巖溶區(qū)某高速公路隧道地下河最大涌水量的確定

覃蘭麗，張?jiān)屏?/p>

（廣西壯族自治區(qū)桂林水文工程地質(zhì)勘察院，廣西桂林541002）

巖溶區(qū)某高速公路隧道地下河最大涌水量的確定

覃蘭麗*，張?jiān)屏?/p>

（廣西壯族自治區(qū)桂林水文工程地質(zhì)勘察院，廣西桂林541002）

廣西大部分地區(qū)屬典型的喀斯特地貌，地下河發(fā)育，以西南巖溶地區(qū)某高速公路隧道穿越地下河為例，分析巖溶地下水動(dòng)態(tài)特征，采用3種方法計(jì)算地下河最大涌水量，為設(shè)計(jì)、施工提供必要的水文參數(shù)，為采取科學(xué)的方法解決隧道水患問題提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

巖溶；隧道；地下河；最大涌水量

1　隧道及巖溶地下河概況

隧道為分離式長(zhǎng)隧道，全長(zhǎng)1070m，左、右線縱坡均為1.9%。位于峰叢洼地地貌，區(qū)域地下水類型屬裸露型巖溶水，富水性中等。2013年11月，開挖左線隧道時(shí)揭露巖溶地下河，水面標(biāo)高408.4m，水深約25m；水清、無色無味；完全揭露后，巖溶地下河水面寬13～15m，走向與左線隧道走向呈40°斜交。抽水5h，水位未發(fā)生變化。為不影響工期，施工方采用洞渣直接回填巖溶地下河，在大、暴雨時(shí)節(jié)，地下水上涌，上涌最大高度為開挖路面標(biāo)高（409.31m）以上約0.5m，沿隧道開挖面流出時(shí)間約1～5d。

2　巖溶地下水動(dòng)態(tài)特征

區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)主要受大氣降雨的影響。區(qū)內(nèi)巖溶地下水動(dòng)態(tài)以劇變型為主。在降大、暴雨后，地表水、地下水由北向南匯入洼地；地下水位迅速上升，流量急劇增大。明流在北部洼地巖溶地下河伏流入口（S2）進(jìn)入地下，穿過山體后，在東南部洼地巖溶地下河伏流出口（S1）流出，轉(zhuǎn)為明流。伏流段地下水排泄比明流排泄暢通性差，導(dǎo)致洼地形成內(nèi)澇洪淹，洼地積水，水深1～2.0m。開挖隧道揭露的巖溶地下河流量特征與巖溶峰叢洼地、谷地巖溶地下河流量分布特征相似。表現(xiàn)在豐水期水量大，枯水期流量小，流量變化大，水位變幅大、時(shí)空分布不均等特點(diǎn)。

3　地下河最大涌水量計(jì)算

經(jīng)調(diào)查分析，隧道開挖揭露的巖溶地下河是多條匯水于S2-S1巖溶地下河的其中一條。對(duì)其水位標(biāo)高和流量影響較大的是隧道西、西北側(cè)巖溶山區(qū)，尤以降雨滲入、集中經(jīng)洼地匯聚巖溶地下河的影響較大。本次做巖溶地下河連通試驗(yàn)，在地下河流動(dòng)天窗（S4）投入大量木屑和稻草（1～2cm），分別在第9d和26d在隧道內(nèi)地下河（S3點(diǎn)）及S1點(diǎn)發(fā)現(xiàn)有木屑、稻草流出，從而確定S4-S3-S1為連通關(guān)系。

同一天實(shí)地測(cè)量S1水面標(biāo)高為395.78m，S2水面標(biāo)高為406.12m，S3水面標(biāo)高為409.31m（路面最終標(biāo)高409.80m），S4水面標(biāo)高為410.42m；圖上測(cè)量S1至S2的直線距離為650m，S4至S1距離為890m，見圖1。自然狀態(tài)下S2至S1地下水水力坡度i=（406.12-395.78）÷650=1.6%。地下河天窗S4至伏流出口S1水力坡度i=（410.42-395.78）÷890=1.64%。長(zhǎng)期的地質(zhì)地貌發(fā)展和長(zhǎng)期的巖溶管道發(fā)育，使地下水遵循阻力最小，最暢通的排泄通道運(yùn)移，這符合自然規(guī)律，也符合該地下水流場(chǎng)。

下面用斷面法、降雨滲入?yún)R流法及地下水徑向輻合和徑向輻射法分別計(jì)算地下河S3處100年一遇最大涌水量。

3.1斷面法

（1）地下河可通過的最大流量計(jì)算。巖溶地下河伏流出口S1處，已修建有人工擋水壩，壩上有2個(gè)矩形狀決口，橫斷面矩形寬B1=1.8m，高h(yuǎn)1=0.45m，橫斷面B2=1.20m，高h(yuǎn)2=0.45m，水深0.40m；伏流入口S2以上有多道漿砌石攔水壩，現(xiàn)已沖垮，形成近似矩形決口，寬1.1m，高0.8～1.20m，水深0.22m。利用以上數(shù)據(jù)計(jì)算隧道建成后地下河S3處可通過的最大流量Q′（測(cè)量時(shí)水面標(biāo)高為409.31m，該處路面標(biāo)高409.80m）。

圖1　水文計(jì)算簡(jiǎn)圖（注：圖中標(biāo)高均為水面標(biāo)高）

采用矩形堰堰測(cè)流量法公式計(jì)算：

Q=0.018Bh3/2

式中：Q——過堰流量，L/s；

B——堰檻寬，cm；

h——過堰水深，cm；

0.018——流量系數(shù)。

①伏流出口S1流量：

Q1=0.018 B1h13/2+0.018 B2h23/2

=0.018×180×403/2+0.018×120×403/2

=1366.10（L/s）（即4917.97m3/h）

②伏流入口S2地表水流量：

Q2=0.018 B2h23/2

=0.018×110×223/2=204.31（L/s）（即735.53m3/h）

③伏流出口S1地下水流量：

Q=Q1-Q2=1366.10-204.31=1161.79（L/s）（即4182.44m3/h）

④經(jīng)隧道地下河S3處，地下水過水?dāng)嗝鍸1= 1600m（垂直地下水流向，至分水嶺），單位寬度（m）內(nèi)過水流量q=Q÷L1=1161.79÷1600=0.726（L/s）（即2.614m3/h）。

⑤隧道巖溶地下河處，地下河水S3最大流量（Q′）。地下水上游匯水至隧道地下河S3處斷面長(zhǎng)L2= 760m，由 Q′=L2×q=760×0.726=551.76（L/s）（即1986.34m3/h）。

（2）計(jì)算地下河水（S3）的最大涌水量。經(jīng)實(shí)地調(diào)查并訪問幾位60～70歲村民，封閉巖溶洼地內(nèi)（S4所在洼地）有村民種植的玉米，幾十年從未被水淹過，根據(jù)洼地標(biāo)高及天窗S4內(nèi)地衣和苔蘚生長(zhǎng)特點(diǎn)，并實(shí)地測(cè)量，確定S4最高水位標(biāo)高約為Hmax=413.70m（相當(dāng)于50年一遇），因隧道設(shè)計(jì)年限為100年，將50年一遇的洪水標(biāo)高再抬高1.0m，即H100=Hmax+1.0=414.70m（主要參考隧道出口北側(cè)村民老房子的標(biāo)高，并含有一定的安全系數(shù)）。由此按地下水水力坡度1.64%計(jì)算，得出S1水位標(biāo)高為H=414.70-（890×0.0164）=400.10（m），根據(jù)地形標(biāo)高、攔水壩及近似矩形明流溝渠特點(diǎn)，可假定成B=2.0m，H=2.27m的矩形堰口。S2水位標(biāo)高為H= 400.10+（650×0.016）=410.50（m），可假定成B=1.5m，H=1.25m的矩形堰口。再用矩形堰堰測(cè)流量法公式計(jì)算得：

①伏流出口S1流量：

Q1=12312.36L/s（即44324.49m3/h）

②伏流入口水S2流量：

Q2=3773.36L/s（即13584.09m3/h）

③伏流出口S1地下水流量：

Q=Q1-Q2=8539L/s（即30740.4m3/h）

④經(jīng)隧道地下河S3處，地下水過水?dāng)嗝鍸1= 1600m，單位寬度（m）內(nèi)過水流量q=Q÷L1=8539÷ 1600=5.34（L/s）（即19.22m3/h）。

⑤隧道巖溶地下河處，地下河水S3最大流量（Q′）。地下水上游匯水至隧道地下河S3處斷面長(zhǎng)L2= 760m，由 Q′=L2×q=760×5.34=4058.4（L/s）（即4.058m3/s）。

隧道內(nèi)最大涌水量：

Q100=4058.4-551.76=3506.64（L/s）（3.506m3/s）。

3.2降雨滲入?yún)R流法

Q100=F100·A·α·t-1

式中：Q100——100年一遇最大涌水量，m3/s；

F100——100年一遇最大日降水量，10-3m，按天等縣歷史實(shí)測(cè)記錄資料，最大日降水量172mm（1955年）代替；

A——巖溶地下河匯水面積，106m2；共2.535km2，其中巖溶區(qū)（A1）約2.0km2，碎屑巖和粘性土區(qū)（A2）約0.535 km2；

α——降水入滲系數(shù)，巖溶區(qū)取α1=0.45，碎屑巖區(qū)和粘性土區(qū)取α2=0.15；

t——實(shí)際調(diào)查降大、暴雨后，地下河水點(diǎn)出現(xiàn)最高水位（m）和最大涌水量時(shí)間，s；訪問和調(diào)查［在歷年的大、暴雨過程中，地下河伏流出口（S1）和大口井（S5）等主要地下水點(diǎn)水動(dòng)態(tài)特征］獲得時(shí)間為12h。

代入上式計(jì)算得：

Q100=F100×（A1×α1+A2×α2）t-1=172×10-3×（2×106× 0.45+0.535×106×0.15）×（12×3600）-1=3.9028（m3/s）

3.3地下水徑向輻合和徑向輻射法

Q100=2πLHK/ln（r2/r1）

式中：Q100——100年一遇最大涌水量，m3/s；

π——圓周率，取3.14；

L——地下水滲流距離，m，巖溶地下河流動(dòng)天窗處認(rèn)為由滲流轉(zhuǎn)管道流補(bǔ)給邊界條件，隧道S3至S4流動(dòng)天窗處取值300m；

H——滲流水頭，m，取值由地下河流動(dòng)天窗S4地下水位標(biāo)高414.70m，隧道巖溶地下河處地下水位水頭標(biāo)高降至路面底板約407.00m（均質(zhì)和網(wǎng)狀巖溶裂隙水均勻）為7.70m；

K——地下水所處塊段的滲透系數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)值，類比為清潔的礫石層，取經(jīng)驗(yàn)值7×10-2cm/s（即7×10-4m/s）；

r2——徑向輻合和徑向輻射流地下水的影響半徑，m，取至上游補(bǔ)給邊界，為3250m；

r1——徑向輻合和徑向輻射流的半徑，m，取由隧道地下河S3至S4地下河流動(dòng)天窗距離，即300m。

將數(shù)據(jù)代入上式，計(jì)算隧道巖溶地下河最大涌水量：

Q100=（2×3.14×300×7.7×7×10-4）÷ln（3250÷300）= 4.2621（m3/s）。

綜合以上，根據(jù)過水?dāng)嗝娣ㄓ?jì)算得到100年一遇最大涌水量為Q100=3.506m3/s，降雨滲入?yún)R流法計(jì)算得Q100=3.9028m3/s，地下水徑向輻合和徑向輻射流法計(jì)算得Q100=4.2621m3/s，3種方法計(jì)算的結(jié)果吻合得較好，計(jì)算結(jié)果可信。

4　結(jié)語

隧道揭露的巖溶地下河屬于S2至S1地下河的一條支流。除其上游有個(gè)別地下水點(diǎn)露頭外，其余隱蔽于巖溶山體內(nèi)，按照常規(guī)工作過程，需進(jìn)行一個(gè)水文年的詳細(xì)水文地質(zhì)專項(xiàng)勘察后，方能提供完整的水文地質(zhì)參數(shù)。限于工程建設(shè)時(shí)間緊迫（沒有一個(gè)完整水文年），我們采用以地下河伏流出口S1以上整個(gè)地下河系統(tǒng)的流量及其特征，按匯水面積、流量、水位變化等綜合因素進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)，計(jì)算隧道巖溶地下河S3處最大涌水量，為設(shè)計(jì)、施工提供了必要的水文參數(shù)，為采取科學(xué)的方法解決隧道水患問題提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

［1］《水文地質(zhì)手冊(cè)》編纂委員會(huì).水文地質(zhì)手冊(cè)［M］.2版.北京：地質(zhì)出版社，2012.

［2］《工程地質(zhì)手冊(cè)》編員會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［3］張人權(quán)，梁杏，靳孟貴，等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)［M］.6版.北京：地質(zhì)出版社，2011.

［4］程俊賢，熊炳坤，孔繁業(yè)，等.1∶20萬靖西幅區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告［R］.廣西壯族自治區(qū)水文工程地質(zhì)隊(duì)，1977.

［5］陳崇希，林敏.地下水動(dòng)力學(xué)［M］.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1999.

［6］袁道先，蔡桂鴻.巖溶環(huán)境學(xué)［M］.重慶出版社，1988.

U45

A

1004-5716（2016）07-0202-03

2016-03-25

2016-03-29

覃蘭麗（1980-），女（壯族），廣西來賓人，工程師，現(xiàn)從事礦山水文地質(zhì)詳查、地下水資源論證、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估等相關(guān)工作。