水庫蓄水對(duì)鐵路隧道安全的影響

尚海敏 李 翔 陳則連 李國和

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

近年來，隨著交通及水利工程的快速發(fā)展，我國山區(qū)修建了大量水庫[1-6]。受線形、地質(zhì)等因素的限制，某些隧道工程必須穿越水庫所在山區(qū)。一方面，水庫蓄水會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；另一方面，隧道開挖將成為地表水和地下水新的集水廊道，改變了原有的地下水循環(huán)系統(tǒng)，也會(huì)影響水庫的蓄水功能。目前，已有部分學(xué)者就水庫蓄水對(duì)隧道的安全影響進(jìn)行了相關(guān)研究。劉丹等[7]基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及資料分析，探討了華鎣山隧道排水引起的巖溶泉枯竭、水質(zhì)惡化、水土流失等一系列負(fù)效應(yīng)產(chǎn)生的原因。趙東平等[8]從力學(xué)角度分析了水庫蓄水對(duì)麻石山隧道安全的影響。侯偉等[9]基于GEO-SLOPE，分析了李家河水庫對(duì)西合高速公路深埋隧道的滲流影響。Alessandro Graziani、Daniela Boldini[11]通過解析法與數(shù)值法相結(jié)合的方法，分析了深埋隧道應(yīng)力—滲流耦合下的應(yīng)力和應(yīng)變問題[10-11]。段青龍等[12]從水庫與隧址區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及滲水特征等方面出發(fā)，研究了水庫蓄水對(duì)隧道安全的影響。以下結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料和勘探成果，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)理論評(píng)價(jià)法和數(shù)值分析法，分析大梁山隧址區(qū)施工期間地下水運(yùn)移特征變化及重分布狀態(tài)，定量評(píng)價(jià)水庫蓄滿水對(duì)隧道安全性的影響。

1 工程概況

大梁山隧道地處大梁山中山區(qū)及洪積扇區(qū)，走向?yàn)镹E，是某新建鐵路的控制性工程，隧道全長(zhǎng)13.395 km，最大埋深為430 m，左側(cè)緊鄰在建的懷安縣瓦溝臺(tái)水庫。隧址區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，沿線地形起伏較大，圍巖從Ⅰ級(jí)到Ⅴ級(jí)均有分布(以Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)為主)。洞身范圍內(nèi)的巖體主要為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，部分段落為花崗巖、閃長(zhǎng)巖、輝綠巖和石英斑巖等，表層巖體受風(fēng)化影響，呈碎塊、砂土狀。受陽高-天鎮(zhèn)旋卷構(gòu)造帶及斷層(約14條)的影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，大部分具中等導(dǎo)水性，構(gòu)成了隧道周邊地下水的集水和導(dǎo)水通道。

瓦溝臺(tái)水庫位于大梁山隧道西北側(cè)瓦溝臺(tái)與大南溝之間(見圖1)，壩體兩端位于基巖處，壩頂高程為1 038～1 040 m，庫底高程為1 025 m，設(shè)計(jì)壩高15 m。河道寬約200 m，河床覆蓋層大于25 m，下伏太古界斜長(zhǎng)片麻巖，河谷兩側(cè)均出露基巖，水庫周圍無斷裂構(gòu)造。

圖1 模擬區(qū)內(nèi)隧道與水庫的平面位置關(guān)系

隧道緊鄰水庫，最上游到隧道的垂直距離為

2.0 km，下游大壩到隧道的垂直距離為2.5 km。隧道底板低于蓄水位(按壩頂高程1 040 m考慮)的里程段為DK55+735～DK57+000段(設(shè)計(jì)高程為1 018～1 040 m)，其中隧道在DK56+724處于F030斷層分界(見圖2)。

圖2 隧址區(qū)工程地質(zhì)縱斷面(單位：m)

2 地下水流模型

隧道進(jìn)口DK55+735～DK56+724段巖性主要為第三系泥巖，透水性差，洞身內(nèi)幾乎無地下水，且該段與水庫之間被多條溝谷切斷(溝底高程為1 016～1 050 m)，起到一定的排水和阻水作用[16]。因此，水庫蓄滿水對(duì)大梁山隧道進(jìn)口DK55+735～DK56+724段基本無影響。

本次模型范圍為平面上圍繞大梁山隧道(里程DK56+724～DK59+600)，東臨F030正斷層，西為瓦溝臺(tái)水庫所在水系，南靠大梁山隧道南邊的地表分水嶺和溝谷，北至山前傾斜平原，總面積約8.63 km2。在垂向上，上部以地表為界，下部以節(jié)理裂隙不發(fā)育的基巖為界，總體模擬深度約為435 m。隧址區(qū)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，故假定模擬區(qū)內(nèi)地下水運(yùn)動(dòng)符合線性達(dá)西定律。大氣降水是模擬區(qū)地下水的主要補(bǔ)給源，山脊構(gòu)成了隧址區(qū)地下水的分水嶺。地下水接受大氣降水補(bǔ)給后，由大梁山山脊向西北和東北兩側(cè)徑流。區(qū)內(nèi)構(gòu)造較多，節(jié)理裂隙發(fā)育，使得地下水的排泄通道較多，不能以集中式泉水的方式排泄，而是多沿節(jié)理裂隙排泄于溝谷，成為區(qū)內(nèi)溝谷地表水的主要來源。采用韓巍等[1]小流域、泉域水均衡法進(jìn)行計(jì)算，確定研究區(qū)基巖山區(qū)大氣降水等效入滲系數(shù)約為0.16。當(dāng)?shù)啬昃邓考s為665 mm，通過計(jì)算可得，大氣降水入滲補(bǔ)給量約為106.4 mm/a。基于能量和質(zhì)量守恒定律，模擬區(qū)地下水流數(shù)學(xué)方程為

(1)

式中，D為滲流區(qū)域；H為含水層水位高程/m；K為含水層的滲透系數(shù)/(m/d)；B為潛水含水層底板高程/m；μ為潛水含水層在潛水面上的重力給水度；W為垂向水量交換強(qiáng)度/(m3/(d·m2))；H0(x，y)為含水層的初始水位分布/m；q(x，y，t)為研究區(qū)第二類邊界上的單寬滲流量/(m2/d)；H1為研究區(qū)第一類邊界已知水頭函數(shù)/m；n為邊界外法線方向；α、β為常數(shù)。

采用有限差分方法求解上述數(shù)學(xué)方程組，模型的識(shí)別與驗(yàn)證通過反復(fù)試錯(cuò)法完成，以校正模型的主要參數(shù)(包括滲透系數(shù)、給水度和彈性釋水系數(shù))。由于缺乏詳盡的地下水位觀測(cè)資料，模擬區(qū)初始穩(wěn)定流場(chǎng)通過二維滲流有限差分的方法來模擬。本次校正選取了線位上觀測(cè)孔的穩(wěn)定水位，擬合結(jié)果見圖3和表1。

圖3 模擬區(qū)穩(wěn)定初始流場(chǎng)(單位：m)

表1 實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位對(duì)比

由圖3和表1可知，模擬的初始穩(wěn)定流場(chǎng)與山體表面地形總體一致，反映了地下水的補(bǔ)、徑、排特征；與觀測(cè)孔實(shí)測(cè)水位對(duì)比，觀測(cè)孔14-ZD-158的水位擬合絕對(duì)誤差為0.46 m，觀測(cè)孔14-ZD-153-1的水位擬合絕對(duì)誤差為0.59 m，擬合誤差小于1 m，精度較高。由此優(yōu)選所得的水文地質(zhì)參數(shù)見表2。水文地質(zhì)參數(shù)與水文地質(zhì)條件基本相符，能夠反映模擬區(qū)內(nèi)地下水含水系統(tǒng)特征。

表2 模擬區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)值

3 水庫蓄水對(duì)隧道的影響分析分析

3.1 隧道開挖后地下水位平面分布

在隧道施工過程中，為了防止突水、涌水等災(zāi)害的發(fā)生，需及時(shí)將地下水位控制在隧道洞底以下。隧道DK56+724～DK57+000段洞底高程低于水庫蓄滿水高程(1 040 m)，該段水位降至洞底以下的地下水流運(yùn)動(dòng)方向模擬情況如圖4所示。由圖4可知，地下水位降至洞底后，隧址區(qū)形成新的排水通道，周邊地下水明顯向隧道內(nèi)匯集，隧道周邊的水力坡度明顯增大，等水位線分布密集。瓦溝臺(tái)水庫和隧道DK56+724～DK57+000段位于不同的地下水流系統(tǒng)中，它們之間的水力聯(lián)系并不緊密。從地下水位降深(見圖5)也可以看出，水位降深影響半徑雖然跨越了大梁山分水嶺，但未到達(dá)瓦溝臺(tái)水庫。

圖4 降低水位后地下水流方向(黑線為從水庫至隧道的剖面位置)(單位：m)

圖5 降低水位后地下水位降深(單位：m)

3.2 隧道開挖后地下水位剖面分布

為了直觀分析水庫蓄滿水后對(duì)周邊地下水位的動(dòng)態(tài)變化影響，以水庫至隧道DK56+800的剖面為例，分別選取1年、2年、5年、10年來模擬地下水滲流場(chǎng)分布情況，結(jié)果見圖6。

由圖6可以看出，瓦溝臺(tái)水庫蓄滿水后，其周邊地下水位動(dòng)態(tài)變化特征為初始上升速度較快，隨后逐漸變緩直至穩(wěn)定。

水庫與周圍地下水之間補(bǔ)排關(guān)系：在開始階段，水庫水位高于其周邊地下水，在水力梯度作用下，水庫水向庫岸四周滲流，歷時(shí)近2年后，水庫水位低于其周邊地下水，在水力梯度作用下，地下水向水庫排泄。通過模擬計(jì)算，地下水平均流速為0.009 m/d，地下水從大梁山山脊流動(dòng)到水庫的等效時(shí)間約為440年，遠(yuǎn)大于水力聯(lián)系發(fā)生轉(zhuǎn)變的時(shí)間。因此，可以認(rèn)為出水庫水與大梁山山脊東側(cè)地下水水力聯(lián)系很弱。

圖6 水庫蓄水后地下水流場(chǎng)