談隧道涌水量估算中降水入滲法的應用

王 亮

（江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，江蘇 淮安 223005）

0 引言

山區(qū)高速公路的建設往往需要穿越山體，因此隧道的設計是重中之重。在設計過程中，地質(zhì)勘察工作是基礎工作，包括水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)的調(diào)查與評價等，這其中隧道涌水量的預測對隧道的設計及施工往往起到重要的作用［1］，本文將結合具體的工程項目，針對潛水含水體中淺埋型隧道的設計過程中隧道涌水量的預測作出評價，并給出設計和施工的經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 隧道設計概況

擬建勘察項目為位于山東省棗莊境內(nèi)，為Ⅰ級高速公路，勘察線路區(qū)涉及隧道 4 座，最長的望海石隧道長度 2 145 mm，寬度 25.0 m，屬于長隧道，左、右線隧道進口洞門型式均為端墻式，出口洞門型式均為削竹式，山頂最高高程約為 475 m，該隧道為分離式隧道，進口段和出口段均與橋梁相連，隧道進口位置與出口位置多分布鄉(xiāng)間道路，交通較為方便。本文主要以該隧道為例，闡述隧道涌水量的常用計算方法，并與后期施工中遇到實際情況作對比，說明隧道涌水量估算的具體過程，以期為后期工作的總結和借鑒。

1.2 自然地理概況

隧址區(qū)處于中緯度暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，年降雨量在 650～850 mm，多年平均降水量 810 mm，歷史最大降雨量 1 324 mm，最小降雨量 486.9 mm，在地貌上屬于低山丘陵地貌，局部地形起伏較大，高程在 220～475 m，在進出口處地形稍緩。隧址區(qū)未見明顯新構造活動痕跡，且場地基巖多數(shù)直接出露，結合波速測試資料及相關規(guī)范規(guī)程，場地土為穩(wěn)定巖石，建筑場地類別為Ⅰ0類。

1.3 工程地質(zhì)概況

地層巖性主要為表層零星分布碎石土和少量粉質(zhì)黏土（Q3dl+pl），為第四系上更新統(tǒng)洪坡積物，層厚較薄，零星分布，強度及穩(wěn)定性極差，視電阻率為50～100 Ω·m。下伏基巖主要為寒武系上統(tǒng)張夏組強風化～微風化灰?guī)r（ε3Z），局部夾泥質(zhì)灰?guī)r，隱晶質(zhì)結構，中厚層狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，地層結構簡單，裂隙較發(fā)育、巖體較完整、局部破碎，強度及穩(wěn)定性一般，視電阻率為 100～4 300 Ω·m，巖溶裂隙發(fā)育區(qū)視電阻率為100～500 Ω·m?；?guī)r縱波速度值在 2 000～3 800 m/s。場地內(nèi)工程地質(zhì)層要素如表 1 所示。

表1 場地內(nèi)工程地質(zhì)要素

2 水文地質(zhì)特征

隧道進出口處地勢相對較高，勘察期間未見地表水。地下水主要為基巖裂隙水，含水量較小，接受大氣降水的補給，水位埋藏度隨季節(jié)變化和地勢的高低變化而變化。根據(jù)勘察結果認為整個隧道一般情況下不會出現(xiàn)大規(guī)模的涌水或突水問題，但是由于隧道的開挖改變了天然地下水的徑流及排泄等自然條件，隧道將會成為新的局部地下水的排泄基準，從而出現(xiàn)局部滲水和涌水現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為雨季地表水沿局部寬大裂隙向隧道內(nèi)匯集，形成短時涌水現(xiàn)象。同時應注意暴雨期間，由于山間積水排泄不及時對隧道建設的影響［2］。

3 隧道涌水量的估算

隧道涌水量的估算主要是依據(jù)規(guī)范［3］的結論和公式展開工作，在具體的項目中，依據(jù)工程地質(zhì)層的特征獲取必要的參數(shù)，例如降水入滲系數(shù)、年平均降雨量及集水面積的綜合確定，得出涌水量的估算值，并結合不同的計算方法和施工過程中的實際的涌水情況，最終給出合理的涌水量值。

3.1 降水入滲法計算原理

當隧道通過潛水含水體且隧道埋深較淺時可考慮降水入滲法預測隧道的正常涌水量。在降雨的過程中，水量的散失包括蒸發(fā)、滲入及開采，擬建隧道區(qū)灰?guī)r出露，且?guī)r溶稍有發(fā)育，蒸發(fā)和開采在該區(qū)段非常微弱可以忽略不計，所以只需根據(jù)年均降雨量，集水面積并選取合適的降水入滲系數(shù)經(jīng)驗值，即可宏觀、概括地預測隧道的正常涌水量［4］，見式（1）：

式中：QS為隧道通過含水體地段的正常涌水量，m3/d；α 為降水入滲系數(shù)；W 為多年平均降雨量，mm；A 為隧道通過含水體地段的集水面積，km2。

3.2 計算參數(shù)值的確定

3.2.1 降水入滲系數(shù)的確定

降水入滲系數(shù)通?？梢栽谏絽^(qū)或山前地區(qū)布置一定數(shù)量的觀測孔，同時觀測降雨前后的地下水水位變化，用有限單元法或有限差分法近似計算降水入滲補給量進而求出降水入滲補給系數(shù)，但受施工條件的影響，亦可通過規(guī)范提出降水入滲系數(shù)的經(jīng)驗值，本次工程因受場地及施工的限制，采用經(jīng)驗值法，具體的取值如表 2 所示。

3.2.2 多年平均降雨量的確定

多年平均降雨量的確定主要是依據(jù)當?shù)貧庀蟛块T的長期監(jiān)測資料，在勘察前期應當充分搜集隧道區(qū)域的氣象及水文資料，其直接關系隧道涌水量的估算準確度，在獲得最近 10～20 年的年降雨量數(shù)據(jù)后，即可求得年平均降雨量，亦可獲得具體的年最大降雨量，季節(jié)最大降雨量等數(shù)據(jù)。

表2 降水入滲系數(shù) α 的經(jīng)驗數(shù)據(jù)

3.2.3 集水面積的確定

匯水面積與地表的地形有關，在地形圖上，將隧道涌水點以上，以涌水點向兩側(cè)等高線作垂線，逐段連接至兩邊的分水嶺，這樣就構成一個封閉的曲面，把這封閉的曲面的面積求算出來即為擬建隧道的地表集水面積。

經(jīng)過以上條件的匯總，結合當?shù)啬昶骄涤炅繛?10 mm，入滲系數(shù)考慮到灰?guī)r較為完整，且?guī)r溶情況發(fā)育較弱，所以按范圍值不利取值 0.15，集水面積按測繪圖件在地形圖上依據(jù)地形及分水嶺測繪得封閉的集水面積為 2.28 km2，帶入計算公式計算得望海石隧道的正常涌水量 QS為 758 m3/d。

3.3 地下水徑流模數(shù)法對比

地下水徑流模數(shù)法為動態(tài)變化的值，受季節(jié)性影響較大，僅作為巖溶區(qū)隧道涌水量的概略預測和降水入滲法的比對參照。依據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料和區(qū)域水文地質(zhì)資料按枯水期地下水補給地表河流的流量和流域面積的比值及隧道區(qū)匯水面積綜合確定。據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查資料，在枯水期地表河流多處于干涸狀態(tài)，建議設計人員按降水入滲法確定隧道正常涌水量。

3.4 實際涌水量對比

根據(jù)隧道后期施工的實際情況，對正常涌水量進行對比，因為實際的隧道正常涌水量約為計算值的 2～3 倍，所以作為勘測設計人員在隧道涌水量計算過程中，從圍巖入滲系數(shù)的選取到集水面積的確定，以及季節(jié)降雨的實際影響，都有一定的不確定和不準確因素。據(jù)統(tǒng)計在我國隧道涌水量的預測中可能最大涌水量，接近實際情況的只占 10 % 左右，預測的正常涌水量接近實際情況的只占 20 %～30 %，根據(jù)經(jīng)驗，隧道的最大涌水量為正常涌水量的 1.5 倍［5］，所以設計隧道涌水量的計算值時，應當在計算的基礎上宜根據(jù)實際情況擴大 2～3 倍作為設計依據(jù)，對工程的設計來說較為合理。

4 結語

隧道涌水量的準確估算對后期的設計和施工具有一定的指導作用，直接影響施工的方案以及措施，為隧道施工的安全挖掘、設計經(jīng)濟合理的排水設施和襯砌型式、圍巖注漿加固范圍及強度，提供了必要的依據(jù)。

望海石隧道圍巖較為完整，涌水量小，局部淺埋地段的溝谷及山谷地段可能出現(xiàn)較大涌水，其他區(qū)段出現(xiàn)涌水的可能性較小。隧道區(qū)段地形起伏較大，應盡量避免在雨季施工。隧道的施工會對原有的地下水循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，所以施工時對滲水、漏水和涌水應以堵為主，并結合疏導引流。

本文對隧道涌水量的常用方法進行了粗略的舉例說明，也與實際的施工情況進行了對比，提出了較為中肯的結論和建議，鑒于項目的特殊情況，若有不足之處，懇希得到指正。