賀玉龍，張光明，楊立中

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 610031)

我國(guó)是世界上巖溶分布面積最廣的國(guó)家之一，巖溶主要分布在南方地區(qū)。其中四川、云南、貴州、重慶、廣西、湖南、湖北和廣東8省市的巖溶分布面積占總面積的38.1%，根據(jù)鐵道部《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》(2008年調(diào)整)，在未來(lái)的十年內(nèi)將有大量的鐵路在上述省市修建。巖溶地區(qū)鐵路隧道施工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到涌水、突水災(zāi)害，不僅導(dǎo)致工程重大損失、破壞生態(tài)環(huán)境，甚至造成人員傷亡。如渝懷鐵路圓梁山隧道，宜萬(wàn)鐵路馬鹿箐隧道、野三關(guān)隧道、大支坪隧道在施工過(guò)程中均發(fā)生了大規(guī)模涌水和突水。因此預(yù)防涌突水災(zāi)害成為巖溶隧道施工中的重要工作，而前提是要能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)隧道涌水量，正確選取涌水量預(yù)測(cè)方法是這項(xiàng)工作的關(guān)鍵。本文在對(duì)成貴鐵路兩座巖溶隧道涌水量預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)目前鐵路巖溶隧道中常用的幾種涌水量預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了比較分析。

1 鐵路巖溶隧道涌水量預(yù)測(cè)常用方法

目前鐵路巖溶隧道常用的涌水量預(yù)測(cè)方法有兩類(lèi):簡(jiǎn)易水均衡法和地下水動(dòng)力學(xué)法。簡(jiǎn)易水均衡法是目前鐵路隧道涌水量預(yù)測(cè)的一種主要方法，它以質(zhì)量守恒定律為理論基礎(chǔ)，根據(jù)水均衡原理查明隧道施工期水均衡的各收入、支出部分之間的關(guān)系進(jìn)而獲得施工段的涌水量。常用的簡(jiǎn)易水均衡法有地下徑流模數(shù)法和降水入滲法。

地下徑流模數(shù)法

式中，Qs為隧道通過(guò)含水地段的正常涌水量，m3/d;M為地下徑流模數(shù)，L/(s·km2);A為計(jì)算塊段集水面積，km2。

降水入滲法

式中，α為降水入滲系數(shù);W為年降水量，mm。

地下水動(dòng)力學(xué)法又稱(chēng)解析法，是根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)原理用數(shù)學(xué)解析的方法對(duì)給定邊界值和初值條件下的地下水運(yùn)動(dòng)建立解析式，而達(dá)到預(yù)測(cè)隧道涌水量的目的。在實(shí)際工程中，人們根據(jù)隧道工程的特點(diǎn)，結(jié)合裘布依穩(wěn)定流公式和泰斯非穩(wěn)定流公式，總結(jié)出了眾多隧道涌水量預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式。鐵路巖溶隧道常用的有古德曼經(jīng)驗(yàn)式、佐藤邦明非穩(wěn)定流式、裘布依理論式、佐藤邦明經(jīng)驗(yàn)式以及正常涌水量和最大涌水量經(jīng)驗(yàn)式。

裘布依理論式

式中，L為隧道通過(guò)含水體長(zhǎng)度，m;K為含水體滲透系數(shù)，m/d;H為洞底以上潛水含水體厚度，m;h為洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深，m;Ry為涌水地段的引用補(bǔ)給半徑。

古德曼經(jīng)驗(yàn)式

式中，Q0為隧道通過(guò)含水地段的最大涌水量，m3/d;H為靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離，m;d為洞身橫斷面等價(jià)圓直徑，m。

佐藤邦明非穩(wěn)定流式

式中，q0為隧道通過(guò)含水體地段單位長(zhǎng)度最大涌水量，m3/(s·m);m為換算系數(shù);h2為靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離，m;r0為洞身橫斷面等價(jià)圓半徑，m。

佐藤邦明經(jīng)驗(yàn)式

式中，qs為隧道通過(guò)含水體地段單位長(zhǎng)度正常涌水量，m3/(s·m);ˉε為試驗(yàn)系數(shù)，一般取12.8。

最大涌水量經(jīng)驗(yàn)公式

正常涌水量經(jīng)驗(yàn)公式

2 常用方法涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果的比較

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查、地質(zhì)資料的充分收集和詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合深孔抽水試驗(yàn)資料，分別采用簡(jiǎn)易水均衡法和地下水動(dòng)力學(xué)法，對(duì)處于勘察階段的成貴鐵路云南威信段的兩座巖溶隧道的正常涌水量和最大涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

2.1 隧道概況

A隧道，起止里程DK278+010—DK285+475，全長(zhǎng)7 470 m，最大埋深約497 m。隧道洞身穿越巖性主要為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)、棲霞組(P1q)灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r及部分志留系砂頁(yè)巖，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層、褶曲均比較發(fā)育。區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，多年平均降水量為1 166 mm。

B隧道，起止里程DK271+844—DK277+400，全長(zhǎng)5 556 m，最大埋深約340 m。隧道洞身穿越巖性主要為三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)的灰?guī)r、白云巖和三疊系中統(tǒng)獅子山組、松子坎組(T2)，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。區(qū)內(nèi)地表溝溪縱橫發(fā)育，溝內(nèi)常年流水，匯水面積大，地表水與地下水互為補(bǔ)給，多年平均降水量1 166 mm。

2.2 涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果

分別采用簡(jiǎn)易水均衡法(地下徑流模數(shù)法和降水入滲法)和地下水動(dòng)力學(xué)法(裘布依理論公式、佐藤邦明經(jīng)驗(yàn)式、古德曼經(jīng)驗(yàn)式、佐藤邦明非穩(wěn)定流式、正常涌水量和最大涌水量經(jīng)驗(yàn)式)對(duì)A、B兩隧道的正常涌水量和最大涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。隧區(qū)的地下徑流模數(shù)、降雨入滲系數(shù)參考《威信幅1∶20萬(wàn)區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告》取值。可溶巖地段徑流模數(shù)取11.2 L/(s·km2)，降水入滲系數(shù)0.71;非可溶巖地段徑流模數(shù)取1.77 L/(s·km2)，水入滲系數(shù)取0.076。含水層滲透系數(shù)根據(jù)深孔抽水試驗(yàn)獲得，如表1。簡(jiǎn)易水均衡法預(yù)測(cè)最大涌水量取正常涌水量的1.5～2.0倍。A隧道正常/最大涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果如表2，B隧道正常/最大涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果如表3。

從隧道總涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果看，不管是正常涌水量還是最大涌水量，簡(jiǎn)易水均衡法的預(yù)測(cè)結(jié)果均要比地下水動(dòng)力學(xué)法預(yù)測(cè)結(jié)果大，且降水入滲法的預(yù)測(cè)結(jié)果最大。對(duì)于正常涌水量，地下徑流模數(shù)法預(yù)測(cè)結(jié)果是地下水動(dòng)力學(xué)法的1.8～6.0倍，降水入滲法的預(yù)測(cè)結(jié)果是地下水動(dòng)力學(xué)法的3.7～12.4倍;對(duì)于最大涌水量，地下徑流模數(shù)法預(yù)測(cè)結(jié)果是地下水動(dòng)力學(xué)法的1.6～2.4倍，降水入滲法的預(yù)測(cè)結(jié)果是地下水動(dòng)力學(xué)法的3.5～5.4倍。

表1 A、B兩隧道深孔試驗(yàn)滲透系數(shù)

表2 A隧道正常/最大涌水量預(yù)測(cè)值 m3/d

從各分段涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果看，降水入滲法預(yù)測(cè)結(jié)果也是最大的。正常涌水量的分段預(yù)測(cè)中降水入滲法的預(yù)測(cè)結(jié)果是地下水動(dòng)力學(xué)法的3～57倍;最大涌水量的分段預(yù)測(cè)中降水入滲法的預(yù)測(cè)結(jié)果是地下水動(dòng)力學(xué)法的3～52倍。

表3 B隧道正常/最大涌水量預(yù)測(cè)值 m3/d

3 涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)巖溶隧道涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，可以看到，簡(jiǎn)易水均衡法預(yù)測(cè)結(jié)果和地下水動(dòng)力學(xué)法預(yù)測(cè)結(jié)果差異較大，尤其是分段預(yù)測(cè)結(jié)果差異更大。之所以產(chǎn)生如此大的差異，是由多種影響因素綜合作用的結(jié)果。

1)預(yù)測(cè)原理不同

地下徑流模數(shù)法采用假設(shè)地下徑流模數(shù)等于地表徑流模數(shù)的相似原理，根據(jù)大氣降水入滲補(bǔ)給的下降泉流量或由地下水補(bǔ)給的河流流量，求出隧道通過(guò)地段的地表徑流模數(shù)，作為隧道流域的地下徑流模數(shù)，再確定隧道的集水面積，概略地預(yù)測(cè)隧道的正常涌水量。

降水入滲法是根據(jù)隧道通過(guò)地段的年均降水量、集水面積并考慮地形地貌、植被、地質(zhì)和水文地質(zhì)條件選取合適的降水入滲系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，宏觀、概略預(yù)測(cè)隧道正常涌水量。降水入滲法的計(jì)算假設(shè)是集水區(qū)域內(nèi)滲入地下的這部分大氣降水全部涌入隧道，但有時(shí)事實(shí)并非如此，這與地下巖溶發(fā)育情況、含水層的水文地質(zhì)特征有關(guān)，這是降水入滲法預(yù)測(cè)結(jié)果較大的重要原因。

地下水動(dòng)力學(xué)法的原理是依據(jù)裘布依穩(wěn)定流和泰斯非穩(wěn)定流兩大基本理論，并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式，從地下水動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)進(jìn)行巖溶隧道涌水量預(yù)測(cè)。

2)適用條件和范圍不同

地下徑流模數(shù)法的計(jì)算參數(shù)只有兩個(gè):地下徑流模數(shù)M和隧道集水面積A，簡(jiǎn)單的計(jì)算參數(shù)決定了其廣闊的適用范圍。適用于越嶺隧道通過(guò)一個(gè)或多個(gè)地表水流域地區(qū)，也適用于巖溶地區(qū)。

降水入滲法計(jì)算所涉及的參數(shù)為降水入滲系數(shù)、年平均降水量和集水面積，參數(shù)較為簡(jiǎn)單，并且與地下含水層介質(zhì)的水文地質(zhì)參數(shù)無(wú)關(guān)，因而其使用范圍較廣，適用于埋藏較淺的越嶺隧道，同時(shí)也適用于巖溶隧道。

地下水動(dòng)力學(xué)法的理論依據(jù)是裘布依穩(wěn)定流理論和泰斯非穩(wěn)定流理論，而這兩大理論成立的前提條件是:含水層均質(zhì)各向同性，等厚且產(chǎn)狀水平;要求地下水靜止水位是水平的。而巖溶地區(qū)由于地下巖溶發(fā)育，含水層非均質(zhì)各向異性強(qiáng)烈，甚至發(fā)育有地下巖溶管道。且山嶺地區(qū)由于地形起伏較大，地下靜止水位很難達(dá)到水平。因此，地下水動(dòng)力學(xué)法在巖溶地區(qū)隧道中的應(yīng)用具有很大的局限性。

3)計(jì)算參數(shù)選取值與實(shí)際值的差異

目前鐵路隧道工程中使用地下徑流模數(shù)法和降水入滲法預(yù)測(cè)涌水量時(shí)，采用的地下徑流模數(shù)M和降水入滲系數(shù)α，多是參考20世紀(jì)70年代末的《區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告》所取得。而事實(shí)上由于地表經(jīng)歷了近30年自然風(fēng)化，以及人類(lèi)活動(dòng)的擾動(dòng)，很多地區(qū)的降水入滲系數(shù)和地下徑流模數(shù)都有了很大的變化。另外，地下徑流模數(shù)法和降水入滲法對(duì)最大涌水量的預(yù)測(cè)是在正常涌水量基礎(chǔ)上乘以大于1的倍數(shù)，而這個(gè)倍數(shù)多是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，隨意性較大。

地下水動(dòng)力學(xué)法最重要的計(jì)算參數(shù)是含水層的厚度和滲透系數(shù)K，由于實(shí)際情況的限制，工程中經(jīng)常用某一深孔抽水試驗(yàn)得到的水文地質(zhì)參數(shù)來(lái)代替附近區(qū)域含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。由于巖溶地區(qū)含水層具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)各向異性的特點(diǎn)，這種做法必然帶有“一孔之見(jiàn)”的局限。

通過(guò)上述分析可知，使用簡(jiǎn)易水均衡法和地下水動(dòng)力學(xué)法預(yù)測(cè)巖溶隧道涌水量差異較大是由各種方法預(yù)測(cè)原理不同、使用條件和范圍不同、計(jì)算參數(shù)選取值和實(shí)際值存在差異等諸多因素共同導(dǎo)致的結(jié)果。

4 涌水預(yù)測(cè)計(jì)算參數(shù)的確定

這里僅對(duì)降水入滲法的參數(shù)取值提出幾點(diǎn)建議。因?yàn)榻邓霛B法的三個(gè)參數(shù):年平均降水量、降水入滲系數(shù)、匯水面積都是變量，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果影響很大，為取得較為合理的預(yù)測(cè)結(jié)果，三項(xiàng)參數(shù)的取值很關(guān)鍵。

1)涌水量計(jì)算時(shí)年平均降水量最好選取最近至少十年的平均年降水量;當(dāng)缺乏資料時(shí)，最大涌水量可按正常涌水量的2～6倍估算。

2)當(dāng)隧道處于勘測(cè)階段且穿越山嶺時(shí)，很難通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得降水入滲系數(shù)。在參考《區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告》確定降水入滲系數(shù)時(shí)要充分考慮到近三十年來(lái)的自然風(fēng)化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)降水入滲系數(shù)的影響，降水入滲系數(shù)一般不超過(guò)0.5，但是在我國(guó)南方巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地區(qū)降水入滲系數(shù)已超過(guò)0.5。

3)在平面圖上勾畫(huà)匯水面積時(shí)，平面圖的范圍要足夠大，可溶巖地區(qū)建議至少包括隧道左右兩側(cè)各4 km的范圍。

4)匯水面積主要根據(jù)分水嶺所包圍的面積確定，分水嶺可選取隧道兩側(cè)3～4 km范圍內(nèi)的控制性分水嶺;當(dāng)隧區(qū)山體的四周有深切河谷，且谷底高程低于隧道底板高程時(shí)可取該范圍內(nèi)隧道底板以上的面積作為隧道的匯水面積;當(dāng)隧道穿越區(qū)無(wú)明顯分水嶺時(shí)，可具體結(jié)合隧道埋深，取隧道兩側(cè)2～4 km范圍作為匯水面積。

5 結(jié)論和建議

巖溶隧道涌水量預(yù)測(cè)較為復(fù)雜，從目前鐵路工程隧道常用的涌水量預(yù)測(cè)方法來(lái)看，簡(jiǎn)易水均衡法較適用于巖溶隧道的涌水量預(yù)測(cè)，地下水動(dòng)力學(xué)方法在巖溶隧道中的應(yīng)用具有較大的局限性，其更多的是適用于均質(zhì)各向同性的孔隙含水層。

使用簡(jiǎn)易水均衡法尤其是降水入滲法預(yù)測(cè)巖溶隧道涌水量時(shí)的缺點(diǎn)是只能對(duì)涌水量做宏觀、概略的預(yù)測(cè)，往往預(yù)測(cè)出的涌水量值較大;其優(yōu)點(diǎn)是在使用多種方法預(yù)測(cè)涌水量時(shí)可用它來(lái)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行檢算或補(bǔ)充計(jì)算。

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