侯神嶺隧道水文地質(zhì)勘察及涌水量預(yù)測

王 海

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030006)

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侯神嶺隧道水文地質(zhì)勘察及涌水量預(yù)測

王 海

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030006)

以侯神嶺特長隧道為例，通過水文地質(zhì)調(diào)繪、勘探以及試驗(yàn)等方法，綜合評(píng)價(jià)分析了隧道水文地質(zhì)特征，獲取了水文地質(zhì)參數(shù)，并采用地下水徑流模數(shù)法和地下水動(dòng)力學(xué)法，對(duì)隧道的涌水量進(jìn)行了預(yù)測，為隧道設(shè)計(jì)與施工提供了科學(xué)依據(jù)。

隧道工程，水文地質(zhì)，涌水量

侯神嶺隧道是山西省黎城—霍州高速公路沁源至霍州段的一條越嶺型隧道，分布于長治市西北部沁源縣境內(nèi)。隧道為左右分離式，右洞長4 735 m，起止里程為K105+505～K110+240，隧道底板最大埋深297.78 m；左洞長4 790 m，起止里程為ZK105+500～ZK110+290，隧道底板最大埋深294.25 m。左右線最大間距35 m，均屬特長隧道。隧道穿越的山體為一北西—南東向分水嶺，工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，圍巖以軟質(zhì)巖為主，洞體內(nèi)存在地下水，因此地下水對(duì)圍巖質(zhì)量的影響較嚴(yán)重。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

隧址區(qū)位于山西省中部太岳山東側(cè)，地貌單元為侵蝕剝蝕基巖中山區(qū)，區(qū)內(nèi)地形起伏較大，隧道穿越的山體為一北西—南東向分水嶺，分水嶺兩側(cè)基巖沖溝發(fā)育，多呈“V”字形。隧址區(qū)最高點(diǎn)標(biāo)高約為1 451 m，洞口與洞身最大高差約330 m。

1.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)地層主要為二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)、石千峰組(P2sh)和三疊系下統(tǒng)劉家溝組(T1l)。P2s地層分布于整個(gè)隧道洞身段，巖性為黃綠色、灰綠色石英砂巖與紫色、黃綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖互層；P2sh地層分布于隧道洞頂以上，上部巖性為暗紅色泥巖、砂質(zhì)頁巖互層，底部為厚層砂巖，總體上以軟巖為主；T1l地層分布于隧道頂部以上約80 m～120 m，巖性為暗～紫紅色長石砂巖、粉砂巖，上部夾薄層泥巖或砂質(zhì)泥巖，地層透水性強(qiáng)。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)大地構(gòu)造單元為沁水塊坳，Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元為郭道—安澤近南北向褶帶。隧道范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較簡單，巖層總體上向南東方向傾斜，產(chǎn)狀一般為110°～160°∠13°～15°，在隧道中部發(fā)育兩條較平緩的褶皺。

1.4 地下水類型

隧址區(qū)地下水類型為碎屑巖孔隙裂隙水，主要為各類碎屑巖，分布于二疊系和三疊系碎屑巖裂隙、孔隙之中，碎屑巖裂隙水的分布和賦存具有明顯的相對(duì)成層性和分布不均勻性等特征，本類地下水補(bǔ)給方式為大氣降水和上覆巖層的垂直補(bǔ)給，排泄方式為泉水溢流排泄。

2 隧址區(qū)水文地質(zhì)勘察

2.1 水文地質(zhì)調(diào)繪

隧址區(qū)范圍地表匯水可劃分為四處小流域，分別為前后南溝流域、南溝流域、趙家溝流域和永寧溝流域，匯水總面積為13.65 km2，這四處小流域內(nèi)出水點(diǎn)共計(jì)十六處，出水點(diǎn)類型均為泉點(diǎn)。

南溝流域分布的三處泉均位于石千峰組(P2sh)底部碎屑巖中，沿砂巖與薄層泥頁巖接觸面滲出，在空間上呈帶狀連續(xù)分布，單泉點(diǎn)流量為8.2 m3/d～13.8 m3/d；前后南溝流域和趙家溝流域共分布九處泉點(diǎn)，均位于上石盒子組(P2s)上部地層中，含水層為砂巖、泥質(zhì)砂巖，一般沿泥、頁巖隔水層頂部滲出，流量一般在2.3 m3/d～13.6 m3/d之間；永寧溝流域分布于隧址區(qū)南部區(qū)域，共有四處泉眼，其中一處位于劉家溝組(T1l)碎屑巖中，含水層主要為砂巖和泥質(zhì)砂巖，分布于石千峰組(P2sh)頂部隔水層之上，流量一般16.1 m3/d，另外三處泉點(diǎn)分布于石千峰組(P2sh)底部碎屑巖中，沿砂巖與薄層泥、頁巖接觸面滲出，在空間上沿地層線狀分布。各流域詳細(xì)情況見表1。

表1 流域水文調(diào)查及測量一覽表

2.2 水文地質(zhì)鉆探

1)圍巖段含水層特征。水文地質(zhì)鉆探揭示，洞身圍巖主要由碎屑巖含水巖組構(gòu)成，巖性為中粗粒砂巖、泥質(zhì)砂巖夾泥頁巖，圍巖含水巖組較為單一，地下水的徑流條件較為簡單，主要涉及到兩套地層。石千峰組(P2sh)地層，主要為透水性一般的砂巖、砂質(zhì)泥巖夾泥巖等組合，屬于區(qū)域主要的含水地層，鉆孔巖芯以短柱狀為主，裂隙較發(fā)育～不發(fā)育，貫通性較差。上石盒子組(P2s)地層，上部主要為透水性相對(duì)較弱的泥巖、砂質(zhì)泥巖，層間夾有薄層砂巖，裂隙不發(fā)育，屬于區(qū)域主要隔水層，下部以砂巖為主，裂隙較發(fā)育，貫通性一般。

2.3 黏膜下瘺管結(jié)扎術(shù)(submucosal ligation of fistula tract，SLOFT) SLOFT由印度醫(yī)生Pathak DU首先提出，基于LIFT原理使瘺管結(jié)扎點(diǎn)更接近黏膜，從而確切封閉內(nèi)口，盡可能消滅殘留管道。Pathak等[26]研究發(fā)現(xiàn)，13例患者中僅1例出現(xiàn)術(shù)后黏膜下膿腫，其余恢復(fù)良好，之后的13個(gè)月內(nèi)共治療80例，平均隨訪4個(gè)月，復(fù)發(fā)7例，成功率為91.2%，無術(shù)后大便失禁發(fā)生。但目前有關(guān)該術(shù)式治療效果的報(bào)道較少，確切治療效果有待更多研究進(jìn)一步證實(shí)。

2)地下水水位觀測。各鉆孔地下水水位見表2，地下水水位線總趨勢為北東向，顯示出山體中地下水向隧道進(jìn)口方向流動(dòng)。

表2 各勘探孔地下水埋深一覽表

2.3 水文地質(zhì)試驗(yàn)

隧址區(qū)共布設(shè)水文孔1個(gè)(ZK5)，對(duì)試驗(yàn)孔進(jìn)行了連續(xù)三次降深抽水試驗(yàn)及水位恢復(fù)水位觀測，水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3，Q，S—t歷時(shí)曲線見圖1。

采用單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)方法，公式如下：

R=10S。

其中，Q為鉆孔出水量，m3/d;K為滲透系數(shù)，m/d；M為含水層厚度，m；R為引用補(bǔ)給半徑，m；S為水位下降值，m；r為過濾器半徑，取r=100mm。

表3 三次降深水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算表

3 隧址區(qū)水文地質(zhì)特征

通過以上結(jié)果分析，隧道穿越的含水巖組僅有一種類型，即二疊系碎屑巖含水巖組，該含水巖組一般由多層含水層和隔水層組成，在局部地段表現(xiàn)為承壓水，富水程度弱～中等。洞頂為三疊系碎屑巖含水巖組，該含水巖組與二疊系碎屑巖含水巖組之間為區(qū)域隔水層。該區(qū)域隔水層厚60m～75m，巖性疊系石千峰組紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖，它在空間上呈連續(xù)分布，當(dāng)其在侵蝕面附近時(shí)成為二疊系碎屑巖含水巖組承壓水的隔水頂板，在侵蝕面以上時(shí)該承壓水轉(zhuǎn)變?yōu)榱严稘撍蛭⒊袎核?/p>

隧道中部發(fā)育一平緩向斜構(gòu)造，對(duì)隧址區(qū)地下水徑流排泄條件有一定影響，向斜核部具有較好的儲(chǔ)水條件，地下水順向斜兩翼的巖層向核部逐漸匯聚，當(dāng)?shù)叵滤怀鰠^(qū)域隔水層頂板時(shí)，首先在向斜核部形成承壓水頭，當(dāng)?shù)叵滤怀^含水體四周的侵蝕面后，地下水開始向含水體四周以泉形式排泄。

4 涌水量估算

4.1 涌水量計(jì)算方法

計(jì)算公式：Qs=M·A；M=Q′/F。

其中，Qs為隧道通過含水體段的正常涌水量，m3/d；M為地下徑流模數(shù),m3/(d·km2)；Q′為地下水補(bǔ)給的河流流量或下降泉流量,m3/d；F為與Q′的地表水或下降泉流量相當(dāng)?shù)牡乇砹饔蛎娣e，km2；A為有效集水面積，km2。

根據(jù)實(shí)測結(jié)果，Q′取147.4m3/d；F取13.65km2；A取29.5km2。

計(jì)算得M=10.8m3/(d·km2)。由于本隧道地表水暗流較多，未能全部測量，實(shí)際計(jì)算時(shí)按3倍M值計(jì)算(取32.4)。經(jīng)計(jì)算，隧址區(qū)總排泄量Qs=955.8m3/d。

2)地下水動(dòng)力學(xué)法。

采用斷面流量法、古德曼經(jīng)驗(yàn)公式和裘布依理論公式計(jì)算涌水量。

4.2 涌水量估算結(jié)果

根據(jù)洞體地層分布情況，將隧洞劃分為10個(gè)水文地質(zhì)段進(jìn)行涌水量估算，估算結(jié)果見表4，表5。

表4 左洞涌水量計(jì)算綜合成果表

表5 右洞涌水量計(jì)算綜合成果表

按以上涌水量計(jì)算結(jié)果，左、右洞每延米平均最大涌水量分別為0.865m3/(d·m)和q0=0.881m3/(d·m)，均屬于弱富水洞體。從計(jì)算結(jié)果看，斷面流量法和裘布依法結(jié)果比較接近，本次預(yù)測采用斷面流量法結(jié)果作為洞體正常涌水量推薦值，最大涌水量采用古德曼經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算結(jié)果。

5 結(jié)語

1)本文采用水文地質(zhì)調(diào)繪、水文地質(zhì)鉆探及試驗(yàn)的方法，分析了隧道洞體的水文地質(zhì)特征，確定了地下水類型為孔隙裂隙水。洞體圍巖主要為二疊系上石盒子組(P2s)砂巖夾泥頁巖，裂隙總體上不發(fā)育，泥頁巖具有較好的隔水性，因此圍巖富水性總體較弱；隧道中部發(fā)育一平緩向斜構(gòu)造，在含水層之上存在區(qū)域隔水層，使洞體中部地下水表現(xiàn)出承壓性。

2)通過對(duì)隧址區(qū)水文地質(zhì)條件的研究分析，采用斷面流量法、古德曼經(jīng)驗(yàn)公式和裘布依理論公式估算隧道涌水量，估算結(jié)果為左洞正常涌水量為1 338.96m3/d，右洞正常涌水量為1 358.56m3/d；最大涌水量采用古德曼經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算結(jié)果，即左洞最大涌水量為4 220.3m3/d，右洞最大涌水量為4 097.9m3/d。

3)本隧道洞體內(nèi)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，涌水量分段變化相對(duì)較大，總體上以弱富水洞體為主，在隧道中部段落富水程度已達(dá)到中等富水標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)隧道圍巖質(zhì)量影響較大。

[1]C.W.Fetter.應(yīng)用水文地質(zhì)學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]TB10049—2004，鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程[S].

[3] 任 佳，胡國忠，職曉陽，等.雞公山隧道水文地質(zhì)勘察分析及涌水量預(yù)測[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007(4):52-55.

The hydrology geology investigation and water inflow forecast of Houshenling tunnel

Wang Hai

(Shanxi Transportation Planning Survey and Design Institute, Taiyuan 030006, China)

Taking the Houshenling extra-long tunnel as an example, through the hydrology geology annotation, exploration and test and other aspects, this paper comprehensive evaluated and analyzed the tunnel hydrology geology characteristics, obtained the hydrology geology parameters, and used the groundwater runoff modulus method and groundwater dynamic research method, forecast the tunnel water inflow, offered scientific basis for tunnel design and construction.

tunnel engineering, hydrology geology, water inflow

1009-6825(2016)12-0151-03

2016-02-17

王 海(1984- )，男，工程師

U452.11

A