巖溶地區(qū)隧道施工斜井開挖對某水庫滲漏影響分析

何興,駱波,嚴(yán)克淵,潘長貴

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴陽,550000)

貴州巖溶地貌發(fā)育非常典型?？λ固?出露)面積109084km2,占全省國土總面積的61.9%,境內(nèi)巖溶分布范圍廣泛,形態(tài)類型齊全,地域分異明顯,構(gòu)成一種特殊的巖溶生態(tài)系統(tǒng)[1-3]。工程區(qū)為典型的巖溶、侵蝕地貌,為分析隧道施工斜井開挖對水庫滲漏影響,探究水庫與斜井之間的水力聯(lián)系,做了相關(guān)的分析與調(diào)查[4-6]。

1 工程概況

貴州某水庫工程為原已建成水庫,位于赤水河水系與烏江水系分水嶺南側(cè),水庫匯水范圍及庫區(qū)位于烏江水系范圍內(nèi),以灌溉為主,設(shè)計(jì)灌溉面積53.33hm2。工程規(guī)模為小(2)型,工程等別為Ⅴ等,水庫總庫容14.15萬m3,正常蓄水位以下庫容13.16萬m3,水庫正常蓄水位1250.3m,校核洪水位1252.7m,死水位1248.3m,水庫底標(biāo)高約1240m。

隧道及斜井與該水庫平面位置關(guān)系見圖1。擬建高速公路隧道及斜井位于該水庫東側(cè)、東北側(cè),水庫大壩與隧道左幅距離最近,約410m,庫尾與高速公路隧道之間的最短距離約700m;水庫大壩距離隧道斜井最短水平距離為470m,斜井與隧道交叉口位置底板高程954.53m,交叉口高程(954.53m)比水庫的正常蓄水位(1250.3m)低295.77m。

高速公路隧道施工斜井在施工至FZK0+293時(shí)發(fā)生突發(fā)大的涌水現(xiàn)象。與此同時(shí),相鄰水庫水位逐漸下降直至完全干涸。為分析該水庫干涸的原因,評估隧道斜井開挖對水庫滲漏影響,進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)查分析,為水庫后續(xù)的修復(fù)處理工作提供必要的水文地質(zhì)依據(jù)。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

工程區(qū)地處黔北高原,屬烏蒙山與婁山山脈的交匯處,區(qū)內(nèi)山脈走向多呈北東向,與區(qū)域性構(gòu)造線一致。山巒起伏,溝谷縱橫,地形破碎,地勢總體特征表現(xiàn)為中部高兩端低。最高點(diǎn)位于啄子崖埡口,高程1566.3m,最低點(diǎn)位于北部五馬河谷底部,高程821.8m,最大相對高差744.5m。隧道進(jìn)口端為斜坡地形,自然坡度5°～20°;洞身段穿越山脊,最高點(diǎn)海拔1550.8m;出口端為斜坡地形,自然坡度25°～45°。隧道穿越的山體連綿起伏,軸線通過段地面高程在861.9m～1550.7m之間,相對高差688.8m。水庫周邊匯水范圍內(nèi)最高點(diǎn)海拔1432.5m,壩址岸坡山頂高程1317.5m～1372.5m。

根據(jù)地貌形成的內(nèi)外營力和地表形態(tài),可將區(qū)內(nèi)地貌分為溶蝕地貌、侵蝕地貌兩種類型。

2.1.1 溶蝕地貌

為境內(nèi)較常見地貌類型,分布面積27.7km2,占調(diào)查總面積的61.1%,主要分布于區(qū)內(nèi)的碳酸鹽巖發(fā)育區(qū),整體呈北東向展布。其巖溶組合形態(tài)有峰叢谷地、峰叢洼地、溶丘谷地。個(gè)體巖溶形態(tài)有溶溝、巖溶谷地、巖溶丘陵、落水洞、漏斗、伏流等。

2.1.2 侵蝕地貌

主要為隧道隧址沿線出露,分布面積17.68km2,占調(diào)查總面積的38.9%,主要發(fā)育于碎屑巖分布區(qū),境內(nèi)分布在溝頭、崖腳一帶,呈北東向展布。為帶狀分布的侵蝕、溶蝕低中山地貌,山體形態(tài)有塔狀山、單面山、斷塊山等,地形切割較深,樹枝狀水系發(fā)育。

2.2 地層巖性

根據(jù)隧道施工斜井開挖,出露地層巖性主要有:第四系殘坡積層(Qel+dl)可塑狀粘土、含碎石粉質(zhì)粘土、塊石土,寒武系中、上統(tǒng)婁山關(guān)群(∈2-3ls)中厚層狀白云巖,層間偶夾泥質(zhì)白云巖、泥巖,寒武系中統(tǒng)高臺組(∈2g)薄-中厚層砂質(zhì)白云巖,層間夾泥質(zhì)白云巖、泥巖,斜井基本位于地下水位線以下。隧道施工斜井工程地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 隧道施工斜井工程地質(zhì)剖面

庫區(qū)主要出露為寒武系中統(tǒng)高臺組(∈2g)薄-中厚層砂質(zhì)白云巖,層間夾泥質(zhì)白云巖、泥巖。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)臺地黔北臺隆-遵義斷拱-畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)。隧道位于巖孔背斜北翼,回龍斷裂位于隧道前1.5km。隧道區(qū)及庫區(qū)巖層單斜,地質(zhì)構(gòu)造簡單,巖層產(chǎn)狀333°～40°∠20°～45°。

2.4 水文地質(zhì)條件

2.4.1 地下水類型及動(dòng)態(tài)特征

隧道隧址區(qū)及水庫區(qū)主要出露寒武系下統(tǒng)至二迭統(tǒng)下統(tǒng)地層,據(jù)地層巖性、構(gòu)造及地下水富水特征,地下水類型主要以碳酸鹽巖巖溶水為主,其次為基巖裂隙水,碳酸鹽巖與碎屑巖互層(或夾層)溶洞裂隙水再次之,局部存在松散堆積層孔隙水。

(1)第四系松散層孔隙水

主要賦存于山間洼地及斜坡下部溝谷邊緣的第四系沖洪積、殘坡積層中,表現(xiàn)較分散,具季節(jié)性,干旱時(shí)不含水,富水性差,水量貧乏。

(2)基巖裂隙水-碎屑巖弱含水巖組

主要分布在∈1n、∈1m、∈1j、O1m、S1l、P1l、P2l泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖與局部夾砂巖、灰?guī)r及煤層地帶,為風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙水,頂托作用明顯,多具上層滯水特征。由于溝谷發(fā)育,切割較深,泉水出露點(diǎn)較多,泉水流量0.1L/s～2.0L/s,個(gè)別裂隙密集帶可達(dá)8.0L/s,地下徑流模數(shù)1.0L/s·km2～2.8L/s·km2,富水性弱～中等。地下水沿巖層接觸面出現(xiàn),山高水高,常為附近村民重要的飲用水源。

(3)碳酸鹽巖巖溶水

碳酸鹽巖巖溶水依據(jù)含水介質(zhì)組合及水動(dòng)力特征又可進(jìn)一步分為碳酸鹽巖溶洞水、碳酸鹽巖孔隙水兩個(gè)亞類。

碳酸鹽巖溶洞水-強(qiáng)巖溶含水巖組在場區(qū)主要賦存于∈1q、O1t+h、O2+3、P1q+m灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r地層中,巖溶中等～強(qiáng)發(fā)育,節(jié)理裂隙發(fā)育,淺層巖石風(fēng)化程度較高。含水介質(zhì)以溶蝕裂隙、溶洞為主,局部有巖溶管道存在,含水性不均一,介質(zhì)組合多樣,變化較大,泉水流量5L/s～30L/s,最大達(dá)50L/s,地下水枯季徑流模數(shù)5L/s·km2～7.8L/s·km2,富水性中等～強(qiáng)。地下水水位埋藏一般較深,地下水水力坡度較大。

碳酸鹽巖孔隙水-中等巖溶含水巖組在場區(qū)主要賦存于Zbdn、∈2g和∈2-3ls白云巖、泥質(zhì)白云巖地層中,白云巖、泥質(zhì)白云巖節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,完整性較差。含水介質(zhì)以網(wǎng)狀溶蝕裂隙、溶孔、小溶洞為主,含水層富水性均勻,水量較為豐富,地下水枯季徑流模數(shù)3L/s·km2～4.97L/s·km2,地下水大都組成統(tǒng)一的連續(xù)水體。

2.4.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄特征

隧道區(qū)位于巖孔背斜北翼部突起山地,補(bǔ)、徑、排較為多變,總體上長會土、尖山成、瓦房坡及鍋坑山一帶為補(bǔ)給區(qū),北面隧道出口端五馬河和南側(cè)隧道進(jìn)口端干河壩河及偏巖河為排泄區(qū),地表水和地下水分別進(jìn)入赤水河、烏江后均排往長江。

大氣降水是區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給來源,局部地段存在水庫、水塘的相互補(bǔ)給,補(bǔ)給方式通過地表裂隙、溶隙、溶槽、落水洞下滲、注入,由于構(gòu)造作用強(qiáng)烈,普遍發(fā)育的網(wǎng)狀裂隙、溶隙及部分?jǐn)嗔延欣谘a(bǔ)給。地下水接受補(bǔ)給后,少量產(chǎn)生上層滯水,大部分以潛水形式賦存于碳酸鹽巖、碎屑巖地層中。地下水巖性組合交錯(cuò)分布,具間互性。地下水從分水嶺兩側(cè)各自向下運(yùn)移,地下水分水嶺與地表水分水嶺基本一致。一般說來分水嶺北側(cè),繞折的向斜軸部切出了貫通五馬河,地下水多沿層面裂隙向溝谷、河谷徑流,主流帶清楚,形成有較強(qiáng)滲透水;分水嶺南側(cè),巖孔背斜軸和翼部地形倒轉(zhuǎn)掀斜,并有大量支溝橫向相切,較好地揭穿疊置含水層,為重要排泄基面,地下水主要通過縱張裂隙順層滲流,排往溝谷,其次,部分靠近河谷地下水以二次橫張裂隙為導(dǎo)水脈絡(luò),直接向干河壩河及偏巖河排泄。

3 水庫滲漏現(xiàn)象調(diào)查

當(dāng)隧道斜井施工至FZK0+293時(shí)(高程987.8m),斜井左側(cè)底部出現(xiàn)股狀涌水,該處集中涌水量約4000m3/d-5000m3/d,水頭約1.5m,水質(zhì)逐漸變渾,呈黃色,但現(xiàn)場沉淀物少,水中混雜極細(xì)顆粒的懸浮物。次日,發(fā)現(xiàn)水庫庫水位出現(xiàn)下降,現(xiàn)場人員立刻組織技術(shù)人員對水庫水位進(jìn)行監(jiān)測,根據(jù)《水庫水位監(jiān)測記錄表》,2022年5月3日-2022年6月28日,水庫庫水位累計(jì)下降244.5cm,水庫水位變化曲線如圖3所示,水庫最終完全干涸。

圖3 水庫水位變化曲線

根據(jù)現(xiàn)場查看、走訪當(dāng)?shù)卮迕?水庫庫盆底部為1m～5m黃色淤泥質(zhì)粘土,庫底可見貝殼類殘骸。水庫干涸后,該層淤泥質(zhì)土出現(xiàn)明顯泥裂現(xiàn)象,裂縫張開5cm～30cm,裂縫可見深度0.5m～1.0m,泥裂現(xiàn)象如圖4所示。在庫盆內(nèi)亦可見較明顯塌陷坑,據(jù)調(diào)查,水庫出現(xiàn)塌陷坑部位共有9個(gè)(見圖5),據(jù)詢問村民,水庫水位下降期間,塌陷坑部位可見漩渦現(xiàn)象,據(jù)此判斷塌陷坑部位基本與庫區(qū)泉點(diǎn)(滲漏點(diǎn))部位一致。此外,根據(jù)調(diào)查,斜井疏排水降落漏斗內(nèi)的泉點(diǎn)、山塘也基本干枯。

圖4 庫盆泥裂現(xiàn)象

圖5 水庫庫盆塌陷坑

4 滲漏影響分析

水庫底標(biāo)高約1242m,斜井FZK0+293標(biāo)高為987.8m,埋深約370m,相對高差254.2m,比降40.7%。

根據(jù)地表地質(zhì)測繪,整個(gè)水庫庫盆正常蓄水位淹沒范圍內(nèi)出露均為高臺組(∈2g)薄-中厚層砂質(zhì)白云巖,層間夾泥質(zhì)白云巖、泥巖,為弱-中等透水層,根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,水庫庫盆底部沉積有1m～5m黃色淤泥質(zhì)粘土,水庫干涸后可見明顯龜裂現(xiàn)象,結(jié)合水庫區(qū)地層巖性分析,水庫建成后整個(gè)水庫以該層黃色淤泥質(zhì)粘土作為防滲鋪蓋,以下伏薄～中厚層砂質(zhì)白云巖夾的泥巖作為相對隔水層。

庫區(qū)巖層產(chǎn)狀30°～40°∠20°～27°,巖層走向與隧道軸線夾角65°～75°,與斜井涌水段夾角65°～70°,均為大角度交匯。庫壩址區(qū)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,受巖體風(fēng)化及卸荷等影響,庫壩址區(qū)主要發(fā)育兩組構(gòu)造裂隙:①N15°W/SE∠80°,延伸長度5m～8m,多閉合,發(fā)育密度5～8條/m;②EW/S∠70°,延伸長度2m～3m,多泥質(zhì)充填,發(fā)育密度3～5條/m。兩組裂隙呈大角度交叉共軛發(fā)育。在斜井與隧道交叉口下游山塘岸坡亦發(fā)育有兩組裂隙:③N50°E/SE∠70°,延伸長度8m～10m,多閉合,發(fā)育密度5～8條/m;④N10°W/SW∠80°,延伸長度8m～10m,發(fā)育密度3～5條/m,強(qiáng)風(fēng)化帶張開0～5cm。其中第①、④組裂隙走向基本一致,第②、③組裂隙由水庫向隧道及斜井方向延伸,對水庫滲漏起控制作用。

根據(jù)地表地質(zhì)測繪,水庫區(qū)未發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造發(fā)育,項(xiàng)目區(qū)距離較近的F1斷層位于水庫西南側(cè),距離水庫水平距離1.1km～1.5km。為張扭性平移斷層,斷層走向N15°～20°W,斷層兩盤地層巖性為寒武系中統(tǒng)高臺組(∈2g)薄-中厚層砂質(zhì)白云巖,層間夾泥質(zhì)白云巖、泥巖,對水庫蓄水影響小。水庫區(qū)巖溶發(fā)育受地層巖性控制較為明顯,在高臺組(∈2g)薄-中厚層砂質(zhì)白云巖,層間夾泥質(zhì)白云巖、泥巖中,受泥巖的相對阻水影響,在巖性接觸面附近,砂質(zhì)白云巖常常出現(xiàn)溶蝕孔洞。

水庫位于隧道ZK11+840左410m,距離斜井FZK0+293掌子面距離625.0m,水庫底標(biāo)高約1242m,斜井FZK0+293標(biāo)高為987.8m,埋深約370m,相對高差254.2m,比降40.7%,根據(jù)斜井開挖揭露,斜井FZK0+293掌子面處于高臺組(∈2g)薄-中厚層砂質(zhì)白云巖,層間夾泥質(zhì)白云巖、泥巖,與清虛洞組(∈2q)灰?guī)r的接觸帶接近,在接觸帶附近,兩側(cè)巖性差異較大,同時(shí)受上述四組裂隙的影響,易于形成滲漏通道。

根據(jù)對干涸水庫庫盆調(diào)查及詢問當(dāng)?shù)卮迕?水庫蓄水前,庫盆底部不同部位存在6個(gè)泉點(diǎn),泉點(diǎn)基本為上升泉,水庫庫水來源也與泉點(diǎn)有很大關(guān)系,泉水補(bǔ)給庫水;斜井FZK0+293發(fā)生涌水后,水庫水位下降期間,泉點(diǎn)部位可見漩渦現(xiàn)象,漩渦部位與泉點(diǎn)基本一致,隨著時(shí)間推移,漩渦愈加明顯,出現(xiàn)庫水位補(bǔ)給地下水情況,水庫干涸后,水庫庫盆底部出現(xiàn)數(shù)個(gè)明顯塌陷坑,塌陷坑部位基本與庫區(qū)泉點(diǎn)(滲漏點(diǎn))部位一致。此外,受斜井疏排水的影響,降落漏斗內(nèi)的泉點(diǎn)、山塘也基本干枯,如斜井與隧道交叉口附近的S9及其下游山塘已完全干枯。

結(jié)合上述水庫工程及水文地質(zhì)條件、水庫庫水位下降監(jiān)測情況、水庫干涸過程情況、水庫庫盆底部塌陷坑位置分布情況、斜井FZK0+293揭露地質(zhì)條件及涌水情況綜合分析,水庫高程高于隧道,水庫沒有暗河系統(tǒng)與斜井滲水量較大的洞段直接連通,其主要是通過溶蝕裂隙和孔洞產(chǎn)生直接水力聯(lián)系,正常蓄水期間,庫內(nèi)泉水補(bǔ)給庫水;斜井施工形成水力臨空面,水庫庫盆原有的高臺組(∈2g)砂質(zhì)白云巖,層間夾泥質(zhì)白云巖、泥巖及庫盆底部粘土鋪蓋被擊穿,庫水沿溶蝕裂隙和孔洞短時(shí)間涌入斜井水力臨空面;在斜井施工后,隧道斜井疏排水降低了工程區(qū)區(qū)域地下水位,改變了地下水的滲流路徑,形成一定范圍的降落漏斗,襲奪了水庫的補(bǔ)給泉,造成庫水位沿庫區(qū)內(nèi)泉點(diǎn)補(bǔ)給地下水,且同期降雨量明顯偏少,從而導(dǎo)致隧道斜井西南面的水庫干涸,并在庫盆底部形成塌陷坑。

5 結(jié)論與建議

(1)隧道施工斜井與水庫沒有暗河系統(tǒng)與斜井滲水量較大的洞段直接連通,其主要是通過溶蝕裂隙和孔洞產(chǎn)生直接水力聯(lián)系,正常蓄水期間,庫內(nèi)泉水補(bǔ)給庫水。

(2)斜井施工形成水力臨空面,水庫庫盆原有的高臺組(∈2g)砂質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖夾的泥巖及庫盆粘土防滲鋪蓋被擊穿,庫水沿溶蝕裂隙和孔洞短時(shí)間涌入斜井水力臨空面,在斜井內(nèi)形成大的涌水;斜井施工后,隧道斜井疏排水降低了工程區(qū)區(qū)域地下水位,改變了地下水的滲流路徑,形成一定范圍的降落漏斗,襲奪了水庫的補(bǔ)給泉,庫水位沿庫區(qū)內(nèi)泉點(diǎn)補(bǔ)給地下水,從而導(dǎo)致隧道斜井西南面的水庫干涸,斜井施工疏排水是水庫干涸的誘因。

(3)建議在隧道及斜井最終完成襯砌和封堵灌漿之后,在一個(gè)水文年內(nèi)通過觀察隧道及斜井段地表水源點(diǎn)的恢復(fù)情況,檢測封堵后的地下水恢復(fù)效果。根據(jù)封堵后的地下水位恢復(fù)情況,對水庫、隧道及周邊水文地質(zhì)條件作全面評估后,再研究水庫防滲堵漏、補(bǔ)水方案或其他處理措施。