基于時(shí)間序列的中壩隧道涌水分析

張 吉力

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

基于時(shí)間序列的中壩隧道涌水分析

張 吉力

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

隧道涌水是四川巖溶地區(qū)隧道開挖過程的重大影響因素之一，決定隧道的順利施工與否.以中壩隧道為例，通過工程地質(zhì)勘查和滲流管道調(diào)查，結(jié)合降雨量與涌水量的時(shí)間序列分析，更加準(zhǔn)確地判斷富水溶腔的連通性，闡述該類隧道涌水形成機(jī)理，有效地為預(yù)測(cè)和解決隧道涌水問題提供借鑒.

隧道涌水;工程地質(zhì);巖溶;時(shí)間序列分析

0 引言

巖溶地區(qū)公路、鐵路隧道的施工過程中，涌水、突水等問題對(duì)隧道施工安全和進(jìn)度有著重大影響，往往由于對(duì)涌水補(bǔ)給模式和富水溶腔連通性的判斷錯(cuò)誤，或處置措施的不當(dāng)，導(dǎo)致重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失.此外，隧道長期疏排水無疑會(huì)導(dǎo)致隧道地區(qū)的水環(huán)境發(fā)生改變，甚至對(duì)居民飲水造成影響.所以，在巖溶地區(qū)隧道施工過程中要重點(diǎn)針對(duì)涌水、突水等工程地質(zhì)問題做詳細(xì)的分析和判斷.而在隧道的掘進(jìn)過程中遇到高壓涌水的不良地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，正確的分析和判斷隧道涌水、突水現(xiàn)象形成的原因和機(jī)理，可以給災(zāi)害處置方案提供有力的參考，幫助解決和處理涌水、突水問題.時(shí)間序列分析方法最早由Jenkins等于1968年提出，之后被廣泛用于水文研究領(lǐng)域，尤其是用于研究巖溶地區(qū)的水文地質(zhì)過程［1－3］，本研究嘗試通過一定時(shí)間監(jiān)測(cè)隧道涌水量和降雨量，分析涌水對(duì)降雨的響應(yīng)特征，定性定量地判定涌水的水源補(bǔ)給形式，以達(dá)到了解涌水水源補(bǔ)給情況的目的.

1 研究區(qū)概況及工程地質(zhì)條件

1.1 研究區(qū)概況

2012年7月14日上午11時(shí)，中壩隧道(見圖1)進(jìn)口施工段里程D9K55+221掌子面發(fā)生局部高壓涌水現(xiàn)象.涌水點(diǎn)出現(xiàn)在掌子面左側(cè)拱腰位置的三處垂直分布的炮眼附近，水柱沿掌子面方向噴出，首日噴距最大達(dá)到8 m，且呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì).涌水由清澈漸變?yōu)闇啙?，同時(shí)攜帶大量泥沙.通過現(xiàn)場(chǎng)勘察，可以確定隧道涌水上方有暗河通過，但是僅僅通過掌子面涌水情況很難判斷該涌水的水源補(bǔ)給機(jī)制和富水溶腔的連通性.

圖1 隧道區(qū)平面示意圖

1.2 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造條件較為簡單，區(qū)域內(nèi)所涉及的地層單元主要為第四系坡洪積()層、坡殘積)層，三疊系雷口坡組(T2l)、嘉陵江組(T1j)、飛仙關(guān)組(T1f)，二疊系龍?zhí)?、長興組(P2l+c)，茅口棲霞組(P1m+q).為一單斜構(gòu)造，未見斷裂構(gòu)造體通過，局部發(fā)育小型褶皺.層面在進(jìn)口處多變，其他大部分以22°緩傾角為主，圍巖以Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖為主，節(jié)理裂隙成組發(fā)育.

2 涌水機(jī)制分析

受到飛仙關(guān)組(T1f)非可溶巖地層的隔擋，以P1地層為主的水文地質(zhì)單元對(duì)隧道無影響.因此，隧址區(qū)內(nèi)隧道所穿越的三疊系雷口坡、嘉陵江組灰?guī)r含水層是隧道開挖過程中的主要涌水源.

該區(qū)域內(nèi)巖溶發(fā)育的特點(diǎn)是地表水和地下暗河管道相連通，巖溶以水平溶蝕與垂直溶蝕相互交替呈現(xiàn)，形成規(guī)模較大的地下巖溶通道，尤其是嘉陵江組巖溶十分發(fā)育，主要表現(xiàn)為地表大量的溶蝕洼地、落水洞和巖溶槽谷，并且順層發(fā)育有地下暗河管道系統(tǒng)［4］，如圖 2 所示.

圖2 隧道區(qū)匯水情況平面示意圖

隧道D9K54+100～D9K56+230段切割穿越三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)灰?guī)r，可溶巖段長2 130 m，隧道在D9K55+221掌子面處發(fā)生涌突水災(zāi)害.水平距離隧道軸線該300 m處地表發(fā)育有一個(gè)大型的溝槽——紙槽溝，槽谷長900 m，呈 N38°W 向展布，寬220 m，中間洼地底部最低高程為999 m，具規(guī)模大，匯水條件好的特點(diǎn).同時(shí)，隧道頂部地表巖溶十分發(fā)育，多見溶洞、溶蝕槽谷、洼地、落水洞，具備很好的地下水賦存空間和運(yùn)移通道，有利于地表水的徑流及排泄.隧址區(qū)所調(diào)查巖溶負(fù)地形大多發(fā)育在800～1 000 m高程左右，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示，隧址區(qū)洼地、落水洞、巖溶槽谷等巖溶形態(tài)星羅棋布，均受區(qū)內(nèi)的構(gòu)造線控制，順層沿軸向呈串珠狀展布，尤其位于隧道東側(cè)的溶蝕現(xiàn)象，以紙槽溝為起始點(diǎn)順巖層走向延伸地表發(fā)育的各個(gè)巖溶形態(tài)的底部高程具有階梯狀的下降趨勢(shì)，并且呈現(xiàn)一定的方向指示性，如圖3所示.

圖3 洼地、落水洞高程分布圖

研究區(qū)暗河管道沿線地表發(fā)育的落水洞、洼地和溶蝕槽谷均是很好的匯水區(qū)域，為地下暗河的補(bǔ)給提供了良好的導(dǎo)水通道.經(jīng)詳細(xì)勘察，暗河位置如圖4所示.

圖4 地下暗河管道平面示意圖

圖5 地下暗河管道與隧道縱剖面示意圖

圖6 地下暗河管道與隧道橫斷面示意圖

同時(shí)，地表溶蝕的發(fā)育高程均位于隧道頂板之上，為此暗河管道也在隧道上部，隧道位于地下水水位以下的水平徑流帶中，如圖5、6所示地下暗河管道的發(fā)育對(duì)于隧道的開挖存在較大的安全隱患，如2012年7月14日，在隧道開挖至里程D9K55+221處曾發(fā)生突然性的大型涌突水災(zāi)害.

3 降雨和涌水量監(jiān)測(cè)分析

中壩隧道發(fā)生高壓涌水情況之后，本研究通過地方氣象局的相關(guān)降雨量信息和現(xiàn)場(chǎng)涌水量實(shí)際監(jiān)測(cè)情況做了實(shí)際的統(tǒng)計(jì)和比較，詳見表1、圖7.

表1 中壩隧道降雨量和涌水量數(shù)據(jù)比較

圖7 涌水量、涌水量監(jiān)測(cè)跟蹤圖

根據(jù)以上數(shù)據(jù)信息，可以發(fā)現(xiàn)隧道高壓涌水的最大涌水量出現(xiàn)在7月30日，實(shí)際降雨的最大降雨量值出現(xiàn)在7月23日，由此可以發(fā)現(xiàn)該涌水量與地表降雨量有明顯的滯后現(xiàn)象.在此基礎(chǔ)上，本研究采用基于時(shí)間序列及功率譜的方法分析了隧道涌水對(duì)于地表降水的響應(yīng)關(guān)系，結(jié)果如圖8、9所示.

由圖8可知，降雨時(shí)間序列的自相關(guān)函數(shù)在k=0～5附近下降很快，并且當(dāng)k≥5時(shí)的所有r(k)均小于0.2.此表明，降雨時(shí)間序列無記憶效應(yīng)，為純隨機(jī)序列，這與圖9的自功率譜分析結(jié)果(無明顯峰值)相一致.然而，隧道涌水時(shí)間序列卻表現(xiàn)出完全不同的變化特征，首先是其自相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)了明顯的拖尾，在0～20 d滯后期內(nèi)R(k)均超過0.2，表明在經(jīng)歷一次輸入脈沖后系統(tǒng)的記憶長度可達(dá)20 d;其次，從自功率譜看，S(f)在整個(gè)頻域范圍內(nèi)未出現(xiàn)明顯的峰值，由此表明隧道涌水時(shí)間序列不存在小于40 d的短周期，但不排除有大于本次觀測(cè)時(shí)段長度長周期的可能，這從另一個(gè)側(cè)面反映出隧址區(qū)巖溶地下水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，致使隧道涌水與降雨時(shí)間序列的結(jié)構(gòu)特征出現(xiàn)了明顯的差異.

圖8 涌水量、降雨量相關(guān)函數(shù)圖

圖9 涌水量、降雨量自功率譜密度函數(shù)圖

此外，降雨(P)與隧道涌水(TQ)時(shí)間序列的互相關(guān)功率譜函數(shù)、互功率相位譜、譜相關(guān)函數(shù)如圖10～12所示.

圖10 涌水量、降雨量互功率譜密度函數(shù)圖

圖11 涌水量、降雨量功率譜相位函數(shù)圖

圖12 涌水量、降雨量譜相干函數(shù)圖

由圖10可知，在整個(gè)時(shí)域范圍內(nèi)，降雨和隧道涌水的互相關(guān)函數(shù)有只有一處比較明顯的峰值，出現(xiàn)在k為9時(shí).但總體而言，二者的相關(guān)性并不很強(qiáng)，超過95%置信水平的個(gè)數(shù)僅約1/5.相位譜用于估計(jì)一個(gè)時(shí)間序列對(duì)另一時(shí)間序列的主導(dǎo)作用，如超前或滯后.由于四象限反正切變換得到的相位在［－π，π］之間存在相位卷繞現(xiàn)象，故需展開得到實(shí)際的相位變化［5］.由φ12(f)=2πfd可知，φ12(f)為f的線性函數(shù)，斜率為K=2πd.據(jù)此，通過擬合圖11便可求得隧道涌水對(duì)降雨響應(yīng)的平均滯后時(shí)間為，

中壩隧道涌水處暗河高度約為200 m，可大致估算出隧址區(qū)含水層的平均垂直滲透系數(shù)為16.82 m/d.相干譜可以理解為2個(gè)時(shí)間序列在不同頻率時(shí)的關(guān)聯(lián)程度，用于表征輸入和輸出時(shí)間序列在某個(gè)頻率處是否存在同類型的振蕩，因此可用來度量輸入和輸出之間的線性相干程度.若相干譜值接近1，則說明輸入信號(hào)的某個(gè)變化在輸出中也得到了成比例的反映;相反，若相干譜值遠(yuǎn)小于1，則說明系統(tǒng)中存在很強(qiáng)的非線性特征.由圖12可知，隧道涌水和降雨的相干系數(shù)介于0～0.5，平均0.176，表明二者之間的相干程度降低.這與互相關(guān)分析和相位譜反映出的信息一致.

結(jié)合涌水量和降雨量的時(shí)間序列分析，隧道涌水量與降雨情況有著明顯的時(shí)域上的差異，涌水量作為降雨量的響應(yīng)序列，涌水量和降雨量的關(guān)系并不密切，主要受滲流通道的影響，涌水的水源補(bǔ)給主要是含水層滲流裂隙補(bǔ)給，而非與暗河通道聯(lián)通直接補(bǔ)給.

4 結(jié)論

巖溶地區(qū)的隧道建設(shè)過程中，經(jīng)常遇到隧道涌水情況，中壩隧道涌水，通過對(duì)隧道施工區(qū)區(qū)域地質(zhì)情況和涌水點(diǎn)區(qū)域工程地質(zhì)勘查分析、對(duì)涌水量和降雨量的量化分析可以準(zhǔn)確的判斷隧道涌水的性質(zhì)和形式，從而判定隧道涌水的補(bǔ)給形式的滲流通道，然后決定隧道施工的處理辦法.

中壩隧道涌水的發(fā)生機(jī)制屬于復(fù)合型涌水，由于隧道上方約200 m處有暗河經(jīng)過，通過層面和裂隙滲流在隧道前方形成富水溶腔，而非地表水直接補(bǔ)給，隧道開挖至此處時(shí)，發(fā)生高壓涌水.經(jīng)過一段時(shí)間的涌水泄壓，隨著富水溶腔中的水涌出，涌水量、水壓也隨之減小.

根據(jù)后期的超前鉆孔揭露的情況看，與判斷的情況相吻合，時(shí)間序列分析與地質(zhì)勘察相結(jié)合的方法對(duì)于探究巖溶地區(qū)的涌水成因分析有較好的效果.

［1］劉建.巖溶隧道涌水對(duì)降雨的響應(yīng)特征［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2010，38(2):32 －35.

［2］徐則民，黃潤秋，羅杏春.特長巖溶隧道涌水預(yù)測(cè)的系統(tǒng)辨識(shí)方法［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2002，29(4):50 －54.

［3］李蒼松，王石春，陳成宗.巖溶地區(qū)鐵路工程地質(zhì)研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2005，22(S1):357 －363.

［4］劉建.銅鑼山隧道涌水對(duì)降水的響應(yīng)特征研究［J］.工程勘察，2010，38(2):37 －41.

［5］劉招偉，張民慶.某鐵路隧道巖溶突水的連通性特征［J］.隧道建設(shè)，2006，26(1):6 －9.

Analysis of Zhongba Tunnel Gushing Based on Time Series

ZHANG Jie
(The State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

The tunnel gushing is one of the major influencing factors of tunnel excavation in karst areas of Sichuan，which decides whether the construction of the tunnel is successful or not.This paper takes Zhongba tunnel from Xuyong to Dacun railway as an example.By conducting engineering geology exploration and seepage pipes survey，and combining time series analysis of the rainfall amount and water inflow amount，we can judge more accurately the connectivity of rich aqueous chambers.This paper discusses such kind of tunnel gushing formation mechanism，which effectively provides a reference for predicting and solving the problem of tunnel gushing.

tunnel gushing;engineering geology;karst;time series analysis

P641

A

1004－5422(2014)01－0096－05

2013－11－05.

張 吉力(1987—)，男，碩士研究生，從事巖土工程技術(shù)研究.