肖 鵬, 辜利江

(1.中國電建集團 中南勘測設計研究院有限公司 地質(zhì)處,湖南 長沙 410014; 2.中國石油集團 工程設計有限責任公司 西南分公司,四川 成都 610041)

川西某高海拔深埋長大隧洞圍巖滲透特性及涌突水量預測

肖 鵬1, 辜利江2

(1.中國電建集團 中南勘測設計研究院有限公司 地質(zhì)處,湖南 長沙 410014; 2.中國石油集團 工程設計有限責任公司 西南分公司,四川 成都 610041)

理塘縣平均海拔4 000 m左右,境內(nèi)某擬建的長大深埋隧洞為改建的國道318線制約性工程之一,已有調(diào)查表明洞身段存在一層承壓水,為預防施工期的涌突水災害,分別進行水化學簡分析、同位素測試、高壓滲透試驗、變圍壓滲透測試,查明隧洞賦存水環(huán)境和巖體滲透性,進而分別采用降雨入滲法、地下徑流模數(shù)法、動力學方法對隧洞施工涌突水進行預測,結果表明:降雨入滲法、地下徑流模數(shù)法均與匯水面積及降雨量有關,隧道涌水量為假定的入滲量,偏差較大,地下水動力學法計算結果較為準確,結合工程區(qū)出露泉點流量,隧道最大涌水量為11 759.12 m3/d,經(jīng)施工開挖揭露,與工程實際較為吻合。

高海拔;長大深埋;隧洞;滲透性;涌水量

理塘縣為甘孜州海拔最高縣城,海拔高度4 000 m左右,縣境內(nèi)國道318沿線不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)發(fā)育,急需對線路進行改造,擬建的某長大隧道為公路改建制約性工程之一。該隧道全長2 831 m,地層主要為三疊系上統(tǒng)侏倭組(T3zh)變質(zhì)砂巖與板巖互層,并且鄰近甘孜—理塘斷裂帶,動力作用較強,褶皺發(fā)育,在勘察中洞身段探到埋深區(qū)存在一承壓水層,流量較為穩(wěn)定,承壓水頭約74 m,高于地面可自流。因此,查明隧洞內(nèi)地下水的分布及補、徑、排條件及其水動力特征,分析隧道施工工程中可能出現(xiàn)的集中涌水段與突水點,提出有效的防治措施。對于隧道(涌)突水地質(zhì)災害防治具有重要意義[1]。

1 隧址區(qū)水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)位于川西高原西部,隧道洞身穿越區(qū)內(nèi)地表水、地下水的分水嶺,研究區(qū)內(nèi)有兩條主要溪溝分別向北東、南西向流動,兩岸發(fā)育有幾條小型沖溝。隧道通過地層上部為第四系殘坡積層,厚度較大且較為松散,比較富水;下部主要為三疊系板巖、砂巖,屬于基巖裂隙含水巖體,比較缺水。隧址區(qū)以線狀緊密褶皺為其特征,在轉(zhuǎn)折端附近巖體受到強烈擠壓比較破碎,砂巖易導水?？傮w來說,區(qū)域內(nèi)的地下水以主要接受大氣降雨所補給,徑流途徑短、排泄暢,動態(tài)變化受季節(jié)影響。

根據(jù)出露條件和分布特征,取了6組水樣進行水化學簡分析測試,再根據(jù)水化學條件,做水化學三線Piper圖進行具體分析,詳見圖1。

圖1 隧址區(qū)水樣Piper三線圖Fig.1 Piper trilinear diagram of water sample in tunnel site

野外進行現(xiàn)場調(diào)查水樣同位素測試,由各水點δD及δ18O含量關系得出隧址區(qū)地下水氫氧同位素與西南理塘地區(qū)大氣降水曲線關系如圖2。

圖2 隧址區(qū)氫氧同位素關系圖Fig.2 Relation graph of isotope hydrogen and oxygen in tunnel site

從圖2可以看出,隧址區(qū)地下水氫氧同位素落在區(qū)域平均大氣降水曲線附近(黑色線),且其趨勢線(灰色)斜率略小于大氣降水曲線方程,說明區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水補給,且蒸發(fā)量要大于補給量。所有水樣對降雨線δ18O均發(fā)生了很小幅度的“漂移”,與實際高原中蒸發(fā)量大的情況一致?？傮w來說,隧址區(qū)地下水具徑流途徑較暢通、徑流時間較短的特點。

2 隧址區(qū)巖體滲透性

隧址區(qū)分布均為非可溶巖,巖性以板巖為主,部分地段為砂巖。本次野外調(diào)查共取巖樣11件,采用室內(nèi)巖石高壓滲透性測試方法對巖體滲透性進行評價[2]。

室內(nèi)巖石滲透性測試結果也表明,砂巖的巖石滲透系數(shù)為0.001 08～0.028 51 m/d,板巖的巖石滲透系數(shù)為0.000 81～0.001 29 m/d,砂巖和板巖的巖石滲透系數(shù)都很小。

另外,對鉆孔巖石樣進行常規(guī)滲透性測試,將鉆孔ZK2和鉆孔ZK3的巖石滲透系數(shù)隨深度變化情況展示出來,如圖3所示。

由圖3可以發(fā)現(xiàn),即便中間偶有滲透系數(shù)變大出現(xiàn)波峰,但總體趨勢巖石樣滲透系數(shù)隨著深度的增加而逐漸減小。

一般來說,風化及水流的侵蝕作用從地表開始,越往地下深處作用強度越弱,相應地巖體的透水性能也從上往下逐漸遞減。因此,這類曲線與實際的巖體滲透能力向深部逐漸減弱的普遍規(guī)律相吻合。這也是隧址區(qū)巖體滲透性在垂向上隨深度變化的主要形式。

圖3 巖石滲透系數(shù)隨深度變化曲線Fig.3 Change curve of permeability coefficient of rock with depth

另外,對鉆孔巖樣進行變圍壓滲透率測試[3],用以揭示巖石滲透性隨圍壓變化規(guī)律[4],如圖4-圖8所示。

圖4 1#砂巖樣品圍壓滲透系數(shù)隨圍壓變化曲線Fig.4 Change curve of confining pressure permeability coefficient of No.1 sandstone sample

圖5 2#板巖樣品圍壓滲透系數(shù)隨圍壓變化曲線Fig.5 Change curve of confining pressure permeability coefficient of No.2 sandstone sample

圖6 3#砂巖樣品圍壓滲透系數(shù)隨圍壓變化曲線Fig.6 Change curve of confining pressure permeability coefficient of No.3 sandstone sample with confining pressure

圖7 4#板巖樣品圍壓滲透系數(shù)隨圍壓變化曲線Fig.7 Change curve of confining pressure permeability coefficient of No.4 slate sample with confining pressure

圖8 4#的砂巖樣品圍壓滲透系數(shù)隨圍壓變化曲線Fig.8 Change curve of confining pressure permeability coefficient of No.4 sandstone sample with confining pressure

由上圖可以看出,隨著圍壓的變化(應力依次<自重應力,>自重應力,<自重應力),巖石的滲透性先減小后增大。圍壓小于自重應力加壓時,巖石的滲透性不斷減小;當圍壓加到大于巖石自重應力的荷載時(本次最大圍壓為3 MPa),滲透性最小;當圍壓達到大于自重應力的荷載再減壓時,巖石的滲透性剛開始變化甚微,但隨著圍壓的不斷減小,巖石的滲透性開始緩慢增大,不過巖石最終的滲透性仍達不到初始的相應壓力水平。

該圍壓環(huán)境加載、卸載過程的滲透性測試模擬了巖體滲透性隨隧道埋深增加圍壓增大后以及隧道開挖圍壓減小后的變化,對掌握隧道開挖前和開挖后滲透性的變化具有重要的指導意義。

3 隧道施工涌水量預測分析

3.1 降雨入滲法預測隧道涌水量

降雨入滲法假定某流域內(nèi),大氣降水是地表水、地下水、蒸發(fā)/蒸騰和地面滯水的總源,水在循環(huán)過程中,基本保持平衡狀態(tài),即補給與排泄的動態(tài)平衡。該方法關鍵是收集測區(qū)氣象、水文、地質(zhì)資料,并確定節(jié)理裂隙與區(qū)域構造的發(fā)育程度[5]。

按照隧道線的分段情況,隧道涌水量預測計算結果如表1所示,預測隧道總涌水量為3 025.52 m3/d。

3.2 地下徑流模數(shù)法預測隧道涌水量

地下徑流模數(shù)法是通過確定地下水徑流模數(shù)(即地下水單位面積的涌水基數(shù)),圈定單位地下水面積[6]。

地下徑流模數(shù)的確定一般采用泉域法、地下水均衡法等方法,本次根據(jù)實地調(diào)查并運用泉域法計算得出地下徑流模數(shù)為2.85 L/s·km2,區(qū)域水文地質(zhì)資料中地下徑流模數(shù)為1～3 L/s·km2,兩者一致。為保證隧道涌水安全,本次計算取最大值3.2 L/s·km2,本次隧道涌水量計算結果見表2,預測隧道總涌水量為2 828.39 m3/d。

表1 降雨入滲法預測隧道線分段涌水量

表2 地下徑流模數(shù)法預測隧道涌水量

根據(jù)理塘義敦地區(qū)不同地層的常規(guī)徑流模數(shù),結合現(xiàn)場實際泉域調(diào)查,在不同隧道段域內(nèi)選擇不同的徑流模數(shù)進行分段計算。T3zh中M=3～4 L/s·km2左右,T3w中M=1～2 L/s·km2左右。預測隧道總涌水量為3 156.11 m3/d。

通過對隧道整體和分段分別進行計算,用徑流模數(shù)法算出的兩種結果相差不大,預測隧道涌水量相接近,取兩者平均值2 992.25 m3/d為正常涌水量。

3.3 地下水動力學方法預測隧道涌水量

計算采用穩(wěn)定流地下水動力學法[7]中的裘布依公式和科斯加科夫公式[8]進行概算。

隧道所穿越的侏倭組(T3zh)含水層中有一段為承壓含水層,利用裘布依公式[9]得出該隧道的涌水量Q=5 631.76 m3/d。利用科斯加科夫公式的隧道涌水量計算結果Q=12 254.69 m3/d。

可以看出,利用科斯加科夫公式計算得出的結果普遍比裘布依公式要大,但兩種地下水動力學法預測隧道涌水量相差不大,取兩者平均值5 879.56 m3/d為正常涌水量。

3.4 綜合評價

用降雨入滲法、地下徑流模數(shù)法和地下水動力學法三種方法[10]計算得出隧道涌水量分別為3 025.52 m3/d、2 992.25 m3/d與5 879.56 m3/d。其中降雨入滲法、地下徑流模數(shù)法均與匯水面積及降雨量有關,隧道涌水量為假定的入滲量,偏差較大,地下水動力學法計算結果較為準確,因此,隧道正常涌水量為5 879.56 m3/d。據(jù)訪問,本區(qū)出露泉點流量在雨季約為枯季的2倍,因此取隧道最大涌水量為11 759.12 m3/d。

4 結論

通過前述分析,可得到如下認識:

(1) 隧址區(qū)地下水類型可分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水兩大類,兩者之間相對獨立,在有砂巖分布且與第四系相接處兩系統(tǒng)中的地下水才有聯(lián)系。

(2) 室內(nèi)巖石滲透性測試結果表明,當圍壓變化時,巖石的滲透性隨其變化先減小后增大。圍壓小于自重應力加壓時,巖石的滲透性不斷減小;當圍壓加到大于巖石自重應力的荷載時,滲透性最小;當圍壓達到大于自重應力的荷載再減壓時,巖石的滲透性剛開始變化甚微,但隨著圍壓的不斷減小,巖石的滲透性開始緩慢增大。

(3) 分別運用降雨入滲法、地下徑流模數(shù)法、地下水動力學法中的兩種算法以及三維數(shù)值模擬等四種方法對隧道涌水量進行計算,通過對結果進行比較分析,故取后兩者算法的平均值作為隧道正常涌水量,即隧道正常涌水量為6 512 m3/d,最大涌水量為13 024 m3/d。

[1] 王夢恕.中國是世界上隧道和地下工程最多、最復雜、今后發(fā)展最快的國家[J].鐵道標準設計,2003(1):1-4.

[2] 王媛,徐志英,速寶玉.復雜裂隙巖體滲流與應力彈塑性全耦合分析[J].巖石力學與工程學報,2000,19(2):177-181.

[3] 仵彥卿.地下水與地質(zhì)災害[J].地下空間,1999,19(4):303-316.

[4] 黃濤,楊立中.滲流—應力—溫度耦合下裂隙圍巖隧道涌水量的預測[J].西南交通大學學報,1999,34(5):14-15.

[5] 朱大力,李秋楓.預測隧道涌水量的方法[J].工程勘察,2000(4):18-22.

[6] 徐則民,黃潤秋,羅杏春.特長巖溶隧道涌水預測的系統(tǒng)辨識方法[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2002(4):50-54.

[7] 蒙彥,雷明堂.巖溶區(qū)隧道涌水研究現(xiàn)狀及建議[J].中國巖溶,2003,22(4):287-292.

[8] 聶志宏,張彌,白李妍.用經(jīng)驗公式計算隧道涌水量[J].鐵道標準設計,2000,20(增刊1):48-49.

[9] 畢煥軍.裂隙巖體數(shù)值法預測計算特長隧道涌水量的應用研究[J].鐵道工程學報,2000(1):59-62.

[10] 王建秀,朱合華,葉為民.隧道涌水量的預測及其工程應用[J].巖石力學與工程學報,2004,23(7):1150-1153.

(責任編輯：于繼紅)

作者簡介:楊繼華(1980-),男,工程師,博士,工程地質(zhì)專業(yè),從事工程地質(zhì)勘察、設計及研究工作。E-mail:yangjihua68@sohu.com

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.010.html 數(shù)字出版日期:2016-05-05 15:31

收稿日期:2016-04-22;改回日期:2016-05-05

Prediction of Sudden Water Inflow and Permeability Characteristics ofSurrounding Rock of High-altitude Deep Buried Tunnel in Western Sichuan

XIAO Peng1, GU Lijiang2

(1.Mid-SouthDesignandResearchInstituteforHydroelectricProjects,Changsha,Hunan410014;2.SouthwestBranch,ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd.,Chengdu,Sichuan610041)

Litang County,with an average altitude of about 4 000 m,the proposed long deep tunnel in the territory is one of the constraints of the project for the reconstruction of the national highway 318,the existing questionnaire shows there is a layer of confined water. In order to prevent sudden water inflow in the construction period,the water chemical analysis,isotope test,high pressure permeability test and variable confining pressure penetration test are carried out respectively. The occurrence of water environment and the permeability of rock mass are found out,and then sudden water inflow is predicted by the method of rainfall infiltration,the method of underground runoff modulus method and dynamic method. The results show that the rainfall infiltration and groundwater runoff modulus method are related to catchment area and rainfall,the tunnel water inflow is assumed the infiltration quantity with large deviations,groundwater dynamics method calculation results are accurate,combined with spring flow in the engineering area,the maximum water inflow in tunnel is 11 759.12 m3/d. By construction and excavation,and the engineering practice is more consistent.

high-altitude; deep buried; tunnel; permeability; water inflow

2016-04-29;改回日期:2016-05-18

肖鵬(1979-),男,高級工程師,勘查技術與工程專業(yè),從事工程地質(zhì)工作。E-mail:15654215@qq.com

U452.1+1

A

1671-1211(2016)03-0529-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.064

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160511.1536.002.html 數(shù)字出版日期:2016-05-11 15:36