滇中引水工程蔡家村隧洞涌水量预测

许云 ,张世涛 ,刘皓

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明 650051)

随着国民经济建设需求的增长和施工技术发展，深埋长隧洞工程在中国水利、道路等工程中的应用日益增加，由此引发的各类灾害地质问题也日益突出，隧洞涌水就是其中之一[1]。我国是世界上岩溶分布面积最广的国家之一，其主要分布在南方地区[2]。在岩溶发育地区，正确选取涌水量预测方法，准确预测涌水量，直接影响到工程施工安全，以及隧道的使用寿命。

关于隧道涌水量预测，工程上应用较多的是传统理论公式法。许多专家学者在此基础上，根据工程的具体情况，对传统公式进行了修正或引入一些新理论方法，取得了一定的成效[3]，比如:江峰运用改进的多元相关分析法对野三关隧道和马鹿箐隧道进口泄水洞的隧道涌水进行了涌水量检验[4]；黄卫红运用大井法方法对崇青隧洞进行了涌水量预测[5]等。此外，尚有涌水量曲线外推法、水文地质比拟法等近似计算方法。但是，由于岩溶是一个很复杂的系统，单独一种方法并不能很准确进行预测，因此要多种方法相结合，来提高预测精度。

1 工程概况

滇中引水工程是从根本上解决滇中区缺水问题、有效改善滇中水环境状况、保障滇中乃至云南省未来国民经济的持续稳定发展的重大民生工程。受水区范围包括丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪和红河6个市州的35个县(市)。工程规模庞大，拟从金沙江上游石鼓河段取水，途经丽江市、大理州、楚雄州、昆明市、玉溪市，终点抵达红河州个旧市，输水总干渠全长661.07 km，多年平均引水量34.15×108m3，渠首流量140 m3/s，末端流量13 m3/s。本文主要对滇中引水昆明段的蔡家村隧洞进行涌水量预测，蔡家村隧洞全长22 994.278 m。

2 地质特征

蔡家村隧洞位于罗茨-易门断裂与松林断裂之间，地质构造以安宁盆形向斜为主，褶皱轴走向主要为EW向，局部扭曲较大。地层以昆阳群Pt1为基底，局部地区上覆元古界、震旦系、古生界与第四系地层，主要有：Pt1h(黄草岭组)-P2β(峨眉山玄武岩)、J1-J3.、K、Q4。其中可溶岩为： Pt1e、Zbdn、∈1l、D2-3、∈1d2、C2+3、P1q+m，岩性主要为灰岩、泥质灰岩、白云质灰岩和白云岩；其余为非可溶岩的页岩、砂页岩、泥岩，局部夹薄层的碳酸盐岩，呈SN向延伸，倾角中等，局部倾角较缓，可溶岩与非可溶岩呈相间条带状展布。

3 水文地质单元划分

蔡家村隧洞引水线路途径豹子洞菁，张官山、李家山神、山神庙菁。进口接观音山倒虹吸，出口接小渔坝倒虹吸。隧洞进口高程为1 910.966 m，出口高程为1 906.367 m。隧洞线路主要穿越的是非可溶岩地层，只是在隧洞进出口穿越可溶岩地层(Zbdn)，隧洞依次穿越罗茨盆地岩溶水文地质单元(CX-Ⅰ-2)、骑马箐-白沙阱岩溶水文地质单元(KM-Ⅰ-1)、老青山-核桃箐水文地质单元(KM-Ⅱ-1)和小渔坝岩溶水文地质单元(KM-Ⅲ-3)见图 1。

1.罗茨盆地岩容水系统;2.骑马箐-白沙阱岩溶水系统；3.老青山-核桃箐岩溶水系统；4.石楼梯-牛西岩岩溶水系统；5.小渔坝岩溶水系统图1 水文地质单元分区图

4 隧洞涌水量初步预测及评价

隧洞涌水量的预测较为复杂，预测准确性主要取决于对隧洞充水条件的正确分析及计算参数和计算方法的合理选用。根据勘察资料以及地形地貌条件、岩溶发育特征、含水层地下水分布及赋存情况，对隧址区地下水水位进行推测，在此基础上，选用水均衡法及地下水动力学法两种方法，对隧洞涌水量进行初步预测，并给出评价。

4.1 水均衡法

该方法是根据水均衡原理，通过对地下水动态规律的研究，查明隧洞施工期地下水的收入、支出部分，建立某一期间(均衡期)地下水收、支之间的均衡变化关系，进而获得施工段隧洞可能的涌水量。

本文采用大气降雨入渗系数法来预测计算研究区隧洞涌水量。依据《引调水线路工程地质勘察规范》(SL629-2014)，按下式计算正常涌水量Qs，雨季最大涌水量按正常涌水量的2倍估算。

Qs=2.74α·W·A

(1)

式中，Qs为隧洞正常涌水量(m3/d)；α为降水入渗系数，依据洞段的地形地貌特征、岩溶及植被的发育状况取值；W为年均降雨量(mm)；A为隧洞通过含水体地段的汇水面积(km2)；Qmax为雨季最大涌水量，按正常涌水量的2倍计算；

其中：A=L·B

(2)

式中，L为隧洞通过含水体地段的长度(km)；B为隧洞涌水地段L长度内对两侧的影响宽度(km)。

由于引水线路跨越区域较大，线路较长，沿线构造发育情况、地表岩溶发育情况差异较大，因而在不同隧洞段计算参数的选取也有较大差异。计算参数具体选取及计算结果见表1。

表1 蔡家村隧洞大气降雨入渗法预测涌水量计算成果表

4.2 地下水动力学法

根据蔡家村水下洞段通过岩体透水性的不同进行分段，再依据相关规范中地下水动力学法公式对每个分段的涌水量进行初步预测。本文采用裘布依理论式和柯斯嘉科夫法预测隧洞正常涌水量，利用古德曼经验式预测各个隧洞的初期最大涌水量。

(1) 裘布依理论公式

当隧道通过潜水含水体，位于无限补给、两侧进水时，可用裘布依理论公式(3)计算隧道正常涌水量。

(3)

式中，Qs为隧道通过含水体段的正常涌水量(m3/d)；L为隧道通过含水体的长度(m)；K为渗透系数(m/d)；H为洞底以上潜水含水体厚度(m)；h为洞内排水沟假设深(m)；R为隧道涌水地段的引用补给半径(m);d为洞身横断面等价圆半径(m)。

其中用库萨金经验公式(4)计算R，用公式(5)计算r。

(4)

(5)

计算时暂不考虑洞内排水沟假设深h，默认隧道水位降升s等于洞底以上潜水含水体厚度H。

通过钻孔水位资料(雨季)及水文地质分析，运用裘布依理论公式计算研究区各隧洞洞段的正常涌水量计算成果见表2。

(2) 柯斯嘉科夫法

柯斯嘉科夫公式适用无限厚含水层中、无边界条件下两侧进水的潜水稳定流非完整井，隧道正常涌水量计算用公式(6)。

(6)

式中,qs为隧洞长期(稳定)涌水量(m3/d)；K为岩体的渗透系数(m/d)；L为隧道通过含水层长度(m)；H为静止水位至洞底距离(m)；R为隧洞涌水影响宽度(m)；r为隧洞宽度之一半(m)；a为修正系数，用公式(7)计算。

(7)

用库萨金经验公式(8)计算R，当H足够大，h为小值时，取S=H。

R=2s(H/K)

(8)

运用柯斯嘉科夫法计算研究区各隧洞洞段的正常涌水量计算成果见表2。

(3) 古德曼经验式

通过潜水含水体的越岭和傍山隧道、两侧进水，可用古德曼经验公式(9)计算隧道最大涌水量。

(9)

式中,qmax为隧洞通过含水体可能最大涌水量(m3/d)；K为岩体的渗透系数(m/d)；L为隧道通过含水体的长度(m)；H为静止水位至洞底距离(m)；d为隧洞等价圆直径(m)。

其中用式(10)计算d。

(10)

运用古德曼经验式计算研究区各隧洞洞段的最大涌水量计算成果见表2

表2 蔡家村隧洞地下水动力学法涌水量计算成果表

注：K为岩体的渗透参数；H为静止水位至洞底距离；a为修正系数；r为隧洞宽度之一半；d为洞身横断面等价圆半径；L为隧道能地含水体的长度；R为隧洞涌水影响宽度。

表3 蔡家村隧洞涌水量计算成果汇总表

5 结论

将上述4种方法对研究区各隧洞涌水量预测成果进行综合分析(表 3)，结果显示：

(1) 由表1可知，根据隧洞穿越不同的水文地质单元将隧洞划分为5段，其中以KM19+150～KM21+805段的涌水量较大，该段隧洞处于砂岩和白云岩中，并穿越蔡家村断裂，正常涌水量为6 280 m3/d，单位长度正常涌水量为2.37 m3/d；雨季最大涌水量为12 559 m3/d，单位长度最大涌水量为4.73 m3/d。总体上此段发生涌突水危险性较大，尤其在穿越蔡家村断裂的部位。由表2 可以看出，隧洞共划分为12段。其中KM8+410～KM8+750、KM16+380～KM16+450和KM21+577～KM21+645三段分别穿越规模较大的小仓-银厂箐断裂、清水河断层和蔡家村断裂及影响带，岩体透水性较好，柯斯嘉科夫法计算单位长度qs介于17.85 m3/d～65.57 m3/d之间，古德曼经验式计算单位长度qmax介于58.21 m3/d～214.57 m3/d之间，3段隧洞发生涌突水的风险极大；处于昆阳群板岩中的KM0+827～KM1+196和KM1+564～KM4+397透水性较弱。古德曼经验式计算单位长度qmax分别为3.20 m3/d和2.09 m3/d，两段隧洞不易发生涌突水；其余7个洞段主要穿越澄江组砂岩和灯影组白云岩，岩体较破碎，透水性弱，砂岩段地下水水位平均高出隧洞底板最大达360 m，柯斯嘉科夫法计算单位长度qs介于 2.06 m3/d～5.07 m3/d之间，古德曼经验式计算单位长度qmax介于4.95 m3/d～13.93 m3/d之间，隧洞存在一定的涌突水风险。

(2) 无论任何一种计算方法，均显示涌水量最大的为KM8+410～KM8+750、KM16+380～KM16+450和KM21+577～KM21+64，主要是由于隧洞处于滇池流域地下水径流排泄区和沿线通过较多构造、可溶岩，易发生涌水且补给水量大所致；涌水对该处施工影响较大，应引起重视。

(3) 结合研究区隧洞沿线不同的水文地质条件，并依据《引调水线路工程地质勘察规范》(SL629-2014)，蔡家村隧洞:埋深较大、水头较高、水位稳定，大气降雨入渗与隧洞涌水量关系不大，推荐采用地下水动力学法中的裘布依理论式和古德曼经验式分别预测的隧洞正常涌水量和最大涌水量作为防治处理的依据。

(4) 未连通型隧洞应加强超前地质预报超前管棚支护、超前径向预注浆等工程措施，起堵水加固作用，降低隧洞突水、突泥事故发生。连通型隧洞:①应该回避雨季施工；②采用强有力的排水措施；③对地下水集中涌出带还应当采用适当的封堵措施；④对处于垂直入渗带中的隧洞，则采用线路的适当调整，回避岩溶通道贯通程度强、地表汇水条件好的地段。

[1] 贺玉龙，张光明，杨立中．铁路岩溶隧道涌水量预测常用方法的比较[J]．铁道建筑，2012，(4):68-71.

[2] 黄润秋，王贤能.深埋隧道工程主要灾害地质问题分析[J].水文地质与工程地质,1998,25(4):21-24.

[3] 蒙彦,雷明堂.岩溶区隧道涌水研究现状及建议.中国岩溶，2003,(4):38-43.

[4] 江峰,刘坡拉,武亚遵,等.基于多元相关分析法的岩溶隧道涌水量预测[J].安全与环境工程,2015,(03):162-168.

[5] 黄卫红.南水北调崇青隧洞施工涌水条件及涌水量研究[J].人民黄河,2016,(8):118-120.

[6] 王健华,李术才,李利平,等.富水岩层隧道区域涌水量预测方法及工程应用[J].人民长江,2016,(14):40-45.