云南丘北地區(qū)某隧道隧址區(qū)巖溶發(fā)育特征及涌水量預(yù)測

成 勝，許 模

(1.水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

巖溶山區(qū)地下工程建設(shè)主要面臨兩方面巖溶水問題，一是巖溶涌突水災(zāi)害，二是持續(xù)排水引起的地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)。我國西南巖溶山區(qū)有近1/3的隧道發(fā)生過涌突水(泥)災(zāi)害，其誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害占隧道工程重大安全事故總數(shù)的77.3%[1-2]，隧道在可溶巖區(qū)經(jīng)過除易產(chǎn)生突水突泥危害外，還易對(duì)當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境造成嚴(yán)重的影響[3-4]，在巖溶區(qū)的暗河、巖溶泉等地下水出露點(diǎn)多數(shù)是當(dāng)?shù)卮迕裰饕钆c農(nóng)業(yè)用水，與村民生活息息相關(guān)，部分巖溶景觀為國家級(jí)的自然風(fēng)景區(qū)，對(duì)本地的民生問題及經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。

1 隧址區(qū)地質(zhì)環(huán)境

隧址區(qū)地處滇東南巖溶高原中部的丘北與瀘西縣交接部位(圖1)，峽谷深切，高原面被強(qiáng)烈剝蝕，溝壑縱橫，局部地塊剝蝕作用相對(duì)較弱，高原面保存較為完整，地形變化的總體趨勢(shì)是西北高而東南低。丘北、瀘西二縣屬低緯度亞熱帶高原季風(fēng)氣候，受高山峽谷控制，局部氣候變化較大，垂直分帶明顯，最熱月平均氣溫在17.7℃～26.1℃，平均降雨量1 000～1 270 mm；區(qū)內(nèi)大小河流屬于珠江水系，西北部的南盤江為區(qū)內(nèi)主干河流，發(fā)育的各級(jí)支流與溝谷，大體上呈北東-南西向展布，縱橫交織成網(wǎng)格狀。隧道區(qū)域地層為三疊系下統(tǒng)洗馬塘組(T1x)、永寧鎮(zhèn)組(T1y)、三疊系中統(tǒng)個(gè)舊組(T2g)、法郎組(T2f)、三疊系上統(tǒng)鳥格組(T3n)、火把沖組(T3h)，以個(gè)舊組和法郎組分布最廣。

隧址區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水和碳酸鹽巖類巖溶水兩大類型，隧道穿越區(qū)主要以碳酸鹽巖巖溶水為主(圖1)。基巖裂隙水均屬于風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水，含水巖組有鳥格組(T3n)、火把沖組(T2h)、法郎組二段(T2fb)、洗馬塘組(T1x)，巖性為粉砂巖、頁巖等，未見泉水出露，富水性弱～中等。碳酸鹽巖巖溶水可分為碳酸鹽巖裂隙溶洞水、碳酸鹽巖夾碎屑巖裂隙水兩個(gè)亞類，碳酸鹽巖裂隙溶洞水主要分布于個(gè)舊組，法郎組一段，根據(jù)富水性強(qiáng)弱可分為富水性強(qiáng)的含水巖組(T2gd、T2ge)、富水性中等的含水巖組(T2ga、T2gc)、富水性弱的含水巖組(T2gb、T2fa)；碳酸鹽巖夾碎屑巖裂隙水主要賦存于永寧鎮(zhèn)組(T1y)，總體富水性中等，隧道未穿過該含水層組。

圖1 隧道地理位置及水文地質(zhì)圖

根據(jù)隧址區(qū)地下水的補(bǔ)徑排特征，以地下水分水嶺和相對(duì)隔水層為主要?jiǎng)澐忠罁?jù)，結(jié)合巖溶發(fā)育規(guī)律，將隧址區(qū)域劃分老鷹窩-紅石巖水文地質(zhì)單元(Ⅰ)、水文地質(zhì)單元(Ⅱ)。老鷹窩-紅石巖水文地質(zhì)單元(Ⅰ)接受大氣降水入滲補(bǔ)給，大氣降水多呈灌入式從這些洼地、漏斗和落水洞下滲；還有一部補(bǔ)給源為碎屑巖地層形成的盲谷、盲溝在大氣降水匯流后沿落水洞補(bǔ)給地下水，單元內(nèi)地下水受背斜構(gòu)造控制，地下水在巖溶含水層中沿巖溶管道、裂隙沿北東向繞過甘塘子背斜于卜戛村-老鷹窩一帶通過泉出露匯流入南盤江。水文地質(zhì)單元(Ⅱ)地下水接受隧道出口處的沖子洼地和法果—山恒斷層一線的花子洞等洼地、漏斗和落水洞下匯集的降水補(bǔ)給，一部分地下水順巖層走向北東向徑流，遇非可溶巖阻隔轉(zhuǎn)為南東向在大矣勒以暗河的形式排泄，另一部分水順巖溶漏斗、洼地、裂隙帶垂直下滲，地下水順巖層向低位洼地徑流排泄。

2 巖溶發(fā)育特征及規(guī)律

該隧道穿越區(qū)個(gè)舊組巖溶強(qiáng)發(fā)育，山頂一帶為第一級(jí)剝夷面或第一亞期(S21)，分布高程為1 800～2 200 m，整體巖溶地貌為孤峰平原，表層有3～10余米風(fēng)化紅土分布，并發(fā)育有眾多的巖溶洼地，形態(tài)渾圓，直徑幾米至幾十米不等，彼此緊密排列形成封閉高位洼地帶，洼地底部有落水洞及巖溶管道相連，屬于典型的封閉型匯水地貌(圖2、圖3)。

通過對(duì)隧道上方山頂平原洼地、落水洞高程及發(fā)育底層的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，個(gè)舊組a段、b段巖溶洼地、落水洞發(fā)育個(gè)數(shù)相對(duì)較多(圖4)，巖性以中厚層狀灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖或砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)白云巖，其中個(gè)舊組a段洼地直徑較小且形態(tài)多呈圓形，多分布于山頂平原一帶，高程2 363～2 423 m；個(gè)舊組b段分布狹窄，主要位于斜坡坡腳一帶，洼地形態(tài)呈圓狀、橢圓狀，主要發(fā)育垂直巖溶管道，洼地、落水洞發(fā)育高程范圍為2 296～2 330 m(圖5)。個(gè)舊組c段發(fā)育個(gè)數(shù)偏少，可能是由于出露面積較小。個(gè)舊組d段洼地、落水洞發(fā)育最多，巖性主要為純灰?guī)r、白云巖，富水性強(qiáng)，洼地直徑大且發(fā)育較密集，發(fā)育高程范圍為1 986～2 272 m，洼地底部有落水洞發(fā)育，洼地長軸方向整體為南東向，指向低位的大洼地，推測巖溶垂向發(fā)育深度較深，地下水主要以管道流的方式向低位的大洼地徑流。

圖2 隧道上方地表洼地落水洞

圖3 隧道線位兩側(cè)2 km范圍洼地落水洞分布

圖4 隧道上方各地層洼地落水洞發(fā)育數(shù)量

圖5 隧道上方洼地落水洞底板高程統(tǒng)計(jì)

圖6 隧址區(qū)典型巖溶管道系統(tǒng)

除了上述的地表巖溶現(xiàn)象，隧址區(qū)有兩處典型的巖溶管道系統(tǒng)(圖6)。

2.1 拖克老街子—蚌戛巖溶管道系統(tǒng)

該巖溶管道系統(tǒng)發(fā)育于個(gè)舊組a段(T2ga)可溶巖地層，南北兩側(cè)分別為個(gè)舊組b段(T2gb)與永寧組(T1y)非可溶巖地層，為相對(duì)隔水層，致使拖克老街子洼地落水洞匯集的降水進(jìn)入地下水后沿個(gè)舊組a段(T2ga)向北東方向徑流，繞過甘塘子背斜傾覆端后，向北西南盤江方向徑流，以巖溶大泉集中排泄(圖7)，流量約70～80 L/s(平水期流量)。該巖溶管道系統(tǒng)出口高程1 148 m，其下5～6 m為沖溝，高出南盤江江面約150 m(該處南盤江江面高程約900 m)，該巖溶管道大致形成于南盤江時(shí)期。

圖7 蚌戛泉及下部溪溝

2.2 舍得—大矣勒巖溶管道系統(tǒng)

該巖溶管道系統(tǒng)發(fā)育于個(gè)舊組d段、e段(T2gd+e)，巖溶發(fā)育十分強(qiáng)烈，地表出露多個(gè)落水洞、漏斗以及洼地，地下暗河及巖溶管道分布較廣，大致沿呈北東或近東西向展布，暗河大致沿可溶巖與非可溶巖界線發(fā)育，區(qū)域內(nèi)地下水基本沿暗河及巖溶管道呈南西至北東流向，區(qū)域內(nèi)有3條盲谷流域范圍內(nèi)地表水沿充水落水洞匯入暗河，于大矣勒暗河排泄，流量330～17 713 L/s(圖8)。該巖溶管道系統(tǒng)集中排泄點(diǎn)-大矣勒暗河出口高程約1 296 m，巖溶管道系統(tǒng)可能形成于南盤江期晚更新世，巖溶管道整體坡降大致在8.5‰，計(jì)算出隧道出口大型洼地落水洞之下暗河管道的高程大致在1 417 m，隧道出口標(biāo)高1 518，則巖溶管道位于隧道底板之下。

圖8 大矣勒暗河出口

3 隧道涌水量預(yù)測

涌水量預(yù)測準(zhǔn)確性主要取決于對(duì)隧洞充水條件的正確分析及計(jì)算參數(shù)和計(jì)算方法的合理選用。鑒于相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)的缺乏，適宜采用水均衡法計(jì)算涌水量，其公式如下：

Q補(bǔ)=Q排±Q存

(1)

式中：Q補(bǔ)表示進(jìn)入均衡區(qū)內(nèi)的地下水量；Q排表示流出均衡區(qū)的地下水量；Q存均衡區(qū)內(nèi)增加或較少的水量。在地下水天然流場中，在一個(gè)均衡期內(nèi)(多以一年或月)，Q補(bǔ)≈Q排，在不存在河流或地表水體補(bǔ)給的區(qū)域，Q補(bǔ)可約為大氣降雨入滲補(bǔ)給的水量，Q排主要為河流、泉水、井等。

Q補(bǔ)采用大氣降雨入滲法計(jì)算所得，Q排以暗河管道出口流量計(jì)算所得，然后比較兩者差值，后修正降雨入滲系數(shù)，使Q補(bǔ)≈Q排在合理范圍。Q排以大矣勒暗河及蚌嘎出口流量數(shù)據(jù)計(jì)算，大矣勒暗河出口流量與降雨量的監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于區(qū)域水文地質(zhì)報(bào)告(圖9)。以5月、8月降雨量及暗河流量作為平水期、豐水期的數(shù)據(jù)，并計(jì)算可溶巖條帶的降雨入滲系數(shù)，并通過水文地質(zhì)比擬，計(jì)算隧道涌水量的正常值與最大值。

大矣勒與蚌嘎的暗河水量來源主要是巖溶條塊地下水與非可溶巖地表水通過落水洞的匯入，故進(jìn)行均衡計(jì)算時(shí)需排出該部分地表水量后才計(jì)算，表1是各暗河的水源區(qū)域面積及平、豐季流量數(shù)據(jù)。

通過計(jì)算得出隧道正常涌水量與最大涌水量的見表2，計(jì)算結(jié)果顯示采用水均衡結(jié)合水文地質(zhì)比擬法計(jì)算的隧道正常涌水量65 152 m3/d，最大涌水量130 098 m3/d，本次計(jì)算結(jié)果僅考慮了平水期、豐水期降雨量情況下涌水量，若極端降雨條件下，隧道涌水量可增大至本次最大涌水量的幾倍，如采用丘北縣歷史最大日降雨量(92.1 mm)計(jì)算得出隧道涌水量可達(dá)130多萬 m3/d的流量，故實(shí)際涌水量可能比本次預(yù)測結(jié)果偏大。

圖9 大矣勒暗河出口流量與降雨量變化曲線圖

表1 暗河匯水面積及平、豐季流量

表2 隧道水均衡法涌水量計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

隧址區(qū)巖溶十分發(fā)育，隧道建設(shè)涌突存在風(fēng)險(xiǎn)，通過對(duì)隧址區(qū)地質(zhì)條件、巖溶發(fā)育特征的分析，采用水均衡結(jié)合水文地質(zhì)比擬法計(jì)算隧道用水量，可以得出一下結(jié)論：

(1)隧址區(qū)上方高平原上發(fā)育大量大地落水洞，地下存在多期巖溶管道，洼地、落水洞在個(gè)舊組d段發(fā)育數(shù)量最多，發(fā)育高程分布具有一定規(guī)律性。

(2)采用水均衡結(jié)合水文地質(zhì)比擬法計(jì)算得出隧道正常涌水量65 152 m3/d，最大涌水量130 098 m3/d，計(jì)算未考慮極端降雨條件下，實(shí)際涌水量可能比本次預(yù)測結(jié)果偏大。