适的，结合西线地质特点，力争探索、建立一套与钻爆法

段隧洞轴向与岩层走向及层面产状关系不同，决定各段围岩变形破坏的方式不同。线路在不同部位的埋深不同、地应力环境不同，局部还涉及到进出口边坡与洞室联合作用问题，围岩变形破坏的机制和规模也将不同。不同部位洞轴向与区域构造应力主方向的关系不同，决定围岩错动变形的强度及对隧洞支护的破坏方式不同。各段岩体水文地质条件的差异也将决定各段围岩所承受的地下水力学和物理化学作用的差异，从而决定变形破坏灾害的形式不同。

因此，研究的重点为：(1) 围岩变形破坏模式与灾害分布研究，包括围岩变形模式分段研究，围岩流变问题预测，围岩破坏模式分段研究；(2) 围岩大变形、流变与破坏过程，以及支护方式数值模拟研究，包括围岩大变形、流变与破坏过程模拟研究，支护方式、支护时间数值模拟对比研究研究。

为研究长隧洞施工对围岩变形的影响规律，根据地质情况，可以选择典型地段进行开挖，作空间效应观测试验，探明围岩变形规律，观测围岩变形的全过程，全面了解围岩的空间效应。通过卸荷带厚度测量，确定不同围岩岩性的卸荷厚度，为今后洞室衬砌和灌浆提供依据。根据地层岩性、地质构造和洞室埋藏深度及洞深等情况，选取有代表性的地质断面进行收敛位移观测。观测分为开挖后的自然岩移和衬砌后围岩变形两部分，从中找出洞室围岩随时间变化的规律，从而对洞室稳定性进行评价。判断围岩压力的类型，推算最大位移量，为设计和施工提供依据。通过变形研究，为引水工程长期正常运行和维护提供参考数据，也为抗围岩变形、锚固设计提供有关实测参数。

(DB)不同的、适合TBM施工要求的隧洞围岩分类原则。

脆性岩石破碎学研究可为TBM刀头硬度和间距的选择提出解决方案。由于TBM施工条件下的岩石破碎形式很特殊，影响刀具的寿命损耗不只是和岩石的强度有关，更重要的是还和岩石的矿物(石英含量)组成、结构有关[11]。因此，应系统地进行矿物岩石分析工作，研究西线地区不同岩石类型的矿物组成、结构特征，找出矿物组成的统计分布规律，为TBM刀具的定制提供依据。岩石破碎特征直接与刀具的间距有关，合适的间距不仅节省能源、降低刀具损耗，而且可以提高掘进效率。因此，研究不同应力条件下，砂岩、板岩的破碎特征意义十分重要。

5.4 岩体洞室支护与隧洞施工研究

对各主要类别的岩体，采用各种可能的支护方法对洞室进行支护，研究工程岩体在不同支护条件下的变形性质，提出各种岩体中洞室支护参数建议值。在工程的不同部位，根据不同的地质条件，进行不同的洞室支护；或对地质条件相同的地段，采用不同的支护方案，开发研究支护方案的适宜性。在各种地质条件的洞段，进行洞室变形试验，采用多点位移计、收敛仪、挠度仪等测量洞室的变形性质。监测洞室的变形，依据监测资料、原位试验资料和围岩的类别，进行室内数值模拟，研究岩体的变形特性。根据上述资料对工程岩体进行分类，提出各种岩体中洞室支护参数建议值。 5.5 围岩变形与稳定性研究

深埋长隧洞工程的所有问题最终都归结到围岩变形与稳定性问题。隧洞围岩变形过大，或者围岩不稳定，必然导致工程失效。任何昂贵的衬砌支护都是为了控制围岩变形，保证围岩稳定，隧洞中任何工程事故的处理和维护也都只能是通过改善支护系统提高围岩稳定性来实现。深埋长隧洞围岩变形与稳定性问题严重地影响着西线工程的技术可行性和经济合理性。

影响深埋长隧洞围岩变形稳定性的因素较为复杂。不同部位岩性组合不同，局部穿越深大断层带，决定了沿线围岩变形破坏的分布特征不同；线路各

6 一期工程技术可行性分析

6.1 筑坝技术

从筑坝技术看，我国对各种坝型的建筑技术已趋成熟，自20世纪80年代以来，开始重视和推广混凝土面板堆石坝坝型。这种采用当地石料，分层振动碾压堆石的施工方法，使坝体密实，面板较少出现裂缝，防渗效果也好，具有断面小，安全性好，施工简便，造价低的特点。当前，大型、多功能、高效施工机械的发展大大提高了施工质量，加快了施工进度，更降低了工程造价。我国在广西与广州交界处的南盘江上1999年建成的混凝土面板堆石坝坝高179 m，在海拔2 900 m处于1999年建成的

• 3612 • 岩石力学与工程学报 2005年

青海黑泉面板堆石坝坝高123.5 m，湖北清江水布垭混凝土面板堆石坝坝高233 m。这说明，在筑坝技术方面，西线工程虽有海拔3 500 m地区的气候寒冻问题，但从当今的施工技术看，完全有措施解决，没有不可逾越的障碍。 6.2 长隧洞施工技术

埋深大、隧洞长，寒冷缺氧，是西线工程的基本特点。因此，从施工角度，只能采用以TBM施工为主、钻爆法为辅的施工方案。

自20世纪80年代以来，TBM(隧道掘进机)制造与施工技术进展很快。无论单护盾、双护盾、开敞式还是泥压平衡盾构机，无论硬岩、软岩还是第四纪沉积层，都有大直径TBM施工的成功实例。荷兰绿心隧道泥浆盾构机直径达14.87 m；加拿大

压力洞方案淹没损失小、大坝及隧洞工程规模小，但高水头采用管片衬砌的工程实例较少，有些问题还有待深入研究。

西线隧洞平均埋深500 m，地下水位较高，外水头远大于内水头。因此，不论是明流洞还是压力洞，对结构受力起控制作用的还是外水头，压力洞与明流洞在受力上没有本质区别。从内水外渗角度来看，西线90%以上洞段地下水位高于内水头，不存在内水外渗的可能。各段隧洞进出口附近因埋深小，内水头大于外水头，存在内水外渗可能。而这些洞段均采用钻爆法施工，相应采用现浇整体式混凝土衬砌，按抗裂设计，内水外渗可能性很小。因此，西线隧洞整体上不存在内水外渗问题。隧洞进出口附近洞段因采用现浇混凝土衬砌，不存在水力劈裂问题。

总之，南水北调西线一期工程压力洞方案中，最大内水头近90 m。结合西线地形、水文地质等具体情况，TBM施工的压力洞段采用与明流洞相同的单层管片衬砌。

无论是在火成岩还是沉积岩中，无论围岩有无挤压变形，均已存在采用管片衬砌的压力输水洞工程实例。南非莱索托调水工程、雅典调水二期工程，采用管片衬砌的压力洞总长度分别达到了50，17.5

Sir Adam Beck引水隧洞双护盾TBM直径达13.9 m。从隧洞施工段的长度看，我国已建成甘肃引大入秦

30A输水隧洞长11.6 km，西康铁路秦岭隧道长18.4 km；国外已建成的英吉利海峡海底高速铁路2条平行隧道，即欧洲隧道，每条长38 km，正在施工的瑞士圣哥达高速铁路两条平行隧道每条长57 km，成洞洞径9.6 m。这些长隧洞都采用掘进机开凿，为西线工程提供了极好的施工实例。

西线一期工程隧洞最大自然分段长度72 km，单台TBM设计最大掘进长度23 km。采用TBM施工的洞段多选择在II，III类围岩段，地质条件相对简单。最大开挖直径约10 m。岩石单轴抗压强度、埋深(地应力)等影响TBM施工的各种因素，在世界范围内已得到较好的解决。

一期工程输水隧洞通过的围岩，主要为砂岩、板岩或砂板岩互层，岩石单轴抗压强度30～100

km，前者有19 km长的隧洞围岩以软弱破碎沉积岩为主，后者则以互层沉积岩为主。在建的昆明掌鸠河调水工程有10 km左右压力洞采用管片衬砌，岩性与西线工程近似，但这些引水洞最大内水头均低于80 m。

MPa，属中等硬度。经验表明，一般的TBM最适宜于岩石抗压强度在30～150 MPa的中等坚硬～硬岩中[12]，因此就岩石的强度来看，工程区内岩石的强度适宜于TBM施工。虽然，当地气候寒冷缺氧，地质条件复杂，需要认真研究开凿隧洞可能出现的问题和需要采取的措施，但是类比国内外已建工程，开凿最长达37 km的引水洞段，在技术上是可行的。

6.3 隧洞管片衬砌问题

隧洞采用何种衬砌形式，对西线隧洞的施工方法、投资、工期甚至方案选择都有重大影响。

有内水压作用是压力洞区别于明流洞的最大特点。明流洞衬砌，结构受力明确，国内外采用TBM施工的引水隧洞多为明流洞，大多采用管片衬砌。

7 结 论

西线一期工程区地质条件复杂，环境恶劣，深埋长隧洞的勘察、设计和施工有其特殊性。但工程中所遇到的有关技术难题在目前的经济技术条件下是可以解决的，重点是解决制约西线工程实施的技术难关，地质条件是可行的。

工程区主要岩性为三叠系的砂岩、板岩，NW向的褶皱和线性构造发育，主要工程地质问题为新构造及地震活动性评价、高地应力及地温异常引起的地质灾害对深埋隧洞稳定的影响、地下水及高压涌水、岸坡岸坡稳定等；冻土主要为季节冻土，对

地面水工建筑物有不利影响，但对隧洞的影响较小。

工程区出露的主要岩石的强度为中等坚硬～坚硬，隧洞围岩以III类围岩为主，次为II类围岩，

第24卷 第20期 王等. 南水北调西线一期工程的工程地质和岩石力学问题 • 3613 •

局部为IV类围岩，采用TBM施工是可行的；除部分构造破碎带外，一般洞段岩体完整性较好，有利于工程兴建。一期工程深埋长隧洞存在着诸多复杂的工程地质问题，如活动性断层对洞室稳定的影响、高地应力与岩爆、高压水头与涌水、高地温问题、有害气体等，但这些地质灾害的发育程度是可以控制的。

引水坝段两岸天然岸坡基本稳定，建坝地形条件较好。坝区基岩均为砂、板岩，属中等坚硬～坚硬岩类，强度指标可满足建坝的一般技术要求。坝段岩层一般褶皱强烈，断层不甚发育，坝段均处于稳定区或基本稳定区。一期工程区各调水河流块石料丰富，储量、质量均满足规范要求，人工骨料岩石力学指标满足规范要求。库区一般封闭条件较好，不存在向邻谷或洼地永久渗漏的问题。 参考文献(References)：

[1] 陈效国，席家治. 南水北调西线工程与后续水源[J]. 人民黄河，

1999，21(2)：16–18，24.(Chen Xiaoguo，Xi Jiazhi. West route of South-to-North Water Transfer Project of China and subsequent water resources[J]. Yellow River，1999，21(2)：16–18，24.(in Chinese)) [2] 谈英武，刘 新. 南水北调西线工程进展情况[J]. 人民黄河，1999，

21(2)：19–21.(Tan Yingwu，Liu Xin. Progress of the west route of South-to-North Water Transfer Project of China[J]. Yellow River，1999，21(2)：19–21.(in Chinese))

[3] 王，张 辉，刘振红，等. 南水北调西线工程地质灾害初步研

究[J]. 地球科学，2001，26(3)：297–303.(Wang Xuechao，Zhang Hui，Liu Zhenhong，et al. Geological hazards about west route project of South-to-North Water Transfer[J]. Earth Science，2001，26(3)：297–303.(in Chinese))

[4] 王，马国彦. 南水北调西线工程及其主要工程地质问题[J]. 工

程地质学报，2002，10(1)：38–45.(Wang Xuechao，Ma Guoyan. Introduction to west route project of South-to-North Water Transfer and its main engineering geological problems[J]. Journal of Engineering Geology，2002，10(1)：38–45.(in Chinese)) [5] 王，高广礼. 南水北调西线工程环境地学特征研究[A]. 见：庄

逢甘，陈述彭编. 2001遥感科技论坛[C]. 北京：中国宇航出版社，2001. 125–128.(Wang Xuechao，Gao Guangli. Study on geological

environment feature of west route of South-to-North Water Transfer Project[A]. In：Zhuang Fenggan，Chen Shupeng ed. 2001 Remote Sensing Technical Forum[C]. Beijing：China Astronautics Publishing House，2001. 125–128.(in Chinese))

[6] 王，陈书涛，张 辉，等. 南水北调西线工程地质条件研究[M].

郑州：黄河水利出版社，2005.(Wang Xuechao，Chen Shutao，Zhang Hui，et al. Study on Engineering Geological Condition of the West Route of South-to-North Water Transfer Project[M]. Zhengzhou：Yellow River Conservancy Press，2005.(in Chinese))

[7] 王，张 辉，陈书涛，等. 南水北调西线第一期工程地质条件

分析[J]. 人民黄河，2001，23(10)：25–26.(Wang Xuechao，Zhang Hui，Chen Shutao，et al. Analysis of geological conditions on the first stage project of west route of South-to-North Water Transfer Project[J]. Yellow River，2001，23(10)：25–26.(in Chinese))

[8] 伍法权，王，国连杰，等. 南水北调西线一期工程区断层活动

性及其对工程的影响分析[J]. 岩石力学与工程学报，2004，23(8)：1 370–1 374.(Wu Faquan，Wang Xuechao，Guo Lianjie，et al. Fault activity and its effect on the west route of South-to-North Water Transfer Project of China[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(8)：1 370–1 374.(in Chinese))

[9] 伍法权. 统计岩体力学原理[M]. 武汉：中国地质大学出版社，

1993.(Wu Faquan. Statistical Rock Masses Mechanics[M]. Wuhan：China University of Geosciences Press，1993.(in Chinese))

[10] 徐，黄润秋，张倬元. TBM刀具设计中围岩力学参数的选择[J].

岩石力学与工程学报，2001，20(2)：230–234.(Xu Zemin，Huang Runqiu，Zhang Zhuoyuan.The mechanical parameters of surrounding rocks consideration in TBM cutter design[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20(2)：230–234.(in Chinese)) [11] 王. 南水北调西线工程石英含量规律研究报告[R]. 郑州：黄河

勘测规划设计有限公司，2005.(Wang Xuechao. Study on the discipline of rock quartz for the west route of South-to-North Water Transfer Project of China[R]. Zhengzhou：Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd.，2005.(in Chinese))

[12] 王石春. 隧道掘进机与地质因素关系综述[J]. 世界隧道，1998，(2)：

39–43.(Wang Shichun. Relationship between TBM tunneling and geoglogical conditions[J]. World Tunnel，1998，(2)：39–43.(in Chinese))