喀喇昆仑山区引水发电洞高地温现象及成因探讨

书书书ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ　　工程地质学报　　１００４－９６６５／２０１５／２３（６）１１９６０６ＤＯＩ：１０．１３５４４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｅｇ．２０１５．０６．０２２喀喇—昆仑山区引水发电洞高地温现象及成因探讨赵国斌①　徐学勇①　刘顺萍②（①中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司　杭州　３１００１４）（②中水北方勘测设计研究有限责任公司　天津　３００２２２）摘　要　地热资源作为一种可再生的清洁能源已经得到广泛的应用，然而往往由于地热资源的存在，对地下工程的设计与施工带来一些麻烦；国内外已有很多工程遇到了高地温问题，其中极具代表性的为地处喀喇—昆仑山区的布伦口—公格尔水电站引水发电洞和齐热哈塔尔水电站引水发电洞。本文介绍了两条引水发电洞施工过程中遇到的高地温现象，如洞壁岩体温度最高分别达到９７℃和１１９℃，沿裂隙喷出蒸汽温度最高分别达到１４０℃和１７４℃；持续高温洞段长度分别为４ｋｍ和３５ｋｍ，其中齐热哈塔尔水电站引水发电洞洞壁岩体温度超过９０℃的洞段长度超过９００ｍ。论文从区域构造环境、地热资源赋存特征、不良的地下水循环条件以及导热体的存在等４个方面分析了该区域内地下工程高地温现象的成因；进一步提出了地热资源赋存区域地下工程勘察过程中应注意的问题。本文从国内外地下工程施工过程中遭遇的罕见高地温现象研究出发，认为活跃的区域构造环境与高的区域热流背景值是导致喀喇—昆仑山区地下工程施工过程中遭遇高地温现象的本质原因。关键词　喀喇—昆仑山区　引水发电洞　高地温现象　构造活跃区　区域热流背景值中图分类号：Ｐ６４２．５　　文献标识码：Ａ书书书　收稿日期：２０１４－１０－０８；收到修改稿日期：２０１４－１０－２３．第一作者简介：赵国斌（１９７７－），男，博士，高级工程师，地质工程专业，主要从事深埋地下工程地质工程，水利水电工程地质研究．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]ＩＧＨＧＥＯＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥＯＦＨＹＤＲＯＥＬＥＣＴＲＩＣＰＯＷＥＲＤＩＶＥＲＳＩＯＮＴＵＮＮＥＬＩＮＫＡＬＡＫＵＮＬＵＮＭＯＵＮＴＡＩＮＺＨＡＯＧｕｏｂｉｎ①　ＸＵＸｕｅｙｏｎｇ①　ＬＩＵＳｈｕｎｐｉｎｇ②（①ＰｏｗｅｒＣｈｉｎａＨｕａｄｏｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００１４）（②ＣｈｉｎａＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓＢｅｉｆａｎｇＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＣｏｍ．Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００２２２）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｏｕｒｃｅｓｉｓｏｎｅｋｉｎｄｏｆｃｌｅａｎａｎｄｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙｗｈｉｃｈｈａｓｂｅｅｎｕｓｅｄｗｉｄｅｌｙ．Ｂｕｔ，ｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎｄｂｕｉｌｄｉｎｇｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｂｅｃｏｍｅｍｏｒｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｉｎｔｈｅａｒｅａｏｆｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ｂｅｃａｕｓｅｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｏｕｒｃｅｓｃａｎｌｅａｄｔｏｈｉｇｈｇｅｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍｈａｓｂｅｅｎｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄｄｕｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｍａｎｙｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ．Ｏｆｔｈｅｓｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｕｌｕｎｋｏｕＧｏｎｇｇｅｅｒｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｄｉｖｅｒｓｉｏｎｔｕｎｎｅｌａｎｄＱｉｒｅｈａｔｅｒｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｄｉｖｅｒｓｉｏｎｔｕｎｎｅｌｌｏｃａｔｅｄｏｎＫａｌａＫｕｎｌｕｎＭｏｕｎｔａｉｎｏｆＰａｍｉｒｓｃａｎｂｅａｓｔｙｐｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＤｕｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＢｕｌｕｎｋｏｕＧｏｎｇｇｅｅｒｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｄｉｖｅｒｓｉｏｎｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｗａｌｌｒｏｃｋｍａｓｓｏｆｔｕｎｎｅｌｉｓ９７℃，ａｎｄｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｓｔｅａｍｗａｔｅｒｅｊｅｃｔｉｎｇｆｒｏｍｊｏｉｎｔｓａｎｄｆｉｓｓｕｒｅｓｉｓ１４０℃，ｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｈｉｇｈｇｅｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｕｎｎｅｌｉｓ４ｋｍ．ＡｓｆｏｒａｓＱｉｒｅｈａｔｅｒｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｄｉｖｅｒｓｉｏｎｔｕｎｎｅｌｉｓｃｏｎｃｅｒｎｅｄ，ｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｗａｌｌｒｏｃｋｍａｓｓｏｆｔｕｎｎｅｌｉｓ１１９℃，ａｎｄｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｓｔｅａｍｗａｔｅｒｅｊｅｃｔｉｎｇｆｒｏｍｊｏｉｎｔｓａｎｄｆｉｓｓｕｒｅｓｉｓ１７４℃，ｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｈｉｇｈｇｅｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｕｎｎｅｌｉｓ３５ｋｍ．Ｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｔｕｎｎｅｌｗｈｏｓｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｌｌｒｏｃｋｍａｓｓｏｆｔｕｎｎｅｌｅｘｃｅｅｄｓ９０℃ｉｓｌａｒｇｅｒｔｈａｎ９００ｍ．Ｈｉｇｈｇｅｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｔｗｏｔｕｎｎｅｌｓｉｓｕｎｃｏｍｍｏｎｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｃａｕｓｅｏｆｈｉｇｈｇｅｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎｔｈｉｓａｒｅａｉｓｔａｌｋｅｄａｂｏｕｔ，ａｕｔｈｏｒｓｃｏｎｓｉｄｅｒｔｈａｔｔｈｅｍａｉｎｃａｕｓｅｓｉｎｃｌｕｄｅａｃｔｉｖｉｔｙｒｅｇｉｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｉｇｈｒｅｇｉｏｎａｌｈｅａｔｆｌｏｗｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｖａｌｕｅ，ｇｏｏｄｒｏｃｋｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｐｏｏｒｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｃｙｃｌｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｒｏｃｋｍａｓｓｏｒｊｏｉｎｔａｎｄｓｍａｌｌｆａｕｌｔ．Ｂａｓｅｄｏｎａｂｏｖｅｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ，ａｕｔｈｏｒｓｃｏｎｓｉｄｅｒｔｈａｔｉｎｔｈｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｔａｇｅｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｄｏｎｅｔｈａｔｒｅｇｉｏｎａｌｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｕｒｖｅｙ，ｔｈｅｒｍａｌｓｐｒｉｎｇｓｕｒｖｅｙａｎｄｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｅｓｔｉｎｇｆｏｒｔｈｏｓｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｗｈｉｃｈｍａｙｅｎｃｏｕｎｔｅｒｈｉｇｈｇｅｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｅｒｉｏｄｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎｄｂｕｉｌｄｉｎｇ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｕｔｈｏｒｓｔｕｄｙｈｉｇｈｇｅｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｗｈｉｃｈｉｓｏｎｅｋｉｎｄｏｆｕｎｃｏｍｍｏｎａｎｄｓｐｅｃｉａｌｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｄｕｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ，ａｃｔｉｖｉｔｙｒｅｇｉｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｈｉｇｈｒｅｇｉｏｎａｌｈｅａｔｆｌｏｗｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｖａｌｕｅａｒｅｔｈｅｅｓｓｅｎｔｉａｌｒｅａｓｏｎｓｗｈｉｃｈｌｅａｄｔｏｈｉｇｈｇｅｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ＫａｌａＫｕｎｌｕｎＭｏｕｎｔａｉｎ，Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｄｉｖｅｒｓｉｏｎｔｕｎｎｅｌ，Ｈｉｇｈｇｅｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ，Ａｃｔｉｖｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｒｅｇｉｏｎ，Ｒｅｇｉｏｎａｌｈｅａｔｆｌｏｗｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｖａｌｕｅ０　引　言地下工程开挖过程中经常会遇到地温异常的问题，如锦屏二级水电站引水发电洞开挖过程中出现了地温负异常，即在埋深较大的洞室内空气温度很低的现象，但一般不会对工程施工产生明显的影响，因此在这方面的关注度要稍低一些。然而，在很多地下工程施工过程中遭遇了表现为高地温现象的地温正异常情况。同时，国内外的不同行业都对地下工程施工过程中的高地温问题做了明确规定，我国交通部门和采矿行业规定洞室内平均干球温度不能超过２８℃，水利行业施工规范规定在洞内平均温度超过２８℃的情况下需要进行专门的通风设计（中华人民共和国水利部，２００４）。高地温问题已在国内外地下工程施工过程中遇到，如日本的新黑部第三水电站长５２８ｋｍ的水工隧洞施工中遭遇了１７０℃的极端温度；瑞士新圣哥达公路隧道施工过程中遇到４５℃的岩体温度；云南黑白水３级水电站引水隧洞热水涌出，温度达６２℃（周菊兰等，２０１１）；四川乡城娘拥水电站引水隧洞开挖过程中股状热水涌出，温度为４９８℃（苏舟等，２０１２）；新疆布伦口—公格尔水电站钻孔内最高温度８２℃（潘启俊，２０１３）；新疆齐热哈塔尔水电站引水发电洞开挖过程中高温气体喷出，温度为１７４℃，岩壁温度最高１１９℃（赵国斌等，２０１２）；禄劝铅厂水电站引水隧洞极端温度７６℃（杨长顺，２０１０）；广昆铁路安禄隧道地温场研究表明会遇到４０℃以上的地温（姜来峰等，２００９）；日本的安房公路隧道长为４３５ｋｍ，隧道沿线距活火山最近处仅３ｋｍ，施工过程中有蒸汽喷出，温度达７５℃（王贤能等，１９９６）；高黎贡山铁路特长隧道勘察预测洞线部位温度会超过７０℃（谷柏森，２００７）；淮南矿井温度超过４０℃（周昀涵等，２０１１）；拉日铁路吉沃希嘎隧道等等不同行业的地下工程。高地温问题的出现使得洞室内环境温度急剧升高，严重影响施工安全和机械设备的工作效率，同样对于隧洞施工过程支护、衬砌结构的稳定以及后期的运行安全也都会产生较大的影响。本文在进行工程实例研究的基础上，以位于喀喇—昆仑山区同一区域构造单元的布伦口—公格尔水电站引水发电洞和齐热哈塔尔水电站引水发电洞施工过程中遇到的高地温问题进行了简要描述与详细的分析研究（图１）。文中描述了两条引水发电洞施工过程中高地温现象的表现形式，结合区域构造环境以及工程岩体条件，提出了活跃的区域构造环境、高的区域热流背景值、良好的岩体条件和不良的地下水循环条件以及导热体的存在是形成该区域范围内地下工程高地温问题的本质原因。结合研究成果，对如何进行勘察期高地温问题的认识与评价提出了建议。本文的研究成果为涉及高地温问题的地下工程勘察、设计与施工具有极好的指导意义。１　喀喇—昆仑山区引水发电洞高地温现象１１　布伦口—公格尔水电站引水发电洞１１１　工程概况　　布伦口—公格尔水电站位于新疆西南帕米尔高７９１１２３（６）　赵国斌等：喀喇—昆仑山区引水发电洞高地温现象及成因探讨图１　工程区区域构造简图Ｆｉｇ．１　Ｒｅｇｉｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｓｔｕｄｉｅｄａｒｅａ原的盖孜河上，是盖孜河中游水电开发的第１级电站。引水发电洞区域范围内高程在２６００～３４００ｍ，隧洞最大埋深约１６００ｍ，为深埋、长距离、小断面引水隧洞（谢仕群，２０１０；李湘权等，２０１１）。引水发电洞地处喀喇—昆仑褶皱系中部的公格尔—桑株塔格隆起的中部，沿线工程地质条件复杂，属构造活跃区，区域内发育康西瓦深大断裂、北昆仑断裂、布伦口断裂等晚更新世以来的活动断裂（图１）。工程区范围内沿河谷基岩裂隙中有公格尔温泉出露，温泉水温超过５０℃。１１２　高地温的表现形式引水发电洞洞线全长１７８×１０４ｍ，存在高地温洞段总长４０９９ｍ，围岩岩性均为云母石英片岩夹有石墨片岩，个别裂隙中有水蒸汽冒出。施工过程中遇到的岩壁温度最高９７℃，部分洞段裂隙内有白色热气冒出，实测温度最高达１４０℃（李湘权等，２０１１；潘启俊，２０１３）。１２　齐热哈塔尔水电站引水发电洞１２１　工程概况　　齐热哈塔尔水电站位于新疆西南帕