引綽濟(jì)遼工程2號(hào)隧洞涌水量預(yù)測(cè)分析

康家亮，程憲龍

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 130021）

隨著地下工程設(shè)計(jì)和施工的需要，我國(guó)從20世紀(jì)80 年代起，鐵路、水利水電、冶金等部門(mén)開(kāi)始了對(duì)隧洞涌水量預(yù)測(cè)的系統(tǒng)研究，從定性分析逐步發(fā)展為定量評(píng)價(jià)和計(jì)算，特別是最近幾十年，研究的深度和廣度都有了很大的拓展，但也存在許多缺點(diǎn)和不足。隨著工程項(xiàng)目的開(kāi)展和對(duì)實(shí)際涌水量的統(tǒng)計(jì)，各種隧洞涌水量預(yù)測(cè)方法所計(jì)算的結(jié)果也不斷地得到驗(yàn)證，不同預(yù)測(cè)方法之間也得到了相互比較，這些工程應(yīng)用對(duì)隧洞涌水量的預(yù)測(cè)研究做出了貢獻(xiàn)。但無(wú)論是隧道正常涌水量還是最大涌水量，都是依季節(jié)變化，預(yù)測(cè)時(shí)誤差較大，尚無(wú)成熟的理論和公認(rèn)的準(zhǔn)確計(jì)算方法[1-4]。

1 隧洞涌水量預(yù)測(cè)方法

目前，隧洞涌水量的預(yù)測(cè)方法主要有確定性數(shù)學(xué)模型和隨機(jī)性數(shù)學(xué)模型兩大類(lèi)。確定性數(shù)學(xué)模型方法包括水文地質(zhì)類(lèi)比法、水均衡法、水力學(xué)法、地下水動(dòng)力學(xué)法、數(shù)值法等；隨機(jī)性數(shù)學(xué)模型方法主要有“黑箱”理論、灰色系統(tǒng)理論、時(shí)間序列分析、頻譜分析等[5]。每種預(yù)測(cè)方法都有其特定的應(yīng)用條件和適用范圍，都有一定的局限性，因此，一般采用不同的方法相互驗(yàn)證，以使預(yù)測(cè)結(jié)果更加合理。常用的預(yù)測(cè)方法有水文地質(zhì)類(lèi)比法、地下水動(dòng)力學(xué)法和簡(jiǎn)易水均衡法等[6]。

當(dāng)新建隧洞附近有水文地質(zhì)條件相似的既有隧洞或坑道及巖溶區(qū)時(shí)，可采用水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)隧洞涌水量。當(dāng)隧洞通過(guò)潛水含水體時(shí)，可采用地下水動(dòng)力學(xué)法對(duì)隧洞可能最大涌水量及穩(wěn)定涌水量進(jìn)行計(jì)算。其中，計(jì)算隧洞最大涌水量的方法包括古德曼經(jīng)驗(yàn)式、佐藤邦明非穩(wěn)定流式、大島洋志法；計(jì)算隧洞穩(wěn)定涌水量的方法包括落合敏郎法、裘布衣理論式、柯斯嘉科夫法、佐藤邦明經(jīng)驗(yàn)式等。簡(jiǎn)易水均衡法包括地下徑流深度法、地下徑流模數(shù)法和降水入滲法。當(dāng)越嶺隧洞通過(guò)一個(gè)或多個(gè)地表水流域時(shí)，預(yù)測(cè)隧洞正常涌水量可以采用地下徑流深度法和地下徑流模數(shù)法；當(dāng)隧洞通過(guò)潛水含水體且埋藏深度較淺時(shí)，可采用降水入滲法預(yù)測(cè)隧洞正常涌水量。

2 工程概況

引綽濟(jì)遼調(diào)水工程地處中低山及丘陵區(qū)，為寒溫帶大陸性氣候區(qū)，多年平均降水量為424.5 mm。2 號(hào)隧洞穿越沙巴爾吐河、查干木倫河、胡爾勒河，以及沿線多條次級(jí)支流與沖溝谷地的下部，隧洞最大埋深約280.0 m，局部河谷及淺埋段埋深為28.0～60.0 m。隧洞長(zhǎng)度為58.505 km，為無(wú)壓隧洞，設(shè)計(jì)流量為18.58 m3/s，開(kāi)挖洞徑4.0～5.0 m，開(kāi)挖斷面面積根據(jù)不同圍巖類(lèi)別不等。隧洞沿線地層巖性主要為凝灰?guī)r、凝灰角礫巖、酸性熔巖、凝灰砂礫巖、變質(zhì)砂巖、板巖、安山巖。侵入巖為致密塊狀花崗巖、花崗斑巖，以及部分第四系河流沖洪積層和坡殘積層。工程區(qū)斷裂構(gòu)造總體不太發(fā)育，無(wú)區(qū)域性斷裂、活動(dòng)斷裂穿越。線路沿線地下水主要為河谷第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水及基巖風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水，受大氣降水補(bǔ)給，向河流排泄。

3 計(jì)算方法

引綽濟(jì)遼輸水2 號(hào)隧洞工程屬長(zhǎng)引水隧洞，穿越低山丘陵區(qū)，巖體中的地下水徑流及排泄條件較為復(fù)雜，隧洞附近尚沒(méi)有與之條件相似的完整工程可以借鑒，難以采用水文地質(zhì)比擬法對(duì)隧洞涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)合前期勘察成果及隧洞的工程、水文地質(zhì)等條件，文中采用古德曼法、大島洋志法、中國(guó)工程經(jīng)驗(yàn)法、裘布依公式法、地下徑流法及降水入滲法預(yù)測(cè)計(jì)算隧洞的涌水量。

4 參數(shù)確定

4.1 洞段的劃分

引綽濟(jì)遼工程輸水線路2 號(hào)隧洞分別穿越沙巴爾吐河、查干木倫河和胡爾勒河，穿河段為富水段，其他段在山體下穿過(guò)，一般為弱富水段，局部斷層部位為富水段。根據(jù)隧洞圍巖富水情況的不同，分別將3 個(gè)穿河段單獨(dú)計(jì)算，并依據(jù)河流為界，將2 號(hào)隧洞劃分為7 段進(jìn)行計(jì)算，分段情況見(jiàn)表1。

表1 2 號(hào)隧洞底板以上5 段鉆孔壓水試驗(yàn)成果表

表2 2 號(hào)隧洞底板以上5 段鉆孔壓水試驗(yàn)范圍內(nèi)滲透系數(shù)表m/d

4.2 隧洞圍巖透水性

根據(jù)隧洞底板以上5 段壓水試驗(yàn)資料，分段統(tǒng)計(jì)壓水試驗(yàn)呂榮值平均值、大值平均值和小值平均值，并依據(jù)滲透系數(shù)與透水率呂榮值的轉(zhuǎn)換公式，計(jì)算滲透系數(shù)k，見(jiàn)表1，2。

4.3 洞底以上潛水含水體厚度

洞底以上潛水含水體厚度H取地下水位線至洞底板的距離，文中依據(jù)等面積法分別計(jì)算各段H的平均值，見(jiàn)表3。

表3 2 號(hào)隧洞各段地下水位線至洞底板的距離H

5 涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算

5.1 最大涌水量預(yù)測(cè)

文中采用古德曼法、大島洋志法、中國(guó)經(jīng)驗(yàn)法預(yù)測(cè)最大涌水量。

1）古德曼法[5]

式中：L為通過(guò)含水體的隧洞長(zhǎng)度，m；K為含水體的滲透系數(shù)，m/d；H為靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離，m；d為洞身橫斷面的等效圓直徑，取5.6 m。

2）大島洋志法[6]

式中：q為洞身通過(guò)含水體單位長(zhǎng)度最大涌水量，m3/（d·m）；r0為洞身橫斷面的等效圓半徑，取2.8 m；m為轉(zhuǎn)化系數(shù)，一般取0.86。

3）中國(guó)經(jīng)驗(yàn)法[6]

依據(jù)工程實(shí)踐總結(jié)的最大單位涌水量經(jīng)驗(yàn)公式：

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 隧洞最大涌水量計(jì)算成果表m3/（d·km）

5.2 正常涌水量預(yù)測(cè)

文中采用裘布依公式法、地下徑流模數(shù)法、降水入滲法預(yù)測(cè)正常涌水量。

1）裘布依公式法[5]

當(dāng)隧洞通過(guò)潛水含水體時(shí)，可采用裘布依公式：

式中：QS為洞身通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的含水體的正常涌水量，m3/d；h為洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深，取0.1 m；Ry為隧洞涌水地段的引用補(bǔ)給半徑，m。

2）地下徑流模數(shù)法[6]

式中：Q為洞身通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的含水體的正常涌水量，m3/d；M為地下徑流模數(shù)，取314.84 m3/（d·km2）。

3）降水入滲法[5]

式中：α為降水入滲系數(shù)，取0.20；W為年降水量，取424.5 mm；A為隧洞通過(guò)含水體地段的集水面積，km2。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 隧洞正常涌水量計(jì)算成果表m3/（d·km）

5.3 涌水量地質(zhì)建議值

1）最大涌水量

對(duì)比表4 的計(jì)算結(jié)果，古德曼公式和中國(guó)經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算結(jié)果比較接近，大島洋志法計(jì)算結(jié)果較小。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，綜合確定最大涌水量地質(zhì)建議值，見(jiàn)表6。建議保證隧洞施工安全的排水設(shè)計(jì)采用最大涌水量建議值計(jì)算。

表6 隧洞涌水量地質(zhì)建議值表m3/（d·km）

2）正常涌水量

對(duì)比表5 的計(jì)算結(jié)果，降水入滲法計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)相對(duì)合理，裘布依公式法偏小；地下徑流模數(shù)法所采用的M值為附近河流特默河流域的地表徑流模數(shù)，準(zhǔn)確性值得商榷，計(jì)算結(jié)果偏差較大。綜合考慮，文中主要按降水入滲法計(jì)算值，并參考最大涌水量計(jì)算結(jié)果確定正常涌水量地質(zhì)建議值，見(jiàn)表6。建議施工期隧洞廢水處理設(shè)計(jì)采用正常涌水量建議值計(jì)算。

6 結(jié)語(yǔ)

目前，隧洞涌水預(yù)測(cè)往往都要計(jì)算最大涌水量和正常涌水量，一般考慮開(kāi)挖初期為最大涌水量，隨著地下水的排出，降落漏斗形成后，一般認(rèn)為是正常涌水量。作為偏安全考慮，施工期安全防護(hù)設(shè)計(jì)選擇涌水量時(shí)，建議采用最大涌水量；而隧洞施工排水和環(huán)境保護(hù)處理水量，建議采用正常涌水量。隧洞涌水量的預(yù)測(cè)方法并不是普遍適用的，不同的方法有不同的適用條件，應(yīng)用時(shí)必須按水文地質(zhì)條件選擇合適的預(yù)測(cè)方法，不可濫用。建議采用不同的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，分析不同預(yù)測(cè)方法計(jì)算結(jié)果的差別和原因，最終給出涌水量的建議值。隧洞涌水量預(yù)測(cè)的難點(diǎn)就是水文地質(zhì)參數(shù)和計(jì)算邊界條件的確定，應(yīng)綜合考慮勘察期工程和水文地質(zhì)條件，以及該地區(qū)的多年平均降水量、降雨入滲情況等，選取相對(duì)合理的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。該工程隧洞涌水量的預(yù)測(cè)，在分析幾種計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，并參照了一些工程案例，最終給出了涌水量地質(zhì)建議值，可以為工程以后的隧洞涌水量預(yù)測(cè)提供借鑒作用。