牛欄江引水工程巖溶隧洞涌水準(zhǔn)確性分析

羅雲(yún)豐， 鄭 捷， 魏良帥

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川 成都 611734； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心,四川 成都 611734； 3.電子科技大學(xué)成都學(xué)院，四川 成都 611731)

0 引言

隧道涌水量的預(yù)測計(jì)算方法很多，如水理統(tǒng)計(jì)法、水平衡法、地下水動力學(xué)法、地下徑流模數(shù)法等[1-5]，但目前對其進(jìn)行精確的預(yù)測難度還比較大，主要是因?yàn)樗淼雷鳛橐粋€復(fù)雜開放的非線性系統(tǒng)，人們對其的認(rèn)識還不夠充分和完善，所以隧道涌水量的預(yù)測不僅僅是單一因素就能解決，必須采用多種方法相結(jié)合，多種學(xué)科交叉的手段，才能提高預(yù)測精度[6-8]。張雷等[9]系統(tǒng)地闡述了隧道涌水量預(yù)測的各種方法，從各種方法的原理出發(fā)，闡明了它們的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件及其工程應(yīng)用情況。王建秀等[10]結(jié)合工程實(shí)例采用正演和反演方法計(jì)算了隧道涌水量，得到本質(zhì)上不同的結(jié)果。林傳年等[11]從巖溶蓄水模式角度揭示巖溶區(qū)易發(fā)生涌水的構(gòu)造機(jī)制，指出當(dāng)前地質(zhì)超前預(yù)報手段在涌水預(yù)報方面存在的問題。郭玉法等[12]用數(shù)值模擬方法進(jìn)行了某隧道涌水的預(yù)測研究，認(rèn)為數(shù)值模擬方法是進(jìn)行隧道涌水量預(yù)測的有效方法。曹廷[13]采用降水入滲法和地下水動力學(xué)法計(jì)算了隧道涌水量。吳治生[14]根據(jù)淺埋巖溶長隧道涌水量及地表泉的長期觀測資料，利用反演推導(dǎo)得出新的方法。

筆者以牛欄江—滇池引水工程中大五山隧段及大公山隧道段為例，在詳細(xì)了解研究區(qū)水文地質(zhì)的差異條件下，以巖溶地區(qū)隧道涌水量預(yù)測的理論研究現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，系統(tǒng)地分析了2種隧道涌水量預(yù)測方法的影響因素、優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍和條件，針對涌突水的預(yù)測準(zhǔn)確性，提出了相應(yīng)較合理的對比分析，根據(jù)最終的分析結(jié)果，可為此后在同類巖溶隧道中的涌水預(yù)測研究提供借鑒。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

研究區(qū)位于滇東巖溶高原，海拔2000～3000 m，在云南省昆明市東北部尋甸縣與昆明市之間，為云南高原的主體部分，屬金沙江、南盤江、元江流域的分水嶺地帶[15]。

大五山及大公山引水隧道所在區(qū)域地貌的形成經(jīng)過了地質(zhì)歷史上的多次構(gòu)造變動，直到中生代三疊紀(jì)才逐漸升高形成陸地。燕山運(yùn)動時期發(fā)生褶皺、斷裂并形成盆地，至中新世完成夷平階段。上新世末、更新世初期，伴隨著青藏高原的巨大隆起，開始大面積差別上升。在差別上升相對穩(wěn)定階段，以剝蝕為主，高原面上發(fā)育了一些盆地。以后，地面陸續(xù)上升，河流下切，形成連綿起伏的中山地貌，山脊頂部保留有殘存高原面。區(qū)內(nèi)地層出露較齊全，從元古界薊縣系-新生界第四系均有出露。研究區(qū)的地層巖性主要為灰?guī)r、白云巖等，以碳酸鹽為主。由于地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性的控制作用，地表巖溶較為發(fā)育，巖溶洼地常常形成負(fù)地形。優(yōu)越的地表匯水條件，使巖溶地下水的循環(huán)徑流交替作用更為強(qiáng)烈，地下暗河和溶洞在宰格組(D3zg)和陽新組(P1y)的灰?guī)r中發(fā)育最多，研究區(qū)多年的平均氣溫只有14 ℃，四季溫差小，晝夜溫差大，年平均降雨量為1360 mm，降雨量在季節(jié)上分配較為不均，枯季(10月-次年4月)降水量占15%，雨季(5-10月)降水量占85%。

水文條件上研究區(qū)屬金沙江水系，其中牛欄江是金沙江右岸較大的一級支流，發(fā)源于昆明市官渡區(qū)流經(jīng)云南省嵩明、馬龍、尋甸、曲靖、沾益、宣威、巧家、魯?shù)椤⒄殃枀^(qū)等11個縣(區(qū))及貴州省威寧縣，在昭通麻砂村匯入金沙江。

2 隧道涌水量預(yù)測方法及結(jié)果

2.1 預(yù)測方法

首先利用大氣降雨入滲系數(shù)法及地下水徑流模數(shù)法兩種預(yù)測方法對大公山隧洞及大五山隧洞進(jìn)行涌突水整體預(yù)測。部分隧段結(jié)合地下水動力學(xué)法，包括大島洋志公式、科斯加可夫公式以及鐵路勘測規(guī)范中經(jīng)驗(yàn)公式共同得出預(yù)測結(jié)果推薦值。

2.2 隧道涌水量預(yù)測結(jié)果

大公山隧洞K00+000～K10+809與K14+940～K26+997段正常涌水量為81331 m3/d，單位長度穩(wěn)定涌水量最大值出現(xiàn)在2號支洞暗河-F5段K6+100～945處，其值為0.000358 m3/(s·m)；采用地下水徑流模數(shù)法預(yù)測正常涌水量為81112 m3/d，單位長度正常涌水量最大值也出現(xiàn)在該段，值為0.000366 m3/(s·m)。以上預(yù)測分析是基于理想狀態(tài)下均質(zhì)含水層的結(jié)果。在汛期，巖溶管道及溶洞水在暴雨-大暴雨工況下極速增加，施工過程中具有極高的危險性。

大五山隧洞推薦隧道正常涌水量151742 m3/d，最大涌水量269514 m3/d，單位長度正常涌水量7.01 m3/d。其中推薦進(jìn)出口淺埋段K9+055～K17+679和K29+091～K30+702段采用大氣降水入滲法得出的涌水值，正常涌水量分別為98012、7500 m3/d，最大涌水量分別為196023、14999 m3/d。

3 隧洞涌突水預(yù)測準(zhǔn)確性及其影響因素分析

3.1 實(shí)際涌突水情況

施工完成后，大公山隧洞、大五山隧洞全長61362.25 m，實(shí)際涌水量15562 m3/h。出水支洞總計(jì)26個，進(jìn)出口段4個，其中共有8個支洞、2個進(jìn)口段、1個出口段預(yù)測準(zhǔn)確性極高(見表1)，大大超出目前國內(nèi)預(yù)測平均水平(見表1)其中大公山隧洞8號支洞，大五山隧洞4號支洞、6號支洞、8號支洞涌水量>1000 m3/h出水量較大，水量豐富。大公山隧洞支洞實(shí)際涌水量<500 m3/h的支洞占78%，實(shí)際涌水量處于500～1000m3/h的支洞占15%，實(shí)際涌水量>1000 m3/h的支洞占7%。大五山隧道各支洞中，實(shí)際涌水量<500 m3/h的支洞占47%，實(shí)際涌水量處于500～1000 m3/h的支洞占35%，實(shí)際涌水量>1000 m3/h的支洞占18%。

表1 大公山及大五山隧洞涌水量統(tǒng)計(jì)

3.2 隧洞涌突水量預(yù)測準(zhǔn)確性對比分析

由隧洞涌突水量預(yù)測結(jié)果與實(shí)際隧洞涌突水量進(jìn)行對比分析可知，大公山隧洞和大五山隧道的實(shí)際涌水量較預(yù)測涌水量偏小30%。其中，大公山隧洞實(shí)際涌水量較預(yù)測涌水量偏小57%，大五山隧洞實(shí)際涌水量較預(yù)測涌水量偏小6%。因此大公山隧洞的預(yù)測準(zhǔn)確率明顯低于大五山隧洞(見圖1、圖2)。

圖1 大公山隧洞預(yù)測涌水量與實(shí)際涌水量比值圖

圖2 大五山隧洞預(yù)測涌水量與實(shí)際涌水量比值圖

3.3 隧洞涌突水預(yù)測準(zhǔn)確性影響因素分析

3.3.1 地質(zhì)背景條件差異

3.3.1.1 地層巖性特征及地質(zhì)構(gòu)造的影響

不同地層條件對預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性影響進(jìn)行分別討論具體情況見表2。

由于巖溶現(xiàn)象在不同地層的發(fā)育情況不同，導(dǎo)致用相同的預(yù)測方法所得結(jié)果的準(zhǔn)確性差距明顯，寒武系地層中的預(yù)測結(jié)果相對準(zhǔn)確率較高。二疊系下統(tǒng)陽新組(P1y)、石炭系中統(tǒng)威寧組(C2+3)地層中的支洞預(yù)測結(jié)果與實(shí)際涌突水結(jié)果均偏大。其余穿過多個巖層的支洞，沒有明顯規(guī)律。由此在巖溶發(fā)育的長大隧洞涌突水預(yù)測中，建議其預(yù)測水量推薦值可據(jù)地層條件的不同按比例減小或增大。結(jié)合本次工程實(shí)例，在巖性比較單一的隧段可用隧洞涌突水量修正公式對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行修正。

表2 不同巖性對涌水量預(yù)測準(zhǔn)確性的影響

A=Qα

式中：A——涌突水預(yù)測量修正值，m3/d；Q——隧洞正常涌水量計(jì)算值，m3/d；α——修正系數(shù)，峨眉山玄武巖(P2β)地層、統(tǒng)陽新組(P1y)地層、威寧組(C2+3)地層、宰格組(D3zg)地層、寒武系地層的修正系數(shù)分別為：0.78、0.47、0.52、0.65、1。

3.3.1.2 研究區(qū)水文地質(zhì)單元劃分的影響

水文地質(zhì)單元是根據(jù)水文地質(zhì)條件的差異性而劃分的若干個區(qū)域。對于隧洞內(nèi)的涌水情況，通過對巖溶地下水系統(tǒng)的研究，大致可以確定各巖溶地下水系統(tǒng)對隧洞涌水量的影響，水文地質(zhì)單元的范圍確定一般由現(xiàn)場探勘并結(jié)合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)報告中得出，其影響范圍人為劃分計(jì)算所得。由于研究區(qū)處于巖溶非常發(fā)育的地區(qū)，雖然在總體上能對其水文地質(zhì)單元進(jìn)行劃分，但由于巖溶地區(qū)地下巖溶發(fā)育情況是極為復(fù)雜的，導(dǎo)致其在具體支洞預(yù)測時準(zhǔn)確性不高。只有在準(zhǔn)確劃分巖溶水文地質(zhì)單元的基礎(chǔ)上，結(jié)合一些其它的研究，方能較為準(zhǔn)確地對隧洞涌水量進(jìn)行預(yù)測。

3.3.2 研究區(qū)涌突水預(yù)測方法選取

大公山與大五山隧洞都分別用不同方法對各地層進(jìn)行了涌水量預(yù)測，但在其預(yù)測結(jié)果最終選取上，大公山隧洞各支洞涌突水量推薦值以大氣降雨入滲法所得結(jié)果為主，地下水動力學(xué)法所得結(jié)果為輔。而大五山隧洞則與之相反，其推薦值以地下水動力學(xué)法所得結(jié)果為主大氣降雨入滲法所得結(jié)果為輔。結(jié)合施工完成后實(shí)際涌突水情況可以看出大五山隧洞的預(yù)測準(zhǔn)確性更高。因此，每種預(yù)測方法都有自己使用條件，在具體情況下，要綜合分析其水文地質(zhì)情況，選擇分析其最適方法，這樣才能得出更準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。

3.3.3 研究區(qū)涌突水計(jì)算參數(shù)選取

只要根據(jù)實(shí)際情況準(zhǔn)確地選取技術(shù)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性一定會提高。但是如何準(zhǔn)確地選取計(jì)算參數(shù)又是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程。如隧洞涌水影響半徑R的確定，由于其地層的復(fù)雜多變性，在一個水文地質(zhì)單元內(nèi)，統(tǒng)一的選用一個含水層滲透系數(shù)便不能對其影響半徑進(jìn)行正確的評估，因此要綜合考慮研究區(qū)的各種水文地質(zhì)條件，進(jìn)行合理細(xì)分和取值。所以，只有結(jié)合實(shí)際情況，對隧址影響范圍內(nèi)的各種基本參數(shù)進(jìn)行更加準(zhǔn)確的確定，才能保證預(yù)測的準(zhǔn)確性。

3.3.4 研究區(qū)隧道涌水影響范圍確定

根據(jù)調(diào)查人員現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果，再結(jié)合具體公式對隧道涌水的影響范圍進(jìn)行劃分，故涌水影響范圍的確定存在自然因素(客觀因素)和人為因素的干擾。

3.3.4.1 自然因素(客觀因素)

巖溶地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜多變，而前期基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、鉆孔勘查局限性較大，難以查明巖溶地區(qū)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶發(fā)育特征，而最重要的巖溶地下水含水巖組類型、特點(diǎn)、補(bǔ)徑排條件、水力聯(lián)系系統(tǒng)等水文地質(zhì)條件都難以準(zhǔn)確確定，因此其影響范圍的確定往往偏大或偏小。

3.3.4.2 人為因素

在隧洞建設(shè)過程中和隧洞建設(shè)完成后，由施工對原始地層造成的人為變動，必然導(dǎo)致其地下水與周圍環(huán)境之間水力聯(lián)系發(fā)生改變。在計(jì)算過程中必須考慮不同時期的影響范圍，具體量化。

4 結(jié)論

(1)大公山隧洞和大五山隧道的實(shí)際涌水量較預(yù)測涌水量偏小30%。其中，大公山隧洞實(shí)際涌水量較預(yù)測涌水量偏小57%，大五山隧洞實(shí)際涌水量較預(yù)測涌水量偏小6%。因此大公山隧洞的預(yù)測準(zhǔn)確率明顯低于大五山隧洞。

(2)影響巖溶隧洞涌突水預(yù)測準(zhǔn)確性的五大主控因素分別為：研究區(qū)地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)單元的劃分、涌突水預(yù)測方法的選取、計(jì)算參數(shù)的選取、隧道涌水影響范圍的確定。其中研究區(qū)地層巖性、預(yù)測方法及計(jì)算參數(shù)的選取的影響最為明顯，地層巖性的不同，直接影響計(jì)算過程中隧道涌水影響范圍的確定，從而對計(jì)算參數(shù)和預(yù)測方法的選取產(chǎn)生進(jìn)一步影響，應(yīng)根據(jù)不同地層選取不同預(yù)測方法及計(jì)算參數(shù)，最后通過修正系數(shù)進(jìn)行涌水量最終確定。

(3)建議其預(yù)測水量推薦值可據(jù)地層條件的不同按比例減小或增大。結(jié)合本次工程實(shí)例，在巖性比較單一的隧段可用隧洞涌突水量修正公式A=Qα對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行修正，針對峨眉山玄武巖(P2β)、統(tǒng)陽新組(P1y)、威寧組(C2+3)、宰格組(D3zg)、寒武系地層，修正系數(shù)分別為0.78、0.47、0.52、0.65、1。從而整體提高巖溶地區(qū)長大隧洞涌突水預(yù)測準(zhǔn)確性。