許云 ,張世濤 ,劉皓

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，昆明 650051)

隨著國民經(jīng)濟建設需求的增長和施工技術(shù)發(fā)展，深埋長隧洞工程在中國水利、道路等工程中的應用日益增加，由此引發(fā)的各類災害地質(zhì)問題也日益突出，隧洞涌水就是其中之一[1]。我國是世界上巖溶分布面積最廣的國家之一，其主要分布在南方地區(qū)[2]。在巖溶發(fā)育地區(qū)，正確選取涌水量預測方法，準確預測涌水量，直接影響到工程施工安全，以及隧道的使用壽命。

關(guān)于隧道涌水量預測，工程上應用較多的是傳統(tǒng)理論公式法。許多專家學者在此基礎上，根據(jù)工程的具體情況，對傳統(tǒng)公式進行了修正或引入一些新理論方法，取得了一定的成效[3]，比如:江峰運用改進的多元相關(guān)分析法對野三關(guān)隧道和馬鹿箐隧道進口泄水洞的隧道涌水進行了涌水量檢驗[4]；黃衛(wèi)紅運用大井法方法對崇青隧洞進行了涌水量預測[5]等。此外，尚有涌水量曲線外推法、水文地質(zhì)比擬法等近似計算方法。但是，由于巖溶是一個很復雜的系統(tǒng)，單獨一種方法并不能很準確進行預測，因此要多種方法相結(jié)合，來提高預測精度。

1 工程概況

滇中引水工程是從根本上解決滇中區(qū)缺水問題、有效改善滇中水環(huán)境狀況、保障滇中乃至云南省未來國民經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重大民生工程。受水區(qū)范圍包括麗江、大理、楚雄、昆明、玉溪和紅河6個市州的35個縣(市)。工程規(guī)模龐大，擬從金沙江上游石鼓河段取水，途經(jīng)麗江市、大理州、楚雄州、昆明市、玉溪市，終點抵達紅河州個舊市，輸水總干渠全長661.07 km，多年平均引水量34.15×108m3，渠首流量140 m3/s，末端流量13 m3/s。本文主要對滇中引水昆明段的蔡家村隧洞進行涌水量預測，蔡家村隧洞全長22 994.278 m。

2 地質(zhì)特征

蔡家村隧洞位于羅茨-易門斷裂與松林斷裂之間，地質(zhì)構(gòu)造以安寧盆形向斜為主，褶皺軸走向主要為EW向，局部扭曲較大。地層以昆陽群Pt1為基底，局部地區(qū)上覆元古界、震旦系、古生界與第四系地層，主要有：Pt1h(黃草嶺組)-P2β(峨眉山玄武巖)、J1-J3.、K、Q4。其中可溶巖為： Pt1e、Zbdn、∈1l、D2-3、∈1d2、C2+3、P1q+m，巖性主要為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖；其余為非可溶巖的頁巖、砂頁巖、泥巖，局部夾薄層的碳酸鹽巖，呈SN向延伸，傾角中等，局部傾角較緩，可溶巖與非可溶巖呈相間條帶狀展布。

3 水文地質(zhì)單元劃分

蔡家村隧洞引水線路途徑豹子洞菁，張官山、李家山神、山神廟菁。進口接觀音山倒虹吸，出口接小漁壩倒虹吸。隧洞進口高程為1 910.966 m，出口高程為1 906.367 m。隧洞線路主要穿越的是非可溶巖地層，只是在隧洞進出口穿越可溶巖地層(Zbdn)，隧洞依次穿越羅茨盆地巖溶水文地質(zhì)單元(CX-Ⅰ-2)、騎馬箐-白沙阱巖溶水文地質(zhì)單元(KM-Ⅰ-1)、老青山-核桃箐水文地質(zhì)單元(KM-Ⅱ-1)和小漁壩巖溶水文地質(zhì)單元(KM-Ⅲ-3)見圖 1。

1.羅茨盆地巖容水系統(tǒng);2.騎馬箐-白沙阱巖溶水系統(tǒng)；3.老青山-核桃箐巖溶水系統(tǒng)；4.石樓梯-牛西巖巖溶水系統(tǒng)；5.小漁壩巖溶水系統(tǒng)圖1 水文地質(zhì)單元分區(qū)圖

4 隧洞涌水量初步預測及評價

隧洞涌水量的預測較為復雜，預測準確性主要取決于對隧洞充水條件的正確分析及計算參數(shù)和計算方法的合理選用。根據(jù)勘察資料以及地形地貌條件、巖溶發(fā)育特征、含水層地下水分布及賦存情況，對隧址區(qū)地下水水位進行推測，在此基礎上，選用水均衡法及地下水動力學法兩種方法，對隧洞涌水量進行初步預測，并給出評價。

4.1 水均衡法

該方法是根據(jù)水均衡原理，通過對地下水動態(tài)規(guī)律的研究，查明隧洞施工期地下水的收入、支出部分，建立某一期間(均衡期)地下水收、支之間的均衡變化關(guān)系，進而獲得施工段隧洞可能的涌水量。

本文采用大氣降雨入滲系數(shù)法來預測計算研究區(qū)隧洞涌水量。依據(jù)《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(SL629-2014)，按下式計算正常涌水量Qs，雨季最大涌水量按正常涌水量的2倍估算。

Qs=2.74α·W·A

(1)

式中，Qs為隧洞正常涌水量(m3/d)；α為降水入滲系數(shù)，依據(jù)洞段的地形地貌特征、巖溶及植被的發(fā)育狀況取值；W為年均降雨量(mm)；A為隧洞通過含水體地段的匯水面積(km2)；Qmax為雨季最大涌水量，按正常涌水量的2倍計算；

其中：A=L·B

(2)

式中，L為隧洞通過含水體地段的長度(km)；B為隧洞涌水地段L長度內(nèi)對兩側(cè)的影響寬度(km)。

由于引水線路跨越區(qū)域較大，線路較長，沿線構(gòu)造發(fā)育情況、地表巖溶發(fā)育情況差異較大，因而在不同隧洞段計算參數(shù)的選取也有較大差異。計算參數(shù)具體選取及計算結(jié)果見表1。

表1 蔡家村隧洞大氣降雨入滲法預測涌水量計算成果表

4.2 地下水動力學法

根據(jù)蔡家村水下洞段通過巖體透水性的不同進行分段，再依據(jù)相關(guān)規(guī)范中地下水動力學法公式對每個分段的涌水量進行初步預測。本文采用裘布依理論式和柯斯嘉科夫法預測隧洞正常涌水量，利用古德曼經(jīng)驗式預測各個隧洞的初期最大涌水量。

(1) 裘布依理論公式

當隧道通過潛水含水體，位于無限補給、兩側(cè)進水時，可用裘布依理論公式(3)計算隧道正常涌水量。

(3)

式中，Qs為隧道通過含水體段的正常涌水量(m3/d)；L為隧道通過含水體的長度(m)；K為滲透系數(shù)(m/d)；H為洞底以上潛水含水體厚度(m)；h為洞內(nèi)排水溝假設深(m)；R為隧道涌水地段的引用補給半徑(m);d為洞身橫斷面等價圓半徑(m)。

其中用庫薩金經(jīng)驗公式(4)計算R，用公式(5)計算r。

(4)

(5)

計算時暫不考慮洞內(nèi)排水溝假設深h，默認隧道水位降升s等于洞底以上潛水含水體厚度H。

通過鉆孔水位資料(雨季)及水文地質(zhì)分析，運用裘布依理論公式計算研究區(qū)各隧洞洞段的正常涌水量計算成果見表2。

(2) 柯斯嘉科夫法

柯斯嘉科夫公式適用無限厚含水層中、無邊界條件下兩側(cè)進水的潛水穩(wěn)定流非完整井，隧道正常涌水量計算用公式(6)。

(6)

式中,qs為隧洞長期(穩(wěn)定)涌水量(m3/d)；K為巖體的滲透系數(shù)(m/d)；L為隧道通過含水層長度(m)；H為靜止水位至洞底距離(m)；R為隧洞涌水影響寬度(m)；r為隧洞寬度之一半(m)；a為修正系數(shù)，用公式(7)計算。

(7)

用庫薩金經(jīng)驗公式(8)計算R，當H足夠大，h為小值時，取S=H。

R=2s(H/K)

(8)

運用柯斯嘉科夫法計算研究區(qū)各隧洞洞段的正常涌水量計算成果見表2。

(3) 古德曼經(jīng)驗式

通過潛水含水體的越嶺和傍山隧道、兩側(cè)進水，可用古德曼經(jīng)驗公式(9)計算隧道最大涌水量。

(9)

式中,qmax為隧洞通過含水體可能最大涌水量(m3/d)；K為巖體的滲透系數(shù)(m/d)；L為隧道通過含水體的長度(m)；H為靜止水位至洞底距離(m)；d為隧洞等價圓直徑(m)。

其中用式(10)計算d。

(10)

運用古德曼經(jīng)驗式計算研究區(qū)各隧洞洞段的最大涌水量計算成果見表2

表2 蔡家村隧洞地下水動力學法涌水量計算成果表

注：K為巖體的滲透參數(shù)；H為靜止水位至洞底距離；a為修正系數(shù)；r為隧洞寬度之一半；d為洞身橫斷面等價圓半徑；L為隧道能地含水體的長度；R為隧洞涌水影響寬度。

表3 蔡家村隧洞涌水量計算成果匯總表

5 結(jié)論

將上述4種方法對研究區(qū)各隧洞涌水量預測成果進行綜合分析(表 3)，結(jié)果顯示：

(1) 由表1可知，根據(jù)隧洞穿越不同的水文地質(zhì)單元將隧洞劃分為5段，其中以KM19+150～KM21+805段的涌水量較大，該段隧洞處于砂巖和白云巖中，并穿越蔡家村斷裂，正常涌水量為6 280 m3/d，單位長度正常涌水量為2.37 m3/d；雨季最大涌水量為12 559 m3/d，單位長度最大涌水量為4.73 m3/d?？傮w上此段發(fā)生涌突水危險性較大，尤其在穿越蔡家村斷裂的部位。由表2 可以看出，隧洞共劃分為12段。其中KM8+410～KM8+750、KM16+380～KM16+450和KM21+577～KM21+645三段分別穿越規(guī)模較大的小倉-銀廠箐斷裂、清水河斷層和蔡家村斷裂及影響帶，巖體透水性較好，柯斯嘉科夫法計算單位長度qs介于17.85 m3/d～65.57 m3/d之間，古德曼經(jīng)驗式計算單位長度qmax介于58.21 m3/d～214.57 m3/d之間，3段隧洞發(fā)生涌突水的風險極大；處于昆陽群板巖中的KM0+827～KM1+196和KM1+564～KM4+397透水性較弱。古德曼經(jīng)驗式計算單位長度qmax分別為3.20 m3/d和2.09 m3/d，兩段隧洞不易發(fā)生涌突水；其余7個洞段主要穿越澄江組砂巖和燈影組白云巖，巖體較破碎，透水性弱，砂巖段地下水水位平均高出隧洞底板最大達360 m，柯斯嘉科夫法計算單位長度qs介于 2.06 m3/d～5.07 m3/d之間，古德曼經(jīng)驗式計算單位長度qmax介于4.95 m3/d～13.93 m3/d之間，隧洞存在一定的涌突水風險。

(2) 無論任何一種計算方法，均顯示涌水量最大的為KM8+410～KM8+750、KM16+380～KM16+450和KM21+577～KM21+64，主要是由于隧洞處于滇池流域地下水徑流排泄區(qū)和沿線通過較多構(gòu)造、可溶巖，易發(fā)生涌水且補給水量大所致；涌水對該處施工影響較大，應引起重視。

(3) 結(jié)合研究區(qū)隧洞沿線不同的水文地質(zhì)條件，并依據(jù)《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(SL629-2014)，蔡家村隧洞:埋深較大、水頭較高、水位穩(wěn)定，大氣降雨入滲與隧洞涌水量關(guān)系不大，推薦采用地下水動力學法中的裘布依理論式和古德曼經(jīng)驗式分別預測的隧洞正常涌水量和最大涌水量作為防治處理的依據(jù)。

(4) 未連通型隧洞應加強超前地質(zhì)預報超前管棚支護、超前徑向預注漿等工程措施，起堵水加固作用，降低隧洞突水、突泥事故發(fā)生。連通型隧洞:①應該回避雨季施工；②采用強有力的排水措施；③對地下水集中涌出帶還應當采用適當?shù)姆舛麓胧?；④對處于垂直入滲帶中的隧洞，則采用線路的適當調(diào)整，回避巖溶通道貫通程度強、地表匯水條件好的地段。

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