枫香坡隧道岩溶发育规律及涌水量预测

2011-06-07周晓光

铁道勘察 2011年1期

周晓光

(铁道第一勘察设计院,陕西西安 710043)

1 工程概况

枫香坡隧道位于湖南省龙山县水田坝乡下比寨村东南的武陵中低山区。隧道起讫里程为CK112+900～CK117+680,全长4 780 m,为双线单洞隧道,单面坡。进口位于湖南省龙山县水田坝乡下比寨村东南一冲沟内,隧道出口位于猛必乡猛必村四、五组附近一冲沟内,进口高程为592.5 m,出口高程为532.7 m。隧道洞身最大埋深约540 m。

2 自然地理特征

2.1 地形地貌

枫香坡隧道位于武陵山中低山区。除坡体顶部、坡脚及冲沟中覆盖少量粉质黏土外,大部分地段基岩裸露,山体走向近N45°E。整体分为三级台阶：

一级台阶高程为1 100～1 000 m,相当于区域Ⅲ级剥夷面,低丘形态,主要为丘陵洼地,在线路CK115+500左侧形成串珠状洼地,每个洼地均有岩溶漏斗、落水洞及暗河发育,其中张家界洼地最大,雨季易出现内涝排水不畅情况,这些洼地多为垂直径流带。

二级台阶高程为900～850 m,相当于区域Ⅳ级剥夷面,残丘形态,主要为开阔谷地,位于线路CK115+500右侧,洼地内地势平坦,落水洞分布较多。明流及暗河交替出现,其中最大的车拉坪洼地地表形成一暗河较长的水平径流区。

三级台阶高程为500～650 m,相当于区域Ⅴ级剥夷面,宽谷形态,位于隧道出口段落,以水平岩溶管道为主,地表水、溶洞及暗河均发育。

2.2 气象特征

隧道所属区气候属中亚热带山地季风湿润型,气候温和,四季分明。由于处于中低山区,气候变化呈垂直规律,常出现一山有四季,十里不同天的情况。年平均气温16.5 ℃,极端最高气温39 ℃(8月),极端最低气温-3.7 ℃(1月)；年平均降雨量,年最大降水量1 488.4 mm,年最小降水量970.9 mm；年平均蒸发量1 036.6 mm,年最大蒸发量1 207.6 mm。

3 隧道地质特征

3.1 地层岩性

隧道工程范围涉及主要岩性为第四系全新统粉质黏土、志留系中统罗惹群组页岩夹砂岩、志留系上统纱帽群组页岩、泥盆系中上统写经寺组及云观台组砂岩夹泥灰岩、二叠系下统马鞍组及栖霞组眼球状灰岩、二叠系下统茅口组鲕状灰岩。

3.2 地质构造

本区大地构造单位隶属扬子地台,二级构造单元为鄂黔台褶带。经过多期次构造变动,才形成今日雄伟壮观的北北东向和北东向山脉及小型山间盆地相间的地貌景观,区内褶皱构造及其伴生断裂发育。

隧道通过猛必向斜西北翼：向斜核部由三叠系下统灰岩组成,两翼由二叠系至志留系组成。两翼岩层产状：西北翼N30°～50°W/15°～30°S；东南翼N35°W/35°～ 45°N；轴向N45°E,轴面倾向SE。隧道通过地段无断裂构造通过。

4 水文地质条件

4.1 地下水类型及特征

本区地下水的分布规律和赋存条件,受到气候、构造、岩性及地貌控制。隧道区山体岩层历经多次构造变动,褶皱、断裂、节理裂隙均较发育,其接触带、原生层理裂隙等构成了地下水储存的基本条件。根据地下水的赋有条件、水理性质及水动力特征,本工点地下水主要有第四系松散堆积层孔隙水、基岩裂隙水、碳酸盐岩岩溶裂隙溶洞水。其中与隧道关系较密切的裂隙水按成因又分为网状风化裂隙水及脉状构造裂隙水,受其所处地貌位置、构造部位和岩性特征的控制,并因补给条件的不同,地下水的分布亦有明显的差异性。

第四系松散堆积层孔隙水主要赋存于隧道通过区的沟谷及岩溶洼地中,以浅表层形式存在,隧道洞身位置均未出现。

基岩裂隙水主要赋存于志留系中统罗惹坪群组页岩夹砂岩、志留系上统纱帽群组页岩、泥盆系中上统写经寺组及云台观组砂岩夹泥灰岩,基岩裂隙水较丰富,为隧道区主要含水岩组。

岩溶裂隙溶洞水主要赋存于二叠系下统马鞍组及旗下组眼球状灰岩、二叠系下统茅口组鲕状灰岩、二叠系上统灰岩,岩溶裂隙溶洞水丰富,为隧道区最重要的含水岩组。

4.2 可溶岩水补径排特征

岩溶地区以灌入式补给为主,渗入式补给为辅,这种补给方式决定了岩溶水具有动态变化大的特点。

岩溶补给区——各级剥夷面上几乎全为具有漏斗、落水洞等泄水孔道的大小洼地密布,特别是沿节理密集带和向斜轴部、可溶岩与非可溶岩接触带密度更大,最有利于大气降水的灌入式补给。岩溶化剥夷面上的地表溪流也大多消入地下,成为有些暗河的重要补给来源之一。此外也不排除接受源于外围碎屑岩区的地表水或基岩裂隙水的越域补给。

岩溶区高级剥夷面的岩溶水向低级剥夷面汇流排泄,岩溶水的主要赋存和运移的通道——暗河管道系统,根据地层岩性、地质构造和地形地貌的不同,主要有以下二种水动力类型：横向线流型(暗河主干道顺地层走向发育),向斜汇流型。

山区裸露型岩溶水以无压流为基本特性,也不排除局部地带有承压水,由于岩溶发育很不均一,即使在同一岩体中,透水性差异也甚大。岩溶水的排泄特点多以暗河出口、泉水排泄,再就是通过径流排泄到地表水,猛必河可视为山区岩溶水的最终排泄基准面。

隧道上方车拉坪、张家界等大型岩溶洼地及落水洞发育。隧道区大泉极少(流量大于5L/s),仅有一处,暗河发育。每个岩溶洼地岩溶水均形成各自独立的暗河径流系统,最终向猛必河排泄。

4.3 非可溶岩水补径排特征

非可溶岩区以渗入式补给为主,第四系孔隙水及基岩裂隙水区结合地层岩性具有潜水特征,水循环交替作用强烈,经过短暂的循环,通过沟谷以泉的形式泄出地表汇流成溪,部分补给基岩裂隙水。

4.4 地下河管道分布特征

地下暗河的形成严格受地层、岩性、地质构造的控制,地下河的埋深及出露与地形、地貌关系密切。但受白垩纪以来区域性间歇性隆起影响,经历了漫长的岩溶化过程,在质纯易溶地层中,溶洞、地下河强烈发育,因此其发育、发展、演变过程极为复杂,本区地下河大多发育在灰岩地层中,发育方向与区域构造线的关系多为垂直关系(如表1所示)。

表1 枫香坡隧道附近暗河基本特征汇总

暗河进口高程处于三级剥夷面,出口高程处于五级剥夷面,进入雨季特别是大的暴雨后,有的暗河,其流量是现在流量的几倍至十几倍。仅有的一个岩溶大泉远离隧道,也处于五级剥夷面。

推测张家界岩溶洼地的暗河进口与23号暗河相连,进口地表水实测流量8 232 m3/d,通过投放示踪剂(乒乓球及稻壳)做连通试验,经各暗河出口观测点5 d记录,未发现示踪剂,验证了隧道区暗河系统极为复杂,具有多层次、多回路的特点。

4.5 水化学特征

通过地表水、暗河取样6组做简分析及侵蚀性分析,隧道通过基岩裂隙水区地下水水化学类型为SO4·HCO3—Na·Ca ·Mg型水,矿化度都小于0.1 g/L；通过岩溶裂隙溶洞水区地下水水化学类型为SO4·HCO3—Na·Ca型水,矿化度都小于0.3 g/L；均为极好的淡水,对混凝土无侵蚀性。

4.6 富水性分区及评价

根据水文地质调查、地层岩性、构造、岩溶发育程度以及隧道的埋深,并结合物探资料及区域水文地质资料,将枫香坡隧道区围岩含水岩组的富水性划分为基岩裂隙水中等富水区、岩溶裂隙溶洞水强烈发育区。

岩溶裂隙溶洞水强富水区(Ⅰ)：隧道洞身位置CK115+730～CK117+680(长1 950 m),分布于隧道的中部及出口端,地层岩性为二叠系下统马鞍组及旗下组眼球状灰岩、二叠系下统茅口组鲕状灰岩、二叠系上统灰岩,该区泉水发育,岩溶洼地、落水洞、漏斗及暗河发育,测区范围内共有4条暗河,仅有一条与隧道有关,推测该暗河相交于隧道DK115+800,在隧道上方通过,根据物探资料分析,暗河在隧道上方约260 m通过。本区地下水丰富,根据区域水文地质资料,地下径流模数采用1 728.00 m3/d·km2。

基岩裂隙水中等富水区(Ⅱ)：CK112+900～CK115+730(长2 830 m),分布于隧道的进口端及中部,地层岩性为志留系中统罗惹坪群组页岩夹砂岩、志留系上统纱帽群组页岩、泥盆系中上统写经寺组及云台观组砂岩夹泥灰岩,该区以风化裂隙水为主、构造裂隙水次之,泉水发育,地下水较丰富,根据地表水实测资料,地下径流模数采用平均值1 073.62 m3/d·km2。

5 隧道区岩溶发育规律及评价

5.1 岩溶类型及主要特征

隧道工程附近二叠系下统马鞍组及栖霞组眼球状灰岩、二叠系下统茅口组鲕状灰岩岩溶强烈发育,岩体表面发育溶痕、溶隙、溶沟及溶槽,并形成落水洞、溶洞、暗河等不良地质现象。

溶痕为地表水沿可溶性岩层进行溶蚀所形成的微小的沟道,隧道工程附近灰岩表面随处可见宽数厘米至十余厘米,长数厘米至数米的溶痕。

溶隙为地表水沿可溶性岩层的裂隙渗流溶蚀扩大所形成的沟隙,隧道工程附近灰岩发育很多宽数厘米至1～2 m,长数米至数十米的溶隙。

溶沟、溶槽为地表水沿可溶岩的节理裂隙进行溶蚀和机械侵蚀所形成的小型沟槽,隧道工程附近多发育宽度数厘米至数米,长度数米至数十米的溶沟、溶槽。

落水洞为岩体中的裂隙受水流溶蚀,机械侵蚀以及塌陷而成,是地表水通往地下河和溶洞的通道,隧道工程附近发育13处较大落水洞,洞口椭圆形、圆形,宽约3～4 m,长约3～6 m,高程位于840～1 080 m。

溶洞为地下水对可溶性岩石进行溶蚀和机械侵蚀作用而形成的地下空洞,隧道工程附近发育许多小型溶洞,形态多样,洞身曲折,无经常流水,主要发育2处较大溶洞,洞口椭圆形,宽约2～4 m,长约3～5 m。

隧道工程附近发育较大的暗河进口有6处,椭圆形,宽约2～4 m,长约3～6 m,高程位于900～1 100 m,出口有5处,椭圆形、圆形,宽约2～4 m,长约2～6 m,高程位于475～525 m。

岩溶洼地为岩溶作用形成的小型的封闭洼地,是由相邻漏斗逐渐加宽合并而成,隧道工程附近发育有8个岩溶洼地,宽约100～350 m,长约100～1 130 m,高程位于840～1 080 m,洼地中央多发育有溶洞、落水洞及暗河进口。其中,车拉坪岩溶洼地位于隧道CK115+200上方右侧约300 m,地面高程约901 m,隧道高程约590 m,高差约300 m；张家界岩溶洼地位于隧道CK116上方左侧约500 m,地面高程约1 030 m,隧道高程约575 m,高差约455 m,洼地内一暗河进口。

5.2 岩溶空间发育规律及控制因素分析

岩溶地区,哪怕是岩溶极发育的地区,也绝非处处是空洞,比比皆管道。在岩溶含水层中,大都是微细溶隙和巨大洞穴管道并存,赋存于其中的地下水,往往各自成独立的补给排泄系统,彼此之间一般无直接的水力联系。反映在水文地质特征上,一是富水性极不均一性,二是地下水系统的相对独立性。

纵观不同期次剥夷面岩溶的发育情况,可以看出该区域内不同期次剥夷面的岩溶发育情况有所不同,位于三级剥夷面的灰岩,层理、节理发育,落水洞分布较散,多在小型山间洼地中,地表水经溶蚀洼地、落水洞等垂直下渗,沿坡面附近至岩层内部岩溶发育较为强烈,溶蚀面受岩层垂直节理及风化节理控制。位于四级剥夷面的灰岩,层理、节理发育,贯通性好,溶蚀现象严重,沿层理及节理可见溶槽、溶坑、褐锈色条纹等,局部亦有小型空洞。位于五级剥夷面的灰岩,层理发育,贯通性好,溶蚀现象严重,沿层理可见溶槽、溶坑、溶洞等。地表水经溶蚀洼地、落水洞等垂直下渗以及水平径流形成暗河。溶蚀面主要的控制因素为岩层层理及节理。

5.3 岩溶区发育强度分级及综合评价

综上所述,隧道场地区域内岩溶水经三级剥夷面垂直下渗,Ⅳ级剥夷面垂直下渗以及短暂的水平径流最终在高程为500～650 m之间，相当于区域五级剥夷面流出,汇入河谷。隧道场地内的可溶岩段落,岩溶发育较为强烈,岩石表层溶痕、溶槽、溶沟顺层发育。地表岩溶漏斗、落水洞、洼地、溶丘相间,与溶洞、地下暗河等已形成系统。其中,线路里程CK117+320至隧道出口段,溶蚀面较低,岩溶发育最低处距线路轨面高差不足100 m,需注意岩溶对隧道工程的影响,其他段落岩溶发育最低处距线路高差多为100 m以上,但有可能在洞身局部有岩溶水富集的封闭水腔,需注意岩溶水对隧道工程造成的影响。根据《铁路工程不良地质勘察规程》的分类标准,结合区域地质资料和现场地质调查,场地岩溶发育程度判定为强烈发育。

6 隧道涌水量预测

本次初测对隧道通过区的3条沟谷进行了调查,隧道出口端的无名沟无水,有水的2条沟取样做水质分析,并进行流量测定，如表2。

表2 枫香坡隧道沟水流量量测及径流模数计算

枫香坡隧道长4 780 m,水文地质条件复杂,为了取得较合理的隧道涌水量值,本次初测通过对隧道通过的2条常年流水的沟进行了测流,并结合区域水文地质资料,采用降水入渗法、地下径流模数法预测隧道涌水量。

6.1 降水入渗法计算隧道正常涌水量

采用公式

Q1=2.74wαA

式中Q1——隧道的正常涌水量/(m3/d)；

w——年降水量/mm；

α——降水入渗系数；

A——隧道通过含水体地段的面积/km2。

根据隧道围岩的岩性、岩体裂隙及岩溶发育特点：α一般取值0.20～0.59之间,隧道区年最大降水量采用1 488.4 mm。计算结果见表3。

表3 降水入渗法计算隧道涌水量

6.2 降水入渗法对最大涌水量预测

本方法是利用宜万铁路重点科研项目对岩溶水隧道最大涌水量预测的研究成果。隧道突水涌水量与降雨强度关系十分密切,经研究分析，采用多年日最大降雨量来预测隧道最大涌水量。

采用公式

Q2=1 000αXAη

式中Q2——隧道涌水量/(m3/d)；

α——降雨入渗系数,取值0.59；

X——日最大降雨量/mm；

A——隧道集水面积/km2；

η——时间滞后系数,取值0.25。

其中,将隧道所在地区五年一遇(P=20%)的日最大降雨量124.5 mm和五十年一遇(P=2%)的日最大降雨量192.9 mm，作为隧道不同频率下的日最大雨量值。计算结果见表4。

表4 岩溶段隧道最大涌水量预测成果

本次岩溶段隧道最大涌水量采用5年一遇的计算结果。

6.3 地下径流模数法

利用公式

式中Q3——隧道通过地表水流域时涌水量/(m3/d)；

M——地下径流模数/(m3/d·km2)；

A——隧道所在流域汇水面积/km2；

Qi——地表水流域的枯水流量，代表该流域地下水径流量/(m3/d)；

F——地表水流域汇水面积/km2；

B——隧道在流域通过时影响宽度/km；

L——隧道通过流域时涌水段长度/km。

计算结果见表5。

表5 地下径流模数法计算隧道涌水量

6.4 涌水量预测计算方法的选择

综合分析上述3种方法预测隧道的涌水量,认为降水入渗法计算隧道的正常及最大涌水量较为合理,基岩裂隙水中等富水区最大涌水量按正常涌水量的3倍考虑,预测该隧道的正常涌水量为16 846 m3/d,可能出现的最大涌水量为115 710 m3/d。

由于平导距离正洞30 m,地层岩性及长度与正洞一致,故平导的涌水量可完全参照正洞的涌水量,不再另行计算。结果见表6。

表6 枫香坡隧道辅助坑道涌水量计算

7 分段水文地质条件评价

(1)基岩裂隙水中等富水区(Ⅱ)：隧道洞身位置CK112+900～CK115+730,预测该段隧道正常涌水量约2 770 m3/d,可能出现的最大涌水量约8 310 m3/d。该段落长度2 830 m,占整个隧道的59.2%,隧道施工通过节理密集带、不同岩性的接触带及下穿车拉坪沟谷地表水,可能会发生突然涌水现象。

(2)岩溶裂隙溶洞水强富水区(Ⅰ)：隧道洞身位置CK115+730～CK117+680,预测该段隧道正常涌水量约14 076 m3/d,可能出现的最大涌水量约107 400 m3/d。该段落长度1 950 m,占整个隧道的40.8%。在可溶岩地段及不同岩性的接触带施工,将会遇到大小不等的溶洞、溶隙,并下穿一条暗河,不排除遇到以静储量形式存在为主的有压溶腔水,发生突水、突泥的现象,致使围岩易造成坍塌,应提前做好地质超前预报工作,时刻要有应急预案,及时做好排水及防范措施,确保施工中人身与机械的安全。

(3)根据物探V8资料,在非可溶岩与可溶岩接触带、CK116+250～CK116+380(长130 m)、CK116+900～CK117+050(长150 m)、CK117+500～CK117+600(长100 m)段落，有可能发生突水、突泥现象。