高家坪隧道岩溶水系统识别及涌水量预测

田清朝，万军伟，黄 琨，左 帅，李方华

(1．中国地质大学(武汉)环境学院，湖北武汉430074; 2．中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063)

高家坪隧道岩溶水系统识别及涌水量预测

田清朝1，万军伟1，黄 琨1，左 帅1，李方华2

(1．中国地质大学(武汉)环境学院，湖北武汉430074; 2．中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063)

为查明在建宜保高速高家坪隧道内ZK45+995 m处突水点的补给来源以及隧道区的水文地质条件，并预测可能的涌水量，在对隧道区内岩溶发育规律调查分析的基础上，先后在隧道区开展了两次地下水示踪试验，结果查明:高家坪隧道内ZK45+995 m处突水点的补给来源于隧道北侧的下埫岩溶洼地，汇水面积为0．66 km2，突水点所处的岩溶管道为黄龙洞岩溶水系统的西支，为单一岩溶管道类型，地下水最大流速为341 m/d，平均流速为244 m/d，地下水流速快，管道介质相当发育。根据示踪试验划分的黄龙洞岩溶水系统与干洞坪岩溶水系统边界范围，并利用黄龙洞泉长期降雨量-泉流量监测数据，采用大气降雨入渗法预测高家坪隧道ZK45+995 m处突水点未来可能遭遇的最大涌水量为13 216 m3/d，正常涌水量为5 940 m3/d，为隧道防治水方案的制定提供了水文地质依据。

高家坪隧道;岩溶水系统;涌水量预测;地下水示踪试验;大气降雨入渗法

涌突水灾害是兴建隧道工程中极具危害性的地质灾害，部分岩溶地区降雨丰沛，暴雨集中，地表岩溶洼地、槽谷、落水洞广布，地下暗河管道密布，岩溶地下水在时间、空间上分布极不均匀等一系列特点使得岩溶地区隧道工程遭遇突涌水灾害的风险性更高，岩溶隧道突涌水事故屡有发生［1-2］，因而查明岩溶地区水文地质条件、岩溶发育规律以及岩溶水系统特征［3-6］，对隧道涌突水灾害防治、保障隧道施工安全具有重要意义。

在建的宜城至保康段高速西段地处鄂西岩溶山区，岩溶发育十分强烈。2014年11月14日在位于南漳县鱼泉河村的控制性工程——高家坪隧道进口左幅施工至ZK45+995 m里程处揭露一岩溶管道流(后统称为突水点)，涌水量约2 500 m3/d，由于当时为枯水期，并未造成安全事故，但掌子面积水影响到隧道正常的掘进，雨季极有可能遭遇大型突水，因此查明该突水点的补给来源、预测雨季暴雨可能对隧道带来的涌水灾害程度是亟待解决的问题。为此，本文在重点剖析高家坪隧道岩溶水文地质条件的基础上，通过岩溶水文地质调查、地下水示踪试验和高分辨率气象、地下水流量监测等技术工作，对隧道涌突水水文地质条件进行了系统识别，并采用大气降雨入渗法对隧道涌水量进行了预测，为隧道水害防治提供科学依据。

1 隧道区地质背景条件

宜保高速高家坪隧道位于湖北省襄阳市南漳县鱼泉河村内，隧道全长3 305 m，呈NE-SW走向，进口位于砂石沟，标高303 m，出口位于干洞坪，标高230 m，隧道最大埋深为205 m。隧道洞身围岩全部由三叠系下统大冶组(T1dy)组成，其岩性特征表现为下段为泥质灰岩夹页岩，中段为中—薄层微晶灰岩，上段为厚—块状白云岩、白云质灰岩，三叠系下统大冶组中、上段(T1dy2+3)地层总体上为纯碳酸盐岩且连续厚度大，岩溶发育十分强烈，为强岩溶含水层，见图1。

隧道区地貌类型主要以岩溶台地、岩溶斜坡为主。岩溶台地主要分布在鱼泉河两侧高程600 m以上的分水岭地带，多呈平缓的岩溶台面，台面上主要发育峰丛洼地、峰丛槽谷，洼地和槽谷中往往叠置落水洞，岩溶以垂向发育为主，这些负地形的汇水条件十分有利于大气降水入渗补给地下水，构成了隧道区地下水系统的补给区;岩溶斜坡主要分布于鱼泉河河床两侧高程为150～600 m的地带，这一区域地形切割强烈，是上游岩溶台地汇集的地下水的必经之地，常发育水平溶洞、岩溶管道和岩溶泉，构成了区域地下水径流排泄区。

图1 高家坪隧道区水文地质图Fig．1 Hydrogeologic map of Gaojiaping tunnel area

隧道区地下水系统整体上受鱼泉河控制，其补给区北边界和西边界主要受五渡沟-陈家场背斜核部P2—T1dy1泥灰岩夹页岩构成的弱透水层控制，东边界以砂石沟地表分水岭为界，地下水接受大气降水补给后，向鱼泉河方向径流。隧道区出露的岩溶泉点主要有黄龙洞和干洞坪泉，据此将隧道区的岩溶水系统划分为黄龙洞和干洞坪两个岩溶水系统，见图1。

高家坪隧道洞身于岩溶台地(补给区)和鱼泉河(排泄区)之间的岩溶斜坡地带中穿越(见图1)，为区域岩溶地下水的“必经之路”(径流区)，在平面上无法绕避黄龙洞岩溶水系统，因而查明隧道区鱼泉河左岸各岩溶水系统的空间分布、汇水范围、岩溶管道与隧道平、剖面的空间关系，是确定隧道突涌水条件及定量评价涌水量的关键。因此，本研究在对隧道区水文地质条件分析的基础上，采用地下水示踪试验结合隧道区岩溶发育特征来综合分析隧道的涌突水条件。

2 地下水示踪试验

高家坪隧道左幅ZK45+995 m里程处揭露的岩溶管道流，其发育的地层为三叠系下统大冶组中段薄—中厚层灰岩，产状为200°∠84°，掌子面处该溶洞宽约2 m，延伸长度约10 m，高度约5 m，溶洞延伸方向受110°走向层面裂隙控制，水流从掌子面右前方底部呈有压管道流涌出，经掌子面左侧下方洞底流出。根据现场调查，该溶洞无砾石堆积，洞壁上有潮湿淤泥沉积，据此分析该溶洞为地下岩溶管道的一部分，暴雨期为全充水的有压管道。

根据隧道揭露岩溶管道主要沿110°走向层面裂隙发育的特征，从隧道区水文地质图上(见图1)可以看出，下埫岩溶洼地、突水点、黄龙洞三点的连线大致呈110°方向，据此推测突水点处地下水很有可能从黄龙洞泉排出。为了查明隧道内突水点与区内地下水的联系以及突水补给来源，在隧道区先后开展了两次地下水示踪试验。

隧道地下水补给区地表岩溶十分发育，分布有施家坪、下淌、曹家地3个岩溶洼地以及宋家冲-砂石沟和芭果冲-陈家埫2个岩溶槽谷，洼地和槽谷底部均分布有落水洞，但无地表明流，在补给区开展示踪试验只能依靠降雨产生的水流作为动力将示踪剂带入地下水系统，但试验难度大。示踪试验选取荧光素类物质作为示踪剂，采用GGUN-FL野外荧光光度计进行检测，示踪试验的监测点部署在隧道区的各岩溶泉点，在每次示踪试验之前均需采集各监测点水样读取拟检测物质的背景值。

2．1 隧道突水点示踪试验

为了查明高家坪隧道进口左幅ZK45+995 m处岩溶管道与区内地下水之间的水力联系，本次示踪试验将投放点部署在隧道突水点所在的溶洞内，选取罗丹明作为示踪剂，考虑到泉流量的大小以及仪器的检测精度，确定罗丹明的投放量为120 g。由于隧道内突水点处水流向隧道南侧径流，而干洞坪泉位于隧道出口的北侧，故监测点只设在黄龙洞泉。示踪剂投放前，首先对监测点采样测试地下水中示踪剂的天然背景值，之后于2014年11月20日9点40分在溶洞内投放罗丹明，同时开始接收点的监测工作。监测期间黄龙洞泉罗丹明浓度变化曲线见图2。

由图2可见，黄龙洞泉罗丹明浓度监测曲线在投放示踪剂后45 h后开始上涨，63 h达到峰值。以示踪剂初现时的流速为地下水的最快流速，峰值出现时的流速为平均流速［7］，根据突水点到黄龙洞的距离为640 m，由此计算出地下水最快流速为341 m/d，平均流速为244 m/d，表明管道介质相当发育。此外，黄龙洞的罗丹明浓度历时曲线呈基本对称的单峰形曲线且比较光滑，说明突水点与黄龙洞之间为单一的岩溶管道［8-10］;利用黄龙洞出口的流量及示踪剂浓度观测数据，计算出本次地下水示踪试验的示踪剂回收量为108 g，回收率约90%，说明黄龙洞是突水点岩溶管道流的唯一排泄点，且以单支岩溶管道为主要特征。

突水点示踪试验监测结果表明:突水点所属的岩溶管道属于黄龙洞岩溶水系统，黄龙洞是该突水点的唯一排泄点，且突水点与黄龙洞之间为单一管道，岩溶管道介质相当发育。根据该管道主要受110°走向的层面裂隙控制，推测其源头应该是下淌岩溶洼地的控制汇水范围。

2．2 地表岩溶洼地示踪试验

由于隧道区地下水系统的北侧和西侧边界主要受隧道区五渡沟-陈家场背斜核部泥灰岩夹页岩构成的弱透水层控制，根据隧道岩溶管道发育特征，其补给区只可能是芭果冲-陈家埫岩溶槽谷、下埫洼地一带。为了确定隧道涌突水补给区的范围，拟在上述分析区域开展第二次地下水示踪试验。由于区内岩溶不断向深部发育，导致岩溶洼地和槽谷底部不断堆积第四系松散层，底部被填平，早期形成的落水洞已丧失集中汇水条件，因此直接在洼地和槽谷中的落水洞内投放示踪剂，试验将难以成功。在示踪剂投放之前，待降雨一段时间后观察是否存在临时性地表水流集中消水点，再确定投放示踪剂的具体时间和地点。

示踪剂的投放点最终选泽在芭果冲-陈家埫槽谷，2014年6月17日17:00在该槽谷乡村公路附近消水口投放罗丹明500 g，消水口汇集了公路路面降雨产生的临时性地表水流，投放示踪剂后在黄龙洞和干洞坪泉进行连续监测，结果在黄龙洞未检出示踪剂，干洞坪泉监测到示踪剂罗丹明，其浓度变化曲线见图3。

图3 干洞坪泉示踪剂罗丹明浓度变化曲线Fig．3 Variation curve of the tracer rhodamine concentration in Gandongping Spring

由图3可见，干洞坪泉罗丹明浓度监测曲线在示踪剂投放约74 h后出现异常，之后呈波动性上涨，81 h后示踪剂浓度达到峰值，之后示踪剂浓度逐渐衰减，至示踪剂投放后的第7天时，示踪剂浓度基本恢复至天然背景值。根据投放点距离接收点直线距离约800 m，由此计算得出地下水最快流速为417 m/d，平均速度为295 m/d。监测期间干洞坪泉的罗丹明浓度一直存在波动，分析是由于监测时段内降雨在泉口附近形成的地表水混入所致。干洞坪泉的罗丹明浓度历时曲线呈不对称的单峰型曲线，上升段较陡，下降段稍缓，利用干洞坪泉出口的流量及示踪剂浓度观测数据，计算出本次地下水示踪试验的示踪剂回收量为415 g，回收率为83%。相比较于突水点处示踪试验的示踪剂接受率偏小，可能受投放点处包气带部分截流或岩溶水系统部分水流向深部循环的影响，但总体上仍说明示踪剂投放点至干洞坪泉之间以单一岩溶管道为主要特征。

地表岩溶洼地示踪试验监测结果表明:芭果冲-陈家埫一带岩溶槽谷汇集的大气降水进入地下后，往东南方向径流于干洞坪泉排出地表，属于干洞坪岩溶水系统，与黄龙洞和鱼泉洞没有水力联系，排除了隧道突水点接受芭果冲-陈家埫岩溶槽谷补给的可能性，因而突水点补给范围只可能来自于下埫洼地。

2．3 示踪试验结果分析

隧道突水点示踪试验结果表明，隧道突水点属于黄龙洞岩溶水系统的一部分，同时再次证明了突水点岩溶管道整体上受110°走向层面裂隙发育的特征。地表洼地示踪试验表明，芭果冲-陈家埫一带岩溶槽谷汇集的大气降水经干洞坪泉排出地表，与黄龙洞没有水力联系，排除了隧道突水点接受芭果冲-陈家埫岩溶槽谷补给的可能性。根据隧道突水点处岩溶管道发育特征，并结合区内地下水系统边界分析了突水点可能接受补给的范围，最终确定突水点补给区只可能来自于隧道北测的下埫洼地，同时通过示踪试验确定了干洞坪岩溶水系统和黄龙洞岩溶水系统的边界位置位于芭果冲-陈家埫岩溶槽谷与下埫洼地之间的地表分水岭，这为后续隧道涌水量的预测奠定了水文地质条件基础。

3 隧道涌突水水文地质条件分析

两次示踪试验结果表明隧道突水点隶属于黄龙洞岩溶水系统，隧道区黄龙洞岩溶水系统与干洞坪岩溶水系统并无直接水力联系，并确定了干洞坪岩溶水系统与黄龙洞岩溶水系统的边界。其中，黄龙洞岩溶水系统东侧以砂石沟地表分水岭为界，西侧以下埫洼地与芭果冲-陈家埫岩溶槽谷之间的芭果冲-下埫-胡家沟地表分水岭为界，北侧以五渡沟-陈家场背斜地表分水岭为界;干洞坪岩溶水系统东边界与黄龙洞岩溶水系统接壤，北边界和西边界受五渡沟-陈家场背斜控制，南边界大致沿着干洞坪背斜北翼分布。高家坪隧道区岩溶水系统分布见图4。

图4 高家坪隧道区岩溶水系统分布图Fig．4 Distribution map of the karst water system in Gaojiaping tunnel area

通过对高家坪隧道北侧地表岩溶发育情况进行综合分析，认为黄龙洞岩溶水系统应为多入口、多分支的复杂树枝状地下岩溶管道系统，主要接受下埫、施家坪、曹家地等岩溶洼地以及宋家冲-砂石沟岩溶槽谷汇集的大气降水补给，经落水洞灌入地下岩溶管道，最后由黄龙洞集中排出地表。高家坪隧道进口ZK45+995 m突水点所处的岩溶管道只属于黄龙洞岩溶水系统西侧的单一管道，主要受110°走向层面裂隙控制接受来自于下埫洼地的降雨入渗补给，岩溶管道与隧道之间的关系见图5。下埫子系统(H1)的汇水面积约0．66 km2，黄龙洞岩溶水系统的汇水面积约5．48 km2，下埫子系统的汇水面积约占黄龙洞岩溶水系统汇水面积的12%。其中，下埫-黄龙洞岩溶管道流东侧的岩溶管道受区域N5°～15°E、N320～330°W两组构造裂隙的控制，虽然在平面上与隧道相交，但在剖面上经隧道下方向黄龙洞排泄。此外，根据该区段的物探结果显示，在隧道影响范围内并无岩溶管道经过。

图5 下埫-黄龙洞(A-A')横剖面图Fig．5 Cross profile of Xiashang-Huanglongdong(A-A')

4 隧道涌水量预测

隧道涌水量的预测是水文地质学科中的一个重要的理论问题，迄今为止尚无成熟的理论和公认的准确计算方法［11］。目前常用的隧道涌水量预测方法主要有水文地质比拟法、水均衡法、水文地质解析法、水文地质数值法，而基于水均衡的大气降雨入渗法是目前隧道涌水量预测的一种主要方法，该方法具有参数少、方法简单、理论严密的特点［12-16］，但参数取值不同往往会造成计算结果存在很大的差异，进而影响涌水量预测的准确性。本次隧道涌水量预测采用大气降雨入渗法来计算隧道涌水量大小，并充分利用与挖掘已有的气象水文监测资料，通过计算分析选取更为客观且符合研究区实际的降雨入渗系数及延迟时间参数，从而提高了涌水量预测的精度。

基于水均衡法的大气降雨入渗法预测隧道涌水量的计算公式为

式中:Q为隧道涌水量(m3/d);h为日降水量(mm);F为集水单元面积(km2);λ为降雨入渗系数;t为延迟时间(d)。

本次调查期间为全面掌握黄龙洞岩溶水系统特征，在其泉口设置了流量监测点，并在其已有矩形堰口处放置了自动水位探头，设置每30 min读取1个水位数据，再根据矩形堰流量计算公式将监测得到的水位数据转换成泉流量，泉流量监测精度达到0．01 m3/ s。黄龙洞岩溶水系统降雨量-泉流量监测结果见图6，监测期间最大降雨量为40 mm/d，泉峰值流量达2．2 m3/s。由图6可见:黄龙洞岩溶水系统对降雨的响应非常灵敏，泉流量曲线呈现陡涨陡落的特点，反映了黄龙洞岩溶水系统管道介质相当发育，补给区范围相对较小的特点。为了提供隧道涌水量预测计算参数，拟通过黄龙洞岩溶水系统降雨量-泉流量监测结果，分析降雨入渗系数与泉流量延迟时间的变化规律。其中，降雨入渗系数计算公式为

式中:η为降雨入渗系数;F为地下水系统汇水面积(km2);P为降雨量(mm);Q降入为降雨入渗补给量(m3/s)。

图6 黄龙洞岩溶水系统降雨量-泉流量监测曲线Fig．6 Curve of the precipitation and spring discharge monitoring data of the karst water system in Huanglongdong

表1 黄龙洞岩溶水系统降雨量-泉流量过程统计分析结果Table 1 Statistics of the precipitation and spring discharge process of the karst water system in Huanglongdong

图7 黄龙洞岩溶水系统降雨量与入渗系数和泉流量延迟时间的关系曲线Fig．7 Relationship between the precipitation and rainfall infiltration coefficient and delayed time of spring discharge of the karst water system in Huanglongdong

通过分析整理得到黄龙洞岩溶水系统降雨量-泉流量过程统计分析结果(见表1)，并绘制出了降雨量与降雨入渗系数和泉流量延迟时间的关系曲线，见图7。由图7可以看出:黄龙洞岩溶水系统的降雨入渗系数并不是定值，而具有大致呈抛物线分布的特点，即在小降雨强度条件下(降雨量＜18．8 mm)降雨入渗系数随着降雨量增大而增大，在中等降雨条件下(降雨量＞18．8 mm)降雨入渗系数随着降雨量增大而减小，当降雨量＞34．4 mm时，降雨入渗系数基本趋于稳定值;黄龙洞岩溶水系统的泉流量延迟时间一直随着降雨量的增大而呈增加趋势。

根据高家坪隧道所在的南漳县多年气象监测数据:多年平均降雨量为916．2 mm，即多年日平均降雨量为2．5 mm/d，多年5月日平均降雨量为3．1 mm/d，多年7月日平均降雨量为5．8 mm/d，降雨类型主要以中雨为主，多年中雨日平均降雨量为12 mm/d，日极端最大降雨量为214．4 mm/d，根据图7可以得出黄龙洞岩溶水系统在不同降雨条件下的降雨入渗系数与泉流量延迟时间的关系见表2，其中日极端最大降雨量下的泉流量延迟时间，根据降雨量与泉流量延迟时间规律，并结合对当地居民的调查访问情况，最终确定为5 d。

表2 黄龙洞岩溶水系统降雨入渗系数与泉流量延迟时间的关系Table 2 Relationship of rainfall infiltration coefficient and delayed time of spring discharge of the karst water system in Huanglongdong

下埫子系统的汇水面约为0．66 km2，隧道正常涌水量采用多年中雨日平均降雨量12 mm/d，根据公式(1)计算得到隧道突水点正常涌水量为5 940 m3/d，而最大涌水量采用日极端最大降雨量214．4 mm/d，计算得到隧道突水点最大涌水量为13 216 m3/d。

5 结 论

(1)通过示踪试验并结合隧道岩溶管道流发育特征调查，查明了高家坪隧道ZK45+995 m处突水点的补给来源于隧道北侧的下埫洼地，补给区面积为0．66 km2，该突水点所处岩溶管道属于黄龙洞岩溶水系统的西支，为单一岩溶管道类型，地下水最大流速为341 m/d，平均流速为244 m/d，地下水流速快，管道介质相当发育。

(2)划分了黄龙洞岩溶水系统与干洞坪岩溶水系统的边界，同时排除了干洞坪岩溶水系统未来对高家坪隧道可能带来的涌突水影响。

(3)利用黄龙洞泉出口的流量监测数据，采用大气降雨入渗系数法预测高家坪隧道ZK45+995 m处突水点未来可能遭遇的最大涌水量为13 216 m3/ d，正常涌水量为5 940 m3/d，为隧道防治水设计提供了依据。

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Karst Water System Identification and Water Inflow Prediction in Gaojiaping Tunnel

TIAN Qingchao1，WAN Junwei1，HUANG Kun1，ZUO Shuai1，LI Fanghua2
(1．School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan430074，China; 2．China Railway Siyuan Survey and Design Group Co．，Ltd．，Wuhan430063，China)

To find out the recharge source of the water inrush point at the ZK45+995 m of Gaojiaping tunnel in YiBao highway under construction and the hydrogeological conditions of the tunnel area and to predict water inflow based on the investigation and analysis of karst development law in the tunnel area，this paper carries out twice groundwater tracer tests．The results indicate that ZK45+995 m water inrush point under the supply comes from Xiashang karst depression on the northern side of the tunnel with the catchment area of 0．66 km2．The karst pipe at the water inrush point，the west branch of Huanglongdong karst water system，is the single karst pipe type，where the maximum velocity of the groundwater is 341 m/d with the average flow velocity of 244 m/d．As the groundwater flow rate is fast，the pipeline medium is well-developed．According to the tracer test of karst water system which divides the boundary between Gandongping and Huanglongdong karst water system，and based on the long-term precipitation and spring discharge monitoring data of Huanglongdong Spring and the method of rainfall infiltration，the paper predicts that the potential maximum and normal water inflow at ZK45+995 m water inrush point of the Gaojiaping tunnel in the future will be 13 216 m3/d and 5 940 m3/d．The paper provides the hydrogeological basis for the establishment of water prevention and control of tunnels．

Gaojiaping tunnel;karst water system;water inflow prediction;groundwater tracer test;rainfall infiltration method

X143;P641．134

ADOI:10．13578/j．cnki．issn．1671-1556．2016．05．003

1671-1556(2016)05-0013-07

黄 琨(1984—)，男，副教授，主要从事水工环领域的教学与科研工作。E-mail:hk80844536@163．com

2016-04-01

2016-05-11

国家自然科学基金青年基金项目(41402204)

田清朝(1990—)，男，硕士研究生，主要研究方向为岩溶水文地质。E-mail:t691106208@126．com