典型花崗巖隧道涌水量預測研究

朱 霞，李 曉

(成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川 成都 610059)

0 引言

隧道涌突水一直是國內(nèi)外隧道施工中的重大難題，極易給施工過程帶來巨大的安全隱患和嚴重的經(jīng)濟損失，所以隧道涌水量的預測計算對減少涌突水災害的發(fā)生及預防有及其重要的作用[1]。由于目前對于隧道涌突水的研究主要集中在可溶巖領域，如錦屏二級水電站、圓梁山深埋特長隧道、日本青函隧道涌突水事故等[2-4]；對非可溶巖地區(qū)的涌突水災害缺乏深入的研究。但非可溶巖隧道發(fā)生涌突水時，由于其突發(fā)性及難以預測性，造成的損失更大，如臺灣雪山隧道、日本黑部4號花崗巖地層隧道均對工程造成了嚴重損失[5-6]。因此，對非可溶地區(qū)進行涌水量預測及危險性預測評價方面的研究具有重要意義，本文主要探討構造復雜地區(qū)的花崗巖裂隙水涌突水問題，探討易發(fā)生涌突水部位及對隧道涌水量進行預測[7]，為類似非可溶巖隧道的涌突水易發(fā)部位分析及涌突水水量預測提供一定參考。

1 研究區(qū)概況

寶靈山隧道位于瀘定縣大渡河以西，隧道進口接大渡河特大橋，位于瀘定縣白日壩，里程DK221+537，出口接瓦斯溝特大橋，里程D1K247+910，位于康定縣爐城鎮(zhèn)升航村。隧道全長26 449.5 m，隧道最大埋深約2 023 m。地勢總體上表現(xiàn)為西高東低，為典型的高山峽谷地貌。研究區(qū)巖性以花崗閃長巖及奧長花崗巖為主，隧道總共穿越7條斷層破碎帶，斷層巖性破碎，含水豐富(見圖1)。

區(qū)內(nèi)地下水補給主要為大氣降水的補給，融雪水主要補給松散巖類孔隙水，相鄰地下水越流補給主要補給斷層破碎帶孔隙裂隙水。大氣降水及融雪水垂直下滲至地下水位后，入滲進入基巖裂隙、斷層破碎帶或水平徑流后就近排泄于溪溝。地下水越流補給進入斷層破碎帶，順地形向坡下溪溝和遠處地勢更低的河流排泄。研究區(qū)地下水集中富集并儲存在斷層及斷層破碎帶中，沿基巖裂隙、斷層破碎帶運移，徑流后就近排泄于河流、溪溝。研究區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，斷層破碎帶主要為斷層破碎帶孔隙裂隙水。

圖1 研究區(qū)概況圖

2 花崗巖地區(qū)高壓涌突水特征

在隧道深埋條件下，特殊的儲水構造如斷裂帶儲水構造、中-緩傾角單斜地層儲水構造以及向斜儲水構造，易于造成較嚴重的隧道高壓突水等事故[8]。

寶靈山隧道全長26 449.5 m，最大埋深2 023 m，屬于深埋長大隧道，隧道全程穿越花崗巖地層，主要巖性為奧長花崗巖和花崗閃長巖，隧道區(qū)構造復雜，穿越7條斷層破碎帶，有較大的涌突水風險，且具有涌水量大，水頭壓力高的特點。

花崗巖地區(qū)發(fā)生涌突水災害部位在地層接觸帶、風化深槽及構造破碎帶。研究高壓涌突水主要分析隧道外水壓力及斷裂帶特征。

2.1 外水壓力

水壓力折減系數(shù)法是最常用的計算水壓力的方法。隧洞外水壓力的作用系數(shù)的方法大多是經(jīng)驗或半經(jīng)驗性的。外水壓力折減系數(shù)取值參考《水工隧洞設計規(guī)范》(SD134-84)。計算方法采用下式：

P=βγwH

(1)

式中：P為外水壓力，β為外水壓力修正系數(shù)，γw為地下水重度，H為地下水水頭。

斷裂帶外水壓力結果見表1。

寶靈山隧道為長大深埋隧道，花崗巖長大裂隙發(fā)育，為良好的儲水空間和導水通道，地下水徑流暢通，易形成穩(wěn)定的高壓水流，根據(jù)計算，隧道外水壓力最大達3.56 MPa，有較大的高壓涌突水風險。

表1 斷裂帶外水壓力

2.2 花崗巖涌突水

通常情況下，花崗巖地段構造不發(fā)育、巖體完整堅硬，在水文地質(zhì)分區(qū)上一般劃分為貧水區(qū)，花崗巖賦存的地下水來源一般是大氣降水，以滲入的方式匯入構造裂隙或風化裂隙中，寶靈山隧道地下水賦存在裂隙密集帶，多以裂隙水存在。但由于隧道深埋，洞室標高低于當?shù)厍治g基準面，受構造影響明顯，局部地段構造結構面發(fā)育，地下水富集、水力循環(huán)復雜，易發(fā)涌突水災害。

斷層破碎帶巖石松散破碎，便于地下水的運移和儲存，構成富水段落，存在形成突水的大量水體，斷層埋深較深時，富水帶具有高外水壓力，隧道在開挖中揭穿斷層后，隧道在斷層處易發(fā)生突發(fā)性高壓涌突水。

圖2 構造綱要圖

2.3 斷裂帶特征

在構造上，隧道區(qū)隸屬于松潘—甘孜造山帶西北緣，區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂比較發(fā)育，經(jīng)旋回構造運動等，最終形成以北北東向為主，南北、北北西向次之的構造線。隧址區(qū)在一級構造上所在區(qū)域地處揚子準地臺西緣與松潘-甘孜褶皺帶的川滇復向斜、康滇復背斜、龍門山褶皺帶的結合部，其西緊靠康滇地軸，北鄰龍門山構造帶，東鄰四川臺坳之川西臺陷，南接涼山陷褶束。在二級構造上處于鮮水河構造帶、龍門山構造帶、川滇南北向構造帶三大構造體系交匯部位，偏于龍門山構造帶一側(cè)。隧址區(qū)主要構造形跡走向為N30°E左右，與龍門山構造帶走向相一致(見圖2)。

寶靈山隧道周圍斷層發(fā)育，受瀘定斷裂影響大，瀘定斷裂西邊界在隧道進口端附近，隧道進口端巖石擠壓破碎嚴重，巖石碎裂巖化明顯，節(jié)理發(fā)育。隧址區(qū)以南北走向斷裂為主，其次發(fā)育近東西向，北東向斷層，部分為遙感解譯斷層。

寶靈山隧道穿越斷層帶7條，包括解譯斷層1條，斷層為壓性斷裂，破碎帶較寬，破裂巖發(fā)育，具有良好的儲水條件，各斷層性質(zhì)、規(guī)模及特征見表2。

表2 斷裂帶特征表

寶靈山隧道穿越7條斷層破碎帶，巖石破碎，透水性及富水性好，斷裂帶高壓涌突水是隧道可能面臨的重要問題。

3 涌水量預測及易發(fā)涌水段分析

3.1 涌水量預測

3.1.1 方法的選取

目前，深埋長大隧道涌水量預測方法主要有確定性數(shù)學模型方法、隨機性數(shù)學模型方法和非線性理論方法。確定性數(shù)學模型方法主要有水文地質(zhì)比擬法和徑流模數(shù)法、水均衡法、解析法和數(shù)值計算法；隨機性數(shù)學模型方法主要有“黑箱”理論、灰色系統(tǒng)理論、模糊數(shù)學方法、時間序列分析和頻譜分析等；非線性理論方法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡方法、系統(tǒng)辨識法和專家評判系統(tǒng)方法。

根據(jù)寶靈山隧道工程地質(zhì)條件，選取確定性數(shù)學模型中的徑流模數(shù)法、降雨入滲系數(shù)法和解析法中的佐藤邦明公式、科斯加可夫法計算預測寶靈山隧道的正常涌水量，采用降雨入滲系數(shù)法和佐藤邦明非穩(wěn)定流式計算預測隧道最大涌水量，通過多方法對比計算，減小涌水量計算結果誤差。

3.1.2 正常涌水量預測方法

1)徑流模數(shù)法

Q=86.4·M·A

(2)

式中：Q為地下水涌水量(m3/d)；M為流域地下徑流模數(shù)(L/s·km2)；A為擬建隧道的集水面積(km2)。

2)降雨入滲系數(shù)法

Q=2.74α·W·A

(3)

式中：Q為隧道計算涌水量(m3/d)；α為降水入滲系數(shù)；W為年降水量(mm)；A為隧道涌水點的集水面積(km2)。

3)佐藤邦明公式

(4)

Qs=Qmax-0.584ε·K·r

(5)

式中：Qmax為預測隧道通過含水體可能最大涌水量(m3/d)；Qs為預測隧道通過含水體穩(wěn)定涌水量(m3/d)；K為巖體的滲透系數(shù)(m/d)；H0為原始靜水位至洞身橫截面等效圓中心的距離(m)；L為隧道通過含水層的長度(m)；r為隧道洞身橫斷面的等價圓半徑(m)；(單隧經(jīng)驗取值3.5 m，雙隧經(jīng)驗取值7 m)；hc為含水體厚度(m)；ε為試驗系數(shù)，一般取12.8。

4)科斯加可夫法

(6)

(7)

式中：Qs為預測隧道通過含水體穩(wěn)定涌水量(m3/d)；K為巖體的滲透系數(shù)(m/d)；H0為原始靜水位至洞身橫截面等效圓中心的距離(m)；s為地下水位降深(m)；L為隧道通過含水層的長度(m)；R為隧道涌水影響半徑(m)；r為隧道洞身橫斷面的等價圓半徑(m)；(單隧經(jīng)驗取值3.5 m，雙隧經(jīng)驗取值7 m)。

3.1.3 最大涌水量預測方法

1)降雨入滲系數(shù)法

Q=2.74α·W·A·1.5

(8)

式中：Q為隧道計算涌水量(m3/d)；α為降水入滲系數(shù)；W為年降水量(mm)；A為隧道涌水點的集水面積(km2)。

(2)佐藤邦明非穩(wěn)定流式

(9)

式中：Qmax為預測隧道通過含水體可能最大涌水量(m3/d)；K為巖體的滲透系數(shù)(m/d)；H0為原始靜水位至洞身橫截面等效圓中心的距離(m)；hc為含水體厚度(m)；h0為隧底至下伏隔水層的距離(m)；r0為為隧道洞身橫斷面的等價圓半徑(m)；(單隧經(jīng)驗取值3.5 m，雙隧經(jīng)驗取值7 m)；m為轉(zhuǎn)換系數(shù)，一般取0.86。

3.1.4 水文地質(zhì)參數(shù)

為了了解隧道不同段落水文地質(zhì)特征，評價含水層的富水性，預測鉆孔最大涌水量及正常涌水量，查明含水層水文地質(zhì)參數(shù)，共布置鉆孔12個水文地質(zhì)鉆孔進行水文地質(zhì)實驗，鉆孔分布如圖3所示。

圖3 鉆孔取樣點分布圖

根據(jù)水文地質(zhì)鉆孔，逐段進行抽水試驗、壓水試驗及注水試驗，測得隧道區(qū)域不同段落的水文地質(zhì)參數(shù)。滲透系數(shù)對涌水量預測結果影響較大，通過多次試驗取用平均滲透系數(shù)值，結果見表3。

表3 水文地質(zhì)試驗結果表

根據(jù)水文地質(zhì)實驗，斷裂帶滲透系數(shù)選取附近鉆孔滲透系數(shù)值，計算其涌水量，附近無鉆孔的，斷層滲透系數(shù)取0.2 m/d，基巖部分滲透系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗值，巖性為花崗巖時滲透系數(shù)取2.59×10-3～2.59×10-2m/d，根據(jù)寶靈山隧道水文地質(zhì)條件，取4.0×10-2m/d。

3.1.5 涌水量預測

根據(jù)隧道水文地質(zhì)特征將寶靈山隧道分為16段，分段預測計算寶靈山隧道正常涌水量及最大涌水量。

根據(jù)隧道水文地質(zhì)條件，正常涌水量主要采用徑流模數(shù)法、降雨入滲系數(shù)法、佐藤邦明經(jīng)驗式、科斯加可夫法進行預測計算；最大涌水量主要采用降雨入滲系數(shù)法和佐藤邦明非穩(wěn)定流式預測計算。

涌水量計算結果見表4。

表4 涌水量預測計算結果表

根據(jù)計算結果，正常涌水量徑流系數(shù)法和降雨入滲法計算結果基本一致，動力學法佐藤邦明公式和科斯加可夫法計算結果基本一致；最大涌水量按正常涌水量1.5倍計算，結果基本一致。分別計算隧道基巖涌水量和斷裂帶涌水量，根據(jù)表4計算結果，斷層涌水量明顯大于基巖涌水量，說明隧道在斷層處更易發(fā)高壓涌突水。

3.2 易發(fā)涌水段分析

3.2.1 易發(fā)涌水段分析

針對降雨入滲系數(shù)法，根據(jù)分段涌水量計算結果，分析單寬流量，分段涌水量計算結果及單寬流量結果見表5。

根據(jù)降雨入滲系數(shù)法的單寬流量計算結果表，可以看到單寬流量較大的地區(qū)為隧道穿越的7條斷層破碎帶，單寬流量均大于9.1 m2/d，說明隧道在穿越斷層帶時易發(fā)高壓涌突水，而F103水井灣斷層、F100咱里斷層、F92斷裂帶和F88斷裂帶段落的單寬流量均大于15.0 m2/d，由此可說明隧道易發(fā)涌水段為DK224+795-DK224+845，發(fā)育F103水井灣斷裂；DK226+679-DK226+732，發(fā)育有F100咱里斷層；DK234+860-DK234+956，發(fā)育F92斷層；DK238+562-DK238+627，發(fā)育F88斷層。

3.2.2 物探解譯

利用物探手段對寶靈山隧道進行探測，預測隧道易發(fā)涌突水段落。

根據(jù)物探解譯剖面示意圖可見，隧道DK224+424-DK225+993在為低阻帶，該低阻段出露花崗巖和閃長巖，發(fā)育F103水井灣斷層，在巖性交界帶上圍巖較為破碎，形成地下水徑流通道，故出現(xiàn)低阻情況；隧道在DK226+289-DK228+587為低阻帶，巖性為花崗巖，發(fā)育有F100咱里斷層，巖體破碎，此處地形上位于溝谷地段，地下水匯集出露，埋深較淺；隧道在DK234+368-DK236+137為低阻帶，巖性為花崗巖和角閃巖，發(fā)育有F92斷層，在巖性交界帶上圍巖相對破碎，易形成富水段，因此形成低阻段；隧道在DK238+441-DK240+179為低阻帶，巖性為花崗巖，發(fā)育有F88斷層，在地形上位于溝谷地帶，地下水匯集向河流排泄，因此形成低阻段。

綜合上述物探解譯結果以及地質(zhì)剖面中的地層、構造發(fā)育情況，預測寶靈山隧道在F103水井灣斷層、F100咱里斷層、F92斷裂和F88斷裂易發(fā)生高壓涌突水。與上述預測結果吻合。

表5 單寬流量計算結果表

圖4 電磁法三維聯(lián)合反演電阻率斷面圖

4 結語

寶靈山花崗巖隧道屬于典型的非可溶巖隧道，在隧道開挖穿過斷層破碎帶時，極易發(fā)生高壓涌突水。通過對隧道的分析研究與計算，得出以下結論：

(1)寶靈山隧道穿越花崗巖地層，為典型的非可溶巖隧道，隧道穿過七條斷層破碎帶，分別為F103水井灣斷裂、F100咱里斷層、F98、F92、F88、F89及一條解譯斷層。隧道全長26 449.5 m，最大埋深為2 023 m，屬深埋長大隧道，開挖過程中影響隧道斷層破碎帶，易發(fā)生高壓涌突水。

(2)花崗巖地區(qū)高壓涌突水易發(fā)部位為地層接觸帶、風化深槽及構造破碎帶，寶靈山隧道構造復雜，斷層發(fā)育，外水壓力高達3.56MPa，有較大的高壓涌突水風險。

(3)根據(jù)隧道水文地質(zhì)條件將其分為16段，分段計算預測隧道正常涌水量及最大涌水量，計算結果為隧道正常涌水量分別為64 560 m3/d、62 813 m3/d、80 961 m3/d和78 474 m3/d；隧道最大涌水量分別為94 220 m3/d和81 026 m3/d。

(4)通過降雨入滲法計算不同段落單寬流量，預測易發(fā)高壓涌突水段落為F103水井灣斷層、F100咱里斷層、F92斷裂和F88斷裂，并通過物探解譯結果進行驗證，兩種方法預測結果一致。