新建鄭萬鐵路小三峽隧道水文地質(zhì)條件分析及涌水量預(yù)測(cè)

楊東強(qiáng)

摘? 要：小三峽隧道地處高中山區(qū)，為鄭州至萬州鐵路關(guān)鍵性控制工程之一，全長18.13 km，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件均較為復(fù)雜，特別是會(huì)遇到石灰?guī)r溶地區(qū)的大斷面隧道工程建設(shè)。該文在野外勘察的基礎(chǔ)上，采用地下水徑流模數(shù)法及地下水動(dòng)力學(xué)法對(duì)隧道涌水量進(jìn)行了計(jì)算預(yù)測(cè)，為隧道設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：小三峽隧道;巖溶;水文地質(zhì)特征;涌水量預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：U452? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 概況

1.1 工程概況

新建鄭萬鐵路小三峽隧道隧址區(qū)以奉節(jié)與巫山縣界山脊為地表分水嶺，巫山縣境為大寧河流域，奉節(jié)縣境為草堂河流域，隧道起止里程為DK665+870～DK684+000，總長18.13 km。隧道進(jìn)口位于巫山縣北東約6.5 km處，處于長江支流大寧河右岸，隧道出口位于奉節(jié)縣北東約27.3 km處，隸屬于奉節(jié)縣雙潭鄉(xiāng)新房村境內(nèi)。隧道最高標(biāo)高位于隧道中部齊耀山背斜軸部山脊，標(biāo)高約1 770 m，最低處為隧道進(jìn)口大寧河沿線，標(biāo)高165 m，相對(duì)高差約1 605 m。

1.2 氣象

隧址區(qū)位于奉節(jié)縣東部與巫山縣接壤地帶，該地段屬溫濕的中亞熱帶氣候，氣候受地形影響十分顯著，冬季溫和，夏季炎熱，雨量充沛，四季分明。年平均氣溫18.4 ℃，最冷的1月份平均氣溫為7.1 ℃，最熱的7月份平均氣溫為29.3 ℃;年平均降雨量在1 026.7 mm～1 423.7 mm，月最大降雨量343.8 mm～453.1 mm，日最大降雨量94.3 mm～141.4 mm。

2 隧道地質(zhì)特征

2.1 地層巖性

隧道工程范圍涉及主要巖性為第四系全新統(tǒng)（Q4）土層，主要為沖、洪、坡積塊、碎石土、漂（卵）石土及粉質(zhì)黏土等，三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）砂巖、泥巖及頁巖，三疊系中統(tǒng)巴東組（T2b）泥巖、泥灰?guī)r及灰?guī)r，三疊系下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及角礫狀灰?guī)r，三疊系中統(tǒng)大冶組（T1d）頁巖、泥灰?guī)r及灰?guī)r，其中可溶性巖層為三疊系中統(tǒng)巴東組三段（T2b3）、一段（T2b1）、下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）和大冶組（T1d）地層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等組成。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

測(cè)區(qū)跨越新華夏系第三隆起帶和第三沉降帶之接合部位，齊耀山基底大斷裂通過該區(qū)，在該區(qū)域形成齊耀山背斜，在背斜兩側(cè)形成“人”字形構(gòu)造體系，齊耀山背斜南東側(cè)形成北東向構(gòu)造，齊耀山背斜北西側(cè)形成弧形構(gòu)造，其構(gòu)造形式以褶皺變形為主，而斷裂較少見，區(qū)域一級(jí)褶皺構(gòu)造均呈北北東向展布，背斜形態(tài)以箱形為主，相間狹窄的向斜，組成隔槽式褶皺。

3 隧道水文地質(zhì)特征

3.1 地下水的類型及分布特征

3.1.1 地下水類型

根據(jù)巖性、地下水分布形式和水理性質(zhì)和水動(dòng)力特征，將區(qū)內(nèi)的地下水分類型劃分為：松散堆積層孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和碳酸巖類巖溶水等3種類型，對(duì)隧道工程有影響的為后2種。

3.1.1.1 碎屑巖類孔隙裂隙水

主要賦存于測(cè)區(qū)須家河組、巴東組二段和四段的砂巖、粉砂巖中，該類地下水多賦存于節(jié)理裂隙、層理間隙和巖體孔隙中，該類地下水多以散流形式進(jìn)行排泄，調(diào)查發(fā)現(xiàn)該類地下水泉點(diǎn)15個(gè)，流量一般為0.015 L/s～0.72 L/s，分布標(biāo)高一般為400 m～1150 m，該類巖組的大氣降水入滲系數(shù)約0.07，地下水枯季徑流模數(shù)為0.1 L/s.km2～0.50 L/s.km2。

3.1.1.2 碳酸巖類巖溶水

主要賦存于三疊系中統(tǒng)巴東組三段（T2b3）、一段（T2b1）、下統(tǒng)嘉陵江組（T1j ）和大冶組（T1d）地層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r中，為區(qū)內(nèi)的相對(duì)含水層，對(duì)隧道影響顯著。該地區(qū)溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，在地表以巖溶槽谷和溶蝕洼地、落水洞等垂直溶蝕地貌景觀產(chǎn)出，據(jù)調(diào)查，區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)該類地下水排泄點(diǎn)152個(gè)，其中暗河出口12個(gè)，地下水流量介于0.03 L/s～175 L/s，流量總值約為457.53 L/s;巖溶泉點(diǎn)140個(gè)，流量介于0.005 L/s～157.19 L/s，流量總值約為1 162.27 L/s。區(qū)內(nèi)該類巖組的大氣降水入滲系數(shù)約為0.25～0.58，其中，巴東組三段和一段泥質(zhì)灰?guī)r出露條件好，枯季徑流模數(shù)為3 L/S.km2～6 L/S.km2;而嘉陵江組和大冶組巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，枯季徑流模數(shù)大于6 L/S.km2。

3.1.2 含水巖組

將三疊系中統(tǒng)巴東組三段（T2b3）劃分為Ⅰ號(hào)含水層，三疊系中統(tǒng)巴東組一段（T2b1）、三疊系下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）和大冶組（T1d）劃分為Ⅱ含水層。

3.1.2.1 Ⅰ號(hào)含水層

含水層厚280 m～370 m，出露面積約為45.98 km2，地表多以溶溝、溶孔和溶穴等巖溶現(xiàn)象為主，據(jù)調(diào)查，該含水層泉點(diǎn)共27個(gè)，出露標(biāo)高224～1180 m，流量介于0.017 L/s～25 L/s，流量總值166.13 L/s，其中大于1 L/S的有15個(gè)。地表水匯集溪溝流流量約為19.45 L/s。地下水枯季徑流模數(shù)為4.81 L/S.km2，富水性中等，該含水層入滲系數(shù)約為0.25。

3.1.2.2 Ⅱ含水層

為隧址區(qū)內(nèi)主要含水層，含水層厚900 m～1 900 m，主要分布于隧道進(jìn)口至DK672+870一帶，出露面積約為194.33 km2，巖溶化程度極高，地表常發(fā)育溶蝕洼地、暗河、落水洞、槽谷和溶洞等大型巖溶形態(tài)，據(jù)調(diào)查，該含水層共出露地下暗河11條，流量介于0.03 L/s～157 L/s，流量總值為233.53 L/s。出露泉點(diǎn)103個(gè)，流量介于0.005 L/s～80 L/s，流量總值為487.608? L/s，其中大于20 L/s的有8個(gè)，1 L/s～20 L/s的7個(gè)。地表水匯集溪溝流流量約為745.027 L/s。地下水枯季徑流模數(shù)為7.58 L/s.km2，富水性強(qiáng)，該含水層入滲系數(shù)約為0.44～0.58。

3.2 地下水補(bǔ)徑排條件

區(qū)內(nèi)地下水主要以大氣降水補(bǔ)給為主，其徑流、排泄方向受地層巖性、構(gòu)造、地形切割的控制，主要向2個(gè)方向排泄。具體表現(xiàn)為：Ⅰ水文地質(zhì)單元主要是在以巫山與奉節(jié)縣交界山嶺以東，地下水主要是順構(gòu)造跡線由西向西排泄至大寧河;而Ⅱ水文地質(zhì)單元?jiǎng)t主要是在以巫山與奉節(jié)縣交界山嶺以西，地下水主要是順構(gòu)造跡線由東向西排泄至石馬河與長江。

3.3 隧道涌水量預(yù)測(cè)

該次對(duì)擬設(shè)小三峽隧道采用大氣降水入滲法、泉流量法和地下徑流模數(shù)法進(jìn)行預(yù)測(cè)，并進(jìn)行對(duì)比，選出最佳涌水量。

3.3.1 大氣降水入滲法

計(jì)算公式：Q=2.74 A·W·α

式中，Q—隧道正常涌水量，較大涌水量（Qmax）按正常涌水量的3倍計(jì)（m3/d）。

A—匯水面積，由1︰1萬平面圖量測(cè)，km2;A=L·B

L—分段含水體的長度，km。

B—影響分段含水體的寬度，km。

W—多年平均降雨量，mm。

α—入滲系數(shù)，根據(jù)1︰20萬奉節(jié)幅《區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告》和該次野外調(diào)查以及經(jīng)驗(yàn)綜合分析取值。

經(jīng)計(jì)算可以看出，隧道一般季節(jié)涌水量為108 759 m3/d，雨季涌水量Q大=158 080 m3/d。

3.3.2 泉流量法

計(jì)算公式。

式中，Q—隧道涌水量（m3/d）。

—隧址區(qū)水點(diǎn)流量總和（L/s）。

86.4—由L/s換算為t/d的常數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，隧道枯季總涌水量Q+86.4×619.05=53 486 m3/d。

由于該次調(diào)查時(shí)間為當(dāng)?shù)乜菁緯r(shí)間，故計(jì)算結(jié)果為隧道的枯季涌水量，雨季涌水量取正常涌水量Q的3倍，即為160 458 m3/d。

3.3.3 地下徑流模數(shù)法

計(jì)算公式：Q=86.4·M·A

式中：Q—隧道正常涌水量。

M—地層巖性地下徑流模數(shù)，m3/d·km2。

A—隧道通過含水體的集水面積，km2;A=L·B

L—分段含水體的長度，km。

B—影響分段含水體的寬度，km。

經(jīng)計(jì)算可以看出，正常涌水量Q=47 615 m3/d，較大涌水量Q大=142 845 m3/d（按正常涌水量的5倍計(jì)算）。

通過上述3種預(yù)測(cè)方法對(duì)隧道涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，從預(yù)測(cè)結(jié)果看，3種方法計(jì)算結(jié)果差別相差不大，故建議隧道枯季涌水量采用值為47 615 m3/d～53 486 m3/d，較大涌水量采用值為142845 m3/d～160 458 m3/d。

3.4 水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

（1）高壓水對(duì)工程的影響評(píng)價(jià)：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，區(qū)內(nèi)隧道開挖最大地下水水頭高度約為460 m，其最大地下水壓力可達(dá)4.5 MPa，其初始?jí)毫⒖赡軐?dǎo)致隧道拱頂發(fā)生坍塌，導(dǎo)致施工的人員和設(shè)備發(fā)生危險(xiǎn)。

（2）巖溶水突水、突泥對(duì)工程影響評(píng)價(jià)：擬建隧道穿越可溶性巖長度約為14 715 m，占總隧道長度的81.16%，受巖溶、構(gòu)造裂隙的影響，易發(fā)生巖溶突水、突泥、巖溶坍塌等，此外是在背斜軸部、非可溶巖可溶巖的接觸部位，也亦發(fā)生。施工中圍巖的坍塌、突水、突泥等是面臨的突出問題。其中在雨季施工時(shí)，遭遇突水、突泥的概率最大。

4 結(jié)論

根據(jù)小三峽隧道的水文地質(zhì)特征分析和涌水量預(yù)測(cè)，隧址區(qū)巖溶發(fā)育，巖溶是影響隧道施工的主要問題之一，巖溶發(fā)育特征也在很大程度上決定了本區(qū)地下水的特征，因此，在設(shè)計(jì)和施工中需要注意。

（1）該文涌水量僅考慮在單線情況下的預(yù)測(cè)值，該次對(duì)隧道涌水量的計(jì)算部分參數(shù)為區(qū)域資料或經(jīng)驗(yàn)值，故推薦的涌水量值只為預(yù)測(cè)值，涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果仍需在施工中加以驗(yàn)證和動(dòng)態(tài)修正。

（2）對(duì)易發(fā)生突涌水、坍塌變形的斷層破碎帶、褶皺核部、巖性接觸帶、長大密集節(jié)理帶及部分隧道淺埋地段，設(shè)計(jì)及施工應(yīng)做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，做好超前支付且及時(shí)襯砌，提高防排水意識(shí)。

（3）隧道設(shè)計(jì)應(yīng)合理選用堵水結(jié)構(gòu)和材料，施工廢水應(yīng)處理達(dá)標(biāo)后才能排放，防治工程施工而產(chǎn)生新的環(huán)境影響問題。

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