巴基斯坦某水電站隧洞涌水量預(yù)測分析

尹津航 賈 楨 劉向飛 張學(xué)東

滲水和突、涌水是隧洞施工中常見的水文地質(zhì)現(xiàn)象。大量的突、涌水往往給工程帶來許多困難和危害，甚至造成嚴(yán)重事故，大大影響施工進(jìn)度[1-2]，因此，隧洞涌水量的預(yù)測分析是工程設(shè)計中非常重要的組成部分。

關(guān)于隧洞涌水量預(yù)測，工程上應(yīng)用較多的是傳統(tǒng)理論公式法。許多專家學(xué)者在此基礎(chǔ)上，根據(jù)工程的具體情況，對傳統(tǒng)公式進(jìn)行了修正或引入一些新理論方法，取得了一定的成效[3]。此外，尚有涌水量曲線外推法、水文地質(zhì)比擬法等近似計算方法。但是，由于地下水分布是一個很復(fù)雜的系統(tǒng)，單獨一種方法并不能很準(zhǔn)確地進(jìn)行預(yù)測，因此，要多種方法相結(jié)合，來提高預(yù)測精度。

1 工程地質(zhì)背景

擬建水電站工程位于巴基斯坦北部山區(qū)，為引水式電站，設(shè)計水頭316 m，引水流量420 m3/s。采用平行雙洞布置，斷面呈圓形，直徑8.5 m，長度17 900 m。隧洞埋深多為300～1 000 m，最大埋深為1 150 m。

隧洞穿越地區(qū)地層為第三系中新統(tǒng)Murree 組和Kamlial 組，巖性以砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖及泥巖、劈理化泥巖為主。

隧洞沿線山嶺與河谷盆地相間分布，穿越2 個較大的分水嶺。工程區(qū)雨季大氣降水充沛，為地下水提供了豐富的來源。地層受新構(gòu)造運動的影響，褶皺、斷層及節(jié)理裂隙比較發(fā)育，為地下水的活動創(chuàng)造了空間條件。

隧洞穿越部位地下水類型主要為淺層基巖裂隙潛水、深層基巖裂隙潛水及承壓水。淺層基巖裂隙潛水以大氣降水滲入補給為主，主要賦存于基巖卸荷帶至弱風(fēng)化帶上限范圍內(nèi)。深層基巖裂隙潛水以淺層基巖裂隙水及地表徑流滲入補給為主，多賦存于向斜等大的儲水構(gòu)造中，可造成深埋隧洞開挖過程中突、涌水等較大的工程危害。經(jīng)過初步勘察發(fā)現(xiàn)隧洞沿線存在著向斜構(gòu)造承壓水、單斜構(gòu)造承壓水、斷層帶承壓水及塊狀巖體中的承壓水等，這些承壓水的水頭往往較高，含水層多屬于裂隙含水層。

隧洞穿越2 個較大的分水嶺，沿線分布褶皺帶、喜馬拉雅前緣斷裂帶、多條斷層以及向斜、背斜等，以上構(gòu)造部位均有利于地下水的賦存，從巖性、構(gòu)造發(fā)育特征及勘探試驗資料等方面判斷，隧洞在構(gòu)造破碎帶附近、向斜核部地層局部可能發(fā)生承壓水和裂隙水集中式涌（突）水。

勘察期間，分別在輸水隧洞首部和中部完成了7 個鉆孔（ZKT1～ZKT7），在鉆孔中進(jìn)行了壓水試驗，結(jié)合前期勘察位于隧洞中部河谷中的BH18 號鉆孔壓水試驗資料，分析得到的巖體透水率隨深度變化的關(guān)系曲線如圖1 所示。

圖1 隧洞沿線巖體透水率隨鉆孔深度變化關(guān)系曲線

由圖1 可知：

（1）BH18 號孔位于隧洞中部河谷背斜的NE翼，埋深35～80 m 間的巖體為中等-強透水性，透水率為47～210 Lu，平均值為120 Lu。

（2）BH18 號孔埋深80～120 m 間的巖體為中等-強透水性，透水率為6.8～55 Lu，平均值為25 Lu。

（3）埋深120～300 m 間的巖體為弱透水性，透水率為0.78～18 Lu，平均值為3.9 Lu。

ZKT5 和ZKT7 兩個鉆孔埋深350～400 m 間的巖體為弱透水性，透水率為1.3～3.1 Lu，平均值為2.1 Lu。

在ZKT6 號鉆孔的鉆進(jìn)過程中，揭露到高水頭承壓水。

（1）在孔深184 m 處第一次遇到承壓水。最初，承壓水流量為1.66 L/g。隨著鉆進(jìn)，流量不斷增大，進(jìn)到孔深208.5 m 時，流量達(dá)到5.71 L/g。

（2）在對137 ～208.5 m 孔段進(jìn)行灌漿后繼續(xù)實施鉆進(jìn)，進(jìn)至孔深230 m 時，再次遇到了承壓水，最初的流量為1.5 L/g，隨著鉆進(jìn)，流量不斷增大，至孔深256.7 m 時，承壓水的流量增加到3.03 L/g。

根據(jù)臨近N-J 工程施工過程中揭露地下水情況，隧洞出水點多在砂巖與泥巖接觸面或沿大的節(jié)理裂隙出現(xiàn)，且多以滲水、滴水或線狀水流岀露，而在規(guī)模較大的節(jié)理裂隙密集帶及向斜構(gòu)造和穿河段有突、涌水現(xiàn)象。

2 隧洞涌水量估算

在不考慮排水防滲措施的前提下，對隧洞開挖時（施工期）最大涌水量進(jìn)行預(yù)測計算時分別采用以下兩種方法[2-3]：

（1）古德曼經(jīng)驗式：

（2）工程實踐總結(jié)的經(jīng)驗公式：

Qm=L（0.025 5+1.922 4KH）

計算穩(wěn)定涌水量時分別采用以下兩種方法：

（2）工程實踐總結(jié)的經(jīng)驗公式：

Qs=LKH（0.676-0.06K）

式中 Qm——隧洞最大涌水量，m3/d；

Qs——隧洞穩(wěn)定涌水量，m3/d；

L——隧洞長度，m；

K——巖體的滲透系數(shù)，m/d；

H——洞底以上含水體厚度，m；

d——洞身橫斷面的等價圓直徑，m；

R——隧洞涌水量影響寬度，取R=500 m；

計算中采用的透水率、滲透系數(shù)K 為鉆孔中壓水試驗統(tǒng)計平均值，最大涌水量和穩(wěn)定涌水量的計算結(jié)果（以樁號0+000—0+950 為例）見表1。

表1 涌水量計算結(jié)果表

通過表1 可知，樁號0+000—0+350 段穩(wěn)定單位涌水量為0.4～0.5 m3/（d·m），最大單位涌水量為1.2～1.9 m3/（d·m）；樁號0+350—0+950 段穩(wěn)定單位涌水量為2.8～3.1 m3/（d·m），最大單位涌水量為7.7～8.1 m3/（d·m），最大涌水量為穩(wěn)定涌水量的2～3倍。而對隧洞整體涌水量估算，一般洞段的穩(wěn)定單位涌水量6～9 m3/（d·m），隧洞中部河谷段的穩(wěn)定單位涌水量在50 m3/（d·m）左右。

上述估算僅按單條隧洞考慮，沒有考慮雙隧洞之間的相互影響和洞室開挖過程中預(yù)灌漿及支護(hù)的影響，且滲透系數(shù)采用鉆孔深度范圍內(nèi)的巖體平均透水率。因此，估算的涌水量要比實際涌水量大。考慮到隧洞圍巖透水層、隔水層相間分布或以夾層形式出現(xiàn)，且總體透水性較弱，均一性極差，所以估算開挖期的涌水量非常困難，因此，在分析、類比臨近N-J 工程（隧洞段距離擬建工程支線距離5～12 km）隧洞開挖揭露地下水情況的基礎(chǔ)上建議一般洞段的涌水量以2～4 m3/（d·m）計。在隧洞穿過斷層帶、向斜核部、斷層破碎帶及中部河谷段時推測涌水量將會較大，甚至?xí)l(fā)生突涌水。估計以上部位涌水量20～50 m3/（d·m）。

3 結(jié)論與建議

（1）擬建水電站隧洞段穿越地層以砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖及泥巖、劈理化泥巖為主，且隧洞穿越2 個較大的分水嶺，沿線斷層、褶皺帶等發(fā)育，工程區(qū)范圍內(nèi)雨季降水充沛，均有利于地下水的賦存，在構(gòu)造破碎帶附近、向斜核部地層可能發(fā)生承壓水和裂隙水集中式涌（突）水。

（2）通過估算一般洞段的穩(wěn)定單位涌水量、最大涌水量可知，最大涌水量約為穩(wěn)定涌水量的2～3倍，計算中按單條隧洞考慮，沒有考慮雙隧洞之間的相互影響和洞室開挖過程中預(yù)灌漿及支護(hù)的影響，且滲透系數(shù)采用鉆孔深度范圍內(nèi)的巖體平均透水率；因此，實際涌水量應(yīng)小于估算的涌水量。

（3）建議一般洞段的涌水量以2～4 m3/（d·m）計。在隧洞穿過斷層帶、向斜核部、斷層破碎帶及中部河谷段時推測涌水量將會較大，甚至?xí)l(fā)生突涌水。估計以上部位涌水量20～50 m3/（d·m）。

（4）施工時應(yīng)具備對涌水和突水現(xiàn)象的超前探測與處理能力。