秦岭输水隧洞施工对黑河金盆水库的影响

李立民

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西 西安　710043)



秦岭输水隧洞施工对黑河金盆水库的影响

李立民

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西 西安710043)

摘要：秦岭输水隧洞出口端邻近黑河金盆水库，为缩短洞线长度，减小工程投资，在勘察设计阶段对下穿黑河金盆水库区的地质条件进行认真研究。在对地面大量调查基础上，采用钻探、物探、取样试验等综合勘察手段，运用定性分析与定量计算相结合的评价研究方法，详细分析秦岭输水隧洞通过区的工程地质、水文地质特征及隧洞施工对水库渗漏的影响程度。根据影响分析结果，研究提出相应的防止库水渗漏的隧洞施工建议。经施工实践证明，秦岭输水隧洞洞线方案选择经济合理、对库区及地下水环境的影响小，达到了预期的效果。

关键词：秦岭输水隧洞； 水库； 水文地质特征； 水量预测； 渗漏

0引言

在隧道(洞)施工建设中，将会遇到各种各样的工程地质问题，如突涌水、围岩失稳、软岩变形等问题，其中突涌水预测与防治一直是隧道(洞)安全施工必须解决的重大难题之一，应该引起高度关注和深入研究。近年来，国内隧道(洞)突涌水预测、防治等方面研究已经取得了许多有意义的研究成果与经验。如： 应伟[1]研究了公路隧道渗漏水成因及治理措施；吴培荣[2]研究了隧道深埋富水陡倾软弱带突水涌泥机制及旋喷技术；李治国[3]对高水压富水隧道地下水控制技术进行了探讨；华福才[4]基于地下水动力学的地铁隧道裂隙水进行了预测分析；魏文杰[5]对隧道超高水压富水破碎带施工方法进行了研究；章方政[6]研究了隧道涌水综合治理技术；段青龙[7]研究了水库对铁路隧道的影响评价；孙健[8]研究了隧道施工中涌水突泥处理技术；杜欣等[9]对隧道建设与水环境关系进行了分析研究；廖书志[10]研究了秦屿隧道涌泥段的处理；雷升祥等[11]研究了海底隧道的地下水预测与处理措施。上述文献均结合不同工程提出了有效的预测与处理措施，但针对隧洞下穿水库的施工案例研究成果不多。

本文在详细分析秦岭输水隧洞工程地质特征基础上，结合黑河金盆水库区的水文地质环境，对可能产生渗漏水洞段施工时提出超前预报为先导、进行超前预注浆、对洞室采取全包防水、提高结构配筋率及衬砌厚度的综合治理方法。

1工程概况

秦岭输水隧洞长81.779 km，横穿秦岭山脉，进口位于陕西省佛坪县大河坝镇三河口下游1.5 km处的子午河右岸斜坡，出口位于周至县黑河金盆水库下游东侧2 km处黄池沟内(见图1)。出口端K79+000～K81+779段位于秦岭北麓，穿越大韩峪沟流域和黄池沟流域，西临黑河金盆水库。

图1　秦岭输水隧洞金盆水库区平面位置图

Fig. 1Plan layout of Qinling Water Diversion Tunnel in area of Jinpen Dam

秦岭输水隧洞出口端从黑河金盆水库东侧下穿通过，水库常水位与隧洞的高差约48 m，洞身围岩主要为云母片岩夹石英片岩、绿泥片岩等，受区域性断裂构造控制，岩体软弱、破碎，水文地质及工程地质条件极差，围岩类别以Ⅳ类、Ⅴ类为主，施工难度大、风险高，施工处理不当极易引发坍方掉块及涌水突泥等地质灾害。

2工程地质特征

2.1地形地貌

秦岭输水隧洞出口端位于秦岭岭北中低山区，地形起伏。高程为700～1 000 m，洞室最大埋深约400 m。

2.2地层岩性

隧洞通过黑河金盆水库区出露地层岩性主要为中元古界宽坪群四岔口岩组云母片岩夹石英片岩、绿泥片岩等。隧洞穿越区工程地质剖面示意图见图2。

2.3地质构造

秦岭输水隧洞通过区地质条件复杂，断裂及褶皱构造发育。在金盆水库库区K79+000～K81+779段无大的断裂构造通过，但秦岭北麓区域性断裂(东西—北西走向)和岐山—马召区域性断裂(北西走向)均在隧洞出口外侧黄池沟右岸通过，岩体受构造作用影响严重，小揉皱及褶曲发育。

3水文地质特征及水量预测

3.1地表水

隧洞位于黑河金盆水库东侧，对隧洞有影响的流域有大韩峪沟与黄池沟2个流域，主要河流有大韩峪沟及黄池沟。大韩峪沟为常年流水沟谷，季节性变化较大，河水直接汇入黑河金盆水库。黄池沟位于大韩峪沟东侧，距离大韩峪沟所在的金盆水库库边约2 km，为常年流水沟谷，走向与大韩峪沟近平行，沟水汇入黑河下游。

3.2地下水分布特征

隧洞岩质软硬相间，岩石孔隙率均较小，含水性及导水性均很差，由于其受风化和构造应力作用形成大量不同形式的风化网状节理裂隙及构造节理裂隙，是地下水的主要储存和运移空间及通道。地下水分布形式主要有风化裂隙水及构造裂隙水，风化裂隙水主要储存于风化带中，地下水埋藏较浅；构造裂隙水主要储存于构造裂隙或节理密集带中，分布具有非均质各向异性，分布规律性较差，地下水位埋深变化大。风化裂隙水一般埋深于30 m以上，30 m以下主要为构造裂隙水，以潜水形式存在为主，局部以承压水形式存在。

3.3地下水补给径流排泄条件

库区主要沟谷支流发育，未见有泉水出露，地下水径流主要为相对独立的流域内径流，各流域之间无直接的水力联系，除风化裂隙潜水外基本无统一的地下水面。地下水以接受大气降水的垂直入渗为主要补给来源。区域径流方向与地表水流方向基本一致，受局部地形地貌的影响，地下水主要以补给地表沟水的形式进行天然排泄。

3.4水化学测试

对隧洞通过库区的大韩峪沟地表水、钻孔水取水样进行化验。大韩峪沟地表水水化学类型为SO4·HCO3—Ca·Na型水，pH值为8.23，矿化度为0.347 g/L。钻孔(DZK-1)水水化学类型为HCO3—Na·Mg·Ca型水，pH值为7.77，矿化度为0.370 g/L。经采取黑河金盆水库水和深钻孔水进行同位素氚对比分析表明，金盆水库水与洞身部位钻孔水同位素氚分析水年龄相差2～3年，即库水与地下水水流循环体系间无明显直接的水力联系。

3.5隧洞通过库区段涌水量计算

综合分析隧洞与库区有影响的主要段落K79+000～K80+500，长度为1 500 m，隧洞距离库区200～500 m，不考虑库水渗漏补给隧洞水的可能性，结合库区不同岩性、构造、裂隙和节理的密集程度、富水程度等特征，划分为中等富水区。主要采用大气降水入渗法、地下径流模数法及地下水动力学法[12]对隧洞通过段涌水量进行计算(见表1)。

图2　隧洞穿越区工程地质剖面示意图

选用的预测方法采用公式正常涌水量/(m3/d)最大涌水量/(m3/d)大气降水入渗法Q=2.74·α·W·AA=L·B9121824地下径流模数法Q=M·AM=Q’/FA=L·B16473289地下水动力学法Q=K·LH2-h2R-rQ0=L2πKHln4H/d12712647建议值16473289

4隧洞施工对黑河金盆水库渗漏影响分析

4.1水文地质条件分析

库区岩性主要为云母片岩夹石英片岩、绿泥片岩，调查中未发现断层、褶皱及节理密集带等储水、导水构造，地下水出露以局部渗水和小股状水为主要形式，不存在大的储水带与库水连通造成库水大量漏失的情况。

勘察期间在隧洞左侧(K79+833左32 m)的水库岸边，布置了1个深钻孔(孔深140 m)，对钻孔进行了抽水及压水试验，成果资料见表2和表3。

4.2隧洞施工与库区水水力联系分析

黑河金盆水库位于秦岭输水隧洞出口端(K79+000～K81+779)西侧，是西安市的主要水源地，蓄水量大，有效库容约1.8亿m3，蓄水水位高程在520～594 m。秦岭输水隧洞洞线平面距离水库库岸最近处不足200 m，从基岩裂隙水影响半径分析，与洞线横向及向大韩峪沟上游500 m以内，即K79+000～K80+500段，长1 500 m，隧洞施工对库水存在一定影响。隧洞在该段洞底最低高程为510.7 m，库水位与隧洞相对高差为10～84 m。经调查，水库坝址下游两侧岸坡在目前蓄水高程的岩壁上未见地下水，水库右岸边坡无泉水出露；水库壅水后，黄池沟沟心低于最低库水位约20 m，黄池沟沟水水量也无明显变化，说明在目前状态下，库水在侧向(邻谷)未发生渗漏。分析认为，库水(或地下水)在顺沟方向及切沟方向无明显水力联系。综上所述，可以确定现有条件下库区水与隧洞不会有强烈的水力联系。

表2　钻孔DZK-1抽水试验成果资料一览表

隧洞施工引起的水文地质条件变化，集中表现在地下水流场的明显变化。隧洞的开挖，改变了局部地下水流场的方向和规模，局部地下水由原先向下游的天然排泄转为向隧洞汇集，还诱发了部分浅层水的补给，使隧洞成为新的地下水排泄通道。由于区内以二云母石英片岩为主的地层岩质软硬相间，形成了相对隔水层，节理、裂隙的延伸长度短、贯通性差，导致地下水的循环通道不畅。从地下水的补-径-排条件角度分析认为，隧洞施工可能发生突涌水问题，但涌水量不会太大。隧洞穿越区水文地质横剖面示意见图3。

表3　钻孔DZK-1压水试验成果资料一览表

4.3隧洞施工对库水渗漏影响分析

根据地表调查、钻探、水质同位素氚分析及综合物探等资料分析认为，洞室通过黑河金盆水库地段岩性为云母片岩夹石英片岩、绿泥片岩，岩质软硬相间，受构造作用影响较严重，构造节理、裂隙、揉皱及褶曲等发育，水文地质条件十分复杂，但地下水类型属较为单一的含水体结构类型。隧洞通过段物探测试显示主要有3段物探低阻异常区，推测岩体破碎，含水的可能性较大，加之异常带走向与岩层走向近一致，与洞轴线大角度相交，隧洞施工时有利于库水的渗入。因此，隧洞通过库区段虽没有大的储水、导水通道，但不排除库水会通过节理裂隙补给隧洞地下水的可能性，设计时应予以充分考虑。

图3　隧洞穿越区水文地质横剖面示意图

4.4库水渗漏量估算

隧洞开挖后形成新的排水通道，局部改变了地下水流场，以隧洞作为邻谷，水库可能存在补给隧洞水的可能性(见图4)。计算中将含水体概化为均质岩体，假定水库最高水位为84 m，含水层底板位于隧洞下部20 m，实测压水试验透水率为5.14 Lu，实测抽水试验渗透系数为0.010 5 m/d，采用水库渗漏量计算(解析法)公式如下。

式中：q为分水岭单宽剖面的渗漏量，m3/(d·m)；K为岩体的渗透系数，m/d；H1为水库水位，m；H2为临谷水位，m；L为平均渗径，m。

根据抽水、压水试验资料，将通过库区段分为2段进行计算，水库渗漏量计算结果见表4。

从计算成果分析，库水渗漏量不大，隧洞施工时，采取必要的防渗处理措施，后期隧洞建成运营后不会影响水库的正常蓄水。

图4　库水渗漏量计算模型示意图

4.5防止库水渗漏的隧洞施工建议

隧洞穿越黑河金盆水库区岩性主要为云母片岩夹石英片岩、绿泥片岩，岩质软硬相间，施工过程中严禁放大炮掘进，尽量减小对围岩的扰动，及时衬砌、支护；对洞室采取全包防水，提高结构配筋率及衬砌厚度，以抵御隧洞正常涌水和水库渗漏水所产生的外水压力；对施工中遇到的节理密集带进行预注浆处理，用以封堵将来库水升高后可能会发生的入渗，避免隧洞修建后影响水库蓄水和地表径流，尽量减小对地下水环境的影响；施工中应做好超前地质预报工作，对重点地段进行地下水流量监测、统计涌水段落及涌水量的衰减变化工作。

表4　水库渗漏量计算表

5结论与讨论

1)秦岭输水隧洞通过黑河金盆水库区，埋深较小，岩性软硬相间，受构造作用影响严重，节理裂隙发育，但节理、裂隙的贯通性差，隧洞施工可能会引起库水渗漏，渗漏量不会太大。

2)目前秦岭输水隧洞下穿黑河金盆水库区掘进已顺利通过，根据施工期量测，出口段施工阶段总涌水量小于设计估算总涌水量，施工总涌水量在设计可控范围内，施工水文地质条件明显好于设计水文地质条件。

3)施工期间，采用了多种超前地质预报手段进行地质预报指导施工，加密了重点段落的进洞频次，并针对具体问题及时进行了分析、处理。

4)本工程施工期间水库蓄水未处于最大库容状态，应加强后期施工监测，具体实施效果有待验证。

5)水库渗漏问题情况复杂，渗漏量计算方法各有优缺点，本工程评价方法可供类似工程借鉴。

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Influence of Construction of Qinling Water Diversion Tunnel on Jinpen Dam at Heihe Valley

LI Limin

(ChinaRailwayFirstSurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Xi’an710043,Shaanxi,China)

Abstract:The exit of Qinling Water Diversion Tunnel is located nearby Jinpen Dam at Heihe Valley in Xi’an, China. In order to shorten the length of the tunnel line and reduce the engineering investment, the geological condtions of the tunnel section crossing underneath Jinpen Dam are studied. The influences of engineering geological conditions, hydrogeological conditions and the construction of the tunnel section of Qinling Water Diversion Tunnel on seepage of Jinpen Dam are analyzed in detail by means of comprehensive investigation method and qualitative analysis and quantitative calculation method. Finally, some suggestions are given. The construction practice shows that the tunnel construction scheme is rational and effective,and just has a liltle impact on the environment of Jinpen Dam and grouandwater.

Keywords:Qinling Water Diversion Tunnel; Jinpen Dam; hydrogeological characteristic; water volume prediction; seepage

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)04-0379-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.002

作者简介：李立民(1969—)，男，陕西蒲城人，1993年毕业于西安矿业学院，水文地质与工程地质专业，本科，教授级高级工程师，主要从事工程地质、水文地质、环境地质及岩土工程设计工作。E-mail: llm185@163.com。

基金项目：陕西省科技统筹创新工程计划项目(2013KTZB03-01-01)； 陕西省引汉济渭工程建设有限公司科研项目(引汉建函[2014]93号)

收稿日期：2015-11-27; 修回日期: 2016-01-15