淺析影響橫穿向斜含水層隧道最大涌水量預測技術(shù)

王方立WANG Fang-li

（中交路橋華南工程有限公司，中山528430）

1 工程概況

花橋隧道為貴州省石阡至玉屏高速公路隧道之一?；蛩淼雷蠖撮L3780m，最大埋深約463m。

花橋隧道地處黔東北武陵山喀斯特高原，巖溶發(fā)育，巖溶地下水系統(tǒng)以及地下暗河十分復雜，線路走向與大堯寨向斜構(gòu)造大致正交，隧道橫穿向斜核部棲霞~茅口組碳酸鹽巖巖溶含水層。右洞掌子YK21+125 面前方圍巖位于斷層帶上，層與層之間的裂隙水豐富。

2 涌水情況

2018 年9 月19 日右洞掌子面YK21+125 在爆破施工后出現(xiàn)涌水，初測涌水量約320m3/h，水質(zhì)渾濁，并有一定水壓。涌水量隨降雨顯著變化，雨后流量陡增，水質(zhì)變渾濁，雨后隧道涌水量衰減較快。

3 影響橫穿向斜含水層隧道最大涌水量預測必要性

隧道右洞出現(xiàn)大量涌水后，針對花橋隧道做了專項水文、地質(zhì)補充調(diào)查，確認了影響右洞涌水的降雨匯水面積區(qū)域、地下巖溶管道情況，在此基礎上需要預測花橋隧道右洞最大涌水量，以進一步確認涌水處理方案和選擇排水系統(tǒng)（隧道最大涌水量是隧道防排水設計的依據(jù)），確保隧道施工和運營節(jié)段結(jié)構(gòu)安全。

4 影響橫穿向斜含水層隧道最大涌水量預測技術(shù)

在確認影響橫穿向斜含水層的花橋隧道涌水的巖溶水系統(tǒng)基礎上分析可見本區(qū)巖溶地下水與大氣降雨關(guān)系十分密切，隧道涌水量隨降雨變化顯著，為了準確預測隧道最大涌水量，本次研究在隧道區(qū)開展了高分辨率的降雨-地下水動態(tài)響應特征的長期監(jiān)測工作。監(jiān)測內(nèi)容包括：降雨量、泉水流量及隧道涌水量。

4.1 隧道涌水與降雨關(guān)系統(tǒng)計

2018 年9 月~11 月期間隧道涌水量為180m3/h，涌水量隨降雨顯著變化，雨后流量陡增，水質(zhì)變渾濁，雨后隧道涌水量衰減較快。期間2018 年9 月25~26 日花橋鎮(zhèn)發(fā)生強降雨，降雨量50mm，9 月27 日21 時隧道涌水量增至1070m3/h，約為平時涌水量的6 倍，10 月1 日隧道涌水量回落至正常狀態(tài)，洪峰持續(xù)時間約5 天。

4.2 花橋鎮(zhèn)氣候

石阡縣花橋鎮(zhèn)屬亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫13.4~17.3℃，并具有山地垂直氣候特征，海拔每升高100m，氣溫約降低0.64℃。年平均降雨量1472mm，降雨主要集中在4~10 月，占全年降雨量的75~85%，期間多過程性強降雨，暴雨以5~8 月最為集中，其中6 月又為暴雨高峰月，百年一遇小時極端暴雨強度可達93mm。

4.3 降雨-水文監(jiān)測部署

本次降雨-水文監(jiān)測共部署監(jiān)測點5 個，其中降雨量監(jiān)測點1 個；流量監(jiān)測點4 個，分別為：①隧道進口的涌水量監(jiān)測點，監(jiān)測隧道涌水量的變化過程；②梁家屯1#和2#泉水，監(jiān)測其流量變化及隧道施工對泉水流量的影響；③山頂巖溶大洼地匯水，監(jiān)測暴雨條件下大洼地集中灌入地下暗河的流量，確定地表產(chǎn)流系數(shù)。

4.4 隧道降雨-水文監(jiān)測方法

花橋隧道區(qū)巖溶水系統(tǒng)的流量和水位隨降雨變化非常劇烈，為了準確掌握其變化規(guī)律，本次監(jiān)測全部采用高精度自動監(jiān)測儀器進行，具體監(jiān)測方法如下：

①降雨量監(jiān)測采用自動雨量計直接采集降雨量數(shù)據(jù)，時間步長為10min，精度為0.1mm。

②隧道涌水量、泉水流量以及大洼地匯水的監(jiān)測全部采用薄壁矩形堰流或涵管均勻流的方法進行。分別在隧道進口排水涵洞以及梁家屯1#、2#兩個泉點附近修筑了薄壁矩形堰流，在堰內(nèi)埋設水位探頭監(jiān)測堰口水位（時間步長為10min，精度為1mm），然后根據(jù)薄壁矩形堰流量公式計算得到每10min 一個流量值。

式中：Q：流量（l/s）；m：流量系數(shù)；b：堰寬（m）；h：堰口水層厚度（m）；g：重力加速度（m/s2）。

在山頂巖溶大洼地利用公路下方的圓形過水涵洞直接監(jiān)測暴雨過程中涵管水深，利用圓形涵管均勻流計算公式計算得到每10min 一個流量值。

圓管流量計算公示：

式中：w：過水面積（m2）；V：過水斷面平均流速（m/s）；θ：水面圓心角（弧度）；r：水力半徑；i：圓管底坡坡度；n：圓管粗糙系數(shù)；R：圓管半徑（m）；h：過水水層厚度（m）。

4.5 隧道降雨-水文響應特征

本研究自2019 年1 月監(jiān)測站建立以來，通過開展隧道涌水量、主要泉水流量以及大洼地地表徑流量的高分辨監(jiān)測，已獲得了5 個月的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)隧道涌水流量、梁家屯1#、2#巖溶泉以及大洼地地表徑流量~降雨動態(tài)曲線，通過研究分析已基本掌握花橋地區(qū)隧道涌水量及影響流域在枯水期、平水期及豐水期部分短時強降雨條件下的降雨-水文響應特征，其中計算得到的各場次典型降雨的水文特征參數(shù)。

4.5.1 梁家屯2#泉水動態(tài)特征

由監(jiān)測曲線和分析可見花橋隧道突水后，梁家屯2#泉水流量顯著減少，且基本穩(wěn)定，流量基本穩(wěn)定在3~4l/s。說明花橋隧道與梁家屯2#巖溶泉同屬一個水力聯(lián)系十分暢通的巖溶地下水系統(tǒng)，由于花橋隧道涌水點在梁家屯2#泉水的上游，已經(jīng)基本截斷了該泉水的補給來源。

4.5.2 梁家屯1#泉水動態(tài)特征

梁家屯1#泉水流量及變化比較正常，并隨降雨變化比較敏感，另外根據(jù)該泉水監(jiān)測資料，計算獲得的降雨過程的地下水入滲系數(shù)分析該泉水應該與花橋隧道不在同一個巖溶地下水系統(tǒng)中，對隧道未來施工和運營影響較小。

4.5.3 花橋隧道涌水量動態(tài)特征

根據(jù)花橋隧道涌水量監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，目前在以超前探孔排水的情況下，其流量變化有以下幾個特點：

①隧道涌水量與降雨量的變化十分顯著，每次降雨后流量都有顯著的增大，這說明花橋隧道所在的巖溶地下水系統(tǒng)的導水性能非常好，即巖溶和巖溶管道發(fā)育程度較高，管道十分暢通，尤其是在20mm 以上的降雨情況下，都會出現(xiàn)類似洪峰一樣的瞬間流量劇增；

②隧道涌水量劇增但維持的時間并不長，往往幾個小時流量就快速下降，這說明巖溶管道很暢通，同時也說明其補給區(qū)的范圍不大、主要補給點離隧道比較近的特點；

③花橋隧道在強降雨條件下峰值流量非常大，在小時降雨強度25mm 的暴雨情況下，隧道峰值流量已經(jīng)超過500l/s，最大達 789l/s；

④隧道峰值涌水量雖然較大，但總水量和平均流量并不大，原因是隧道峰值流量的持續(xù)時間較短，根據(jù)監(jiān)測資料從洪峰持續(xù)時間一般在幾十~一百小時，但是峰值（>500l/s）持續(xù)時間往往僅幾個小時；

⑤在暴雨情況下，隧道涌水十分渾濁，說明掌子面前方巖溶溶腔內(nèi)應該淤積有較多泥沙，未來掌子面打開時容易同時發(fā)生突水突泥，因此，建議首先在拱頂再多實施幾個超長炮孔，利用超長炮孔盡可能將溶腔內(nèi)的水先基本排到無壓狀態(tài)，然后再爆開章子面，讓泥流出。應避免暴雨期高水壓情況下實施掌子面爆破。

4.5.4 Ⅰ號巖溶大洼地地表徑流特征

目前監(jiān)測Ⅰ號巖溶大洼地在小于和中雨情況下不會產(chǎn)生地表徑流，降雨除了包氣帶截流和蒸發(fā)外，全部通過碳酸鹽巖中的裂隙和溶蝕裂隙面狀就地下滲，補給下伏巖溶含水層中。當降雨強度達到25mm/h 時該洼地才會產(chǎn)生地表徑流。2019 年5 月19 日降雨量86.2mm（最大降雨強度33.2mm/h）情況下監(jiān)測到地表徑流時間持續(xù)4 小時，最大流量1435l/s，監(jiān)測到洼地地表徑流與降雨量關(guān)系如圖1、隧道涌水與降雨量關(guān)系如圖2 及表1 所示。

表1 花橋隧道降雨量~流量響應特征

圖1 Ⅰ號巖溶大洼地地表徑流量-降雨量動態(tài)曲線

圖2 花橋隧道涌水量~降雨量動態(tài)曲線

4.6 隧道最大涌水量預測

花橋隧道右洞自2019 年9 月隧道涌水以來，隧道掌子面超前探孔始終處在長期涌水狀態(tài)，涌水量隨降雨呈現(xiàn)陡漲陡落的特點，強降雨以后隧道涌水流量迅速增大至峰值然后快速下降，下降速度稍慢于上漲速度，反映該巖溶地下水系統(tǒng)具有一定的蓄水和調(diào)節(jié)能力。由隧道涌水量高分辨率監(jiān)測情況可見，在中雨以下降雨條件下，隧道涌水量一般小于300l/s，小于隧道設計排水能力，但是極端強降雨條件下隧道最大涌水量是否會大于隧道極限排水能力，將是隧道未來施工和運營亟待回答的關(guān)鍵問題，故本研究將根據(jù)不同的方法針對隧道最大涌水量進行預測評價，為隧道設計和水害防治提供水文地質(zhì)依據(jù)。

花橋隧道區(qū)屬于黔東北暴雨集中區(qū)，歷史最大日降雨量可達250mm，根據(jù)《貴州省暴雨參數(shù)SP=1%等值線圖》，花橋隧道區(qū)百年一遇（Sp=1%）暴雨強度約為93mm/h，本次隧道最大涌水量預測以該百年一遇小時極端降雨強度為依據(jù)進行隧道最大涌水量的預測。

本次隧道最大涌水量預測將分別依據(jù)：施工實測資料、降雨入滲系數(shù)法和本次開展的隧道降雨~涌水量高分辨率監(jiān)測統(tǒng)計方法來進行隧道最大涌水量的預測。

4.6.1 據(jù)施工涌水簡易監(jiān)測推算

根據(jù)花橋隧道施工單位開展的隧道涌水量簡易監(jiān)測資料，結(jié)合花橋雨量站的降雨量資料，2019 年9 月25 日~26 日花橋地區(qū)普降大雨，降雨量為50mm，此次降雨過程引起的隧道峰值涌水量為1070m3/h，洪峰持續(xù)時間為5天，據(jù)此按等降雨比例推算花橋地區(qū)特大暴雨（日降雨量250mm），花橋隧道極端強降雨的最大涌水量約5350m3/h。

4.6.2 降雨入滲系數(shù)法

根據(jù)宜萬鐵路巖溶隧道的研究，巖溶隧道最大涌水量的計算公式如下

式中：Q：隧道涌水量（m3/h）；a：降雨入滲系數(shù)；P：時段降雨量（mm/h）；A：匯水面積（km2）；T：洪峰持續(xù)時間（h）。

地下水示蹤試驗試驗表明，花橋隧道突涌水主要來源于隧道上方Ⅰ號巖溶大洼地及南側(cè)巖溶槽谷，監(jiān)測期間（2019.1-2019.5）最大降雨量為86mm，Ⅰ號巖溶大洼地過水涵洞有地表水流過的跡象，說明梁家屯巖溶地下水系統(tǒng)在降雨強度小于25mm/h 的情況下大部分降雨依舊通過面上巖溶裂隙就地入滲為主，但是當降雨大于25mm/h 的情況下超出地下水入滲強度部分的降雨就會產(chǎn)生地面坡流，匯集于巖溶槽谷和洼地中，經(jīng)洼地底部的落水洞直接灌入地下。根據(jù)花橋隧道區(qū)的水文地質(zhì)條件，在強降雨條件下Ⅰ號巖溶大洼地匯水區(qū)降雨入滲系數(shù)取0.8，洪峰持續(xù)時間取10h，匯水面積為0.81km2；其它匯水區(qū)降雨入滲系數(shù)取0.5，匯水面積為4.085km2，洪峰持續(xù)時間取100h，極限流量按照花橋地區(qū)百年一遇（Sp=1%）的極端暴雨取93mm/h，計算得到隧道最大涌水量約為7965m3/h。

4.6.3 高分辨率降雨~隧道涌水量監(jiān)測統(tǒng)計預測

根據(jù)開展的高分辨率降雨~隧道涌水量監(jiān)測結(jié)果的分析，可以得到不同降雨強度條件下隧道涌水對降雨的響應特征。通過分析花橋隧道峰值涌水量與小時降雨量的關(guān)系得知隧道峰值涌水量與降雨量近似滿足線性關(guān)系，即隧道峰值涌水量Qmax隨降雨量的增大而線性增長，并近似滿足下列關(guān)系式：Qmax=23.73·P-12.687

式中：Qmax：為花橋隧道進口段峰值涌水量（l/s）；P：為隧道區(qū)單次降雨量（mm）。

根據(jù)式可以預測得到花橋隧道未來在出現(xiàn)百年一遇（Sp=1%）極端強降雨（P=93mm/h）情況下，隧道峰值涌水量為 7944（m3/h）。

綜合上述三種方法預測結(jié)果，本次研究推薦未來百年一遇極端強降雨（Sp=1%，P=93mm/h）條件下花橋隧道最大峰值流量為：8000（m3/h）。

5 結(jié)論

確認涌水隧道最大涌水量對涌水治理方案和防排水設計的選擇起到至關(guān)重要的作用，我們通過統(tǒng)計分析隧道涌水及降雨量關(guān)系、布置降雨-水文監(jiān)測點、建立薄壁矩形堰和圓形過水涵洞流量模型、貴州省暴雨數(shù)據(jù)查詢、施工最大涌水量簡易檢測推算法、降雨入滲系數(shù)計算法、高分辨率降雨~隧道涌水量監(jiān)測統(tǒng)計預測法，成功預測了橫穿向斜含水層的花橋隧道右洞最大涌水量，為下一步涌水治理和防排水系統(tǒng)的選擇打下了堅實的基礎。