运三铁路线中条山隧道涌水量计算分析

2015-12-30卢莉莉

水利技术监督 2015年5期

关键词：稳定流涌水量水文地质

卢莉莉

（运城市水文水资源勘测分局，山西运城 044000）

运三铁路线中条山隧道涌水量计算分析

卢莉莉

（运城市水文水资源勘测分局，山西运城 044000）

通过对隧道区地质构造、地层岩性、水文地质条件的分析，根据各隧道段不同的水文地质特征，采用大气降水入渗法、地下径流模数法和稳定流公式法等多种方法进行隧道涌水量的计算分析，为隧道施工设计提供可靠的技术支撑。

中条山；隧道；涌水量；计算分析

1 基本概况

中条山隧道是拟建运三铁路线的一部分，横穿中条山，隧道全长约18.4km，进口位于中条山北端运城市盐湖区解州镇社东村南约1.5km，出口位于平陆县常乐镇刘家庄村南东小沟里，计算隧址区里程桩号DK50+900～DK61+380。隧址区北以郝家咀村、后苏家沟、郝口村至杜马、贤良、上牛一线起，南至黄河北岸的何家滩村、张峪村、关口村至平陆老城一带，整体呈北西—南东向展布，地理坐标:东经 110°96′～111°08′，北纬 34°45′～34°58′。

隧址区北高南低，呈缓坡状，且地形切割十分强烈，西北—东南向沟谷十分发育，构造单元为豫皖板块—芮城平陆隆陷，区内地质构造主要受燕山运动及喜马拉雅运动的控制和影响。该区出露的地层复杂，主要为第三系、第四系松散岩类，其中第三系地层有以河、湖相沉积为主，滨湖、湖相沉积为辅；第四系地层岩土类型与其成因有直接关系，此区出露第四系岩土成因多种，类型非常复杂。

2 隧址区水文地质条件分析

2.1 地下水赋存类型与分布规律

（1）基岩山区:位于北边中条山南麓，由东到西条形分布，相对高差在400～700m。由变质岩和灰质岩构成，接受大气降雨在风化壳储存，属基岩裂隙水及岩溶水，季节性比较明显，水量大小不一。

（2）洪积扇、裙区:分布于张村、留史、洪池、贤良、上牛等村落一带。区内冲沟发肓，整体由北向南倾斜，且呈缓坡状下降高程450～900m。区内承压含水地层主要为第三系保德组钙质胶结半胶结砾岩、砾、卵石及细砂、中粗砂及含钙质结核粘土等，单层厚度约10～30m，砾、卵石及砂层堆积较厚，据钻孔及机井资料揭露，该地层夹有多层砾、卵石及细砂、中细砂及粗砂，累计厚度达60～150m，洪积扇裙带水文地质条件基本稳定，变化不大，总体趋势为西高东低成缓坡状下降，其间沟谷多为南北向发育，地下水多为承压水，埋深较大，水量中等。

（3）黄土台塬区:分布于张村、留史、常乐、西侯、洪池、马村、张村等村落一带，区内冲沟发肓，把整个台塬分割成小面积的黄土垣。地层主要由上第三系上新统静乐组中更新统及上更新统沉积物组成。含水层主要为中更新统红钙质结核层的色含粉质粘土、土黄色粘土一般成层分布，局部夹含薄层卵砾石，厚度30～60m，黄土台塬区在东西向水文地质条件基本稳定，变化不大，由西向东含水层有减薄趋势，水位高程 542～390m，随地势变化水位埋深较大，深层水水量中等，具承压性。

（4）黄河高阶地区:分布于拟建隧道出口段，主要为一套黄红色粉质黏土及砂层、砂石层和卵石层，具水平及交错层理，为河湖相沉积，上部一般以泥砂质胶结为主，局部为钙质胶结，下部为泥砂质或钙质胶结。主要含水层为 Q2底部和Q1的砂砾石、卵石层，为当地民井开采的主要含水层，水质比较好，该层厚度不均，其流量在200～1920m3/d。降深在25～35m之间，水量中等～丰富。

（5）黄河低阶地（一级阶地、二级阶地）及河漫滩区:主要分布于拟建隧道出口以外及沿黄一带，为一套黄红色粉质黏土及砂层、砂石层和卵石层，具水平及交错层理，为河湖相沉积，一般厚度120～150m，含水层位水量丰富，水质比较好。

2.2 地下水补、径、排条件

（1）基岩山区裂隙水主要受大气降水垂直入渗的补给，地下水一般沿裂隙向河谷运动，一部分转化为河川径流排向谷地，一部分以地下径流方式侧向补给谷地。

（2）洪积扇、裙区:主要接受北部中条山的裂隙侧向径流补给，大气降水垂向入渗补给次之，地下水径流特点是由北向南运动，地下水的排泄主要为径流和潜水蒸发及少量人工开采。

（3）黄土台塬区:主要接受大气降水入渗补给和洪积扇、裙区孔隙水的侧向补给，另外尚有提黄灌溉入渗补给及引水（或泉）灌溉用水入渗补给。地下水在台地范围由北向南向黄河运动，径流条件比较好，排泄方式主要为侧向经流排泄及人工开采。

（4）黄河阶地区:主要受大气降水入渗补给，另黄土台塬区孔隙水的侧向补给及黄河水的侧向补给及灌溉入渗补给也占很大比例。地下水由北向南向黄河运动，河流阶地范围从西沿黄河向下游经流。排泄方式主要为侧向径流排泄，一部分转化为河川径流入黄河，另一部分以地下径流方式入黄河，此外人工开采地占一定比例。

3 隧道涌水量计算

3.1 计算模型

经对隧址区水文地质条件及区域水文地质数据的综合分析可知，大气降水、地表水的直接入渗是地下水的主要补给来源。根据各隧道段不同的水文地质条件，拟采用大气降水入渗法、地下径流模数法和稳定流公式法 3种方法进行隧道涌水量的分析和预测。其中，基岩地段采用大气降水入渗法、地下径流模数法计算，稳定流法用于山前堆积段（洪积扇、裙，黄土台塬，黄河阶地段）计算，其中DK56+355～DK59+555段采用承压水非完整式稳定流公式法，DK59+555～DK61+000段采用潜水非完整式稳定流公式法。

（1）大气降水入渗系数法。

计算公式:Q=2.74A·W·α

式中:Q—隧道正常涌水量 m3/d；A—汇水面积，由 1∶1万平面图量测，km2；W—多年平均降雨量，mm；α—入渗系数，根据区域数据采用规范经验值。

计算过程及参数选取见表 1，预测隧道正常涌水量Q为3405m3/d。

表1 大气降水入渗系数法计算参数及计算结果表

（2）地下径流模数法。

计算公式:Q=MA

式中:M—平均径流模数，采用枯水期流量与相当的流域面积计算；A—隧道通过含水体地段的面积。

计算过程及参数选取见表 2，如表统计，预测隧道正常涌水量 Q为 3063m3/d。

表2 地下径流模数法计算参数及计算结果表

（3）稳定流法。

1）承压水非完整式稳定流公式法。

Q—隧道两侧进水时的隧道正常涌水量（m3/d）；K—渗透系数（m/d）；B—隧道通过含水层中的长度（m）；H1—静止水位至隧道底深度（m）；H—含水层厚度（m）；R—隧道涌水影响半径（m），采用经验公式计算；h—水位下降曲线在隧道边墙上的高度；M′—隧道底以上承压含水层厚度（m）；qr—引用流量。

计算过程、参数选取及计算结果见表3、表4。

表3 DK56+355～DK 57+215段稳定流公式法计算参数及计算结果表

表4 DK 57+215～DK 57+215段稳定流公式法计算参数及计算结果表

2）潜水非完整式稳定流公式法。

Q—隧道两侧进水时的隧道正常涌水量（m3/d）；K—渗透系数（m/d）；B—隧道通过含水层中的长度（m）；H1—静止水位至隧道底深度（m）；R—隧道涌水影响半径（m），采用经验公式计算；r—隧道宽度的一半（m）；a—换算系数。

计算过程、参数选取及计算结果见表 5。

表5 DK 59+555～DK 61+000段稳定流公式法计算参数及计算结果表

3.2 涌水量计算结果分析

径流模数法计算结果反映的是区域性地质条件下的入渗量，对于水平径流区较适合。大气降水入渗系数法比较适用于埋藏深度较浅的越岭隧道，其难点在于降水入渗系数的选取，它与隧道洞身周围及其上方所覆岩层的岩性及结构有密切关系。基岩地段岩层则多为缓倾岩层，含水岩组与隔水岩组相隔成层分布，不同岩性的降水入渗系数有较大差异，故采用径流模数法更具有合理性；隧道出口段，即DK56+355～DK61+000主要穿越第三、四系地层，水位比较稳定，故采用稳定流公式法计算较为合适。DK61+000～DK61+380隧道位于地下水位以上，因此不计算该段涌水量。DK50+900～DK56+355段涌水量则采用地下径流模数法计算结果，DK57+000～DK61+000段涌水量则采用稳定流公式法计算结果。根据计算隧道总涌水量为15836m3/d，计算成果如表6。

4 结论

隧址区地下水主要补给源为大气降水及中条山的地下水侧向径流补给，地下水基本以山高水高的形式存在于区内，排泄方式主要以泉水、人工开采及侧向径流的方式排泄。根据各隧道段不同的水文地质条件，采用大气降水入渗法、地下径流模数法和稳定流公式法3种方法进行隧道涌水量的分析计算，预测隧道总涌水量为15836m3/d，有关单位可依据此水量进行施工设计。