岩溶区深埋隧洞水文地质概念模型及突水模式

汪 云，杨海博，郑梦琪，韩智昕，赵 耀，袁金浩

（中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，山东泰安271000）

世界上岩溶面积占陆地总面积的7%～12%，岩溶水作为饮用水源供给全球20%～25%的人口［1］。中国是世界上岩溶分布面积最广的国家，岩溶面积达346万km2，约占国土面积的1/3［2］。随着我国水利及交通事业的发展，大量的隧道工程需要穿越岩溶地区，由于岩溶区域地质条件复杂、富水特性差异大、非均质性强，因此隧道修建过程中极易发生突涌水事故。同时，岩溶隧道突涌水具有水量变异性大、水位高差变化显著、地表水与地下暗河贯通性强等特点［3］，因此为确保岩溶区域施工安全，有必要加深对岩溶区域水文地质条件的研究，在此基础上探明突涌水的发生机制，从而有效预防和处理岩溶区的突涌水事故。

研究表明水文地质条件控制着岩溶水的渗流规律。王建秀等［4］根据地下水在各种渗流介质（岩石孔隙、岩层裂隙和经地下水溶蚀而成的溶隙及溶洞、地下暗河等岩溶通道）中流态的不同，建立了快速紊流系统及慢流渗流系统，并利用渗流理论进行了详细的描述；邹成杰［5］在对岩溶地区多年研究经验及理论分析的基础上，根据岩溶水赋存的形式及渗流规律将岩溶水划分为管道型、脉管型及溶隙型三种类型。根据地下水及岩溶水的运动规律，国内外不少学者也对岩溶突水量的预测进行了大量研究［6］。因为岩溶隧道突水是个比较复杂及多变的灾害类型，所以对隧道突水量的预测计算尚无较完善且公认的理论及准确的计算方法。饶新平［7］基于TSP203plus系统与超前钻孔探水的方法对齐岳山隧道右洞岩溶裂隙进行了预报并指导超前帷幕注浆堵水施工，收到了良好效果。陈梦熊［8］指出水文地质概念模型能够将工程的本质特征简化为概念模型，在矿床涌水量计算中具有较好的应用。杨立中等［9］利用渗流应力-温度耦合作用下的水文地质数值法对某隧道的突涌水量进行了预测及验证。Jukic等［10］针对岩溶区域建立降雨—径流概念模型用以估算地下水量平衡。林传年等［11］基于我国岩溶隧道突涌水实例分析，指出水文地质概化模型可以用于隧道涌水量预测。

国外学者研究水文地质模型的较多，但进一步用它来研究概念模型下的涌水问题则较少；而国内虽然研究了很多隧洞涌水问题，但是对于隧洞所处工程区的水文地质概念模型认识却不充分。为此，笔者重点研究岩溶隧道突涌水的水文地质概念模型，并用于计算岩溶隧洞涌水量。

1 工程概况

贵州省夹岩水利枢纽及黔西北供水工程位于贵州省毕节市及遵义市境内，工程总体布局以新建的夹岩水库为集中供水水源，已建的附廓水库为反调节水库，并利用灌区现有小型水库屯蓄。如图1所示，供水隧洞穿越地层主要为T1yn地层灰岩、泥质灰岩夹砂、泥岩，T1f细砂岩、粉砂岩和泥岩，P3c灰岩，P3l砂岩、泥岩和P2m灰岩。其中T1yn和P2m地层中灰岩岩溶发育，隧洞将横穿大小不一的数十条岩溶管道及地下暗河，隧洞建设过程中的突涌水问题尤为突出。

图1 研究区域水文地质状况

1.1 地下水类型

根据工程区地下水赋存的地层岩性和含水介质类型，可将地下水划分为岩溶水和基岩裂隙水两种类型，其中岩溶水分布最广，占工程区的70%以上，是对工程区地下水环境影响最为深远的地下水类型。

1.1.1 岩溶水

岩溶水按发育特征进一步细分为溶洞—管道水、溶隙—溶洞水及溶孔—溶隙水3个亚类。

溶洞—管道水主要分布于纯石灰岩分布区，含水介质以溶洞—管道组合为主。地下水多集中径流，并以暗河形式出现，导致富水性极不均一。岩溶水对降雨量的反应灵敏，雨季暴涨，枯季锐减，动态变化大，水流多呈紊流状态。

溶隙—溶洞水主要赋存于石灰岩与白云岩互层及纯碳酸盐岩及碳酸盐岩夹碎屑岩的次纯或不纯碳酸盐岩出露区，含水介质主要为脉状溶蚀裂隙和孤立状溶洞，地下水动力条件介于层流与紊流之间。

溶孔—溶隙水主要分布于T2g等白云岩发育地区，含水介质为细小的溶蚀孔洞、孔隙。地下水流态呈层流，运移缓慢，流速小，径流分散，地下水位埋藏浅。

1.1.2 基岩裂隙水

基岩裂隙水主要赋存于 T1f、T1y3、P3l地层中，岩性主要为砂岩、粉砂岩、黏土岩、泥岩及硅质岩等，呈条带状分布于工程区，无集中连片分布。地下水主要赋存于构造裂隙及风化裂隙中，泉点分布多，但流量小。该含水岩类与碳酸盐岩相间产出时，常形成岩溶地下水的隔水层或阻水边界。

1.2 地质构造及岩溶发育情况

工程区域位于扬子准台地—黔滇台隆—遵义断拱三级构造单元内，断裂构造十分发育，依其展布方位分为典型隧洞区域北东向的朱昌断裂带及水打桥区域近东西向的马场断裂阻水带。

继燕山运动以后，地壳长时期上升剥蚀，河流下切，为岩溶发育创造了良好的条件，形成了多层性及水平带与垂直带交替共存的、复杂的岩溶形态景观。

由河谷至分水岭地带，垂直岩溶形态由强变弱，岩溶发育具有明显的差异性，岩溶发育的强度一般随深度增加而减弱，同时岩溶的发育具有继承性与成层性的特点。

2 水文地质概念模型

2.1 补给来源

研究区域位于贵州省境内地貌第一、第二级阶梯过渡带，南部被六冲河以最低侵蚀基准面切割，东部被白甫河以最低侵蚀基准面切割，背面以龙昌坪大山为分水岭，形成倾向南向的坡面闭合流域。其间又被发源于龙昌坪大山顶部的数条暗河和地表河流分割成数条小流域。由于研究区域由一条区域性分水岭及两条具有最低侵蚀基准面性质的河流边界构成，因此该区域地下水补给来源以大气降雨为主。

2.2 补给方式

研究区域出露的地层分为以P2m为代表的岩溶地层及以P3β为代表的非岩溶地层。岩溶地层与非岩溶地层相间产出，容易形成盲谷及泉点。岩溶地层经过长期的地质构造运动及物理化学作用，产生大量的岩溶洼地、落水洞等岩溶地区特有的景象。因此，区域地下水主要补给方式为渗透补给及灌入补给。渗透补给主要指大气降水沿岩石溶隙、溶孔入渗补给岩溶区地下水系统。这种补给方式是区域内地下水最普遍、也是最重要的补给方式，以分散、连续、面广但补给速度慢为特点。灌入补给指大气降雨形成的坡面流、地表溪流水直接沿地表落水洞、地下河天窗、竖井、漏斗注入地下，补给地下水。此类补给方式在斜坡区较明显，以补给量大、集中、迅速为特点。

2.3 岩溶水的径流

岩溶水的径流受岩性、构造、地貌条件及水文网控制。纯石灰岩分布区溶洞和管道等岩溶形态发育，岩溶水多以快速管流为主，地下水类型为溶洞—管道水。赋存于白云岩及泥质碳酸盐岩中的岩溶水，径流通道为溶孔及细小溶隙或小溶洞，岩溶水多为分散流。

2.4 岩溶水的排泄

岩溶水的排泄受地形及构造条件控制，集中于地势低洼处或阻水断裂、岩层界面处出露排泄。同时，岩溶水受地质构造控制，在相变带、断裂带、褶皱转折端地下水排泄点集中，且水量较大。工程区六冲河和白甫河是最低侵蚀基准面，是岩溶地下水排泄的主要场所。大泉、地下河出口大多分布于此。按排泄出口水量大小及水点分布可分为集中排泄、分散排泄和悬挂排泄。集中排泄多出露于石灰岩分布的斜坡区深切河谷地段，地下水露头点少，但流量大，如六冲河九洞天景区峡谷段，白甫河大方县以下峡谷段等。分散排泄分布于不纯碳酸盐岩、白云岩分布的各级台地、盆地及河谷地区，地下水多以小泉群或散流状分散出流，单个水点流量小，只有在断裂带才有岩溶大泉出露。悬挂排泄形成于碳酸盐岩与碎屑岩间互层的地区，地下水多以小泉点分散出流，单个水点流量小。

根据上述分析可建立岩溶地区隧洞涌水水文地质概念模型，如图2所示。大气降雨作为研究区域主要的地下水来源，一部分通过蒸发耗散，一部分通过孔隙、裂隙等结构以分散流的形式渗入地下，一部分通过地表汇集成为地表径流或填洼等。其中所产生的地表径流主要分成两部分，一是通过落水洞、岩溶洼地等快速汇入地下暗河系统；二是通过地表水文网汇入区域最低排泄基准面。进入地下的水量在多孔介质、裂隙介质以及岩溶管道介质之间进行水量交换，当暗河水位高于周围地下水位时，暗河补给地下水；当地下水位高于暗河水位时，地下水补给暗河，最终地下水通过潜流或者泉流排泄。地下隧洞开挖后，形成了新的排泄通道，地下水以不同的方式向隧洞排泄。根据地层岩性、岩溶发育规律、地质构造等因素，主要的排泄方式可以分为以下3种，如图3所示。

图2 研究区域水文地质概念模型示意

（1）断裂构造与暗河联合控水模式。研究区域发育有不同的断裂构造形态，隧洞开挖后，断层及其破碎带将暗河与隧洞连通，其中较大连通裂隙或溶隙成为良好导水通道，可导致隧洞发生大规模的突水事件。此种控水模式具有围岩富水性强、涌水面广、降雨响应迅速等特点。

（2）岩溶管道控水模式。研究区域岩溶发育程度具有分层分带特性。该涌水模式主要是由于中小型岩溶管道将暗河与隧洞连通，岩溶管道有黏土充填，开挖后不出水或者出水量少，因此随着渗水的增加及充填介质的不断流失，在暴雨作用及上覆水压力的作用下发生突涌水现象，最终形成良好的导水通道。该模式具有突发性、集中性、涌水量大、降雨响应迅速等特点。

图3 研究区地下水补径排条件

（3）层理面控水模式。该模式同样是以层理面为导水通道，大量平行的层理面具有定向导水特征，暗河中水流通过层理面大量涌入隧洞。该种模式涌水量较稳定，单次降雨事件对涌水量影响不大。

3 典型支洞突涌水分析

上述岩溶地区隧洞涌水水文地质概念模型主要描述了不同水文地质条件下隧洞突涌水的补径排特征。针对水文地质概念模型中不同突涌水特征，选取典型1＃支洞（支洞位置如图1所示），进行突涌水分析，包括主要补给来源、径流和排泄通道，剖析突涌水发生机制，提出不同工程处理措施防止灾害的发生。

典型1＃支洞位于典型隧洞K12+000桩号处，支洞全长1 502.8 m，综合底坡坡降8.8%，洞轴线走向NE10.7°。典型隧洞1＃支洞开挖过程中揭露3处岩溶，桩号分别为 ZK0+380、ZK0+827、ZK0+886。 开挖揭露时岩溶管道内填充有黏土，并往洞顶方向延伸，在水压的作用下岩溶管道内黏土被析出，最终在2016年6月30日的持续暴雨中被全部导通，导致隧洞大量突水突泥。2016年9月26日典型隧洞1＃支洞掌子面作业桩号为支1+374，根据超前预报资料显示，隧洞左侧存在岩溶破碎带，存在向掌子面延伸的可能性，因此决定调整为支洞退回25 m后向右侧转20°左右继续进洞，转向后支洞与主洞正交。2016年10月8日向右侧偏转进洞开挖38 m后，掌子面左边墙在施钻作业时周边眼再次出现水夹泥喷出，喷射距离达到15 m。

典型1＃支洞地质素描如图4所示，支洞穿越地层为P2m，岩性为厚层—巨厚层灰岩，岩层产状160°∠14°。 据统计共分布 L1、L2、L3、L4四组裂隙，其优势产状分别为 NS/E∠70°、N70°W/NE∠85°、N25°E/NW∠70°、N55°E/NW∠75°。 以 L2组贯通裂隙为主，但该组裂隙裂面平直，呈闭合状，其余裂隙分布数量少且未贯通，开挖期间仅出现少量渗水，因此典型隧洞1＃支洞涌水主要通道并非受裂隙控制。

图4 典型1#支洞地质素描

3.1 支洞涌水与降雨关联分析

典型1＃支洞开挖期间有不同程度的涌水发生，依据工程区内马场雨量站及维新雨量站的降雨观测数据及典型支洞抽排水数据，分析涌水量对降雨事件的响应。抽水量与降雨量变化情况如图5所示。

图5 典型1#支洞抽水量—降雨量变化情况

由图5可知，典型1＃支洞于2016年5月25日揭露0+886桩号岩溶管道，且当日及26日有明显降雨，两日共计降雨45 mm，支洞每日涌水量增加1 000 m3左右。但由于前后两段时间涌水量波动不大，因此可判断涌水增加的主要来源为原岩溶水，与降雨关系不大。该区域自5月开始进入雨季，在经历长期的旱季之后，岩溶对降雨的响应具有滞后效应，其滞后的原因主要为雨水通过地表入渗，大部分转化为包气带持水或者上层滞水，不能到达潜水层。因此，此时隧洞突涌水来源主要为地下水静储量释放，涌水量相对稳定。2016年6月6日至6月7日，高强度、大密度的降雨使得隧洞涌水量剧增，隧洞涌水响应迅速，在数小时内即做出响应。此时支洞开挖到0+948桩号处，由于隧洞涌水量大，造成积水，因此工程以抽排水为主，自6月29日至 7月 31日，抽排设备达到最大排泄能力1 4000 m3/d。

3.2 典型支洞突涌水模式

结合建立的岩溶区域水文地质概念模型以及典型支洞突涌水特征，探讨典型支洞岩溶水的补、径、排条件，得出了典型支洞突涌水模式。典型1＃支洞涌水量与降雨没有明显的相关性，时间上存在较大滞后，涌水增加的主要来源为原岩溶水，与降雨关系不大，涌水主要通道为岩溶管道，并非受裂隙控制，突涌水模式可概化为岩溶管道控水模式。

3.3 预防及治理措施

岩溶区域地下工程建设应当尽量避免遭遇地质构造薄弱区域，工程开工前需详细调查工程区域水文地质情况，预测可能发生地质灾害的位置，提前做好预防措施。施工过程中做好超前地质预报工作，如地质雷达、TSP、红外探测、超前钻孔等，以探明不良地质段，提高灾害源的辨识度。

依据现场地勘情况及相关文献，典型1＃支洞1+387桩号处突涌水处理情况如图6所示。

图6 典型1#支洞灌浆布孔（单位：mm）

（1）沿洞壁周边环向单排布置36个灌浆孔，孔径为91 mm，孔间距为0.72 m，其中一序孔9个、二序孔9个、三序孔18个。

（2）要求灌浆孔深度不小于15 m，从2 m以后开始灌浆，并在掌子面周围呈向外发散状布置。

（3）灌浆采用纯压式水灰比0.5∶1的浓浆，外加5%～15%的水玻璃。

针对超前预报有大量岩溶空腔及岩体不良破碎带的地段，可采取绕避法，即回填隧洞并调整隧洞走向，避免与岩溶空腔发生直接接触。

针对刚揭露并有黏土填充的岩溶管道以及断层控制型突涌水地段，宜采取灌浆处理措施，并做好初期支护及二次衬砌，以抵御高水压，防止出现突涌水。

针对层理状地层，其性质较为单一，可直接采取支护衬砌方式，必要情况下对岩体加以辅助灌浆。

4 结 语

通过分析工程区地下水的补、径、排关系，结合水文地质条件，建立了西南岩溶地区水文地质概念模型，对岩溶地区可能存在的突涌水过程进行描述，为该区地下水计算模型提供依据。在水文地质概念模型的基础上，对岩溶地区深埋引水隧洞工程中的典型支洞突涌水状况进行分析，总结得出了岩溶区典型隧洞突涌水过程中的3种典型控水模式（断裂构造与暗河联合控水模式、岩溶管道控水模式、层理面控水模式）。针对突涌水事故，提出了相应的治理措施及预防措施。