王廣巍，姚 蒲

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

天星壩水庫(kù)樞紐與灌區(qū)分屬不同流域，需跨流域輸水至灌區(qū)，灌區(qū)面積為8.673×103m2，水庫(kù)壩址距永善縣蓮峰鄉(xiāng)政府約21km，距昭通—永善公路約4km，交通條件一般。天星壩輸水隧洞長(zhǎng)約6853m，圍巖中地下水位，普遍高于輸水洞洞身高程，且隧洞穿越天星壩河、梅家河、大沙壩河、蓮峰斷裂及其分支斷裂，地下水較為豐富，導(dǎo)致圍巖質(zhì)量降低，施工難度增大，應(yīng)進(jìn)行隧洞施工中涌水量預(yù)測(cè)，提前做好隧洞排水、開(kāi)挖、支護(hù)施工方案，從而保證施工進(jìn)度、安全，減少工程投資。

1 工程概述

天星壩水庫(kù)樞紐位于云南省永善縣天星壩河，枯水期水面高程約2000m，水面寬約5～9m。水庫(kù)正常蓄水位2059.90m，相應(yīng)庫(kù)容2376×104m3，死水位2006.0m，相應(yīng)死庫(kù)容22.9×104m3，興利庫(kù)容2353×104m3，為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。水庫(kù)樞紐由擋水建筑物、泄水建筑物、輸水建筑物組成［1］。擋水建筑物為面板堆石壩，最大壩高約87m；泄水建筑物由右岸溢洪洞、導(dǎo)流洞、放水管道組成；輸水建筑物為穿越分水嶺的輸水隧洞，隧洞取水口位于天星壩水庫(kù)壩址左岸上游約200m處，隧洞出口位于老鷹巖，隧洞總長(zhǎng)約6853m，在樁號(hào)K0＋890.90m附近，隧洞軸線方向由N19°9′E轉(zhuǎn)為N33°59′W，進(jìn)口底板高程2001.9m、出口底板高程1995m，斷面呈城門洞形，襯砌后洞寬2.1m，洞高3.0m，設(shè)計(jì)輸水流量3.2m3／s。輸水隧洞下游與左右干管銜接，長(zhǎng)度分別約為24925m、33559m。

2 基本地質(zhì)條件

輸水隧洞沿線以構(gòu)造侵蝕地貌為主，屬中山、高中山區(qū)，山脈走向與構(gòu)造線基本一致。隧洞沿線地面高程2000～2500m，垂直埋深80～250m，最大埋深約490m，深埋洞段存在巖爆現(xiàn)象。

輸水隧洞穿越圍巖為二疊系峨嵋山玄武巖組（P2β），宣威組（P2x）砂巖、黏土巖，三疊系飛仙關(guān)組（T1f）砂巖、粉砂巖、泥頁(yè)巖。

輸水隧洞穿越地質(zhì)構(gòu)造，主要為北東向蓮峰斷裂（F1）及其分支（F2），緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶（Lc）和陡傾角擠壓破碎帶（g）。

（1）F1：蓮峰斷裂主斷裂，分布在K4＋564m～4＋601m，產(chǎn)狀N50°～60°E／NW∠60°～80°，與洞軸線夾角約85°，斷層帶一般寬30～40m，主要由片狀構(gòu)造巖、碎裂巖、斷層泥組成，兩側(cè)影響帶寬20～40m。

（2）F2：蓮峰斷裂分支斷裂，分布在樁號(hào)K4＋263m～K4＋317m，產(chǎn)狀N20°～30°E／NW∠60°～80°，斷層帶寬20～30m，主要由片狀構(gòu)造巖、碎裂巖組成，兩側(cè)影響帶寬10～30m。

（3）輸水隧洞穿越地層中發(fā)育緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶（Lc）和陡傾角擠壓破碎帶（g）：帶寬約10～30cm，主要由碎裂巖、角礫巖組成，結(jié)構(gòu)緊密。優(yōu)勢(shì)裂隙發(fā)育3組分別為：N45°～60°E／NW∠70°～85°，N5°～25°W／SW∠60°～75°，N20°～40°E／NW∠15°～25°；長(zhǎng)度一般1～5m，間距一般5～20cm，裂面多起伏粗糙，充填巖屑。其次隨機(jī)裂隙少量發(fā)育。

3 水文地質(zhì)條件

輸水隧洞圍巖主要為二疊系峨眉山玄武巖組（P2β），長(zhǎng)度約5072m，占74%；次為二疊系宣威組（P2x）、三疊系飛仙關(guān)組（T1f）砂巖、粉砂巖、泥頁(yè)巖，長(zhǎng)度約1781m，占26%。

輸水隧洞跨分水嶺輸水，穿越了NE向鏡子山，鏡子山最高3005m；以鏡子山為分水嶺，分水嶺SE側(cè)，隧洞穿越水庫(kù)干流天星壩河，支流梅家河、大沙壩河；分水嶺NW側(cè)無(wú)較大規(guī)模的地表水系分布?；鶐r裂隙水是輸水隧洞地下水主要類型，節(jié)理裂隙系統(tǒng)是隧洞主要富水構(gòu)造，接受大氣降水、地表水體補(bǔ)給，向天星壩河、金沙江排泄，少量以泉的形式溢出地表。二疊系峨眉山玄武巖組（P2β）風(fēng)化強(qiáng)烈、裂隙短小、密集，充填情況較差，是輸水隧洞主要富水巖體；二疊系宣威組（P2x）、三疊系飛仙關(guān)組（T1f），巖性為砂巖、粉砂巖、泥頁(yè)巖，砂巖、粉砂巖受層厚限制，裂隙發(fā)育程度、規(guī)模有限，且泥頁(yè)巖為相對(duì)隔水層，該地層富水能力相對(duì)較差。

為查明輸水隧洞圍巖透水性，在輸水隧洞沿線天星壩河、大沙壩河處，分別布置TZK01鉆孔、TZK02鉆孔；孔深分別為150m、250m，表部覆蓋層厚度分別為41.5m、15.0m，下部基巖均為玄武巖，基巖部位做鉆孔壓水試驗(yàn)。成果見(jiàn)表1～2。

表1 TZK01鉆孔壓水試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)（天星壩河）

表2 TZK02鉆孔壓水試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表（大沙壩河）

輸水隧洞過(guò)天星壩河段垂直埋深約89m，孔深56.5～110m段滲透率為1.5～3.3Lu。隧洞通過(guò)部位圍巖微風(fēng)化，裂隙新鮮閉合，飽和單軸抗壓彈度（60MPa≥Rb≥30MPa），為中堅(jiān)硬巖［2］，滲透率為1.7～2.0Lu，根據(jù)GB50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，圍巖為弱透水巖體，發(fā)生隧洞大量涌水現(xiàn)象可能性不大［1］。

輸水隧洞過(guò)大沙壩河段垂直埋深約187m，孔深56.4～171.5m段，滲透率3.2～3.7Lu；孔深171.4～251m段，滲透率1.0～3.5Lu。隧洞通過(guò)部位，圍巖微風(fēng)化，裂隙新鮮閉合，滲透率2.0～3.5 Lu，根據(jù)GB50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，圍巖為弱透水巖體，發(fā)生隧洞大量涌水現(xiàn)象可能性不大。

4 涌水量預(yù)測(cè)分析

地下洞室工程涌水預(yù)測(cè)采用方法主要有：水均衡法、地下水動(dòng)力學(xué)法、比擬法、模糊評(píng)分法、同位素法、數(shù)值模擬法等。輸水隧洞涌水預(yù)測(cè)采用水均衡法（降水入滲法）、地下水動(dòng)力學(xué)法（柯斯嘉科夫法）。

4.1 水均衡法

水均衡法適用于地下水運(yùn)動(dòng)為非滲流型，在難以根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行隧洞涌水量預(yù)測(cè)的情況時(shí)，用其預(yù)測(cè)涌水量均為穩(wěn)定流量。采用水均衡法之降水入滲法，預(yù)測(cè)輸水隧洞掘進(jìn)過(guò)程涌水量?？紤]輸水隧洞為弱透水基巖裂隙含水系統(tǒng)，進(jìn)行隧洞整體涌水量預(yù)測(cè)。降水入滲系數(shù)法是根據(jù)水文地質(zhì)條件，一定范圍內(nèi)大氣降水有效入滲補(bǔ)給量部分或全部涌入隧洞，其平均穩(wěn)定涌水量表達(dá)式為：

式中：Qcp為隧洞平均穩(wěn)定涌水量，m3／d。F為地表補(bǔ)給面積，km2，在匯流型單元為該單元匯流總面積，在散流型單元和碎屑巖區(qū)根據(jù)地形圈定。R為大氣降水量，mm，采用實(shí)測(cè)資料，考慮降水高山效應(yīng)確定。α為大氣降水入滲系數(shù)，變化范圍在0～1之間，根據(jù)地質(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)、擁有資料的情況，不同洞段分別采用計(jì)算值或經(jīng)驗(yàn)值。η為拆減系數(shù)，取值0.2～1.0，取決于洞段所處部位、埋深、巖體富水性、斷裂發(fā)育特征等。

預(yù)測(cè)時(shí)大氣降水量R取666mm，地表補(bǔ)給面積F取21.4km2；經(jīng)預(yù)測(cè)天星壩水庫(kù)輸水隧洞涌水量為901.89m3／（d·km）。

4.2 地下水動(dòng)力學(xué)法

地下水動(dòng)力學(xué)法之柯斯嘉科夫法，預(yù)測(cè)輸水隧洞掘進(jìn)過(guò)程長(zhǎng)期（穩(wěn)定）涌水量?？紤]輸水隧洞為弱透水基巖裂隙含水系統(tǒng)，從保守角度考慮，進(jìn)行隧洞整體涌水量預(yù)測(cè)?？滤辜慰品蚍A(yù)測(cè)隧洞長(zhǎng)期（穩(wěn)定）涌水量的表達(dá)式見(jiàn)式（2），柯斯嘉科夫法概化模型見(jiàn)圖1。

圖1 柯斯嘉科夫法概化模型

式中：Qs為隧洞單位長(zhǎng)度長(zhǎng)期（穩(wěn)定）涌水量，m3／d；K為巖體滲透系數(shù)，m／d；H為靜止水位至洞底距離（含水體厚度），m；R為隧洞涌水影響寬度，m；r為隧洞洞身凈半徑，m；W為隧洞洞身凈寬度，m，r=W／2；α為修正系數(shù)。

預(yù)測(cè)時(shí)隧洞涌水影響寬度R取572.9m，隧洞圍巖以微新為主，滲透系數(shù)K取0.7m／d，水位至洞底距離（含水體厚度）H平均取103.7m，洞身半徑按設(shè)計(jì)1.5m計(jì)算修正系數(shù)為0.0442。經(jīng)預(yù)測(cè)天星壩水庫(kù)輸水隧洞涌水量1078.50m3／（d·km）。

5 施工處理措施

水均衡法和地下水動(dòng)力學(xué)法兩種方法預(yù)測(cè)隧洞涌水量分別為901.89m3／（d·km）、1078.50m3／（d·km）。涌水量平均值為990.2m3／（d·km）；預(yù)測(cè)成果表明，輸水隧洞涌水量總體不大；該預(yù)測(cè)成果不包括隧洞穿越天星壩河、梅家河、大沙壩河、蓮峰斷裂及其分支斷裂等洞段，圍巖涌水量較大情況。開(kāi)挖揭示，輸水隧洞圍巖涌水量與預(yù)測(cè)基本一致；遇到局部洞段圍巖涌水量較大，采取了如下施工處理措施，保證了隧洞施工進(jìn)度與安全。

（1）施工中打超前鉆探孔，深度一般3～6m，將掌子面前方圍巖中地下水提前釋放，降低水壓［3］。

（2）局部洞段圍巖涌水量較大，圍巖質(zhì)量較差，采用鋼拱架、噴錨進(jìn)行支護(hù)［4］，鋼拱架采用I16工字鋼，間距1m。

（3）加大隧洞內(nèi)排水力度，增加水泵抽水功率，預(yù)備好備用抽水泵，保證洞內(nèi)排水暢通，洞內(nèi)底板積水深不超過(guò)20cm。

（4）圍巖表部布置變形監(jiān)測(cè)儀器，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、觀測(cè)、發(fā)現(xiàn)圍巖較大變形，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)處理［5］。

6 結(jié) 論

（1）輸水隧洞圍巖主要為二疊系峨眉山玄武巖組（P2β），長(zhǎng)約5072m，占74%；次為二疊系宣威組（P2x）、三疊系飛仙關(guān)組（T1f）砂巖、粉砂巖、泥頁(yè)巖，長(zhǎng)約1781m，占26%。二疊系峨眉山玄武巖組（P2β）風(fēng)化強(qiáng)烈、裂隙短小、密集，充填情況較差，是輸水隧洞主要富水巖體；二疊系宣威組（P2x）、三疊系飛仙關(guān)組（T1f），巖性為砂巖、粉砂巖、泥頁(yè)巖，砂巖、粉砂巖受層厚限制，裂隙發(fā)育程度、規(guī)模有限，且泥頁(yè)巖為相對(duì)隔水層，該地層富水能力相對(duì)較差。

（2）隧洞沿線TZK01、TZK02鉆孔壓水試驗(yàn)成果，隧洞通過(guò)部位，圍巖滲透率分別為1.7～2.0Lu、2.0～3.5Lu，圍巖均為弱透水巖體，發(fā)生隧洞大量涌水現(xiàn)象可能性不大。

（3）根據(jù)水均衡法和地下水動(dòng)力學(xué)法兩種方法預(yù)測(cè)涌水，輸水隧洞涌水量平均值為990.2m3／（d·km）；預(yù)測(cè)成果表明，輸水隧洞涌水量總體不大；該預(yù)測(cè)成果不包括隧洞穿越天星壩河、梅家河、大沙壩河、蓮峰斷裂及其分支斷裂等洞段，圍巖涌水量較大情況。

（4）開(kāi)挖揭示，輸水隧洞圍巖涌水量與預(yù)測(cè)基本一致；遇到局部洞段圍巖涌水量較大，經(jīng)采取超前鉆探孔，鋼拱架、噴錨支護(hù)，加大洞內(nèi)排水，加強(qiáng)圍巖監(jiān)測(cè)、觀測(cè)等措施處理后，保證了隧洞施工進(jìn)度與安全。