楓香坡隧道巖溶發(fā)育規(guī)律及涌水量預(yù)測

周曉光

(鐵道第一勘察設(shè)計院,陜西西安 710043)

1 工程概況

楓香坡隧道位于湖南省龍山縣水田壩鄉(xiāng)下比寨村東南的武陵中低山區(qū)。隧道起訖里程為CK112+900～CK117+680,全長4 780 m,為雙線單洞隧道,單面坡。進口位于湖南省龍山縣水田壩鄉(xiāng)下比寨村東南一沖溝內(nèi),隧道出口位于猛必鄉(xiāng)猛必村四、五組附近一沖溝內(nèi),進口高程為592.5 m,出口高程為532.7 m。隧道洞身最大埋深約540 m。

2 自然地理特征

2.1 地形地貌

楓香坡隧道位于武陵山中低山區(qū)。除坡體頂部、坡腳及沖溝中覆蓋少量粉質(zhì)黏土外,大部分地段基巖裸露,山體走向近N45°E。整體分為三級臺階：

一級臺階高程為1 100～1 000 m,相當于區(qū)域Ⅲ級剝夷面,低丘形態(tài),主要為丘陵洼地,在線路CK115+500左側(cè)形成串珠狀洼地,每個洼地均有巖溶漏斗、落水洞及暗河發(fā)育,其中張家界洼地最大,雨季易出現(xiàn)內(nèi)澇排水不暢情況,這些洼地多為垂直徑流帶。

二級臺階高程為900～850 m,相當于區(qū)域Ⅳ級剝夷面,殘丘形態(tài),主要為開闊谷地,位于線路CK115+500右側(cè),洼地內(nèi)地勢平坦,落水洞分布較多。明流及暗河交替出現(xiàn),其中最大的車拉坪洼地地表形成一暗河較長的水平徑流區(qū)。

三級臺階高程為500～650 m,相當于區(qū)域Ⅴ級剝夷面,寬谷形態(tài),位于隧道出口段落,以水平巖溶管道為主,地表水、溶洞及暗河均發(fā)育。

2.2 氣象特征

隧道所屬區(qū)氣候?qū)僦衼啛釒降丶撅L濕潤型,氣候溫和,四季分明。由于處于中低山區(qū),氣候變化呈垂直規(guī)律,常出現(xiàn)一山有四季,十里不同天的情況。年平均氣溫16.5 ℃,極端最高氣溫39 ℃(8月),極端最低氣溫-3.7 ℃(1月)；年平均降雨量,年最大降水量1 488.4 mm,年最小降水量970.9 mm；年平均蒸發(fā)量1 036.6 mm,年最大蒸發(fā)量1 207.6 mm。

3 隧道地質(zhì)特征

3.1 地層巖性

隧道工程范圍涉及主要巖性為第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、志留系中統(tǒng)羅惹群組頁巖夾砂巖、志留系上統(tǒng)紗帽群組頁巖、泥盆系中上統(tǒng)寫經(jīng)寺組及云觀臺組砂巖夾泥灰?guī)r、二疊系下統(tǒng)馬鞍組及棲霞組眼球狀灰?guī)r、二疊系下統(tǒng)茅口組鮞狀灰?guī)r。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)大地構(gòu)造單位隸屬揚子地臺,二級構(gòu)造單元為鄂黔臺褶帶。經(jīng)過多期次構(gòu)造變動,才形成今日雄偉壯觀的北北東向和北東向山脈及小型山間盆地相間的地貌景觀,區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造及其伴生斷裂發(fā)育。

隧道通過猛必向斜西北翼：向斜核部由三疊系下統(tǒng)灰?guī)r組成,兩翼由二疊系至志留系組成。兩翼巖層產(chǎn)狀：西北翼N30°～50°W/15°～30°S；東南翼N35°W/35°～ 45°N；軸向N45°E,軸面傾向SE。隧道通過地段無斷裂構(gòu)造通過。

4 水文地質(zhì)條件

4.1 地下水類型及特征

本區(qū)地下水的分布規(guī)律和賦存條件,受到氣候、構(gòu)造、巖性及地貌控制。隧道區(qū)山體巖層歷經(jīng)多次構(gòu)造變動,褶皺、斷裂、節(jié)理裂隙均較發(fā)育,其接觸帶、原生層理裂隙等構(gòu)成了地下水儲存的基本條件。根據(jù)地下水的賦有條件、水理性質(zhì)及水動力特征,本工點地下水主要有第四系松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶裂隙溶洞水。其中與隧道關(guān)系較密切的裂隙水按成因又分為網(wǎng)狀風化裂隙水及脈狀構(gòu)造裂隙水,受其所處地貌位置、構(gòu)造部位和巖性特征的控制,并因補給條件的不同,地下水的分布亦有明顯的差異性。

第四系松散堆積層孔隙水主要賦存于隧道通過區(qū)的溝谷及巖溶洼地中,以淺表層形式存在,隧道洞身位置均未出現(xiàn)。

基巖裂隙水主要賦存于志留系中統(tǒng)羅惹坪群組頁巖夾砂巖、志留系上統(tǒng)紗帽群組頁巖、泥盆系中上統(tǒng)寫經(jīng)寺組及云臺觀組砂巖夾泥灰?guī)r,基巖裂隙水較豐富,為隧道區(qū)主要含水巖組。

巖溶裂隙溶洞水主要賦存于二疊系下統(tǒng)馬鞍組及旗下組眼球狀灰?guī)r、二疊系下統(tǒng)茅口組鮞狀灰?guī)r、二疊系上統(tǒng)灰?guī)r,巖溶裂隙溶洞水豐富,為隧道區(qū)最重要的含水巖組。

4.2 可溶巖水補徑排特征

巖溶地區(qū)以灌入式補給為主,滲入式補給為輔,這種補給方式?jīng)Q定了巖溶水具有動態(tài)變化大的特點。

巖溶補給區(qū)——各級剝夷面上幾乎全為具有漏斗、落水洞等泄水孔道的大小洼地密布,特別是沿節(jié)理密集帶和向斜軸部、可溶巖與非可溶巖接觸帶密度更大,最有利于大氣降水的灌入式補給。巖溶化剝夷面上的地表溪流也大多消入地下,成為有些暗河的重要補給來源之一。此外也不排除接受源于外圍碎屑巖區(qū)的地表水或基巖裂隙水的越域補給。

巖溶區(qū)高級剝夷面的巖溶水向低級剝夷面匯流排泄,巖溶水的主要賦存和運移的通道——暗河管道系統(tǒng),根據(jù)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌的不同,主要有以下二種水動力類型：橫向線流型(暗河主干道順地層走向發(fā)育),向斜匯流型。

山區(qū)裸露型巖溶水以無壓流為基本特性,也不排除局部地帶有承壓水,由于巖溶發(fā)育很不均一,即使在同一巖體中,透水性差異也甚大。巖溶水的排泄特點多以暗河出口、泉水排泄,再就是通過徑流排泄到地表水,猛必河可視為山區(qū)巖溶水的最終排泄基準面。

隧道上方車拉坪、張家界等大型巖溶洼地及落水洞發(fā)育。隧道區(qū)大泉極少(流量大于5L/s),僅有一處,暗河發(fā)育。每個巖溶洼地巖溶水均形成各自獨立的暗河徑流系統(tǒng),最終向猛必河排泄。

4.3 非可溶巖水補徑排特征

非可溶巖區(qū)以滲入式補給為主,第四系孔隙水及基巖裂隙水區(qū)結(jié)合地層巖性具有潛水特征,水循環(huán)交替作用強烈,經(jīng)過短暫的循環(huán),通過溝谷以泉的形式泄出地表匯流成溪,部分補給基巖裂隙水。

4.4 地下河管道分布特征

地下暗河的形成嚴格受地層、巖性、地質(zhì)構(gòu)造的控制,地下河的埋深及出露與地形、地貌關(guān)系密切。但受白堊紀以來區(qū)域性間歇性隆起影響,經(jīng)歷了漫長的巖溶化過程,在質(zhì)純易溶地層中,溶洞、地下河強烈發(fā)育,因此其發(fā)育、發(fā)展、演變過程極為復雜,本區(qū)地下河大多發(fā)育在灰?guī)r地層中,發(fā)育方向與區(qū)域構(gòu)造線的關(guān)系多為垂直關(guān)系(如表1所示)。

表1 楓香坡隧道附近暗河基本特征匯總

暗河進口高程處于三級剝夷面,出口高程處于五級剝夷面,進入雨季特別是大的暴雨后,有的暗河,其流量是現(xiàn)在流量的幾倍至十幾倍。僅有的一個巖溶大泉遠離隧道,也處于五級剝夷面。

推測張家界巖溶洼地的暗河進口與23號暗河相連,進口地表水實測流量8 232 m3/d,通過投放示蹤劑(乒乓球及稻殼)做連通試驗,經(jīng)各暗河出口觀測點5 d記錄,未發(fā)現(xiàn)示蹤劑,驗證了隧道區(qū)暗河系統(tǒng)極為復雜,具有多層次、多回路的特點。

4.5 水化學特征

通過地表水、暗河取樣6組做簡分析及侵蝕性分析,隧道通過基巖裂隙水區(qū)地下水水化學類型為SO4·HCO3—Na·Ca ·Mg型水,礦化度都小于0.1 g/L；通過巖溶裂隙溶洞水區(qū)地下水水化學類型為SO4·HCO3—Na·Ca型水,礦化度都小于0.3 g/L；均為極好的淡水,對混凝土無侵蝕性。

4.6 富水性分區(qū)及評價

根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查、地層巖性、構(gòu)造、巖溶發(fā)育程度以及隧道的埋深,并結(jié)合物探資料及區(qū)域水文地質(zhì)資料,將楓香坡隧道區(qū)圍巖含水巖組的富水性劃分為基巖裂隙水中等富水區(qū)、巖溶裂隙溶洞水強烈發(fā)育區(qū)。

巖溶裂隙溶洞水強富水區(qū)(Ⅰ)：隧道洞身位置CK115+730～CK117+680(長1 950 m),分布于隧道的中部及出口端,地層巖性為二疊系下統(tǒng)馬鞍組及旗下組眼球狀灰?guī)r、二疊系下統(tǒng)茅口組鮞狀灰?guī)r、二疊系上統(tǒng)灰?guī)r,該區(qū)泉水發(fā)育,巖溶洼地、落水洞、漏斗及暗河發(fā)育,測區(qū)范圍內(nèi)共有4條暗河,僅有一條與隧道有關(guān),推測該暗河相交于隧道DK115+800,在隧道上方通過,根據(jù)物探資料分析,暗河在隧道上方約260 m通過。本區(qū)地下水豐富,根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料,地下徑流模數(shù)采用1 728.00 m3/d·km2。

基巖裂隙水中等富水區(qū)(Ⅱ)：CK112+900～CK115+730(長2 830 m),分布于隧道的進口端及中部,地層巖性為志留系中統(tǒng)羅惹坪群組頁巖夾砂巖、志留系上統(tǒng)紗帽群組頁巖、泥盆系中上統(tǒng)寫經(jīng)寺組及云臺觀組砂巖夾泥灰?guī)r,該區(qū)以風化裂隙水為主、構(gòu)造裂隙水次之,泉水發(fā)育,地下水較豐富,根據(jù)地表水實測資料,地下徑流模數(shù)采用平均值1 073.62 m3/d·km2。

5 隧道區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律及評價

5.1 巖溶類型及主要特征

隧道工程附近二疊系下統(tǒng)馬鞍組及棲霞組眼球狀灰?guī)r、二疊系下統(tǒng)茅口組鮞狀灰?guī)r巖溶強烈發(fā)育,巖體表面發(fā)育溶痕、溶隙、溶溝及溶槽,并形成落水洞、溶洞、暗河等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

溶痕為地表水沿可溶性巖層進行溶蝕所形成的微小的溝道,隧道工程附近灰?guī)r表面隨處可見寬數(shù)厘米至十余厘米,長數(shù)厘米至數(shù)米的溶痕。

溶隙為地表水沿可溶性巖層的裂隙滲流溶蝕擴大所形成的溝隙,隧道工程附近灰?guī)r發(fā)育很多寬數(shù)厘米至1～2 m,長數(shù)米至數(shù)十米的溶隙。

溶溝、溶槽為地表水沿可溶巖的節(jié)理裂隙進行溶蝕和機械侵蝕所形成的小型溝槽,隧道工程附近多發(fā)育寬度數(shù)厘米至數(shù)米,長度數(shù)米至數(shù)十米的溶溝、溶槽。

落水洞為巖體中的裂隙受水流溶蝕,機械侵蝕以及塌陷而成,是地表水通往地下河和溶洞的通道,隧道工程附近發(fā)育13處較大落水洞,洞口橢圓形、圓形,寬約3～4 m,長約3～6 m,高程位于840～1 080 m。

溶洞為地下水對可溶性巖石進行溶蝕和機械侵蝕作用而形成的地下空洞,隧道工程附近發(fā)育許多小型溶洞,形態(tài)多樣,洞身曲折,無經(jīng)常流水,主要發(fā)育2處較大溶洞,洞口橢圓形,寬約2～4 m,長約3～5 m。

隧道工程附近發(fā)育較大的暗河進口有6處,橢圓形,寬約2～4 m,長約3～6 m,高程位于900～1 100 m,出口有5處,橢圓形、圓形,寬約2～4 m,長約2～6 m,高程位于475～525 m。

巖溶洼地為巖溶作用形成的小型的封閉洼地,是由相鄰漏斗逐漸加寬合并而成,隧道工程附近發(fā)育有8個巖溶洼地,寬約100～350 m,長約100～1 130 m,高程位于840～1 080 m,洼地中央多發(fā)育有溶洞、落水洞及暗河進口。其中,車拉坪巖溶洼地位于隧道CK115+200上方右側(cè)約300 m,地面高程約901 m,隧道高程約590 m,高差約300 m；張家界巖溶洼地位于隧道CK116上方左側(cè)約500 m,地面高程約1 030 m,隧道高程約575 m,高差約455 m,洼地內(nèi)一暗河進口。

5.2 巖溶空間發(fā)育規(guī)律及控制因素分析

巖溶地區(qū),哪怕是巖溶極發(fā)育的地區(qū),也絕非處處是空洞,比比皆管道。在巖溶含水層中,大都是微細溶隙和巨大洞穴管道并存,賦存于其中的地下水,往往各自成獨立的補給排泄系統(tǒng),彼此之間一般無直接的水力聯(lián)系。反映在水文地質(zhì)特征上,一是富水性極不均一性,二是地下水系統(tǒng)的相對獨立性。

縱觀不同期次剝夷面巖溶的發(fā)育情況,可以看出該區(qū)域內(nèi)不同期次剝夷面的巖溶發(fā)育情況有所不同,位于三級剝夷面的灰?guī)r,層理、節(jié)理發(fā)育,落水洞分布較散,多在小型山間洼地中,地表水經(jīng)溶蝕洼地、落水洞等垂直下滲,沿坡面附近至巖層內(nèi)部巖溶發(fā)育較為強烈,溶蝕面受巖層垂直節(jié)理及風化節(jié)理控制。位于四級剝夷面的灰?guī)r,層理、節(jié)理發(fā)育,貫通性好,溶蝕現(xiàn)象嚴重,沿層理及節(jié)理可見溶槽、溶坑、褐銹色條紋等,局部亦有小型空洞。位于五級剝夷面的灰?guī)r,層理發(fā)育,貫通性好,溶蝕現(xiàn)象嚴重,沿層理可見溶槽、溶坑、溶洞等。地表水經(jīng)溶蝕洼地、落水洞等垂直下滲以及水平徑流形成暗河。溶蝕面主要的控制因素為巖層層理及節(jié)理。

5.3 巖溶區(qū)發(fā)育強度分級及綜合評價

綜上所述,隧道場地區(qū)域內(nèi)巖溶水經(jīng)三級剝夷面垂直下滲,Ⅳ級剝夷面垂直下滲以及短暫的水平徑流最終在高程為500～650 m之間，相當于區(qū)域五級剝夷面流出,匯入河谷。隧道場地內(nèi)的可溶巖段落,巖溶發(fā)育較為強烈,巖石表層溶痕、溶槽、溶溝順層發(fā)育。地表巖溶漏斗、落水洞、洼地、溶丘相間,與溶洞、地下暗河等已形成系統(tǒng)。其中,線路里程CK117+320至隧道出口段,溶蝕面較低,巖溶發(fā)育最低處距線路軌面高差不足100 m,需注意巖溶對隧道工程的影響,其他段落巖溶發(fā)育最低處距線路高差多為100 m以上,但有可能在洞身局部有巖溶水富集的封閉水腔,需注意巖溶水對隧道工程造成的影響。根據(jù)《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》的分類標準,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料和現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查,場地巖溶發(fā)育程度判定為強烈發(fā)育。

6 隧道涌水量預(yù)測

本次初測對隧道通過區(qū)的3條溝谷進行了調(diào)查,隧道出口端的無名溝無水,有水的2條溝取樣做水質(zhì)分析,并進行流量測定，如表2。

表2 楓香坡隧道溝水流量量測及徑流模數(shù)計算

楓香坡隧道長4 780 m,水文地質(zhì)條件復雜,為了取得較合理的隧道涌水量值,本次初測通過對隧道通過的2條常年流水的溝進行了測流,并結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)資料,采用降水入滲法、地下徑流模數(shù)法預(yù)測隧道涌水量。

6.1 降水入滲法計算隧道正常涌水量

采用公式

Q1=2.74wαA

式中Q1——隧道的正常涌水量/(m3/d)；

w——年降水量/mm；

α——降水入滲系數(shù)；

A——隧道通過含水體地段的面積/km2。

根據(jù)隧道圍巖的巖性、巖體裂隙及巖溶發(fā)育特點：α一般取值0.20～0.59之間,隧道區(qū)年最大降水量采用1 488.4 mm。計算結(jié)果見表3。

表3 降水入滲法計算隧道涌水量

6.2 降水入滲法對最大涌水量預(yù)測

本方法是利用宜萬鐵路重點科研項目對巖溶水隧道最大涌水量預(yù)測的研究成果。隧道突水涌水量與降雨強度關(guān)系十分密切,經(jīng)研究分析，采用多年日最大降雨量來預(yù)測隧道最大涌水量。

采用公式

Q2=1 000αXAη

式中Q2——隧道涌水量/(m3/d)；

α——降雨入滲系數(shù),取值0.59；

X——日最大降雨量/mm；

A——隧道集水面積/km2；

η——時間滯后系數(shù),取值0.25。

其中,將隧道所在地區(qū)五年一遇(P=20%)的日最大降雨量124.5 mm和五十年一遇(P=2%)的日最大降雨量192.9 mm，作為隧道不同頻率下的日最大雨量值。計算結(jié)果見表4。

表4 巖溶段隧道最大涌水量預(yù)測成果

本次巖溶段隧道最大涌水量采用5年一遇的計算結(jié)果。

6.3 地下徑流模數(shù)法

利用公式

式中Q3——隧道通過地表水流域時涌水量/(m3/d)；

M——地下徑流模數(shù)/(m3/d·km2)；

A——隧道所在流域匯水面積/km2；

Qi——地表水流域的枯水流量，代表該流域地下水徑流量/(m3/d)；

F——地表水流域匯水面積/km2；

B——隧道在流域通過時影響寬度/km；

L——隧道通過流域時涌水段長度/km。

計算結(jié)果見表5。

表5 地下徑流模數(shù)法計算隧道涌水量

6.4 涌水量預(yù)測計算方法的選擇

綜合分析上述3種方法預(yù)測隧道的涌水量,認為降水入滲法計算隧道的正常及最大涌水量較為合理,基巖裂隙水中等富水區(qū)最大涌水量按正常涌水量的3倍考慮,預(yù)測該隧道的正常涌水量為16 846 m3/d,可能出現(xiàn)的最大涌水量為115 710 m3/d。

由于平導距離正洞30 m,地層巖性及長度與正洞一致,故平導的涌水量可完全參照正洞的涌水量,不再另行計算。結(jié)果見表6。

表6 楓香坡隧道輔助坑道涌水量計算

7 分段水文地質(zhì)條件評價

(1)基巖裂隙水中等富水區(qū)(Ⅱ)：隧道洞身位置CK112+900～CK115+730,預(yù)測該段隧道正常涌水量約2 770 m3/d,可能出現(xiàn)的最大涌水量約8 310 m3/d。該段落長度2 830 m,占整個隧道的59.2%,隧道施工通過節(jié)理密集帶、不同巖性的接觸帶及下穿車拉坪溝谷地表水,可能會發(fā)生突然涌水現(xiàn)象。

(2)巖溶裂隙溶洞水強富水區(qū)(Ⅰ)：隧道洞身位置CK115+730～CK117+680,預(yù)測該段隧道正常涌水量約14 076 m3/d,可能出現(xiàn)的最大涌水量約107 400 m3/d。該段落長度1 950 m,占整個隧道的40.8%。在可溶巖地段及不同巖性的接觸帶施工,將會遇到大小不等的溶洞、溶隙,并下穿一條暗河,不排除遇到以靜儲量形式存在為主的有壓溶腔水,發(fā)生突水、突泥的現(xiàn)象,致使圍巖易造成坍塌,應(yīng)提前做好地質(zhì)超前預(yù)報工作,時刻要有應(yīng)急預(yù)案,及時做好排水及防范措施,確保施工中人身與機械的安全。

(3)根據(jù)物探V8資料,在非可溶巖與可溶巖接觸帶、CK116+250～CK116+380(長130 m)、CK116+900～CK117+050(長150 m)、CK117+500～CK117+600(長100 m)段落，有可能發(fā)生突水、突泥現(xiàn)象。

8 結(jié)論

楓向坡隧道用水量預(yù)測是在詳細的資料收集、物探分析及宜萬鐵路巖溶隧道科研成果利用的基礎(chǔ)上進行的,鑒于巖溶裂隙溶洞水以及基巖裂隙水的非均質(zhì)各向異性特點及隧道區(qū)水文地質(zhì)條件的復雜性,設(shè)計及施工過程中需要注意以下幾點：

(1)所預(yù)測用水量代表區(qū)段總涌水量,文中所述的單位涌水量并不代表該段的涌水性質(zhì)是均一的,涌水量預(yù)測的結(jié)果仍需在施工中加以驗證及動態(tài)修整。

(2)對易發(fā)生坍塌變形、突涌水的巖體破碎帶、巖性接觸帶、節(jié)理密集帶及隧道淺埋地段,設(shè)計及施工中做好地質(zhì)超前預(yù)報工作,做好超前支護并且及時襯砌。

(3)非可溶巖區(qū)隧道施工開挖,對股狀涌水及突涌水大的段落,建議采用以堵為主,以排為輔,堵排結(jié)合的措施；可溶巖區(qū)隧道施工開挖,對股狀涌水及溶腔突涌水的段落,建議采用以排為主,以堵為輔,排堵結(jié)合的措施。

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