川西某高海拔深埋长大隧洞围岩渗透特性及涌突水量预测

肖 鹏, 辜利江

(1.中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司 地质处,湖南 长沙 410014; 2.中国石油集团 工程设计有限责任公司 西南分公司,四川 成都 610041)

川西某高海拔深埋长大隧洞围岩渗透特性及涌突水量预测

肖 鹏1, 辜利江2

(1.中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司 地质处,湖南 长沙 410014; 2.中国石油集团 工程设计有限责任公司 西南分公司,四川 成都 610041)

理塘县平均海拔4 000 m左右,境内某拟建的长大深埋隧洞为改建的国道318线制约性工程之一,已有调查表明洞身段存在一层承压水,为预防施工期的涌突水灾害,分别进行水化学简分析、同位素测试、高压渗透试验、变围压渗透测试,查明隧洞赋存水环境和岩体渗透性,进而分别采用降雨入渗法、地下径流模数法、动力学方法对隧洞施工涌突水进行预测,结果表明:降雨入渗法、地下径流模数法均与汇水面积及降雨量有关,隧道涌水量为假定的入渗量,偏差较大,地下水动力学法计算结果较为准确,结合工程区出露泉点流量,隧道最大涌水量为11 759.12 m3/d,经施工开挖揭露,与工程实际较为吻合。

高海拔;长大深埋;隧洞;渗透性;涌水量

理塘县为甘孜州海拔最高县城,海拔高度4 000 m左右,县境内国道318沿线不良地质和特殊地质发育,急需对线路进行改造,拟建的某长大隧道为公路改建制约性工程之一。该隧道全长2 831 m,地层主要为三叠系上统侏倭组(T3zh)变质砂岩与板岩互层,并且邻近甘孜—理塘断裂带,动力作用较强,褶皱发育,在勘察中洞身段探到埋深区存在一承压水层,流量较为稳定,承压水头约74 m,高于地面可自流。因此,查明隧洞内地下水的分布及补、径、排条件及其水动力特征,分析隧道施工工程中可能出现的集中涌水段与突水点,提出有效的防治措施。对于隧道(涌)突水地质灾害防治具有重要意义[1]。

1 隧址区水文地质条件

隧址区位于川西高原西部,隧道洞身穿越区内地表水、地下水的分水岭,研究区内有两条主要溪沟分别向北东、南西向流动,两岸发育有几条小型冲沟。隧道通过地层上部为第四系残坡积层,厚度较大且较为松散,比较富水;下部主要为三叠系板岩、砂岩,属于基岩裂隙含水岩体,比较缺水。隧址区以线状紧密褶皱为其特征,在转折端附近岩体受到强烈挤压比较破碎,砂岩易导水。总体来说,区域内的地下水以主要接受大气降雨所补给,径流途径短、排泄畅,动态变化受季节影响。

根据出露条件和分布特征,取了6组水样进行水化学简分析测试,再根据水化学条件,做水化学三线Piper图进行具体分析,详见图1。

图1 隧址区水样Piper三线图Fig.1 Piper trilinear diagram of water sample in tunnel site

野外进行现场调查水样同位素测试,由各水点δD及δ18O含量关系得出隧址区地下水氢氧同位素与西南理塘地区大气降水曲线关系如图2。

图2 隧址区氢氧同位素关系图Fig.2 Relation graph of isotope hydrogen and oxygen in tunnel site

从图2可以看出,隧址区地下水氢氧同位素落在区域平均大气降水曲线附近(黑色线),且其趋势线(灰色)斜率略小于大气降水曲线方程,说明区内地下水主要接受大气降水补给,且蒸发量要大于补给量。所有水样对降雨线δ18O均发生了很小幅度的“漂移”,与实际高原中蒸发量大的情况一致。总体来说,隧址区地下水具径流途径较畅通、径流时间较短的特点。

2 隧址区岩体渗透性

隧址区分布均为非可溶岩,岩性以板岩为主,部分地段为砂岩。本次野外调查共取岩样11件,采用室内岩石高压渗透性测试方法对岩体渗透性进行评价[2]。

室内岩石渗透性测试结果也表明,砂岩的岩石渗透系数为0.001 08～0.028 51 m/d,板岩的岩石渗透系数为0.000 81～0.001 29 m/d,砂岩和板岩的岩石渗透系数都很小。

另外,对钻孔岩石样进行常规渗透性测试,将钻孔ZK2和钻孔ZK3的岩石渗透系数随深度变化情况展示出来,如图3所示。

由图3可以发现,即便中间偶有渗透系数变大出现波峰,但总体趋势岩石样渗透系数随着深度的增加而逐渐减小。

一般来说,风化及水流的侵蚀作用从地表开始,越往地下深处作用强度越弱,相应地岩体的透水性能也从上往下逐渐递减。因此,这类曲线与实际的岩体渗透能力向深部逐渐减弱的普遍规律相吻合。这也是隧址区岩体渗透性在垂向上随深度变化的主要形式。

图3 岩石渗透系数随深度变化曲线Fig.3 Change curve of permeability coefficient of rock with depth

另外,对钻孔岩样进行变围压渗透率测试[3],用以揭示岩石渗透性随围压变化规律[4],如图4-图8所示。

图4 1#砂岩样品围压渗透系数随围压变化曲线Fig.4 Change curve of confining pressure permeability coefficient of No.1 sandstone sample

图5 2#板岩样品围压渗透系数随围压变化曲线Fig.5 Change curve of confining pressure permeability coefficient of No.2 sandstone sample

图6 3#砂岩样品围压渗透系数随围压变化曲线Fig.6 Change curve of confining pressure permeability coefficient of No.3 sandstone sample with confining pressure

图7 4#板岩样品围压渗透系数随围压变化曲线Fig.7 Change curve of confining pressure permeability coefficient of No.4 slate sample with confining pressure

图8 4#的砂岩样品围压渗透系数随围压变化曲线Fig.8 Change curve of confining pressure permeability coefficient of No.4 sandstone sample with confining pressure

由上图可以看出,随着围压的变化(应力依次<自重应力,>自重应力,<自重应力),岩石的渗透性先减小后增大。围压小于自重应力加压时,岩石的渗透性不断减小;当围压加到大于岩石自重应力的荷载时(本次最大围压为3 MPa),渗透性最小;当围压达到大于自重应力的荷载再减压时,岩石的渗透性刚开始变化甚微,但随着围压的不断减小,岩石的渗透性开始缓慢增大,不过岩石最终的渗透性仍达不到初始的相应压力水平。

该围压环境加载、卸载过程的渗透性测试模拟了岩体渗透性随隧道埋深增加围压增大后以及隧道开挖围压减小后的变化,对掌握隧道开挖前和开挖后渗透性的变化具有重要的指导意义。

3 隧道施工涌水量预测分析

3.1 降雨入渗法预测隧道涌水量

降雨入渗法假定某流域内,大气降水是地表水、地下水、蒸发/蒸腾和地面滞水的总源,水在循环过程中,基本保持平衡状态,即补给与排泄的动态平衡。该方法关键是收集测区气象、水文、地质资料,并确定节理裂隙与区域构造的发育程度[5]。

按照隧道线的分段情况,隧道涌水量预测计算结果如表1所示,预测隧道总涌水量为3 025.52 m3/d。

3.2 地下径流模数法预测隧道涌水量

地下径流模数法是通过确定地下水径流模数(即地下水单位面积的涌水基数),圈定单位地下水面积[6]。

地下径流模数的确定一般采用泉域法、地下水均衡法等方法,本次根据实地调查并运用泉域法计算得出地下径流模数为2.85 L/s·km2,区域水文地质资料中地下径流模数为1～3 L/s·km2,两者一致。为保证隧道涌水安全,本次计算取最大值3.2 L/s·km2,本次隧道涌水量计算结果见表2,预测隧道总涌水量为2 828.39 m3/d。

表1 降雨入渗法预测隧道线分段涌水量

表2 地下径流模数法预测隧道涌水量

根据理塘义敦地区不同地层的常规径流模数,结合现场实际泉域调查,在不同隧道段域内选择不同的径流模数进行分段计算。T3zh中M=3～4 L/s·km2左右,T3w中M=1～2 L/s·km2左右。预测隧道总涌水量为3 156.11 m3/d。

通过对隧道整体和分段分别进行计算,用径流模数法算出的两种结果相差不大,预测隧道涌水量相接近,取两者平均值2 992.25 m3/d为正常涌水量。

3.3 地下水动力学方法预测隧道涌水量

计算采用稳定流地下水动力学法[7]中的裘布依公式和科斯加科夫公式[8]进行概算。

隧道所穿越的侏倭组(T3zh)含水层中有一段为承压含水层,利用裘布依公式[9]得出该隧道的涌水量Q=5 631.76 m3/d。利用科斯加科夫公式的隧道涌水量计算结果Q=12 254.69 m3/d。

可以看出,利用科斯加科夫公式计算得出的结果普遍比裘布依公式要大,但两种地下水动力学法预测隧道涌水量相差不大,取两者平均值5 879.56 m3/d为正常涌水量。

3.4 综合评价

用降雨入渗法、地下径流模数法和地下水动力学法三种方法[10]计算得出隧道涌水量分别为3 025.52 m3/d、2 992.25 m3/d与5 879.56 m3/d。其中降雨入渗法、地下径流模数法均与汇水面积及降雨量有关,隧道涌水量为假定的入渗量,偏差较大,地下水动力学法计算结果较为准确,因此,隧道正常涌水量为5 879.56 m3/d。据访问,本区出露泉点流量在雨季约为枯季的2倍,因此取隧道最大涌水量为11 759.12 m3/d。

4 结论

通过前述分析,可得到如下认识:

(1) 隧址区地下水类型可分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水两大类,两者之间相对独立,在有砂岩分布且与第四系相接处两系统中的地下水才有联系。

(2) 室内岩石渗透性测试结果表明,当围压变化时,岩石的渗透性随其变化先减小后增大。围压小于自重应力加压时,岩石的渗透性不断减小;当围压加到大于岩石自重应力的荷载时,渗透性最小;当围压达到大于自重应力的荷载再减压时,岩石的渗透性刚开始变化甚微,但随着围压的不断减小,岩石的渗透性开始缓慢增大。

(3) 分别运用降雨入渗法、地下径流模数法、地下水动力学法中的两种算法以及三维数值模拟等四种方法对隧道涌水量进行计算,通过对结果进行比较分析,故取后两者算法的平均值作为隧道正常涌水量,即隧道正常涌水量为6 512 m3/d,最大涌水量为13 024 m3/d。

[1] 王梦恕.中国是世界上隧道和地下工程最多、最复杂、今后发展最快的国家[J].铁道标准设计,2003(1):1-4.

[2] 王媛,徐志英,速宝玉.复杂裂隙岩体渗流与应力弹塑性全耦合分析[J].岩石力学与工程学报,2000,19(2):177-181.

[3] 仵彦卿.地下水与地质灾害[J].地下空间,1999,19(4):303-316.

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[5] 朱大力,李秋枫.预测隧道涌水量的方法[J].工程勘察,2000(4):18-22.

[6] 徐则民,黄润秋,罗杏春.特长岩溶隧道涌水预测的系统辨识方法[J].水文地质工程地质,2002(4):50-54.

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[9] 毕焕军.裂隙岩体数值法预测计算特长隧道涌水量的应用研究[J].铁道工程学报,2000(1):59-62.

[10] 王建秀,朱合华,叶为民.隧道涌水量的预测及其工程应用[J].岩石力学与工程学报,2004,23(7):1150-1153.

(责任编辑：于继红)

作者简介:杨继华(1980-),男,工程师,博士,工程地质专业,从事工程地质勘察、设计及研究工作。E-mail:yangjihua68@sohu.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.010.html 数字出版日期:2016-05-05 15:31

收稿日期:2016-04-22;改回日期:2016-05-05

Prediction of Sudden Water Inflow and Permeability Characteristics ofSurrounding Rock of High-altitude Deep Buried Tunnel in Western Sichuan

XIAO Peng1, GU Lijiang2

(1.Mid-SouthDesignandResearchInstituteforHydroelectricProjects,Changsha,Hunan410014;2.SouthwestBranch,ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd.,Chengdu,Sichuan610041)

Litang County,with an average altitude of about 4 000 m,the proposed long deep tunnel in the territory is one of the constraints of the project for the reconstruction of the national highway 318,the existing questionnaire shows there is a layer of confined water. In order to prevent sudden water inflow in the construction period,the water chemical analysis,isotope test,high pressure permeability test and variable confining pressure penetration test are carried out respectively. The occurrence of water environment and the permeability of rock mass are found out,and then sudden water inflow is predicted by the method of rainfall infiltration,the method of underground runoff modulus method and dynamic method. The results show that the rainfall infiltration and groundwater runoff modulus method are related to catchment area and rainfall,the tunnel water inflow is assumed the infiltration quantity with large deviations,groundwater dynamics method calculation results are accurate,combined with spring flow in the engineering area,the maximum water inflow in tunnel is 11 759.12 m3/d. By construction and excavation,and the engineering practice is more consistent.

high-altitude; deep buried; tunnel; permeability; water inflow

2016-04-29;改回日期:2016-05-18

肖鹏(1979-),男,高级工程师,勘查技术与工程专业,从事工程地质工作。E-mail:15654215@qq.com

U452.1+1

A

1671-1211(2016)03-0529-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.064

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160511.1536.002.html 数字出版日期:2016-05-11 15:36