王家山隧道水文地質(zhì)條件分析及涌水量的預(yù)測

鄭 齊

(江西東通交通科技股份有限公司，江西 南昌 330013)

0 引 言

王家山隧道的定測詳勘加強(qiáng)了工程地質(zhì)與水文地質(zhì)勘探。按照規(guī)范要求，在充分利用初勘成果的基礎(chǔ)上，采用了工程地質(zhì)調(diào)繪、深孔鉆探、鉆孔聲波測試、洞身涌水量測定、地下水腐蝕性試驗(yàn)等綜合勘察手段，探明了隧道洞室圍巖特征和兩端洞門巖土層分布及水文地質(zhì)條件。

經(jīng)對王家山隧道線位地表附近發(fā)育的巖溶洼地、落水洞等調(diào)查走訪分析，未發(fā)現(xiàn)明顯消水痕跡；采用瞬變電磁法對隧道洞身物探，出口右側(cè)巖溶洼地未能探底。該隧道施工過程有遇涌水突水的可能，使用數(shù)種方法對隧道涌水量進(jìn)行預(yù)測并與實(shí)測值比較。設(shè)計階段應(yīng)加強(qiáng)巖溶預(yù)案設(shè)計，施工階段加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報工作，做好巖溶隧道涌水、突泥等災(zāi)害防治預(yù)案。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

王家山隧道位于湖北省宜恩縣長潭河侗族鄉(xiāng)王家山村境內(nèi)，隧道進(jìn)、出口均位于斜坡地帶，進(jìn)口植被茂密，以灌木為主，出口主要以旱地為主，植被稀疏。隧道走向方位角231°～241°，起訖樁號：K42+645～K44+360，全長1 715 m，洞身最大埋深約394.3 m。

1.2 氣象水文

依據(jù)恩施幅水文地質(zhì)資料及恩施州水資源公報，宜恩縣境內(nèi)河網(wǎng)密布，縱橫交錯，共有大小河溪121條，總長度537.65 km。隧址區(qū)范圍的年平均降雨量約1 400～1 500 mm，最大降雨量2 308.0 mm，日最大降水量133.2 mm。路線區(qū)地表水系主要為中間河及其主要支流花塌河、洪家河、龍?zhí)逗拥龋蠖嗯c地下暗河水系有水力聯(lián)系，水量較豐富。流域內(nèi)巖溶較為發(fā)育，有多處的地表水常潛入地下形成暗河，伏進(jìn)伏出，河流流量受氣候影響較大，平常水量不大，雨季水量較大，具有山區(qū)典型的暴漲暴跌的特點(diǎn)。區(qū)內(nèi)廣布可溶碳酸鹽巖，由于巖溶發(fā)育，地表徑流匱乏，地下徑流通道暢通，排泄條件極好。

1.3 地層巖性

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)位于新華夏系第三隆起帶內(nèi)，具體位于上揚(yáng)子臺坪八面山臺褶帶恩施臺褶束的東南緣，湘黔邊境隆褶帶的北端。經(jīng)周邊地質(zhì)調(diào)繪，場地表層被土層覆蓋。經(jīng)勘察隧道軸線范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有斷裂構(gòu)造通過，地質(zhì)構(gòu)造較簡單，但仍有一些節(jié)理裂隙存在，會影響地區(qū)地下水的形式，可能導(dǎo)致涌水的發(fā)生。

(1)節(jié)理裂隙

據(jù)隧址區(qū)基巖出露情況，王家山隧道進(jìn)口段出露地層較多，巖性呈漸變性，巖層單層厚度在1～25 cm，具明顯的層狀構(gòu)造，主要發(fā)育兩組節(jié)理面。

出口段主要出露中厚-厚層狀燧石灰?guī)r、灰?guī)r夾頁巖，巖層單層厚度大，具明顯的塊狀構(gòu)造，主要發(fā)育一組節(jié)理面。

經(jīng)過地面調(diào)查和鉆探揭露，根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20—2016)判定，木王家山隧道區(qū)基巖節(jié)理發(fā)育-不發(fā)育。

(2)不良地質(zhì)

隧址區(qū)不良地質(zhì)主要為地下巖溶和進(jìn)出口開挖時會產(chǎn)生的小型崩塌、滑坡。勘察時未見其它對隧道有影響的不良地質(zhì)作用。

①隧道區(qū)K43+400左40 m巖溶洼地，呈圓形，直徑約30 m，深度3.0～4.5 m，洼地內(nèi)多灌木，地表為第四系黏土覆蓋，厚度約3～5 m，未見落水洞。

②隧道區(qū)K43+610左170 m巖溶洼地，呈橢圓形，長軸長26.0 m，短軸長14.4 m，深度2.70～3.30 m。洼地內(nèi)多為灌木，地表為第四系黏土覆蓋，厚度約1.60～3.20 m，未見落水洞。底部灌木、雜草茂密，土濕但未見流水。

根據(jù)地表出露巖溶現(xiàn)象判斷，各巖溶點(diǎn)地下存在貫通巖溶管道的可能性極大。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 水文概況

王家山隧道地下水主要有松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水。在王家山隧道的勘察期間根據(jù)地形、地質(zhì)條件，在地質(zhì)調(diào)繪的基礎(chǔ)上布置了深鉆孔以進(jìn)行水文地質(zhì)綜合測試工作，測試調(diào)查隧道中的富水性，涌水集中段及水化學(xué)性質(zhì)等方面的情況。

隧道進(jìn)口左側(cè)存在2條沖溝，距離隧道中心線余約90 m和25 m。溝內(nèi)有水，流量大約為0.36 m/s、0.04 m/s。受降雨影響明顯，其中溝1在天氣轉(zhuǎn)晴幾天后流水即消失，溝2為常年流水溝。溝1、2在洞口附近匯流后，大約100 m處與溝3匯合。溝3為常年流水溝。溝1、溝2、溝3流水交匯后為常年流水溝。

洞身上方山地較為平坦，多為灌木林，局部有耕地。在距離洞軸線左側(cè)約400 m處有一山塘(大峰尖山塘，又名大峰尖水庫)，常年儲水，為不干塘。水位受降雨有一定影響，但降雨水位并無明顯上升，且地表山塘距離隧道軸線較遠(yuǎn)，其儲水對隧道掌子面流水并不產(chǎn)生直接的大的影響。

發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)地下水徑流條件較好，現(xiàn)場調(diào)查時隧道頂部山體可見5處巖溶洼地，物探也表明地下巖溶也較為發(fā)育，同時施工期天氣多降雨，產(chǎn)生涌水的可能性較大，開挖過程中應(yīng)采取有效措施，防止涌水，造成施工安全。

2.2 地下水類型及水動力條件

根據(jù)地層巖性可將王家山隧道地下水分為基巖裂隙水和孔隙潛水。

(1)基巖裂隙水。隧址區(qū)節(jié)理裂隙的存在給地下水的賦存和徑流提供了條件。基巖裂隙水受到大氣降水補(bǔ)給，沿著裂隙、層面、節(jié)理往下滲，同時有局部沿斷裂滲出地表的泉水，這種水量一般不大。地表植被、沖溝較發(fā)育，排泄條件較好。

(2)松散巖類孔隙水。隧址區(qū)松散巖類孔隙水分布比較少，具有顯著的分散特點(diǎn)和季節(jié)性特征，枯水期時水量小，富水性差，主要分布在通過隧道區(qū)的溝谷中，含水層透水性較好。

隧址區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候有充沛的雨量，通常地下水以大氣降水入滲的形式補(bǔ)給，大氣降水流入地下后轉(zhuǎn)化成地下水沿著巖溶裂隙、巖溶管道徑流。排泄主要以補(bǔ)給地表溝水和泉水的天然方式進(jìn)行。在巖溶富水巖層中，有較高的靜水壓力，地下水動力性能高。

3 涌水量預(yù)測

預(yù)測隧道涌水量是長時間以來困擾生產(chǎn)實(shí)踐的難題，尤其是在巖溶地區(qū)。目前預(yù)測方法和計算公式較多，一般宜采用多方法、多手段進(jìn)行綜合預(yù)測，以期相互印證。

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20—2016)有關(guān)規(guī)定，并結(jié)合隧道實(shí)際水文地質(zhì)條件，采用地下徑流模數(shù)法、大氣降水滲入法、古德曼經(jīng)驗(yàn)式法等對王家山隧道正常涌水量進(jìn)行預(yù)測計算。

3.1 地下徑流模數(shù)法

地下徑流模數(shù)法是一種近年來在隧道涌水量預(yù)測中受到廣泛應(yīng)用的方法，適用于通過一個或數(shù)個地表水流域的山嶺隧道，也適用于巖溶區(qū)。地下徑流模數(shù)表示單位時間內(nèi)單位流域面積上的地下水流量值。該法須在枯水時期，地下水無降水入滲、也無地表水補(bǔ)給，測量流域內(nèi)的地表徑流量，認(rèn)為這時候地表徑流只能由地下水溢出補(bǔ)給，再結(jié)合隧道的影響寬度即可求得隧道的穩(wěn)定涌水量。隧道穩(wěn)定涌水量采用公式(1)計算，地下徑流模數(shù)由公式(2)計算

=·

(1)

='/

(2)

式中：為隧道正常涌水量，m/d；為地下徑流模數(shù)，m/d·km；為隧道經(jīng)過含水體匯水面積，km；'為溝谷和河流枯水期流量，m/d；為枯水期匯水面積，km。

此處主要根據(jù)1∶20萬恩施幅水文地質(zhì)報告確定最大徑流模數(shù)。匯水面積直接在1∶1萬水文地質(zhì)圖上量測。王家山隧道涌水量采用地下徑流模數(shù)法計算結(jié)果見表1。

表1 地下徑流模數(shù)法預(yù)測涌水量計算表

3.2 大氣降水入滲法

大氣降水入滲法是只考慮大氣降水入滲來評價一個區(qū)域的地下水量的計算方法，其根據(jù)隧址區(qū)的年均降水量、匯水面積，以及地形地貌、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等條件選取合適的降水入滲系數(shù)，適用于埋深較淺的山嶺隧道，能宏觀粗略地計算隧道正常涌水量。通過恩施幅水文地質(zhì)資料，取降水入滲系數(shù)為0.20，降雨量選隧址區(qū)內(nèi)日最大降水量133.2 mm。計算比較簡單，參數(shù)也較少，采用公式(3)

=2.74··

(3)

式中：為大氣降水入滲補(bǔ)給量，m/d；2.74為換算系數(shù)；為降水入滲系數(shù)；為多年平均降水量，mm；為隧道通過含水體的匯水面積，km。

計算結(jié)果如表2所示。

表2 大氣降水入滲法預(yù)測涌水量計算表

3.3 古德曼經(jīng)驗(yàn)式法

(4)

式中：為隧道經(jīng)過含水體的正常涌水量，m/d；為通過含水體的長度，m；為含水體滲透系數(shù)，m/d；為水位至洞身橫斷面圓中心的距離，m；為洞身橫斷面等價圓直徑，m。

根據(jù)圍巖情況，洞身橫斷面等價圓直徑取為11 m。含水體滲透系數(shù)根據(jù)水文地質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)綜合取值，靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離按照各鉆孔的穩(wěn)定水位確定。

按古德曼經(jīng)驗(yàn)式法預(yù)測隧道正常涌水量的計算結(jié)果見表3。

表3 古德曼經(jīng)驗(yàn)式法預(yù)測隧道涌水量

3.4 涌水量預(yù)測分析

將地下徑流模數(shù)法、大氣降水入滲法、古德曼經(jīng)驗(yàn)式法預(yù)測值與王家山隧道實(shí)際值匯總列于表4。

表4 隧道涌水量預(yù)測值與實(shí)際值對比 m3/d

由表4可見。

(1)大氣降水入滲法預(yù)測的隧道最大涌水量值最大，古德曼經(jīng)驗(yàn)式法次之，地下徑流模數(shù)法最小。預(yù)測結(jié)果介于13 978～17 591 m/d。

(2)地下徑流模數(shù)法、古德曼經(jīng)驗(yàn)式法等預(yù)測隧道最大涌水量較接近。

(3)王家山隧道涌水量較大，在設(shè)計和施工中應(yīng)引起重視。應(yīng)做好超前預(yù)報工作，采取合理措施，防止涌水災(zāi)害。

4 結(jié) 論

對王家山隧道進(jìn)行了充分的地質(zhì)調(diào)查、涌水調(diào)查，分析其水文工程地質(zhì)條件，發(fā)現(xiàn)施工中有遇涌水突水的可能。而后選擇地下徑流模數(shù)法、大氣降水入滲法、古德曼經(jīng)驗(yàn)式法等對隧道最大涌水量預(yù)測，并與實(shí)際涌水量相互核對，得出的結(jié)論總結(jié)如下。

(1)王家山隧道巖溶發(fā)育，存在巖溶溶蝕通道及地下水通道等特征，造成地下水受大氣降雨影響明顯，一旦管道受到破壞，容易造成隧道涌水。巖溶管道發(fā)育可能為隧道掌子面出現(xiàn)流水提供基礎(chǔ)條件。

(2)洞身地表較為平坦，匯水面積大，連續(xù)降雨，降雨時間長，大量地表水匯集與沿巖溶裂隙、孔隙、管道下滲和流動。地表高程與隧道線位高程相差大，造成巖溶水壓力較大。

(3)大氣降水入滲法預(yù)測的隧道正常涌水量為17 591 m/d，是3種方法預(yù)測值中最大的；地下徑流模數(shù)法預(yù)測的隧道正常涌水量為13 978 m/d，是3種方法預(yù)測值中最小的。