高家坪隧道巖溶水系統(tǒng)識(shí)別及涌水量預(yù)測(cè)

田清朝，萬(wàn)軍偉，黃 琨，左 帥，李方華

(1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430074; 2．中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063)

高家坪隧道巖溶水系統(tǒng)識(shí)別及涌水量預(yù)測(cè)

田清朝1，萬(wàn)軍偉1，黃 琨1，左 帥1，李方華2

(1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430074; 2．中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063)

為查明在建宜保高速高家坪隧道內(nèi)ZK45+995 m處突水點(diǎn)的補(bǔ)給來(lái)源以及隧道區(qū)的水文地質(zhì)條件，并預(yù)測(cè)可能的涌水量，在對(duì)隧道區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育規(guī)律調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，先后在隧道區(qū)開(kāi)展了兩次地下水示蹤試驗(yàn)，結(jié)果查明:高家坪隧道內(nèi)ZK45+995 m處突水點(diǎn)的補(bǔ)給來(lái)源于隧道北側(cè)的下埫巖溶洼地，匯水面積為0．66 km2，突水點(diǎn)所處的巖溶管道為黃龍洞巖溶水系統(tǒng)的西支，為單一巖溶管道類型，地下水最大流速為341 m/d，平均流速為244 m/d，地下水流速快，管道介質(zhì)相當(dāng)發(fā)育。根據(jù)示蹤試驗(yàn)劃分的黃龍洞巖溶水系統(tǒng)與干洞坪巖溶水系統(tǒng)邊界范圍，并利用黃龍洞泉長(zhǎng)期降雨量-泉流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用大氣降雨入滲法預(yù)測(cè)高家坪隧道ZK45+995 m處突水點(diǎn)未來(lái)可能遭遇的最大涌水量為13 216 m3/d，正常涌水量為5 940 m3/d，為隧道防治水方案的制定提供了水文地質(zhì)依據(jù)。

高家坪隧道;巖溶水系統(tǒng);涌水量預(yù)測(cè);地下水示蹤試驗(yàn);大氣降雨入滲法

涌突水災(zāi)害是興建隧道工程中極具危害性的地質(zhì)災(zāi)害，部分巖溶地區(qū)降雨豐沛，暴雨集中，地表巖溶洼地、槽谷、落水洞廣布，地下暗河管道密布，巖溶地下水在時(shí)間、空間上分布極不均勻等一系列特點(diǎn)使得巖溶地區(qū)隧道工程遭遇突涌水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)性更高，巖溶隧道突涌水事故屢有發(fā)生［1-2］，因而查明巖溶地區(qū)水文地質(zhì)條件、巖溶發(fā)育規(guī)律以及巖溶水系統(tǒng)特征［3-6］，對(duì)隧道涌突水災(zāi)害防治、保障隧道施工安全具有重要意義。

在建的宜城至?？刀胃咚傥鞫蔚靥幎跷鲙r溶山區(qū)，巖溶發(fā)育十分強(qiáng)烈。2014年11月14日在位于南漳縣魚(yú)泉河村的控制性工程——高家坪隧道進(jìn)口左幅施工至ZK45+995 m里程處揭露一巖溶管道流(后統(tǒng)稱為突水點(diǎn))，涌水量約2 500 m3/d，由于當(dāng)時(shí)為枯水期，并未造成安全事故，但掌子面積水影響到隧道正常的掘進(jìn)，雨季極有可能遭遇大型突水，因此查明該突水點(diǎn)的補(bǔ)給來(lái)源、預(yù)測(cè)雨季暴雨可能對(duì)隧道帶來(lái)的涌水災(zāi)害程度是亟待解決的問(wèn)題。為此，本文在重點(diǎn)剖析高家坪隧道巖溶水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，通過(guò)巖溶水文地質(zhì)調(diào)查、地下水示蹤試驗(yàn)和高分辨率氣象、地下水流量監(jiān)測(cè)等技術(shù)工作，對(duì)隧道涌突水水文地質(zhì)條件進(jìn)行了系統(tǒng)識(shí)別，并采用大氣降雨入滲法對(duì)隧道涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為隧道水害防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 隧道區(qū)地質(zhì)背景條件

宜保高速高家坪隧道位于湖北省襄陽(yáng)市南漳縣魚(yú)泉河村內(nèi)，隧道全長(zhǎng)3 305 m，呈NE-SW走向，進(jìn)口位于砂石溝，標(biāo)高303 m，出口位于干洞坪，標(biāo)高230 m，隧道最大埋深為205 m。隧道洞身圍巖全部由三疊系下統(tǒng)大冶組(T1dy)組成，其巖性特征表現(xiàn)為下段為泥質(zhì)灰?guī)r夾頁(yè)巖，中段為中—薄層微晶灰?guī)r，上段為厚—塊狀白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，三疊系下統(tǒng)大冶組中、上段(T1dy2+3)地層總體上為純碳酸鹽巖且連續(xù)厚度大，巖溶發(fā)育十分強(qiáng)烈，為強(qiáng)巖溶含水層，見(jiàn)圖1。

隧道區(qū)地貌類型主要以巖溶臺(tái)地、巖溶斜坡為主。巖溶臺(tái)地主要分布在魚(yú)泉河兩側(cè)高程600 m以上的分水嶺地帶，多呈平緩的巖溶臺(tái)面，臺(tái)面上主要發(fā)育峰叢洼地、峰叢槽谷，洼地和槽谷中往往疊置落水洞，巖溶以垂向發(fā)育為主，這些負(fù)地形的匯水條件十分有利于大氣降水入滲補(bǔ)給地下水，構(gòu)成了隧道區(qū)地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給區(qū);巖溶斜坡主要分布于魚(yú)泉河河床兩側(cè)高程為150～600 m的地帶，這一區(qū)域地形切割強(qiáng)烈，是上游巖溶臺(tái)地匯集的地下水的必經(jīng)之地，常發(fā)育水平溶洞、巖溶管道和巖溶泉，構(gòu)成了區(qū)域地下水徑流排泄區(qū)。

圖1 高家坪隧道區(qū)水文地質(zhì)圖Fig．1 Hydrogeologic map of Gaojiaping tunnel area

隧道區(qū)地下水系統(tǒng)整體上受魚(yú)泉河控制，其補(bǔ)給區(qū)北邊界和西邊界主要受五渡溝-陳家場(chǎng)背斜核部P2—T1dy1泥灰?guī)r夾頁(yè)巖構(gòu)成的弱透水層控制，東邊界以砂石溝地表分水嶺為界，地下水接受大氣降水補(bǔ)給后，向魚(yú)泉河方向徑流。隧道區(qū)出露的巖溶泉點(diǎn)主要有黃龍洞和干洞坪泉，據(jù)此將隧道區(qū)的巖溶水系統(tǒng)劃分為黃龍洞和干洞坪兩個(gè)巖溶水系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。

高家坪隧道洞身于巖溶臺(tái)地(補(bǔ)給區(qū))和魚(yú)泉河(排泄區(qū))之間的巖溶斜坡地帶中穿越(見(jiàn)圖1)，為區(qū)域巖溶地下水的“必經(jīng)之路”(徑流區(qū))，在平面上無(wú)法繞避黃龍洞巖溶水系統(tǒng)，因而查明隧道區(qū)魚(yú)泉河左岸各巖溶水系統(tǒng)的空間分布、匯水范圍、巖溶管道與隧道平、剖面的空間關(guān)系，是確定隧道突涌水條件及定量評(píng)價(jià)涌水量的關(guān)鍵。因此，本研究在對(duì)隧道區(qū)水文地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，采用地下水示蹤試驗(yàn)結(jié)合隧道區(qū)巖溶發(fā)育特征來(lái)綜合分析隧道的涌突水條件。

2 地下水示蹤試驗(yàn)

高家坪隧道左幅ZK45+995 m里程處揭露的巖溶管道流，其發(fā)育的地層為三疊系下統(tǒng)大冶組中段薄—中厚層灰?guī)r，產(chǎn)狀為200°∠84°，掌子面處該溶洞寬約2 m，延伸長(zhǎng)度約10 m，高度約5 m，溶洞延伸方向受110°走向?qū)用媪严犊刂疲鲝恼谱用嬗仪胺降撞砍视袎汗艿懒饔砍?，?jīng)掌子面左側(cè)下方洞底流出。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該溶洞無(wú)礫石堆積，洞壁上有潮濕淤泥沉積，據(jù)此分析該溶洞為地下巖溶管道的一部分，暴雨期為全充水的有壓管道。

根據(jù)隧道揭露巖溶管道主要沿110°走向?qū)用媪严栋l(fā)育的特征，從隧道區(qū)水文地質(zhì)圖上(見(jiàn)圖1)可以看出，下埫巖溶洼地、突水點(diǎn)、黃龍洞三點(diǎn)的連線大致呈110°方向，據(jù)此推測(cè)突水點(diǎn)處地下水很有可能從黃龍洞泉排出。為了查明隧道內(nèi)突水點(diǎn)與區(qū)內(nèi)地下水的聯(lián)系以及突水補(bǔ)給來(lái)源，在隧道區(qū)先后開(kāi)展了兩次地下水示蹤試驗(yàn)。

隧道地下水補(bǔ)給區(qū)地表巖溶十分發(fā)育，分布有施家坪、下淌、曹家地3個(gè)巖溶洼地以及宋家沖-砂石溝和芭果沖-陳家埫2個(gè)巖溶槽谷，洼地和槽谷底部均分布有落水洞，但無(wú)地表明流，在補(bǔ)給區(qū)開(kāi)展示蹤試驗(yàn)只能依靠降雨產(chǎn)生的水流作為動(dòng)力將示蹤劑帶入地下水系統(tǒng)，但試驗(yàn)難度大。示蹤試驗(yàn)選取熒光素類物質(zhì)作為示蹤劑，采用GGUN-FL野外熒光光度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，示蹤試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)部署在隧道區(qū)的各巖溶泉點(diǎn)，在每次示蹤試驗(yàn)之前均需采集各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水樣讀取擬檢測(cè)物質(zhì)的背景值。

2．1 隧道突水點(diǎn)示蹤試驗(yàn)

為了查明高家坪隧道進(jìn)口左幅ZK45+995 m處巖溶管道與區(qū)內(nèi)地下水之間的水力聯(lián)系，本次示蹤試驗(yàn)將投放點(diǎn)部署在隧道突水點(diǎn)所在的溶洞內(nèi)，選取羅丹明作為示蹤劑，考慮到泉流量的大小以及儀器的檢測(cè)精度，確定羅丹明的投放量為120 g。由于隧道內(nèi)突水點(diǎn)處水流向隧道南側(cè)徑流，而干洞坪泉位于隧道出口的北側(cè)，故監(jiān)測(cè)點(diǎn)只設(shè)在黃龍洞泉。示蹤劑投放前，首先對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采樣測(cè)試地下水中示蹤劑的天然背景值，之后于2014年11月20日9點(diǎn)40分在溶洞內(nèi)投放羅丹明，同時(shí)開(kāi)始接收點(diǎn)的監(jiān)測(cè)工作。監(jiān)測(cè)期間黃龍洞泉羅丹明濃度變化曲線見(jiàn)圖2。

由圖2可見(jiàn)，黃龍洞泉羅丹明濃度監(jiān)測(cè)曲線在投放示蹤劑后45 h后開(kāi)始上漲，63 h達(dá)到峰值。以示蹤劑初現(xiàn)時(shí)的流速為地下水的最快流速，峰值出現(xiàn)時(shí)的流速為平均流速［7］，根據(jù)突水點(diǎn)到黃龍洞的距離為640 m，由此計(jì)算出地下水最快流速為341 m/d，平均流速為244 m/d，表明管道介質(zhì)相當(dāng)發(fā)育。此外，黃龍洞的羅丹明濃度歷時(shí)曲線呈基本對(duì)稱的單峰形曲線且比較光滑，說(shuō)明突水點(diǎn)與黃龍洞之間為單一的巖溶管道［8-10］;利用黃龍洞出口的流量及示蹤劑濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出本次地下水示蹤試驗(yàn)的示蹤劑回收量為108 g，回收率約90%，說(shuō)明黃龍洞是突水點(diǎn)巖溶管道流的唯一排泄點(diǎn)，且以單支巖溶管道為主要特征。

突水點(diǎn)示蹤試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:突水點(diǎn)所屬的巖溶管道屬于黃龍洞巖溶水系統(tǒng)，黃龍洞是該突水點(diǎn)的唯一排泄點(diǎn)，且突水點(diǎn)與黃龍洞之間為單一管道，巖溶管道介質(zhì)相當(dāng)發(fā)育。根據(jù)該管道主要受110°走向的層面裂隙控制，推測(cè)其源頭應(yīng)該是下淌巖溶洼地的控制匯水范圍。

2．2 地表巖溶洼地示蹤試驗(yàn)

由于隧道區(qū)地下水系統(tǒng)的北側(cè)和西側(cè)邊界主要受隧道區(qū)五渡溝-陳家場(chǎng)背斜核部泥灰?guī)r夾頁(yè)巖構(gòu)成的弱透水層控制，根據(jù)隧道巖溶管道發(fā)育特征，其補(bǔ)給區(qū)只可能是芭果沖-陳家埫巖溶槽谷、下埫洼地一帶。為了確定隧道涌突水補(bǔ)給區(qū)的范圍，擬在上述分析區(qū)域開(kāi)展第二次地下水示蹤試驗(yàn)。由于區(qū)內(nèi)巖溶不斷向深部發(fā)育，導(dǎo)致巖溶洼地和槽谷底部不斷堆積第四系松散層，底部被填平，早期形成的落水洞已喪失集中匯水條件，因此直接在洼地和槽谷中的落水洞內(nèi)投放示蹤劑，試驗(yàn)將難以成功。在示蹤劑投放之前，待降雨一段時(shí)間后觀察是否存在臨時(shí)性地表水流集中消水點(diǎn)，再確定投放示蹤劑的具體時(shí)間和地點(diǎn)。

示蹤劑的投放點(diǎn)最終選澤在芭果沖-陳家埫槽谷，2014年6月17日17:00在該槽谷鄉(xiāng)村公路附近消水口投放羅丹明500 g，消水口匯集了公路路面降雨產(chǎn)生的臨時(shí)性地表水流，投放示蹤劑后在黃龍洞和干洞坪泉進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，結(jié)果在黃龍洞未檢出示蹤劑，干洞坪泉監(jiān)測(cè)到示蹤劑羅丹明，其濃度變化曲線見(jiàn)圖3。

圖3 干洞坪泉示蹤劑羅丹明濃度變化曲線Fig．3 Variation curve of the tracer rhodamine concentration in Gandongping Spring

由圖3可見(jiàn)，干洞坪泉羅丹明濃度監(jiān)測(cè)曲線在示蹤劑投放約74 h后出現(xiàn)異常，之后呈波動(dòng)性上漲，81 h后示蹤劑濃度達(dá)到峰值，之后示蹤劑濃度逐漸衰減，至示蹤劑投放后的第7天時(shí)，示蹤劑濃度基本恢復(fù)至天然背景值。根據(jù)投放點(diǎn)距離接收點(diǎn)直線距離約800 m，由此計(jì)算得出地下水最快流速為417 m/d，平均速度為295 m/d。監(jiān)測(cè)期間干洞坪泉的羅丹明濃度一直存在波動(dòng)，分析是由于監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)降雨在泉口附近形成的地表水混入所致。干洞坪泉的羅丹明濃度歷時(shí)曲線呈不對(duì)稱的單峰型曲線，上升段較陡，下降段稍緩，利用干洞坪泉出口的流量及示蹤劑濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出本次地下水示蹤試驗(yàn)的示蹤劑回收量為415 g，回收率為83%。相比較于突水點(diǎn)處示蹤試驗(yàn)的示蹤劑接受率偏小，可能受投放點(diǎn)處包氣帶部分截流或巖溶水系統(tǒng)部分水流向深部循環(huán)的影響，但總體上仍說(shuō)明示蹤劑投放點(diǎn)至干洞坪泉之間以單一巖溶管道為主要特征。

地表巖溶洼地示蹤試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:芭果沖-陳家埫一帶巖溶槽谷匯集的大氣降水進(jìn)入地下后，往東南方向徑流于干洞坪泉排出地表，屬于干洞坪巖溶水系統(tǒng)，與黃龍洞和魚(yú)泉洞沒(méi)有水力聯(lián)系，排除了隧道突水點(diǎn)接受芭果沖-陳家埫巖溶槽谷補(bǔ)給的可能性，因而突水點(diǎn)補(bǔ)給范圍只可能來(lái)自于下埫洼地。

2．3 示蹤試驗(yàn)結(jié)果分析

隧道突水點(diǎn)示蹤試驗(yàn)結(jié)果表明，隧道突水點(diǎn)屬于黃龍洞巖溶水系統(tǒng)的一部分，同時(shí)再次證明了突水點(diǎn)巖溶管道整體上受110°走向?qū)用媪严栋l(fā)育的特征。地表洼地示蹤試驗(yàn)表明，芭果沖-陳家埫一帶巖溶槽谷匯集的大氣降水經(jīng)干洞坪泉排出地表，與黃龍洞沒(méi)有水力聯(lián)系，排除了隧道突水點(diǎn)接受芭果沖-陳家埫巖溶槽谷補(bǔ)給的可能性。根據(jù)隧道突水點(diǎn)處巖溶管道發(fā)育特征，并結(jié)合區(qū)內(nèi)地下水系統(tǒng)邊界分析了突水點(diǎn)可能接受補(bǔ)給的范圍，最終確定突水點(diǎn)補(bǔ)給區(qū)只可能來(lái)自于隧道北測(cè)的下埫洼地，同時(shí)通過(guò)示蹤試驗(yàn)確定了干洞坪巖溶水系統(tǒng)和黃龍洞巖溶水系統(tǒng)的邊界位置位于芭果沖-陳家埫巖溶槽谷與下埫洼地之間的地表分水嶺，這為后續(xù)隧道涌水量的預(yù)測(cè)奠定了水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)。

3 隧道涌突水水文地質(zhì)條件分析

兩次示蹤試驗(yàn)結(jié)果表明隧道突水點(diǎn)隸屬于黃龍洞巖溶水系統(tǒng)，隧道區(qū)黃龍洞巖溶水系統(tǒng)與干洞坪巖溶水系統(tǒng)并無(wú)直接水力聯(lián)系，并確定了干洞坪巖溶水系統(tǒng)與黃龍洞巖溶水系統(tǒng)的邊界。其中，黃龍洞巖溶水系統(tǒng)東側(cè)以砂石溝地表分水嶺為界，西側(cè)以下埫洼地與芭果沖-陳家埫巖溶槽谷之間的芭果沖-下埫-胡家溝地表分水嶺為界，北側(cè)以五渡溝-陳家場(chǎng)背斜地表分水嶺為界;干洞坪巖溶水系統(tǒng)東邊界與黃龍洞巖溶水系統(tǒng)接壤，北邊界和西邊界受五渡溝-陳家場(chǎng)背斜控制，南邊界大致沿著干洞坪背斜北翼分布。高家坪隧道區(qū)巖溶水系統(tǒng)分布見(jiàn)圖4。

圖4 高家坪隧道區(qū)巖溶水系統(tǒng)分布圖Fig．4 Distribution map of the karst water system in Gaojiaping tunnel area

通過(guò)對(duì)高家坪隧道北側(cè)地表巖溶發(fā)育情況進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為黃龍洞巖溶水系統(tǒng)應(yīng)為多入口、多分支的復(fù)雜樹(shù)枝狀地下巖溶管道系統(tǒng)，主要接受下埫、施家坪、曹家地等巖溶洼地以及宋家沖-砂石溝巖溶槽谷匯集的大氣降水補(bǔ)給，經(jīng)落水洞灌入地下巖溶管道，最后由黃龍洞集中排出地表。高家坪隧道進(jìn)口ZK45+995 m突水點(diǎn)所處的巖溶管道只屬于黃龍洞巖溶水系統(tǒng)西側(cè)的單一管道，主要受110°走向?qū)用媪严犊刂平邮軄?lái)自于下埫洼地的降雨入滲補(bǔ)給，巖溶管道與隧道之間的關(guān)系見(jiàn)圖5。下埫子系統(tǒng)(H1)的匯水面積約0．66 km2，黃龍洞巖溶水系統(tǒng)的匯水面積約5．48 km2，下埫子系統(tǒng)的匯水面積約占黃龍洞巖溶水系統(tǒng)匯水面積的12%。其中，下埫-黃龍洞巖溶管道流東側(cè)的巖溶管道受區(qū)域N5°～15°E、N320～330°W兩組構(gòu)造裂隙的控制，雖然在平面上與隧道相交，但在剖面上經(jīng)隧道下方向黃龍洞排泄。此外，根據(jù)該區(qū)段的物探結(jié)果顯示，在隧道影響范圍內(nèi)并無(wú)巖溶管道經(jīng)過(guò)。

圖5 下埫-黃龍洞(A-A')橫剖面圖Fig．5 Cross profile of Xiashang-Huanglongdong(A-A')

4 隧道涌水量預(yù)測(cè)

隧道涌水量的預(yù)測(cè)是水文地質(zhì)學(xué)科中的一個(gè)重要的理論問(wèn)題，迄今為止尚無(wú)成熟的理論和公認(rèn)的準(zhǔn)確計(jì)算方法［11］。目前常用的隧道涌水量預(yù)測(cè)方法主要有水文地質(zhì)比擬法、水均衡法、水文地質(zhì)解析法、水文地質(zhì)數(shù)值法，而基于水均衡的大氣降雨入滲法是目前隧道涌水量預(yù)測(cè)的一種主要方法，該方法具有參數(shù)少、方法簡(jiǎn)單、理論嚴(yán)密的特點(diǎn)［12-16］，但參數(shù)取值不同往往會(huì)造成計(jì)算結(jié)果存在很大的差異，進(jìn)而影響涌水量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。本次隧道涌水量預(yù)測(cè)采用大氣降雨入滲法來(lái)計(jì)算隧道涌水量大小，并充分利用與挖掘已有的氣象水文監(jiān)測(cè)資料，通過(guò)計(jì)算分析選取更為客觀且符合研究區(qū)實(shí)際的降雨入滲系數(shù)及延遲時(shí)間參數(shù)，從而提高了涌水量預(yù)測(cè)的精度。

基于水均衡法的大氣降雨入滲法預(yù)測(cè)隧道涌水量的計(jì)算公式為

式中:Q為隧道涌水量(m3/d);h為日降水量(mm);F為集水單元面積(km2);λ為降雨入滲系數(shù);t為延遲時(shí)間(d)。

本次調(diào)查期間為全面掌握黃龍洞巖溶水系統(tǒng)特征，在其泉口設(shè)置了流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在其已有矩形堰口處放置了自動(dòng)水位探頭，設(shè)置每30 min讀取1個(gè)水位數(shù)據(jù)，再根據(jù)矩形堰流量計(jì)算公式將監(jiān)測(cè)得到的水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成泉流量，泉流量監(jiān)測(cè)精度達(dá)到0．01 m3/ s。黃龍洞巖溶水系統(tǒng)降雨量-泉流量監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6，監(jiān)測(cè)期間最大降雨量為40 mm/d，泉峰值流量達(dá)2．2 m3/s。由圖6可見(jiàn):黃龍洞巖溶水系統(tǒng)對(duì)降雨的響應(yīng)非常靈敏，泉流量曲線呈現(xiàn)陡漲陡落的特點(diǎn)，反映了黃龍洞巖溶水系統(tǒng)管道介質(zhì)相當(dāng)發(fā)育，補(bǔ)給區(qū)范圍相對(duì)較小的特點(diǎn)。為了提供隧道涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算參數(shù)，擬通過(guò)黃龍洞巖溶水系統(tǒng)降雨量-泉流量監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析降雨入滲系數(shù)與泉流量延遲時(shí)間的變化規(guī)律。其中，降雨入滲系數(shù)計(jì)算公式為

式中:η為降雨入滲系數(shù);F為地下水系統(tǒng)匯水面積(km2);P為降雨量(mm);Q降入為降雨入滲補(bǔ)給量(m3/s)。

圖6 黃龍洞巖溶水系統(tǒng)降雨量-泉流量監(jiān)測(cè)曲線Fig．6 Curve of the precipitation and spring discharge monitoring data of the karst water system in Huanglongdong

表1 黃龍洞巖溶水系統(tǒng)降雨量-泉流量過(guò)程統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 1 Statistics of the precipitation and spring discharge process of the karst water system in Huanglongdong

圖7 黃龍洞巖溶水系統(tǒng)降雨量與入滲系數(shù)和泉流量延遲時(shí)間的關(guān)系曲線Fig．7 Relationship between the precipitation and rainfall infiltration coefficient and delayed time of spring discharge of the karst water system in Huanglongdong

通過(guò)分析整理得到黃龍洞巖溶水系統(tǒng)降雨量-泉流量過(guò)程統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(見(jiàn)表1)，并繪制出了降雨量與降雨入滲系數(shù)和泉流量延遲時(shí)間的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖7。由圖7可以看出:黃龍洞巖溶水系統(tǒng)的降雨入滲系數(shù)并不是定值，而具有大致呈拋物線分布的特點(diǎn)，即在小降雨強(qiáng)度條件下(降雨量＜18．8 mm)降雨入滲系數(shù)隨著降雨量增大而增大，在中等降雨條件下(降雨量＞18．8 mm)降雨入滲系數(shù)隨著降雨量增大而減小，當(dāng)降雨量＞34．4 mm時(shí)，降雨入滲系數(shù)基本趨于穩(wěn)定值;黃龍洞巖溶水系統(tǒng)的泉流量延遲時(shí)間一直隨著降雨量的增大而呈增加趨勢(shì)。

根據(jù)高家坪隧道所在的南漳縣多年氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù):多年平均降雨量為916．2 mm，即多年日平均降雨量為2．5 mm/d，多年5月日平均降雨量為3．1 mm/d，多年7月日平均降雨量為5．8 mm/d，降雨類型主要以中雨為主，多年中雨日平均降雨量為12 mm/d，日極端最大降雨量為214．4 mm/d，根據(jù)圖7可以得出黃龍洞巖溶水系統(tǒng)在不同降雨條件下的降雨入滲系數(shù)與泉流量延遲時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)表2，其中日極端最大降雨量下的泉流量延遲時(shí)間，根據(jù)降雨量與泉流量延遲時(shí)間規(guī)律，并結(jié)合對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦恼{(diào)查訪問(wèn)情況，最終確定為5 d。

表2 黃龍洞巖溶水系統(tǒng)降雨入滲系數(shù)與泉流量延遲時(shí)間的關(guān)系Table 2 Relationship of rainfall infiltration coefficient and delayed time of spring discharge of the karst water system in Huanglongdong

下埫子系統(tǒng)的匯水面約為0．66 km2，隧道正常涌水量采用多年中雨日平均降雨量12 mm/d，根據(jù)公式(1)計(jì)算得到隧道突水點(diǎn)正常涌水量為5 940 m3/d，而最大涌水量采用日極端最大降雨量214．4 mm/d，計(jì)算得到隧道突水點(diǎn)最大涌水量為13 216 m3/d。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)示蹤試驗(yàn)并結(jié)合隧道巖溶管道流發(fā)育特征調(diào)查，查明了高家坪隧道ZK45+995 m處突水點(diǎn)的補(bǔ)給來(lái)源于隧道北側(cè)的下埫洼地，補(bǔ)給區(qū)面積為0．66 km2，該突水點(diǎn)所處巖溶管道屬于黃龍洞巖溶水系統(tǒng)的西支，為單一巖溶管道類型，地下水最大流速為341 m/d，平均流速為244 m/d，地下水流速快，管道介質(zhì)相當(dāng)發(fā)育。

(2)劃分了黃龍洞巖溶水系統(tǒng)與干洞坪巖溶水系統(tǒng)的邊界，同時(shí)排除了干洞坪巖溶水系統(tǒng)未來(lái)對(duì)高家坪隧道可能帶來(lái)的涌突水影響。

(3)利用黃龍洞泉出口的流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用大氣降雨入滲系數(shù)法預(yù)測(cè)高家坪隧道ZK45+995 m處突水點(diǎn)未來(lái)可能遭遇的最大涌水量為13 216 m3/ d，正常涌水量為5 940 m3/d，為隧道防治水設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

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Karst Water System Identification and Water Inflow Prediction in Gaojiaping Tunnel

TIAN Qingchao1，WAN Junwei1，HUANG Kun1，ZUO Shuai1，LI Fanghua2
(1．School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan430074，China; 2．China Railway Siyuan Survey and Design Group Co．，Ltd．，Wuhan430063，China)

To find out the recharge source of the water inrush point at the ZK45+995 m of Gaojiaping tunnel in YiBao highway under construction and the hydrogeological conditions of the tunnel area and to predict water inflow based on the investigation and analysis of karst development law in the tunnel area，this paper carries out twice groundwater tracer tests．The results indicate that ZK45+995 m water inrush point under the supply comes from Xiashang karst depression on the northern side of the tunnel with the catchment area of 0．66 km2．The karst pipe at the water inrush point，the west branch of Huanglongdong karst water system，is the single karst pipe type，where the maximum velocity of the groundwater is 341 m/d with the average flow velocity of 244 m/d．As the groundwater flow rate is fast，the pipeline medium is well-developed．According to the tracer test of karst water system which divides the boundary between Gandongping and Huanglongdong karst water system，and based on the long-term precipitation and spring discharge monitoring data of Huanglongdong Spring and the method of rainfall infiltration，the paper predicts that the potential maximum and normal water inflow at ZK45+995 m water inrush point of the Gaojiaping tunnel in the future will be 13 216 m3/d and 5 940 m3/d．The paper provides the hydrogeological basis for the establishment of water prevention and control of tunnels．

Gaojiaping tunnel;karst water system;water inflow prediction;groundwater tracer test;rainfall infiltration method

X143;P641．134

ADOI:10．13578/j．cnki．issn．1671-1556．2016．05．003

1671-1556(2016)05-0013-07

黃 琨(1984—)，男，副教授，主要從事水工環(huán)領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。E-mail:hk80844536@163．com

2016-04-01

2016-05-11

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(41402204)

田清朝(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閹r溶水文地質(zhì)。E-mail:t691106208@126．com