基巖裂隙含水系統(tǒng)與隧洞外水壓力的相關(guān)性研究

于士程，劉洪鋮，盧長偉

（吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130021）

1 工程背景

ABH輸水隧洞是連接南北兩側(cè)的大型跨流域調(diào)水工程，洞長41 920 m，設(shè)計(jì)洞徑5.2 m，最大輸水流量65 m3/s，底坡1/559，為無壓輸水隧洞。輸水隧洞洞底高程1 270～1 195 m，埋深在500～2 268 m的洞段長占總長的2/3，屬超深長隧洞[1]。隧洞沿線斷裂構(gòu)造發(fā)育，較大斷層36條，以壓、壓扭性為主[2]。隧洞跨越距離超長，地質(zhì)條件異常復(fù)雜，洞子埋深超大，外水壓力折減系數(shù)的確定對外水壓水計(jì)算及圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)具有重要意義。因此，研究引入基巖裂隙含水系統(tǒng)概念，為外水壓力折減系數(shù)的確定提供必要指導(dǎo)[3]。

2 隧洞地下水環(huán)境及其補(bǔ)徑排條件

作為山地水循環(huán)系統(tǒng)的徑流過程，隧洞沿線地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄具有以下特征：①大氣降水形成高山積雪或匯集成高～中山區(qū)徑流，進(jìn)入山地水循環(huán)系統(tǒng)，形成產(chǎn)流區(qū)。②高山積雪融水為徑流穩(wěn)定補(bǔ)給源，高～中山區(qū)降水為輔助補(bǔ)給源。③高山積雪融水迅速下滲進(jìn)入冰水堆積物及淺層裂隙巖體，隨巖體裂隙發(fā)育程度、徑流條件、地形坡降及補(bǔ)給量等的不同，形成潛流或溢出匯集成明流。④來自產(chǎn)流區(qū)的補(bǔ)給水源依靠地形重力梯度，維持了一定水力坡降的基巖裂隙潛水位，在各種適宜的條件下，或沿巖體裂隙徑流，或受阻以下降泉出露，或因地形低洼溢出為地表徑流。因此，表現(xiàn)出河流、溝谷兩岸地下水位一般高于河水位，相對低洼地帶出現(xiàn)泉水露頭及地下潛流于河谷地帶溢出進(jìn)入明流等水文地質(zhì)現(xiàn)象。⑤地下水位動(dòng)態(tài)變化具有明顯的季節(jié)性，與區(qū)域氣象因素相關(guān)。

上述隧洞區(qū)域的地下水活動(dòng)性特征，主要是反映了淺層基巖裂隙水的賦存和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即反映了隧洞地下水環(huán)境場的淺部滲流特征，是與徑流補(bǔ)給源關(guān)系最密切的基巖表生作用裂隙潛水環(huán)境。對于深埋隧洞的不同埋深洞段，淺層基巖裂隙潛水均是在垂直方向上向隧洞集中滲流和作用外水壓力的最大“地下水動(dòng)力學(xué)”來源，因此，沿隧洞方向?qū)ζ渌牡刭|(zhì)條件進(jìn)行分帶是必要的。

3 基巖裂隙含水系統(tǒng)確定

地應(yīng)力場和地下水滲流場既是巖體賦存的兩大基本環(huán)境場，同時(shí)，兩場之間也是互為影響、互為依存的關(guān)系；而表生地質(zhì)作用范圍，是巖體裂隙水滲流最為活躍和水文地質(zhì)環(huán)境最為復(fù)雜的范圍?？紤]巖體裂隙水與對其所賦存環(huán)境可能產(chǎn)生影響的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、表生地質(zhì)作用及地應(yīng)力環(huán)境等因素之間的關(guān)系，可將基巖裂隙含水系統(tǒng)由淺到深劃分為淺層、深層及超深層基巖裂隙含水系統(tǒng)。

3.1 淺層基巖裂隙含水系統(tǒng)

該單元大體與巖體風(fēng)化帶、卸荷相當(dāng)，其巖體節(jié)理裂隙相對較為發(fā)育，地應(yīng)力較低，張開裂隙較多，巖體透水性相對較強(qiáng)。一般為強(qiáng)透水至弱透水，滲透系數(shù)為K（10-1～10-4cm/s），相應(yīng)透水率為1～100 Lu。巖體風(fēng)化帶、卸荷的厚度與巖性和地形有直接關(guān)系。由于淺層裂隙含水單元總體上是向上開放的，具有相對統(tǒng)一并隨地形坡降變化的自由水面，對于同一單元而言，均屬于裂隙潛水的概念范疇。由于裂隙發(fā)育的不均勻和復(fù)雜性，淺層局部切入單元潛水位以下的低洼溝谷地帶地下水露頭和鉆孔地下水水頭可能高出地面，表現(xiàn)出“局部承壓性”，但其不可能高過該單元潛水位，因此，仍是該單元潛水系統(tǒng)的一部分。相比較而言，該單元巖體裂隙水最為豐富，與地表水和大氣降水的水力聯(lián)系最為密切，其補(bǔ)給、徑流、排泄循環(huán)也相對強(qiáng)烈，且隨季節(jié)變化明顯。

3.2 深層基巖裂隙含水系統(tǒng)

從含水孔隙特征角度講，深層含水裂隙主要為構(gòu)造裂隙，裂隙的發(fā)育程度和張開度已不受風(fēng)化、卸荷影響，其張開程度以微張-閉合狀為主，地應(yīng)力較高，構(gòu)造裂隙已有不同程度的壓密，但仍有部分裂隙未達(dá)到擠壓閉合的程度。巖體的滲透性以弱透水和微透水(10-4～10-6cm/s)為主，并含有極微透水巖體(K＜10-6cm/s)。構(gòu)造裂隙發(fā)育程度及張開度對巖體聲波速度和滲透性有直接影響。據(jù)此，當(dāng)巖體波速與巖塊波速值相近時(shí)，即可認(rèn)為巖體中無節(jié)理裂隙或節(jié)理裂隙呈緊閉狀態(tài)，可將此深度作為深層裂隙含水層的底界。

深層含水系統(tǒng)巖體的富水性明顯比淺層巖體弱，多為貧水狀，局部可能處于干燥狀態(tài)。除斷裂構(gòu)造等較大破裂結(jié)構(gòu)面外，一般與淺層含水系統(tǒng)水力聯(lián)系較弱，地下水補(bǔ)給、徑流及排泄條件較差且相對滯緩。

3.3 超深層基巖裂隙含水系統(tǒng)

由于超深層地區(qū)地應(yīng)力大，節(jié)理裂隙大多處于閉合狀態(tài)，除大的斷裂構(gòu)造破碎帶外，巖體大多貧水或無水。地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄十分緩慢，與淺部地下水系統(tǒng)主要通過大的斷裂結(jié)構(gòu)面發(fā)生較弱的水力聯(lián)系。有的超深層水可能為漫長地質(zhì)歷史時(shí)期賦存下來的“古老地下水”，巖體滲透性極微弱，一般透水率小于0.1 Lu，局部透水率大于1.0 Lu，巖體滲透系數(shù)在10-7～10-9cm/s之間。超深層水往往因彈性釋放而表現(xiàn)出承壓水的特性，但水量不大。

4 基巖裂隙含水系統(tǒng)應(yīng)用

本文以博羅科努山南坡主脊附近高山產(chǎn)流及入滲補(bǔ)給區(qū)單元為例，通過確定基巖裂隙含水系統(tǒng)，從而定性確定洞段巖體外水壓力折減系數(shù)。該單元分布有奧陶系呼獨(dú)克達(dá)坂組(O3h)矽卡巖化灰?guī)r及志留系上統(tǒng)博羅霍洛山組(S3b)淺變質(zhì)砂巖，海拔多在3 000 m以上，幾乎一年四季都有降雪，是基巖裂隙水的主要補(bǔ)給源。冰雪堆積時(shí)間長，其持續(xù)融化過程保證了補(bǔ)給源的穩(wěn)定。該地段物理風(fēng)化作用強(qiáng)烈，地表巖體破碎，巖屑堆積物厚度巨大，在地表較大坡降下，穩(wěn)定融化的雪水亦能迅速下滲進(jìn)入堆積層和基巖裂隙，僅少量形成地表徑流。一般在高程3 000 m上潛流為主，以下出露為明流，流量逐漸增大匯流成河并沿途補(bǔ)給地下水。相對輸水隧洞而言，該地段潛水位很高，含水帶厚度不均勻且起伏較大（即包氣帶厚度和飽水帶厚度變化較大）。

從該單元JDZK3鉆孔聲波測試成果來看，在孔深245 m以上聲波速度一般為4 300～5 000 m/s，孔深245 m以下波速值一般為5 400～6 700 m/s，在245 m處有一個(gè)明顯的增加變化，可以理解為該鉆孔附近巖體卸荷下限深度245 m?？紤]到該地區(qū)強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地形切割等特征，卸荷深度可能達(dá)到300 m以上，綜合分析認(rèn)為，隧洞淺層基巖裂隙含水層底界埋深為300 m。

從該單元JDZK3鉆孔聲波測試成果來看，波速值與孔深關(guān)系：

式中：Vp——聲波波速值，cm/s；h——鉆孔孔深，m。

巖塊的聲波波速為6 700 m/s，相應(yīng)孔深為824 m。綜合分析認(rèn)為，隧洞深層基巖裂隙含水層的底界面埋深應(yīng)在800～1 000 m。

由于隧洞埋深一般可達(dá)到1 600～2 200 m，因此，“懸掛”在基巖上部的裂隙含水帶相對隧洞為“上層滯水”狀態(tài)，若“上層滯水”向隧洞產(chǎn)生集中滲流或施加外水壓力，則需穿過其間厚度巨大且逐漸密閉完整的裂隙巖體（即相對隔水層）進(jìn)行“越流”補(bǔ)給，其水力聯(lián)系和影響勢必是很微弱的。因此，該洞段巖體外水壓力折減系數(shù)一般可能很小。

5 結(jié)語

綜上所述，淺層基巖含水系統(tǒng)裂隙水最為豐富，與地表水和大氣降水的水力聯(lián)系最為密切，其補(bǔ)給、徑流、排泄循環(huán)也相對強(qiáng)烈，且隨季節(jié)變化明顯；深層基巖裂隙水含水系統(tǒng)富水性明顯比淺層巖體弱，多為貧水狀，局部可能處于干燥狀態(tài)；由于超深部地區(qū)地應(yīng)力大，節(jié)理裂隙大多處于閉合狀態(tài)，除大的斷裂構(gòu)造破碎帶外，巖體大多貧水或無水。

引入基巖裂隙含水系統(tǒng)來確定外水壓力折減系數(shù)，在ABH 引水隧洞中已經(jīng)得到很好的應(yīng)用，今后在引水隧洞建設(shè)過程中，應(yīng)加強(qiáng)對地下水補(bǔ)徑排條件的勘察，全面掌握隧洞區(qū)的水文地質(zhì)情況；可以充分利用鉆孔數(shù)據(jù)及聲波測試確定卸荷及基巖裂隙含水層界線。