大坪隧道水文地質(zhì)條件分析及涌水量預(yù)測(cè)

石 衛(wèi)，董永超，范軍鋒，張航泊

(陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安710016)

目前，隧道已成為鐵路、公路交通及地下工程等領(lǐng)域中關(guān)鍵工程建設(shè)。當(dāng)隧道在橫穿滲透性強(qiáng)、構(gòu)造發(fā)育、巖體破碎的富水地層時(shí)，隧道水害這種普遍又復(fù)雜的災(zāi)害時(shí)常伴隨著工程建設(shè)，若防排措施不當(dāng)，發(fā)生突水時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，隧道涌水預(yù)測(cè)對(duì)防水設(shè)計(jì)及施工的重要性顯而易見(jiàn)，為學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。

1 概況

大坪隧道是三河口水利樞紐通往黃金峽水電樞紐的工程道路的一部分，隧道進(jìn)口位于佛坪縣沙坪河右岸穆家灣，出口位于洋縣東溝漆坪一組，隧道長(zhǎng)4 202 m，最大埋深529 m，斷面圓形，限高 5.00 m，凈寬 9.00 m。

隧址區(qū)屬北亞熱帶內(nèi)陸性季風(fēng)氣候，全年多為東風(fēng)，西風(fēng)次之，年均風(fēng)速1.2 m/s。年均氣溫14.4℃。雨水充沛，7-10月份為汛期，年均降水量839.9 mm。

2 地質(zhì)背景

2.1 地形地貌及地層巖性

隧址區(qū)地貌屬中山剝蝕地貌，地形起伏大，地面最大高程1 229 m，最低高程653.70 m(隧道進(jìn)口溝底)，相對(duì)高差575.3 m，山脈呈近東西向展布，山脊基巖裸露。地層巖性為元古界角閃斜長(zhǎng)片麻巖、綠泥石片巖、輝長(zhǎng)巖，早古生界二云片巖、灰?guī)r、炭質(zhì)板巖，緩坡處為第四系殘、崩、坡積碎石土及塊石土(見(jiàn)圖1)。

圖1 隧道縱向地質(zhì)剖面圖

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)地處秦嶺造山系與揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的復(fù)合部位，受多期構(gòu)造疊加影響，巖層產(chǎn)狀多變。斷裂構(gòu)造總體呈近EW向，與隧道縱軸近垂直相交，發(fā)育區(qū)域斷裂有陽(yáng)平關(guān)-洋縣斷裂(F1)、饒峰-麻柳-鐘寶斷裂(F2)、兩河口-光頭山斷裂(F3)，次級(jí)斷裂 f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8(見(jiàn)表1)。

表1 大坪隧道斷層特征一覽

3 隧道水文地質(zhì)條件

3.1 地下水的賦存條件

地下水的賦存與分布受氣候、地貌、巖層及構(gòu)造控制。隧址區(qū)較厚層第四系松散層及較發(fā)育的斷裂、節(jié)理裂隙，為地下水提供了儲(chǔ)存空間。

3.2 地下水類(lèi)型

隧址區(qū)地下水類(lèi)型分為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水及灰?guī)r溶隙裂隙水。

1)第四系松散層孔隙水分布于溝谷緩坡處，含水巖層為較厚層殘坡積碎石土，儲(chǔ)水空間大，利于孔隙潛水的賦存，水量豐富。

2)基巖裂隙水廣布區(qū)內(nèi)，受大氣降水及上覆松散層孔隙水補(bǔ)給，可分為風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水和構(gòu)造裂隙水。風(fēng)化帶裂隙取決于巖層物理性質(zhì)，硬質(zhì)巖如輝長(zhǎng)巖、角閃斜長(zhǎng)片麻巖等，裂隙相對(duì)發(fā)育，張開(kāi)性及連通性較好，利于地下水的賦存與徑流。軟質(zhì)巖如片巖、碳質(zhì)板巖等，雖裂隙相對(duì)發(fā)育，但風(fēng)化碎屑易堵塞導(dǎo)水裂隙，不利地下水賦存與徑流，富水性較差。此外，受斷裂構(gòu)造影響，構(gòu)造裂隙也為地下水賦存提供空間，也可能成為溝通隧道與地表的徑流通道。

3)灰?guī)r溶隙水僅分布于隧道進(jìn)口處，溶蝕裂隙較發(fā)育，含水層厚度較大，受大氣降水及上覆松散層孔隙水補(bǔ)給。多以下降泉形式在沖溝中出露，泉水量0.5～5 L/min。

3.3 地下水補(bǔ)徑排條件

隧址區(qū)地下水主要為潛水，局部具有弱承壓性，受大氣降水補(bǔ)給。含水介質(zhì)受地形、地層、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，呈各向異性，使地下水徑流、排泄條件復(fù)雜，無(wú)統(tǒng)一地下水面。地下水部分沿強(qiáng)風(fēng)化帶迅速?gòu)搅?，在陡坡處以片流、線狀、泉點(diǎn)等形式排泄溝谷，匯成地表徑流，部分徑流并儲(chǔ)存于深部裂隙中。

4 隧道涌水量預(yù)測(cè)

計(jì)算中假設(shè)隧道處于無(wú)限補(bǔ)給水文地質(zhì)環(huán)境中，地下水層流于潛水含水層中，選擇兩種方法預(yù)測(cè)隧道涌水量。

4.1 地下徑流模數(shù)法

地下徑流模數(shù)法是指單位時(shí)間內(nèi)單位流域面積上的地下水流量。結(jié)合隧址區(qū)水文地質(zhì)條件，根據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》采用地下徑流模數(shù)法預(yù)測(cè)涌水量。

式中:q為某富水性分區(qū)中隧道的單位涌水量(m3/d·m);Bi為不同富水性分區(qū)中隧道兩側(cè)影響寬度(km);Li為某富水性分區(qū)中，隧道位于第i個(gè)流域中的長(zhǎng)度(km)。

根據(jù)上述方法，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 地下徑流模數(shù)法預(yù)測(cè)隧道涌水量成果表

4.2 地下水動(dòng)力學(xué)法

4.2.1 正常涌水量計(jì)算(裘布依法)

式中:Q為隧洞正常涌水量(m3/d);L為隧洞通過(guò)含水體的長(zhǎng)度(m);K為含水體的滲透系數(shù)(m/d);H為洞底以上潛水含水體厚度(m);h為洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深(一般考慮水躍值，取值h=0.5H);R為隧洞涌水地段引用補(bǔ)給半徑(m);r0為洞身橫斷面的等價(jià)圓半徑(m)

計(jì)算模型見(jiàn)圖2

圖2 裘布依穩(wěn)定流計(jì)算概化模型圖

4.2.2 最大涌水量預(yù)測(cè)

最大涌水量預(yù)測(cè)(古德曼經(jīng)驗(yàn)公式)

式中:Qmax為隧洞通過(guò)含水體地段最大涌水量(m3/d);L為隧洞通過(guò)含水體的長(zhǎng)度(m);K為含水體滲透系數(shù)(m/d);H為靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離(m);d為洞身橫斷面等價(jià)圓直徑(m)。

水文地質(zhì)參數(shù)的選取，根據(jù)已完成的秦嶺隧洞黃三段地質(zhì)勘察在該區(qū)的壓水試驗(yàn)資料計(jì)算而得，地下水動(dòng)力學(xué)法預(yù)測(cè)涌水量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 地下水動(dòng)力學(xué)法預(yù)測(cè)隧道涌水量成果

地下徑流模數(shù)法理論上是一種簡(jiǎn)化的水均衡方法，無(wú)法考慮到隧道與含水巖層相對(duì)位置關(guān)系，相比地下水動(dòng)力學(xué)法具有一定誤差。但地下水動(dòng)力學(xué)法又受勘探試驗(yàn)影響，無(wú)法獲取水文地質(zhì)參數(shù)區(qū)段的涌水量需參考地下徑流模數(shù)法的預(yù)測(cè)成果，所以涌水量預(yù)測(cè)時(shí)兩種方法應(yīng)配合使用，相互印證。

分析上述預(yù)測(cè)結(jié)果，隧道K0+560-K1+210段巖性主要為灰?guī)r、二云片巖與碳質(zhì)板巖互層，斷裂 F1、F2、F3、f3、f4、f5、f6橫穿隧道，構(gòu)造作用強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，連通性好，可能會(huì)發(fā)生較大涌水，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，采取預(yù)加固處理，保證施工安全。

5 結(jié)語(yǔ)

1)涌水量預(yù)測(cè)所用水文地質(zhì)參數(shù)由少量鉆孔壓水試驗(yàn)所得，基于隧址區(qū)水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果需在施工中驗(yàn)證。

2)分析勘察及涌水預(yù)測(cè)結(jié)果，隧道區(qū)地表水不發(fā)育，地下水類(lèi)型主要為松散層孔隙水和基巖裂隙水。受斷裂構(gòu)造影響，隧道進(jìn)口灰?guī)r區(qū)及斷裂密集處可能會(huì)發(fā)生較大涌水。

3)隧道施工應(yīng)避免汛期施工，做好支護(hù)及襯砌等防排水設(shè)計(jì)，以“堵”為主，同時(shí)加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作。

［1］劉丹，李啟彬.秦嶺特長(zhǎng)隧道涌水量的預(yù)測(cè)研究［J］.煤田地質(zhì)與勘探.2005，33(1):41-43.

［2］王晃，朱榮勝等.隧道工程涌水量預(yù)測(cè)方法［J］.土工基礎(chǔ).2010，24(1):73-75.

［3］羅文藝.秦嶺東梁隧道水文地質(zhì)特征分析及涌水量預(yù)測(cè)［J］.鐵道勘察.2009，6:62-65.

［4］關(guān)義濤，徐宗蘇等.毛壩1號(hào)隧道涌水成因機(jī)制分析［J］.工程地球物理學(xué)報(bào).2010，7(4):514-518.

［5］鐵路工程水文地質(zhì)勘測(cè)規(guī)范(TB10049-2004，J339-2004)［S］.

［6］鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院，鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社.1999.