李立民

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安　710043)

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秦嶺輸水隧洞施工對(duì)黑河金盆水庫(kù)的影響

李立民

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安710043)

摘要：秦嶺輸水隧洞出口端鄰近黑河金盆水庫(kù)，為縮短洞線長(zhǎng)度，減小工程投資，在勘察設(shè)計(jì)階段對(duì)下穿黑河金盆水庫(kù)區(qū)的地質(zhì)條件進(jìn)行認(rèn)真研究。在對(duì)地面大量調(diào)查基礎(chǔ)上，采用鉆探、物探、取樣試驗(yàn)等綜合勘察手段，運(yùn)用定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合的評(píng)價(jià)研究方法，詳細(xì)分析秦嶺輸水隧洞通過(guò)區(qū)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征及隧洞施工對(duì)水庫(kù)滲漏的影響程度。根據(jù)影響分析結(jié)果，研究提出相應(yīng)的防止庫(kù)水滲漏的隧洞施工建議。經(jīng)施工實(shí)踐證明，秦嶺輸水隧洞洞線方案選擇經(jīng)濟(jì)合理、對(duì)庫(kù)區(qū)及地下水環(huán)境的影響小，達(dá)到了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：秦嶺輸水隧洞； 水庫(kù)； 水文地質(zhì)特征； 水量預(yù)測(cè)； 滲漏

0引言

在隧道(洞)施工建設(shè)中，將會(huì)遇到各種各樣的工程地質(zhì)問(wèn)題，如突涌水、圍巖失穩(wěn)、軟巖變形等問(wèn)題，其中突涌水預(yù)測(cè)與防治一直是隧道(洞)安全施工必須解決的重大難題之一，應(yīng)該引起高度關(guān)注和深入研究。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)隧道(洞)突涌水預(yù)測(cè)、防治等方面研究已經(jīng)取得了許多有意義的研究成果與經(jīng)驗(yàn)。如： 應(yīng)偉[1]研究了公路隧道滲漏水成因及治理措施；吳培榮[2]研究了隧道深埋富水陡傾軟弱帶突水涌泥機(jī)制及旋噴技術(shù)；李治國(guó)[3]對(duì)高水壓富水隧道地下水控制技術(shù)進(jìn)行了探討；華福才[4]基于地下水動(dòng)力學(xué)的地鐵隧道裂隙水進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析；魏文杰[5]對(duì)隧道超高水壓富水破碎帶施工方法進(jìn)行了研究；章方政[6]研究了隧道涌水綜合治理技術(shù)；段青龍[7]研究了水庫(kù)對(duì)鐵路隧道的影響評(píng)價(jià)；孫健[8]研究了隧道施工中涌水突泥處理技術(shù)；杜欣等[9]對(duì)隧道建設(shè)與水環(huán)境關(guān)系進(jìn)行了分析研究；廖書志[10]研究了秦嶼隧道涌泥段的處理；雷升祥等[11]研究了海底隧道的地下水預(yù)測(cè)與處理措施。上述文獻(xiàn)均結(jié)合不同工程提出了有效的預(yù)測(cè)與處理措施，但針對(duì)隧洞下穿水庫(kù)的施工案例研究成果不多。

本文在詳細(xì)分析秦嶺輸水隧洞工程地質(zhì)特征基礎(chǔ)上，結(jié)合黑河金盆水庫(kù)區(qū)的水文地質(zhì)環(huán)境，對(duì)可能產(chǎn)生滲漏水洞段施工時(shí)提出超前預(yù)報(bào)為先導(dǎo)、進(jìn)行超前預(yù)注漿、對(duì)洞室采取全包防水、提高結(jié)構(gòu)配筋率及襯砌厚度的綜合治理方法。

1工程概況

秦嶺輸水隧洞長(zhǎng)81.779 km，橫穿秦嶺山脈，進(jìn)口位于陜西省佛坪縣大河壩鎮(zhèn)三河口下游1.5 km處的子午河右岸斜坡，出口位于周至縣黑河金盆水庫(kù)下游東側(cè)2 km處黃池溝內(nèi)(見(jiàn)圖1)。出口端K79+000～K81+779段位于秦嶺北麓，穿越大韓峪溝流域和黃池溝流域，西臨黑河金盆水庫(kù)。

圖1　秦嶺輸水隧洞金盆水庫(kù)區(qū)平面位置圖

Fig. 1Plan layout of Qinling Water Diversion Tunnel in area of Jinpen Dam

秦嶺輸水隧洞出口端從黑河金盆水庫(kù)東側(cè)下穿通過(guò)，水庫(kù)常水位與隧洞的高差約48 m，洞身圍巖主要為云母片巖夾石英片巖、綠泥片巖等，受區(qū)域性斷裂構(gòu)造控制，巖體軟弱、破碎，水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件極差，圍巖類別以Ⅳ類、Ⅴ類為主，施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，施工處理不當(dāng)極易引發(fā)坍方掉塊及涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害。

2工程地質(zhì)特征

2.1地形地貌

秦嶺輸水隧洞出口端位于秦嶺嶺北中低山區(qū)，地形起伏。高程為700～1 000 m，洞室最大埋深約400 m。

2.2地層巖性

隧洞通過(guò)黑河金盆水庫(kù)區(qū)出露地層巖性主要為中元古界寬坪群四岔口巖組云母片巖夾石英片巖、綠泥片巖等。隧洞穿越區(qū)工程地質(zhì)剖面示意圖見(jiàn)圖2。

2.3地質(zhì)構(gòu)造

秦嶺輸水隧洞通過(guò)區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，斷裂及褶皺構(gòu)造發(fā)育。在金盆水庫(kù)庫(kù)區(qū)K79+000～K81+779段無(wú)大的斷裂構(gòu)造通過(guò)，但秦嶺北麓區(qū)域性斷裂(東西—北西走向)和岐山—馬召區(qū)域性斷裂(北西走向)均在隧洞出口外側(cè)黃池溝右岸通過(guò)，巖體受構(gòu)造作用影響嚴(yán)重，小揉皺及褶曲發(fā)育。

3水文地質(zhì)特征及水量預(yù)測(cè)

3.1地表水

隧洞位于黑河金盆水庫(kù)東側(cè)，對(duì)隧洞有影響的流域有大韓峪溝與黃池溝2個(gè)流域，主要河流有大韓峪溝及黃池溝。大韓峪溝為常年流水溝谷，季節(jié)性變化較大，河水直接匯入黑河金盆水庫(kù)。黃池溝位于大韓峪溝東側(cè)，距離大韓峪溝所在的金盆水庫(kù)庫(kù)邊約2 km，為常年流水溝谷，走向與大韓峪溝近平行，溝水匯入黑河下游。

3.2地下水分布特征

隧洞巖質(zhì)軟硬相間，巖石孔隙率均較小，含水性及導(dǎo)水性均很差，由于其受風(fēng)化和構(gòu)造應(yīng)力作用形成大量不同形式的風(fēng)化網(wǎng)狀節(jié)理裂隙及構(gòu)造節(jié)理裂隙，是地下水的主要儲(chǔ)存和運(yùn)移空間及通道。地下水分布形式主要有風(fēng)化裂隙水及構(gòu)造裂隙水，風(fēng)化裂隙水主要儲(chǔ)存于風(fēng)化帶中，地下水埋藏較淺；構(gòu)造裂隙水主要儲(chǔ)存于構(gòu)造裂隙或節(jié)理密集帶中，分布具有非均質(zhì)各向異性，分布規(guī)律性較差，地下水位埋深變化大。風(fēng)化裂隙水一般埋深于30 m以上，30 m以下主要為構(gòu)造裂隙水，以潛水形式存在為主，局部以承壓水形式存在。

3.3地下水補(bǔ)給徑流排泄條件

庫(kù)區(qū)主要溝谷支流發(fā)育，未見(jiàn)有泉水出露，地下水徑流主要為相對(duì)獨(dú)立的流域內(nèi)徑流，各流域之間無(wú)直接的水力聯(lián)系，除風(fēng)化裂隙潛水外基本無(wú)統(tǒng)一的地下水面。地下水以接受大氣降水的垂直入滲為主要補(bǔ)給來(lái)源。區(qū)域徑流方向與地表水流方向基本一致，受局部地形地貌的影響，地下水主要以補(bǔ)給地表溝水的形式進(jìn)行天然排泄。

3.4水化學(xué)測(cè)試

對(duì)隧洞通過(guò)庫(kù)區(qū)的大韓峪溝地表水、鉆孔水取水樣進(jìn)行化驗(yàn)。大韓峪溝地表水水化學(xué)類型為SO4·HCO3—Ca·Na型水，pH值為8.23，礦化度為0.347 g/L。鉆孔(DZK-1)水水化學(xué)類型為HCO3—Na·Mg·Ca型水，pH值為7.77，礦化度為0.370 g/L。經(jīng)采取黑河金盆水庫(kù)水和深鉆孔水進(jìn)行同位素氚對(duì)比分析表明，金盆水庫(kù)水與洞身部位鉆孔水同位素氚分析水年齡相差2～3年，即庫(kù)水與地下水水流循環(huán)體系間無(wú)明顯直接的水力聯(lián)系。

3.5隧洞通過(guò)庫(kù)區(qū)段涌水量計(jì)算

綜合分析隧洞與庫(kù)區(qū)有影響的主要段落K79+000～K80+500，長(zhǎng)度為1 500 m，隧洞距離庫(kù)區(qū)200～500 m，不考慮庫(kù)水滲漏補(bǔ)給隧洞水的可能性，結(jié)合庫(kù)區(qū)不同巖性、構(gòu)造、裂隙和節(jié)理的密集程度、富水程度等特征，劃分為中等富水區(qū)。主要采用大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法及地下水動(dòng)力學(xué)法[12]對(duì)隧洞通過(guò)段涌水量進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)表1)。

圖2　隧洞穿越區(qū)工程地質(zhì)剖面示意圖

選用的預(yù)測(cè)方法采用公式正常涌水量/(m3/d)最大涌水量/(m3/d)大氣降水入滲法Q=2.74·α·W·AA=L·B9121824地下徑流模數(shù)法Q=M·AM=Q’/FA=L·B16473289地下水動(dòng)力學(xué)法Q=K·LH2-h2R-rQ0=L2πKHln4H/d12712647建議值16473289

4隧洞施工對(duì)黑河金盆水庫(kù)滲漏影響分析

4.1水文地質(zhì)條件分析

庫(kù)區(qū)巖性主要為云母片巖夾石英片巖、綠泥片巖，調(diào)查中未發(fā)現(xiàn)斷層、褶皺及節(jié)理密集帶等儲(chǔ)水、導(dǎo)水構(gòu)造，地下水出露以局部滲水和小股狀水為主要形式，不存在大的儲(chǔ)水帶與庫(kù)水連通造成庫(kù)水大量漏失的情況。

勘察期間在隧洞左側(cè)(K79+833左32 m)的水庫(kù)岸邊，布置了1個(gè)深鉆孔(孔深140 m)，對(duì)鉆孔進(jìn)行了抽水及壓水試驗(yàn)，成果資料見(jiàn)表2和表3。

4.2隧洞施工與庫(kù)區(qū)水水力聯(lián)系分析

黑河金盆水庫(kù)位于秦嶺輸水隧洞出口端(K79+000～K81+779)西側(cè)，是西安市的主要水源地，蓄水量大，有效庫(kù)容約1.8億m3，蓄水水位高程在520～594 m。秦嶺輸水隧洞洞線平面距離水庫(kù)庫(kù)岸最近處不足200 m，從基巖裂隙水影響半徑分析，與洞線橫向及向大韓峪溝上游500 m以內(nèi)，即K79+000～K80+500段，長(zhǎng)1 500 m，隧洞施工對(duì)庫(kù)水存在一定影響。隧洞在該段洞底最低高程為510.7 m，庫(kù)水位與隧洞相對(duì)高差為10～84 m。經(jīng)調(diào)查，水庫(kù)壩址下游兩側(cè)岸坡在目前蓄水高程的巖壁上未見(jiàn)地下水，水庫(kù)右岸邊坡無(wú)泉水出露；水庫(kù)壅水后，黃池溝溝心低于最低庫(kù)水位約20 m，黃池溝溝水水量也無(wú)明顯變化，說(shuō)明在目前狀態(tài)下，庫(kù)水在側(cè)向(鄰谷)未發(fā)生滲漏。分析認(rèn)為，庫(kù)水(或地下水)在順溝方向及切溝方向無(wú)明顯水力聯(lián)系。綜上所述，可以確定現(xiàn)有條件下庫(kù)區(qū)水與隧洞不會(huì)有強(qiáng)烈的水力聯(lián)系。

表2　鉆孔DZK-1抽水試驗(yàn)成果資料一覽表

隧洞施工引起的水文地質(zhì)條件變化，集中表現(xiàn)在地下水流場(chǎng)的明顯變化。隧洞的開(kāi)挖，改變了局部地下水流場(chǎng)的方向和規(guī)模，局部地下水由原先向下游的天然排泄轉(zhuǎn)為向隧洞匯集，還誘發(fā)了部分淺層水的補(bǔ)給，使隧洞成為新的地下水排泄通道。由于區(qū)內(nèi)以二云母石英片巖為主的地層巖質(zhì)軟硬相間，形成了相對(duì)隔水層，節(jié)理、裂隙的延伸長(zhǎng)度短、貫通性差，導(dǎo)致地下水的循環(huán)通道不暢。從地下水的補(bǔ)-徑-排條件角度分析認(rèn)為，隧洞施工可能發(fā)生突涌水問(wèn)題，但涌水量不會(huì)太大。隧洞穿越區(qū)水文地質(zhì)橫剖面示意見(jiàn)圖3。

表3　鉆孔DZK-1壓水試驗(yàn)成果資料一覽表

4.3隧洞施工對(duì)庫(kù)水滲漏影響分析

根據(jù)地表調(diào)查、鉆探、水質(zhì)同位素氚分析及綜合物探等資料分析認(rèn)為，洞室通過(guò)黑河金盆水庫(kù)地段巖性為云母片巖夾石英片巖、綠泥片巖，巖質(zhì)軟硬相間，受構(gòu)造作用影響較嚴(yán)重，構(gòu)造節(jié)理、裂隙、揉皺及褶曲等發(fā)育，水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，但地下水類型屬較為單一的含水體結(jié)構(gòu)類型。隧洞通過(guò)段物探測(cè)試顯示主要有3段物探低阻異常區(qū)，推測(cè)巖體破碎，含水的可能性較大，加之異常帶走向與巖層走向近一致，與洞軸線大角度相交，隧洞施工時(shí)有利于庫(kù)水的滲入。因此，隧洞通過(guò)庫(kù)區(qū)段雖沒(méi)有大的儲(chǔ)水、導(dǎo)水通道，但不排除庫(kù)水會(huì)通過(guò)節(jié)理裂隙補(bǔ)給隧洞地下水的可能性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以充分考慮。

圖3　隧洞穿越區(qū)水文地質(zhì)橫剖面示意圖

4.4庫(kù)水滲漏量估算

隧洞開(kāi)挖后形成新的排水通道，局部改變了地下水流場(chǎng)，以隧洞作為鄰谷，水庫(kù)可能存在補(bǔ)給隧洞水的可能性(見(jiàn)圖4)。計(jì)算中將含水體概化為均質(zhì)巖體，假定水庫(kù)最高水位為84 m，含水層底板位于隧洞下部20 m，實(shí)測(cè)壓水試驗(yàn)透水率為5.14 Lu，實(shí)測(cè)抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)為0.010 5 m/d，采用水庫(kù)滲漏量計(jì)算(解析法)公式如下。

式中：q為分水嶺單寬剖面的滲漏量，m3/(d·m)；K為巖體的滲透系數(shù)，m/d；H1為水庫(kù)水位，m；H2為臨谷水位，m；L為平均滲徑，m。

根據(jù)抽水、壓水試驗(yàn)資料，將通過(guò)庫(kù)區(qū)段分為2段進(jìn)行計(jì)算，水庫(kù)滲漏量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

從計(jì)算成果分析，庫(kù)水滲漏量不大，隧洞施工時(shí)，采取必要的防滲處理措施，后期隧洞建成運(yùn)營(yíng)后不會(huì)影響水庫(kù)的正常蓄水。

圖4　庫(kù)水滲漏量計(jì)算模型示意圖

4.5防止庫(kù)水滲漏的隧洞施工建議

隧洞穿越黑河金盆水庫(kù)區(qū)巖性主要為云母片巖夾石英片巖、綠泥片巖，巖質(zhì)軟硬相間，施工過(guò)程中嚴(yán)禁放大炮掘進(jìn)，盡量減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，及時(shí)襯砌、支護(hù)；對(duì)洞室采取全包防水，提高結(jié)構(gòu)配筋率及襯砌厚度，以抵御隧洞正常涌水和水庫(kù)滲漏水所產(chǎn)生的外水壓力；對(duì)施工中遇到的節(jié)理密集帶進(jìn)行預(yù)注漿處理，用以封堵將來(lái)庫(kù)水升高后可能會(huì)發(fā)生的入滲，避免隧洞修建后影響水庫(kù)蓄水和地表徑流，盡量減小對(duì)地下水環(huán)境的影響；施工中應(yīng)做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，對(duì)重點(diǎn)地段進(jìn)行地下水流量監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)涌水段落及涌水量的衰減變化工作。

表4　水庫(kù)滲漏量計(jì)算表

5結(jié)論與討論

1)秦嶺輸水隧洞通過(guò)黑河金盆水庫(kù)區(qū)，埋深較小，巖性軟硬相間，受構(gòu)造作用影響嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，但節(jié)理、裂隙的貫通性差，隧洞施工可能會(huì)引起庫(kù)水滲漏，滲漏量不會(huì)太大。

2)目前秦嶺輸水隧洞下穿黑河金盆水庫(kù)區(qū)掘進(jìn)已順利通過(guò)，根據(jù)施工期量測(cè)，出口段施工階段總涌水量小于設(shè)計(jì)估算總涌水量，施工總涌水量在設(shè)計(jì)可控范圍內(nèi)，施工水文地質(zhì)條件明顯好于設(shè)計(jì)水文地質(zhì)條件。

3)施工期間，采用了多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)指導(dǎo)施工，加密了重點(diǎn)段落的進(jìn)洞頻次，并針對(duì)具體問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行了分析、處理。

4)本工程施工期間水庫(kù)蓄水未處于最大庫(kù)容狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)后期施工監(jiān)測(cè)，具體實(shí)施效果有待驗(yàn)證。

5)水庫(kù)滲漏問(wèn)題情況復(fù)雜，滲漏量計(jì)算方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，本工程評(píng)價(jià)方法可供類似工程借鑒。

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Influence of Construction of Qinling Water Diversion Tunnel on Jinpen Dam at Heihe Valley

LI Limin

(ChinaRailwayFirstSurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Xi’an710043,Shaanxi,China)

Abstract:The exit of Qinling Water Diversion Tunnel is located nearby Jinpen Dam at Heihe Valley in Xi’an, China. In order to shorten the length of the tunnel line and reduce the engineering investment, the geological condtions of the tunnel section crossing underneath Jinpen Dam are studied. The influences of engineering geological conditions, hydrogeological conditions and the construction of the tunnel section of Qinling Water Diversion Tunnel on seepage of Jinpen Dam are analyzed in detail by means of comprehensive investigation method and qualitative analysis and quantitative calculation method. Finally, some suggestions are given. The construction practice shows that the tunnel construction scheme is rational and effective,and just has a liltle impact on the environment of Jinpen Dam and grouandwater.

Keywords:Qinling Water Diversion Tunnel; Jinpen Dam; hydrogeological characteristic; water volume prediction; seepage

中圖分類號(hào)：U 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)04-0379-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.002

作者簡(jiǎn)介：李立民(1969—)，男，陜西蒲城人，1993年畢業(yè)于西安礦業(yè)學(xué)院，水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)，本科，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)及巖土工程設(shè)計(jì)工作。E-mail: llm185@163.com。

基金項(xiàng)目：陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2013KTZB03-01-01)； 陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司科研項(xiàng)目(引漢建函[2014]93號(hào))

收稿日期：2015-11-27; 修回日期: 2016-01-15