隧洞涌水量計(jì)算公式中參數(shù)的取值分析

盧全祥 李軍

涌水是隧洞工程施工中常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧洞的涌水量對(duì)于保證隧洞施工、降低隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)及隧洞防排水設(shè)計(jì)具有重要意義。目前工程上常用的涌水量計(jì)算方法有水均衡法、解析法、比擬法、數(shù)值分析法等。

預(yù)測(cè)隧洞涌水量的計(jì)算過(guò)程中，計(jì)算參數(shù)的合理性對(duì)預(yù)測(cè)隧洞涌水量結(jié)果的準(zhǔn)確性有重要影響。本文就如何進(jìn)行計(jì)算參數(shù)的合理取值進(jìn)行分析探討。

1 常用公式計(jì)算參數(shù)的取值分析

1.1 隧洞通過(guò)含水體地段的長(zhǎng)度L

當(dāng)隧洞經(jīng)過(guò)非均質(zhì)巖土層或構(gòu)造帶，如下穿水庫(kù)、沖溝或穿越斷層、巖性界面等，應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)情況將整個(gè)隧洞分成多個(gè)相對(duì)均質(zhì)單元，再根據(jù)各單元的具體地質(zhì)特點(diǎn)選用相適應(yīng)的預(yù)測(cè)隧洞涌水量公式進(jìn)行計(jì)算，最后求和得到總預(yù)測(cè)隧洞涌水量，即L總=L1+L2+…+Li、Q總=Q1+Q2+…+Qi（i為正整數(shù)）。

1.2 集水面積A

集水面積A主要用于簡(jiǎn)易水均衡法計(jì)算，與預(yù)測(cè)隧洞通過(guò)含水體的正常涌水量成正比關(guān)系。公式A=L·B中，影響寬度B需要根據(jù)實(shí)際工程情況或工程經(jīng)驗(yàn)取值。當(dāng)隧洞通過(guò)匯水盆地（洼地、富水構(gòu)造等）時(shí)，該盆地面積可用作該段隧洞的集水面積，取其平均寬度作為隧洞涌水影響寬度。當(dāng)隧洞沿線(xiàn)地表不滿(mǎn)足上述條件時(shí)，可根據(jù)TB 10049—2004《鐵路水文地質(zhì)勘察規(guī)程》中的經(jīng)驗(yàn)式概略預(yù)測(cè)隧洞一側(cè)涌水影響跨度R值（m），R=215.5+510.5k，式中k為含水體滲透系數(shù)（m/d）；則B=2×0.001R。

1.3 含水體的滲透系數(shù)k

當(dāng)中等透水巖土體不能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)得實(shí)際的滲透系數(shù)時(shí)，建議先采用簡(jiǎn)易水均衡法計(jì)算預(yù)測(cè)隧洞正常涌水量Qa，且采用TB 10049—2014《鐵路水文地質(zhì)勘察規(guī)程》附錄E中表E.3.3.-2對(duì)隧洞最大涌水量Qb進(jìn)行概略預(yù)測(cè)，再將上述結(jié)果與使用不同數(shù)量級(jí)的滲透系數(shù)k計(jì)算得到的預(yù)測(cè)隧洞涌水量Qc進(jìn)行比對(duì)，結(jié)合工程實(shí)際情況進(jìn)行分析，最后確定滲透系數(shù)k。以上的計(jì)算過(guò)程中，一般有Qa＜Qc＜Qb。

地下水滲流的垂直或水平方向若有多層滲透系數(shù)ki不相等的含水層，則需要根據(jù)每層含水層的厚度hi或長(zhǎng)度li對(duì)滲透系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，即k=（i為正整數(shù)）。

1.4 與靜止水位有關(guān)的距離參數(shù)

山嶺、盆地等地勢(shì)變化明顯的地區(qū)，其地下靜止水位線(xiàn)主要依照地勢(shì)的起伏發(fā)生變化，在自然狀態(tài)下處于動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)隧洞整體或者單元進(jìn)行預(yù)測(cè)隧洞涌水量的計(jì)算時(shí)，隧洞通過(guò)含水體地段長(zhǎng)度La的區(qū)域內(nèi)的地下水位并非水平直線(xiàn)。為了計(jì)算方便，需要將“變化”的地下靜止水位線(xiàn)轉(zhuǎn)換成“恒定”的靜止水位線(xiàn)，方法建議如下：

在計(jì)算長(zhǎng)度La區(qū)域內(nèi)，根據(jù)地面高程單調(diào)遞增或遞減的變化將該區(qū)域劃分為若干子隧洞段Lai，將各子隧洞段最高水位hf及最低水位hg的平均值作為該子隧洞段的中間水位he，即再根據(jù)各子隧洞段的距離對(duì)其中間水位hei進(jìn)行加權(quán)平均得到的hd，作為等價(jià)靜止水位，即hd=

2 工程實(shí)例計(jì)算

珠江三角洲水資源配置工程是從珠江三角洲河網(wǎng)西部的西江水系向東引水至珠江三角洲東部的供水工程，為廣州市南沙區(qū)、深圳市和東莞市的缺水地區(qū)供水。該工程輸水線(xiàn)路由西向東布置，主干線(xiàn)全長(zhǎng)90.3 km，采用盾構(gòu)法、鉆爆法、TBM法等工藝施工，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模大（1）型。其中，沙溪至羅田段1#鉆爆隧洞長(zhǎng)4.527 km，洞身主要經(jīng)過(guò)微風(fēng)化（微透水）、弱風(fēng)化（弱透水）花崗巖、后期侵入的脈巖類(lèi)及斷層破碎帶（中等透水）等。圍巖類(lèi)別以Ⅱ、Ⅲ類(lèi)為主；穿越斷層、風(fēng)化深槽處洞身圍巖以Ⅳ類(lèi)為主，局部Ⅴ類(lèi)。該段隧洞下穿東莞大嶺山，其間沖溝、斷層發(fā)育，大氣降水豐沛，場(chǎng)區(qū)內(nèi)巖土體水力聯(lián)系密切，多年平均年降雨量等值線(xiàn)變幅為1 600～2 600 mm。山間沖溝流水為影響該段輸水隧洞的主要地表水類(lèi)型；地下水主要以風(fēng)化裂隙水與構(gòu)造裂隙水為主，其中風(fēng)化裂隙水與地表水的水力聯(lián)系、補(bǔ)排作用強(qiáng)烈，構(gòu)造裂隙水水量豐富、具有各向異性的特征。

根據(jù)隧洞設(shè)計(jì)資料與工程地質(zhì)勘察成果，計(jì)算1#鉆爆法隧洞的涌水量，主要計(jì)算思路：以斷層破碎帶為界，將該段隧洞劃分為若干子隧洞單元，分別求出各單元的等價(jià)靜止水位hd，根據(jù)大島洋志法分別計(jì)算各單元和各斷層破碎帶的隧洞單位長(zhǎng)度最大涌水量q0，通過(guò)佐藤邦明經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算得到隧洞單位長(zhǎng)度正常涌水量qs，各相應(yīng)單位長(zhǎng)度涌水量與隧洞長(zhǎng)度的乘積累加得到1#鉆爆隧洞預(yù)測(cè)最大涌水量和正常涌水量。采用TB 10049—2014《鐵路水文地質(zhì)勘察規(guī)程》附錄E中表E.3.3-2（見(jiàn)表1）對(duì)隧洞最大涌水量進(jìn)行概略預(yù)測(cè)，將兩種最大涌水量的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)。

表1 隧洞最大涌水量概略預(yù)測(cè) m3/d

1#鉆爆法隧洞穿過(guò)區(qū)域性斷裂帶F9及其次生斷層f203、f204等，均為強(qiáng)透水層。根據(jù)1.3節(jié)計(jì)算Qa、Qb、Qc并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)，確定區(qū)域性斷裂帶F9的滲透系數(shù)取1×10-3cm/s、其余次生斷層滲透系數(shù)取1×10-4cm/s。

整體隧洞圍巖類(lèi)別以Ⅱ、Ⅲ類(lèi)為主，其中Ⅱ類(lèi)圍巖微透水，滲透系數(shù)取1×10-6cm/s；Ⅲ類(lèi)圍巖弱透水，滲透系數(shù)取1×10-5cm/s。根據(jù)1.3節(jié)計(jì)算得到各子隧洞加權(quán)平均滲透系數(shù)，即ki=具體計(jì)算參數(shù)與結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 1#鉆爆法隧洞涌水量計(jì)算表

按表2對(duì)1#鉆爆法隧洞進(jìn)行評(píng)分并累加，概略預(yù)測(cè)隧洞的最大涌水量，計(jì)算結(jié)果：Q0=2 900+0+0+2 730+500+3 140+3 860+0+23+1 607=14 760（m3/d）。由表2可知，通過(guò)公式計(jì)算得到1#鉆爆法隧洞的預(yù)測(cè)隧洞最大涌水量為13 936.66 m3/d。兩種計(jì)算方法得到預(yù)測(cè)隧洞最大涌水量數(shù)值較接近，則說(shuō)明計(jì)算方法與成果較可靠。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)常用的隧洞涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算公式中各主要參數(shù)的取值進(jìn)行了分析與探討，并以珠江三角洲水資源配置工程中的一段隧洞為例進(jìn)行隧洞涌水量計(jì)算。通過(guò)分析總結(jié)，對(duì)常用的隧洞涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算公式中各主要參數(shù)的取值有以下幾點(diǎn)建議：

（1）隧洞工程洞身穿越的地層一般為非均質(zhì)，在采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算隧洞涌水量時(shí)，首先需要將總長(zhǎng)度為L(zhǎng)的工程整體劃分為多個(gè)（相對(duì)）均質(zhì)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)i的子隧洞單元，再根據(jù)各個(gè)單元所處的地質(zhì)情況選取相適應(yīng)的公式、參數(shù)進(jìn)行涌水量計(jì)算，各單元的預(yù)測(cè)涌水量之和即為整體隧洞工程的預(yù)測(cè)涌水量。

（2）集水面積A可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，即A=0.002L(215.5+510.5k)，L為計(jì)算隧洞長(zhǎng)度（km）、k為含水體的滲透系數(shù)（m/d）。

（3）確定中等透水巖土體的滲透系數(shù)k時(shí)，先用不同數(shù)量級(jí)的k值試算隧洞涌水量Qc，再與通過(guò)降水入滲法和隧洞涌水量概略預(yù)測(cè)得出的結(jié)果Qa和Qb進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn)，一般有Qa＜Qc＜Qb，從而確定滲透系數(shù)k的數(shù)量級(jí)。對(duì)于不同透水性的地層，由各巖土層的滲透系數(shù)ki在水平方向上與隧洞穿越各巖土體的長(zhǎng)度或在垂直方向上與各層巖土體的厚度進(jìn)行加權(quán)平均而得到。

（4）在地下水位線(xiàn)為非水平直線(xiàn)的隧洞單元中，將水位線(xiàn)上的各極大、極小值之差的平均值與相對(duì)應(yīng)的隧洞段長(zhǎng)度進(jìn)行加權(quán)平均，以加權(quán)平均作為等價(jià)靜止水位。

（5）對(duì)同一隧洞建議采取多種不同公式或方法進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)分析，并進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn)；若結(jié)果相差較大，則需分析各主要計(jì)算參數(shù)的取值合理性，修正后再重新計(jì)算。