運三鐵路線中條山隧道涌水量計算分析

盧莉莉

（運城市水文水資源勘測分局，山西 運城 044000）

運三鐵路線中條山隧道涌水量計算分析

盧莉莉

（運城市水文水資源勘測分局，山西 運城 044000）

通過對隧道區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)條件的分析，根據(jù)各隧道段不同的水文地質(zhì)特征，采用大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法和穩(wěn)定流公式法等多種方法進行隧道涌水量的計算分析，為隧道施工設(shè)計提供可靠的技術(shù)支撐。

中條山；隧道；涌水量；計算分析

1 基本概況

中條山隧道是擬建運三鐵路線的一部分，橫穿中條山，隧道全長約18.4km，進口位于中條山北端運城市鹽湖區(qū)解州鎮(zhèn)社東村南約1.5km，出口位于平陸縣常樂鎮(zhèn)劉家莊村南東小溝里，計算隧址區(qū)里程樁號DK50+900～DK61+380。隧址區(qū)北以郝家咀村、后蘇家溝、郝口村至杜馬、賢良、上牛一線起，南至黃河北岸的何家灘村、張峪村、關(guān)口村至平陸老城一帶，整體呈北西—南東向展布，地理坐標(biāo):東經(jīng) 110°96′～111°08′，北緯 34°45′～34°58′。

隧址區(qū)北高南低，呈緩坡狀，且地形切割十分強烈，西北—東南向溝谷十分發(fā)育，構(gòu)造單元為豫皖板塊—芮城平陸隆陷，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造主要受燕山運動及喜馬拉雅運動的控制和影響。該區(qū)出露的地層復(fù)雜，主要為第三系、第四系松散巖類，其中第三系地層有以河、湖相沉積為主，濱湖、湖相沉積為輔；第四系地層巖土類型與其成因有直接關(guān)系，此區(qū)出露第四系巖土成因多種，類型非常復(fù)雜。

2 隧址區(qū)水文地質(zhì)條件分析

2.1 地下水賦存類型與分布規(guī)律

（1）基巖山區(qū):位于北邊中條山南麓，由東到西條形分布，相對高差在400～700m。由變質(zhì)巖和灰質(zhì)巖構(gòu)成，接受大氣降雨在風(fēng)化殼儲存，屬基巖裂隙水及巖溶水，季節(jié)性比較明顯，水量大小不一。

（2）洪積扇、裙區(qū):分布于張村、留史、洪池、賢良、上牛等村落一帶。區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)肓，整體由北向南傾斜，且呈緩坡狀下降高程450～900m。區(qū)內(nèi)承壓含水地層主要為第三系保德組鈣 質(zhì)膠結(jié)半膠結(jié)礫巖、礫、卵石及細(xì)砂、中粗砂及含鈣質(zhì)結(jié)核粘土等，單層厚度約10～30m，礫、卵石及砂層堆積較厚，據(jù)鉆孔及機井資料揭露，該地層夾有多層礫、卵石及細(xì)砂、中細(xì)砂及粗砂，累計厚度達(dá)60～150m，洪積扇裙帶水文地質(zhì)條件基本穩(wěn)定，變化不大，總體趨勢為西高東低成緩坡狀下降，其間溝谷多為南北向發(fā)育，地下水多為承壓水，埋深較大，水量中等。

（3）黃土臺塬區(qū):分布于張村、留史、常樂、西侯、洪池、馬村、張村等村落一帶，區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)肓，把整個臺塬分割成小面積的黃土垣。地層主要由上第三系上新統(tǒng)靜樂組中更新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沉積物組成。含水層主要為中更新統(tǒng)紅鈣質(zhì)結(jié)核層的色含粉質(zhì)粘土、土黃色粘土一般成層分布，局部夾含薄層卵礫石，厚度30～60m，黃土臺塬區(qū)在東西向水文地質(zhì)條件基本穩(wěn)定，變化不大，由西向東含水層有減薄趨勢，水位高程 542～390m，隨地勢變化水位埋深較大，深層水水量中等，具承壓性。

（4）黃河高階地區(qū):分布于擬建隧道出口段，主要為一套黃紅色粉質(zhì)黏土及砂層、砂石層和卵石層，具水平及交錯層理，為河湖相沉積，上部一般以泥砂質(zhì)膠結(jié)為主，局部為鈣質(zhì)膠結(jié)，下部為泥砂質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)。主要含水層為 Q2底部和Q1的砂礫石、卵石層，為當(dāng)?shù)孛窬_采的主要含水層，水質(zhì)比較好，該層厚度不均，其流量在200～1920m3/d。降深在25～35m之間，水量中等 ～豐富。

（5）黃河低階地（一級階地、二級階地）及河漫灘區(qū):主要分布于擬建隧道出口以外及沿黃一帶，為一套黃紅色粉質(zhì)黏土及砂層、砂石層和卵石層，具水平及交錯層理，為河湖相沉積，一般厚度120～150m，含水層位水量豐富，水質(zhì)比較好。

2.2 地下水補、徑、排條件

（1）基巖山區(qū)裂隙水主要受大氣降水垂直入滲的補給，地下水一般沿裂隙向河谷運動，一部分轉(zhuǎn)化為河川徑流排向谷地，一部分以地下徑流方式側(cè)向補給谷地。

（2）洪積扇、裙區(qū):主要接受北部中條山的裂隙側(cè)向徑流補給，大氣降水垂向入滲補給次之，地下水徑流特點是由北向南運動，地下水的排泄主要為徑流和潛水蒸發(fā)及少量人工開采。

（3）黃土臺塬區(qū):主要接受大氣降水入滲補給和洪積扇、裙區(qū)孔隙水的側(cè)向補給，另外尚有提黃灌溉入滲補給及引水（或泉）灌溉用水入滲補給。地下水在臺地范圍由北向南向黃河運動，徑流條件比較好，排泄方式主要為側(cè)向經(jīng)流排泄及人工開采。

（4）黃河階地區(qū):主要受大氣降水入滲補給，另黃土臺塬區(qū)孔隙水的側(cè)向補給及黃河水的側(cè)向補給及灌溉入滲補給也占很大比例。地下水由北向南向黃河運動，河流階地范圍從西沿黃河向下游經(jīng)流。排泄方式主要為側(cè)向徑流排泄，一部分轉(zhuǎn)化為河川徑流入黃河，另一部分以地下徑流方式入黃河，此外人工開采地占一定比例。

3 隧道涌水量計算

3.1 計算模型

經(jīng)對隧址區(qū)水文地質(zhì)條件及區(qū)域水文地質(zhì)數(shù)據(jù)的綜合分析可知，大氣降水、地表水的直接入滲是地下水的主要補給來源。根據(jù)各隧道段不同的水文地質(zhì)條件，擬采用大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法和穩(wěn)定流公式法 3種方法進行隧道涌水量的分析和預(yù)測。其中，基巖地段采用大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法計算，穩(wěn)定流法用于山前堆積段（洪積扇、裙，黃土臺塬，黃河階地段）計算，其中DK56+355～DK59+555段采用承壓水非完整式穩(wěn)定流公式法，DK59+555～DK61+000段采用潛水非完整式穩(wěn)定流公式法。

（1）大氣降水入滲系數(shù)法。

計算公式:Q=2.74A·W·α

式中:Q—隧道正常涌水量 m3/d；A—匯水面積，由 1∶1萬平面圖量測，km2；W—多年平均降雨量，mm；α—入滲系 數(shù)，根 據(jù)區(qū)域數(shù) 據(jù)采 用規(guī) 范經(jīng)驗值。

計算過程及參數(shù)選取見表 1，預(yù)測隧道正常涌水量Q為3405m3/d。

表1 大氣降水入滲系數(shù)法計算參數(shù)及計算結(jié)果表

（2）地下徑流模數(shù)法。

計算公式:Q=MA

式中:M—平均徑流模數(shù)，采用枯水期流量與相當(dāng)?shù)牧饔蛎娣e計算；A—隧道通過含水體地段的面積。

計算過程及參數(shù)選取見表 2，如表統(tǒng)計，預(yù)測隧道正常涌水量 Q為 3063m3/d。

表2 地下徑流模數(shù)法計算參數(shù)及計算結(jié)果表

（3）穩(wěn)定流法。

1）承壓水非完整式穩(wěn)定流公式法。

Q—隧道兩側(cè)進水時的隧道正常涌水量（m3/d）；K—滲透系數(shù)（m/d）；B—隧道通過含水層中的長度（m）；H1—靜止水位至隧道底深度（m）；H—含水層厚度（m）；R—隧道涌水影響半徑（m），采用經(jīng)驗公式計算；h—水位下降曲線在隧道邊墻上的高度；M′—隧道底以上承壓含水層厚度（m）；qr—引用流量。

計算過程、參數(shù)選取及計算結(jié)果見表3、表4。

表3 DK56+355～DK 57+215段穩(wěn)定流公式法計算參數(shù)及計算結(jié)果表

表4 DK 57+215～DK 57+215段穩(wěn)定流公式法計算參數(shù)及計算結(jié)果表

2）潛水非完整式穩(wěn)定流公式法。

Q—隧道兩側(cè)進水時的隧道正常涌水量（m3/d）；K—滲透系數(shù)（m/d）；B—隧道通過含水層中的長度（m）；H1—靜止水位至隧道底深度（m）；R—隧道涌水影響半徑（m），采用經(jīng)驗公式計算；r—隧道寬度的一半（m）；a—換算系數(shù)。

計算過程、參數(shù)選取及計算結(jié)果見表 5。

表5 DK 59+555～DK 61+000段穩(wěn)定流公式法計算參數(shù)及計算結(jié)果表

3.2 涌水量計算結(jié)果分析

徑流模數(shù)法計算結(jié)果反映的是區(qū)域性地質(zhì)條件下的入滲量，對于水平徑流區(qū)較適合。大氣降水入滲系數(shù)法比較適用于埋藏深度較淺的越嶺隧道，其難點在于降水入滲系數(shù)的選取，它與隧道洞身周圍及其上方所覆巖層的巖性及結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。基巖地段巖層則多為緩傾巖層，含水巖組與隔水巖組相隔成層分布，不同巖性的降水入滲系數(shù)有較大差異，故采用徑流模數(shù)法更具有合理性；隧道出口段，即DK56+355～DK61+000主要穿越第三、四系地層，水位比較穩(wěn)定，故采用穩(wěn)定流公式法計算較為合適。DK61+000～DK61+380隧道位于地下水位以上，因此不計算該段涌水量。DK50+900～DK56+355段涌水量則采用地下徑流模數(shù)法計算結(jié)果，DK57+000～DK61+000段涌水量則采用穩(wěn)定流公式法計算結(jié)果。根據(jù)計算隧道總涌水量為15836m3/d，計算成果如表6。

4 結(jié)論

隧址區(qū)地下水主要補給源為大氣降水及中條山的地下水側(cè)向徑流補給，地下水基本以山高水高的形式存在于區(qū)內(nèi)，排泄方式主要以泉水、人工開采及側(cè)向徑流的方式排泄。根據(jù)各隧道段不同的水文地質(zhì)條件，采用大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法和穩(wěn)定流公式法3種方法進行隧道涌水量的分析計算，預(yù)測隧道總涌水量為15836m3/d，有關(guān)單位可依據(jù)此水量進行施工設(shè)計。

表6 隧道涌水量計算成果表

［1］李建平，劉漢雄.某鐵路隧道涌水量預(yù)測與分析［J］.中國煤炭地質(zhì)，2009，25（09）:14-18.

［2］陳志平，鄭強，葉興軍，俞良.慈母山隧道施工涌水量 預(yù)測［A］.2010年全國工程地質(zhì)學(xué)術(shù)年會暨“工程地質(zhì)與海西建設(shè)”學(xué)術(shù)大會論文集［C］，2010.

［3］金圣杰.三都隧道施工涌水量的動態(tài)預(yù)測研究［D］.成都理工大學(xué)，2012.

［4］蒙 彥，雷明堂.巖溶區(qū)隧道涌水研究現(xiàn)狀及建議［J］.中國巖溶，2003（04）.

［5］徐則民，黃潤秋，羅杏春.特長巖溶隧道涌水預(yù)測的系統(tǒng)辨識方法［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2002（04）.

［6］周水貴.滬蓉高速公路大水井隧道涌水量預(yù)測［J］.建筑技術(shù)開發(fā)，2004，31（07）:41-43.

［7］張雪花.隧洞開挖中斷層和透水層的處理方法［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2013（01）.

［8］王連廣，劉陽.引水隧洞三維滲流場分析研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2014（04）.

U25

：A

：1008-1305（2015）05-0067-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2015.05.024

盧莉莉（1977年—），女，工程師。