岩溶区某高速公路隧道地下河最大涌水量的确定

覃兰丽，张云良

（广西壮族自治区桂林水文工程地质勘察院，广西桂林541002）

岩溶区某高速公路隧道地下河最大涌水量的确定

覃兰丽*，张云良

（广西壮族自治区桂林水文工程地质勘察院，广西桂林541002）

广西大部分地区属典型的喀斯特地貌，地下河发育，以西南岩溶地区某高速公路隧道穿越地下河为例，分析岩溶地下水动态特征，采用3种方法计算地下河最大涌水量，为设计、施工提供必要的水文参数，为采取科学的方法解决隧道水患问题提供基础数据。

岩溶；隧道；地下河；最大涌水量

1　隧道及岩溶地下河概况

隧道为分离式长隧道，全长1070m，左、右线纵坡均为1.9%。位于峰丛洼地地貌，区域地下水类型属裸露型岩溶水，富水性中等。2013年11月，开挖左线隧道时揭露岩溶地下河，水面标高408.4m，水深约25m；水清、无色无味；完全揭露后，岩溶地下河水面宽13～15m，走向与左线隧道走向呈40°斜交。抽水5h，水位未发生变化。为不影响工期，施工方采用洞渣直接回填岩溶地下河，在大、暴雨时节，地下水上涌，上涌最大高度为开挖路面标高（409.31m）以上约0.5m，沿隧道开挖面流出时间约1～5d。

2　岩溶地下水动态特征

区域地下水动态主要受大气降雨的影响。区内岩溶地下水动态以剧变型为主。在降大、暴雨后，地表水、地下水由北向南汇入洼地；地下水位迅速上升，流量急剧增大。明流在北部洼地岩溶地下河伏流入口（S2）进入地下，穿过山体后，在东南部洼地岩溶地下河伏流出口（S1）流出，转为明流。伏流段地下水排泄比明流排泄畅通性差，导致洼地形成内涝洪淹，洼地积水，水深1～2.0m。开挖隧道揭露的岩溶地下河流量特征与岩溶峰丛洼地、谷地岩溶地下河流量分布特征相似。表现在丰水期水量大，枯水期流量小，流量变化大，水位变幅大、时空分布不均等特点。

3　地下河最大涌水量计算

经调查分析，隧道开挖揭露的岩溶地下河是多条汇水于S2-S1岩溶地下河的其中一条。对其水位标高和流量影响较大的是隧道西、西北侧岩溶山区，尤以降雨渗入、集中经洼地汇聚岩溶地下河的影响较大。本次做岩溶地下河连通试验，在地下河流动天窗（S4）投入大量木屑和稻草（1～2cm），分别在第9d和26d在隧道内地下河（S3点）及S1点发现有木屑、稻草流出，从而确定S4-S3-S1为连通关系。

同一天实地测量S1水面标高为395.78m，S2水面标高为406.12m，S3水面标高为409.31m（路面最终标高409.80m），S4水面标高为410.42m；图上测量S1至S2的直线距离为650m，S4至S1距离为890m，见图1。自然状态下S2至S1地下水水力坡度i=（406.12-395.78）÷650=1.6%。地下河天窗S4至伏流出口S1水力坡度i=（410.42-395.78）÷890=1.64%。长期的地质地貌发展和长期的岩溶管道发育，使地下水遵循阻力最小，最畅通的排泄通道运移，这符合自然规律，也符合该地下水流场。

下面用断面法、降雨渗入汇流法及地下水径向辐合和径向辐射法分别计算地下河S3处100年一遇最大涌水量。

3.1断面法

（1）地下河可通过的最大流量计算。岩溶地下河伏流出口S1处，已修建有人工挡水坝，坝上有2个矩形状决口，横断面矩形宽B1=1.8m，高h1=0.45m，横断面B2=1.20m，高h2=0.45m，水深0.40m；伏流入口S2以上有多道浆砌石拦水坝，现已冲垮，形成近似矩形决口，宽1.1m，高0.8～1.20m，水深0.22m。利用以上数据计算隧道建成后地下河S3处可通过的最大流量Q′（测量时水面标高为409.31m，该处路面标高409.80m）。

图1　水文计算简图（注：图中标高均为水面标高）

采用矩形堰堰测流量法公式计算：

Q=0.018Bh3/2

式中：Q——过堰流量，L/s；

B——堰槛宽，cm；

h——过堰水深，cm；

0.018——流量系数。

①伏流出口S1流量：

Q1=0.018 B1h13/2+0.018 B2h23/2

=0.018×180×403/2+0.018×120×403/2

=1366.10（L/s）（即4917.97m3/h）

②伏流入口S2地表水流量：

Q2=0.018 B2h23/2

=0.018×110×223/2=204.31（L/s）（即735.53m3/h）

③伏流出口S1地下水流量：

Q=Q1-Q2=1366.10-204.31=1161.79（L/s）（即4182.44m3/h）

④经隧道地下河S3处，地下水过水断面L1= 1600m（垂直地下水流向，至分水岭），单位宽度（m）内过水流量q=Q÷L1=1161.79÷1600=0.726（L/s）（即2.614m3/h）。

⑤隧道岩溶地下河处，地下河水S3最大流量（Q′）。地下水上游汇水至隧道地下河S3处断面长L2= 760m，由 Q′=L2×q=760×0.726=551.76（L/s）（即1986.34m3/h）。

（2）计算地下河水（S3）的最大涌水量。经实地调查并访问几位60～70岁村民，封闭岩溶洼地内（S4所在洼地）有村民种植的玉米，几十年从未被水淹过，根据洼地标高及天窗S4内地衣和苔藓生长特点，并实地测量，确定S4最高水位标高约为Hmax=413.70m（相当于50年一遇），因隧道设计年限为100年，将50年一遇的洪水标高再抬高1.0m，即H100=Hmax+1.0=414.70m（主要参考隧道出口北侧村民老房子的标高，并含有一定的安全系数）。由此按地下水水力坡度1.64%计算，得出S1水位标高为H=414.70-（890×0.0164）=400.10（m），根据地形标高、拦水坝及近似矩形明流沟渠特点，可假定成B=2.0m，H=2.27m的矩形堰口。S2水位标高为H= 400.10+（650×0.016）=410.50（m），可假定成B=1.5m，H=1.25m的矩形堰口。再用矩形堰堰测流量法公式计算得：

①伏流出口S1流量：

Q1=12312.36L/s（即44324.49m3/h）

②伏流入口水S2流量：

Q2=3773.36L/s（即13584.09m3/h）

③伏流出口S1地下水流量：

Q=Q1-Q2=8539L/s（即30740.4m3/h）

④经隧道地下河S3处，地下水过水断面L1= 1600m，单位宽度（m）内过水流量q=Q÷L1=8539÷ 1600=5.34（L/s）（即19.22m3/h）。

⑤隧道岩溶地下河处，地下河水S3最大流量（Q′）。地下水上游汇水至隧道地下河S3处断面长L2= 760m，由 Q′=L2×q=760×5.34=4058.4（L/s）（即4.058m3/s）。

隧道内最大涌水量：

Q100=4058.4-551.76=3506.64（L/s）（3.506m3/s）。

3.2降雨渗入汇流法

Q100=F100·A·α·t-1

式中：Q100——100年一遇最大涌水量，m3/s；

F100——100年一遇最大日降水量，10-3m，按天等县历史实测记录资料，最大日降水量172mm（1955年）代替；

A——岩溶地下河汇水面积，106m2；共2.535km2，其中岩溶区（A1）约2.0km2，碎屑岩和粘性土区（A2）约0.535 km2；

α——降水入渗系数，岩溶区取α1=0.45，碎屑岩区和粘性土区取α2=0.15；

t——实际调查降大、暴雨后，地下河水点出现最高水位（m）和最大涌水量时间，s；访问和调查［在历年的大、暴雨过程中，地下河伏流出口（S1）和大口井（S5）等主要地下水点水动态特征］获得时间为12h。

代入上式计算得：

Q100=F100×（A1×α1+A2×α2）t-1=172×10-3×（2×106× 0.45+0.535×106×0.15）×（12×3600）-1=3.9028（m3/s）

3.3地下水径向辐合和径向辐射法

Q100=2πLHK/ln（r2/r1）

式中：Q100——100年一遇最大涌水量，m3/s；

π——圆周率，取3.14；

L——地下水渗流距离，m，岩溶地下河流动天窗处认为由渗流转管道流补给边界条件，隧道S3至S4流动天窗处取值300m；

H——渗流水头，m，取值由地下河流动天窗S4地下水位标高414.70m，隧道岩溶地下河处地下水位水头标高降至路面底板约407.00m（均质和网状岩溶裂隙水均匀）为7.70m；

K——地下水所处块段的渗透系数，按经验值，类比为清洁的砾石层，取经验值7×10-2cm/s（即7×10-4m/s）；

r2——径向辐合和径向辐射流地下水的影响半径，m，取至上游补给边界，为3250m；

r1——径向辐合和径向辐射流的半径，m，取由隧道地下河S3至S4地下河流动天窗距离，即300m。

将数据代入上式，计算隧道岩溶地下河最大涌水量：

Q100=（2×3.14×300×7.7×7×10-4）÷ln（3250÷300）= 4.2621（m3/s）。

综合以上，根据过水断面法计算得到100年一遇最大涌水量为Q100=3.506m3/s，降雨渗入汇流法计算得Q100=3.9028m3/s，地下水径向辐合和径向辐射流法计算得Q100=4.2621m3/s，3种方法计算的结果吻合得较好，计算结果可信。

4　结语

隧道揭露的岩溶地下河属于S2至S1地下河的一条支流。除其上游有个别地下水点露头外，其余隐蔽于岩溶山体内，按照常规工作过程，需进行一个水文年的详细水文地质专项勘察后，方能提供完整的水文地质参数。限于工程建设时间紧迫（没有一个完整水文年），我们采用以地下河伏流出口S1以上整个地下河系统的流量及其特征，按汇水面积、流量、水位变化等综合因素进行科学的预测，计算隧道岩溶地下河S3处最大涌水量，为设计、施工提供了必要的水文参数，为采取科学的方法解决隧道水患问题提供了基础数据。

［1］《水文地质手册》编纂委员会.水文地质手册［M］.2版.北京：地质出版社，2012.

［2］《工程地质手册》编员会.工程地质手册［M］.4版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

［3］张人权，梁杏，靳孟贵，等.水文地质学基础［M］.6版.北京：地质出版社，2011.

［4］程俊贤，熊炳坤，孔繁业，等.1∶20万靖西幅区域水文地质普查报告［R］.广西壮族自治区水文工程地质队，1977.

［5］陈崇希，林敏.地下水动力学［M］.武汉：中国地质大学出版社，1999.

［6］袁道先，蔡桂鸿.岩溶环境学［M］.重庆出版社，1988.

U45

A

1004-5716（2016）07-0202-03

2016-03-25

2016-03-29

覃兰丽（1980-），女（壮族），广西来宾人，工程师，现从事矿山水文地质详查、地下水资源论证、地质灾害评估等相关工作。