大理巖溶地區(qū)某引水隧洞涌突水預(yù)測(cè)研究

汪亞莉，許 模，韓曉磊，宋海波，朱海明

(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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610059)

隧道涌突水是常見的隧道地質(zhì)災(zāi)害，具有發(fā)生幾率高的特征，且在發(fā)生大規(guī)模涌突水后，不僅對(duì)人員安全及施工進(jìn)度產(chǎn)生影響，同時(shí)會(huì)引起一系列的環(huán)境效應(yīng)，因此預(yù)測(cè)涌突水災(zāi)害預(yù)測(cè)，是能有效在涌突水發(fā)生前做好防御措施，在發(fā)生后做好危機(jī)處理的。涌突水在斷層破裂帶、巖溶發(fā)育的地區(qū)和其他含水儲(chǔ)水構(gòu)造中極易發(fā)生，特別是在巖溶發(fā)育的地區(qū)，目前對(duì)于巖溶地區(qū)隧道涌突水的研究逐漸增多。一般而言，在巖溶地區(qū)巖溶地區(qū)水文系統(tǒng)極其容易遭受到人類活動(dòng)的影響，目前對(duì)于裸露型巖溶地區(qū)隧道涌突水災(zāi)害的研究甚多，包括涌突水的機(jī)理研究和預(yù)測(cè)方法的適用性研究;而裸露－埋藏型巖溶區(qū)對(duì)其結(jié)構(gòu)研究更多，而對(duì)于隧道工程的應(yīng)用則未能進(jìn)行深入探究。

本文在已有對(duì)預(yù)測(cè)用途水量各方法的適用條件和局限性研究的基礎(chǔ)上，通過分析常用預(yù)測(cè)涌突水量的計(jì)算方法，得到適用于裸露－埋藏型巖溶區(qū)預(yù)測(cè)涌突水量的常用計(jì)算方法，并以大理萂村某隧道為例，進(jìn)行涌突水量的預(yù)測(cè)計(jì)算。

1 裸露-埋藏型巖溶

裸露－埋藏型巖溶是當(dāng)埋藏型巖溶是裸露型巖溶的延伸時(shí)構(gòu)成的一種地質(zhì)構(gòu)造。埋藏型巖溶由于上覆巖層的阻隔，無法接受直接接受降雨補(bǔ)給等直接補(bǔ)給，而是跟裸露巖溶區(qū)產(chǎn)生水力聯(lián)系或者是從其他含水層越流補(bǔ)給，埋藏型巖溶含水層組具有良好的儲(chǔ)水空間，其儲(chǔ)水空間是以發(fā)育較均勻的網(wǎng)狀巖溶裂隙為主，富水性及透水性較裸露型巖溶更為均勻，一般都賦存承壓水，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

裸露－埋藏型巖溶形成的地下水系統(tǒng)稱之為裸露－埋藏型巖溶水系統(tǒng)，這類水系統(tǒng)是以地下水循環(huán)特征為前提，對(duì)淺循環(huán)巖溶水系統(tǒng)，根據(jù)基本特征和水文地質(zhì)條件的差異，對(duì)巖溶水系統(tǒng)進(jìn)行分類時(shí)提出的。

云南裸露－埋藏型巖溶水系統(tǒng)的含水層組成大多是上覆為玄武巖下伏為灰?guī)r(見圖1)。當(dāng)隧洞施工開挖時(shí)遇到此類巖溶水系統(tǒng)時(shí)，隧洞首先需進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查和分析，再提出方案對(duì)灰?guī)r含水層進(jìn)行及時(shí)疏排，當(dāng)灰?guī)r地層中地下水位降低到一定程度時(shí)，上覆玄武巖地層中的裂隙水發(fā)生一定程度的補(bǔ)給下伏灰?guī)r含水層。因此，隧洞涌水量主要來自巖溶水和少部分玄武巖裂隙水。此外，由于巖溶含水層的水位略高于隧洞，且玄武巖裂隙水垂向補(bǔ)給有限，故施工開挖對(duì)滲流場(chǎng)影響范圍也不會(huì)太大。

圖1 裸露－埋藏型巖溶剖面示意圖

2 巖溶涌突水量預(yù)測(cè)

隧道涌突水預(yù)測(cè)已有約半個(gè)世紀(jì)的研究歷史，隧道涌突水量的預(yù)測(cè)是為了對(duì)涌突水預(yù)測(cè)這種具有不確定性和普遍性的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行一個(gè)半定量或定量的評(píng)定。隨著隧道技術(shù)難度的增加，隧道涌突水量的預(yù)測(cè)研究的深度和廣度得到了很大程度的拓展。

隧道涌水的預(yù)測(cè)方法常用有簡(jiǎn)易水均衡法、地下水動(dòng)力學(xué)法、比擬法、數(shù)值模擬法、非線性理論法等，近年來結(jié)合隨機(jī)數(shù)學(xué)理論而發(fā)展的隨機(jī)數(shù)學(xué)方法也應(yīng)用其中。其中應(yīng)用最廣泛的為簡(jiǎn)易水均衡法中的大氣降雨法和地下水動(dòng)力學(xué)法。

表1 常用隧道用途水量計(jì)算方法統(tǒng)計(jì)

考慮到隧洞大部分從地下水位以下通過，裸露－埋藏型巖溶埋藏型部分不能直接接受大氣降雨的補(bǔ)給，地下水補(bǔ)給來源主要為側(cè)向補(bǔ)給和來自裸露部分的補(bǔ)給，當(dāng)隧道穿越上覆巖層時(shí)，大氣降雨法和地下水動(dòng)力學(xué)法均適用，但當(dāng)隧道穿越下伏巖溶巖層時(shí)，大氣降雨法顯然不適用，同時(shí)由于裸露－埋藏型巖溶的地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，比擬法和數(shù)值模擬法皆不適用。綜合考慮裸露－埋藏型巖溶的特殊性，地下水動(dòng)力學(xué)法更加適用。

3 實(shí)例分析

3.1 研究區(qū)概況

大理某引水隧洞全長(zhǎng)23 974 m，和村段為引水隧洞穿越的裸露－埋藏型巖溶區(qū)，處在洱海－賓川斷裂構(gòu)造帶內(nèi)，長(zhǎng)度為2 450 m，最大埋深為336 m，最小埋深為101 m，該段東側(cè)即為萂村盆地。該段隧洞進(jìn)口高程為1 974.36 m，出口高程為1 973.65 m，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，引水隧道埋深低于埋藏型巖溶含水層的水位，上覆非可溶巖厚度為13～192 m(見圖2)。

隧址區(qū)為低緯度高原季風(fēng)氣候，在區(qū)域分水嶺的作用下，地下水從西向東補(bǔ)給萂村，地表水系屬金沙江水系，由南向北流，經(jīng)萂村，于達(dá)苴河匯入金沙江。該隧道的施工安全直接關(guān)系到萂村的安危，因此需高度重視該段引水隧洞的施工。

圖2 大理某引水隧洞裸露－埋藏型巖溶區(qū)剖面示意圖

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

引水隧洞的設(shè)計(jì)線路與萂村盆地近乎平行，由北西向向南東向從萂頭箐穿越埋藏型巖溶區(qū)可溶巖地層，該地區(qū)的整體地質(zhì)構(gòu)造為北西－南東向，該處為向斜，核部為P1灰?guī)r。Pβ1為噴發(fā)巖，是形成晚于P1，經(jīng)后期剝蝕和風(fēng)化作用，現(xiàn)僅覆蓋于P1之上，這種構(gòu)造利于下伏P1儲(chǔ)水，P1巖溶發(fā)育程度極強(qiáng)。

3.3 水文地質(zhì)條件

裸露－埋藏型巖溶區(qū)上覆地層為二迭系Pβ1玄武巖，其主要巖性為玄武巖夾石灰?guī)r，其富水性受地貌和風(fēng)化程度的控制，含淺層風(fēng)化裂隙水，深部起隔水作用，富水性強(qiáng)，主要受大氣降雨補(bǔ)給。下伏巖溶地層為二迭系P1灰?guī)r，為厚層塊狀純灰?guī)r，厚度為514 m，屬于水量豐富的覆蓋型碳酸鹽巖組，該覆蓋型巖溶為裸露型巖溶的延伸，在二迭系Pβ1玄武巖覆蓋區(qū)地表少量出露P1灰?guī)r。在地表分水嶺的作用下，下伏巖溶地下水補(bǔ)給來源，主要以斷裂帶為介質(zhì)使得巖溶水系統(tǒng)有效的接受其他含水層的補(bǔ)給。

3.4 隧址區(qū)涌突水預(yù)測(cè)

涌水量預(yù)測(cè)的關(guān)鍵在于參數(shù)的選取，參數(shù)必須依據(jù)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等條件來進(jìn)行取值，而在裸露－覆蓋型巖溶的區(qū)域參數(shù)的選擇具有很多不確定性。

地下水動(dòng)力學(xué)法中主要的參數(shù)為巖體的滲透系數(shù)和隧道水位降升，隧道洞身的滲透系數(shù)取值為0.3，H取平均值為64 m，隧道水位降升由于在此我們采用極值，即如若發(fā)生涌突水該區(qū)域地下水全部疏干S為57 m，影響半徑采取的公式(6)的適用條件為計(jì)算松散含水層井群或基坑礦山巷道抽水初期的R值，計(jì)算結(jié)果為539.55 m。

通過選取合適的參數(shù)進(jìn)行涌水量的預(yù)測(cè)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 隧道涌突水量預(yù)測(cè)結(jié)果

3.5 結(jié)果分析

由結(jié)果可知，地下水動(dòng)力學(xué)法中在計(jì)算正常涌水量時(shí)科斯佳科夫公式和鐵路經(jīng)驗(yàn)法的計(jì)算結(jié)果接近，而在計(jì)算最大涌水量時(shí)，鐵路經(jīng)驗(yàn)法較大。該區(qū)域裸露－埋藏型巖溶根據(jù)工程地質(zhì)勘查鉆孔結(jié)果可知，兩套地層均存在穩(wěn)定的地下水位—上覆玄武巖水位和下伏灰?guī)r水位，隧道在穿越下伏灰?guī)r時(shí)，如若發(fā)生隧道涌突水災(zāi)害，涌突水的來源存在兩種可能:(1)全部來自灰?guī)r中的承壓水;(2)除了灰?guī)r中的承壓水，玄武巖中地下水也受涌突水災(zāi)害的影響發(fā)生越流。在計(jì)算的過程中，無法準(zhǔn)確判斷會(huì)發(fā)生哪種情形，往往計(jì)算過程中在選取降升這個(gè)參數(shù)時(shí)，我們是以疏干全部含水層的地下水為極限，這樣計(jì)算出來的結(jié)果顯然會(huì)偏大，提高了隧道設(shè)計(jì)和施工的難度。

4 結(jié)語

(1)隧道涌突水量預(yù)測(cè)計(jì)算是隧道水文地質(zhì)調(diào)查的一個(gè)重要的工作，計(jì)算涌突水量方法種類較多，對(duì)常用方法原理和適用性進(jìn)行了對(duì)比分析，但由于裸露－埋藏型巖溶本身地質(zhì)條件復(fù)雜，水動(dòng)力學(xué)法較其他方法而言更加適用。

(2)實(shí)例中，采用了常用的地下水動(dòng)力學(xué)法對(duì)大理某引水隧洞進(jìn)行了預(yù)測(cè)。正常涌水量預(yù)測(cè)采用科斯加科夫和鐵路經(jīng)驗(yàn)法，結(jié)果分別為36 807 m3/d、35 946 m3/d，大島洋志和鐵路經(jīng)驗(yàn)法，結(jié)果分別為79 121 m3/d、105 564 m3/d。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，正確判定涌水的來源，是提高預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的前提;

(3)為了能更好的預(yù)測(cè)裸露－埋藏型巖溶區(qū)域的隧道涌突水量，需要通過更多的地質(zhì)調(diào)查去查明地下水的來源，使得涌水量的預(yù)測(cè)能夠更加準(zhǔn)確。

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