引汉济渭秦岭隧洞突涌水原因及涌水量预测

郭熹 柴军瑞

摘要：针对隧洞开挖施工中常见的隧洞突涌水等地质灾害问题，在分析隧洞涌水区域水文地质条件、有限元渗流计算和达西定律的基础上，研究秦岭隧洞椒溪河段开挖涌水原因并预测涌水量。研究表明：在涌水发生的初期，涌水集中渗漏通道由断层泥及断层角砾填充，发生的流动为渗流，通过有限差分软件数值计算求得的隧洞开挖初期涌水量与实际隧洞开挖涌水初始阶段的涌水量非常接近;在涌水稳定阶段，涌水集中渗流通道发生类管涌的水力破坏，通过集中渗漏通道流入隧洞内的流量為1 671.55 m3/h，与现场实测隧洞涌水稳定时的最大涌水量1 700 m3/h接近。研究成果可应用于水文地质条件类似的隧洞工程涌水量计算。

关 键 词：涌水原因; 涌水量; 集中渗漏通道; 管道流; 有限元渗流计算; 秦岭隧洞; 引汉济渭

中图法分类号：P642 文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.021

我国水资源分布极不均衡，除正在建设的南水北调东、中线工程外，国家还将启动一批调水工程。引水隧道修建过程中所遇到的地质条件日趋复杂，具有“洞线长、大埋深、高应力、高水压、强岩溶” 等特点，使得在施工过程中容易发生突涌水事故，严重威胁着施工安全[1-2]。

国内外学者对涌水量计算进行了大量研究并且提出了很多理论与方法，其中，Goodman、大岛洋志和Tani等公式得到了广泛的应用和认可。基于工程经验，诸如落合敏郎、科斯嘉科夫、佐藤邦明、我国铁路勘测规范等经验方法也被提出并得到了应用[3-5]。随着计算机技术的发展，数值模拟法[6]、回归分析法、模糊数学模型法、人工神经网络法[7]和时间序列分析等也相继提出[8]，但是由于涌水量和地形地貌、地质岩性、 地层构造、水文气象、施工扰动等诸多因素影响，至今尚无成熟的理论和公认的准确计算方法[9-10]。

本文以引汉济渭秦岭隧洞椒溪河段为例，通过隧洞涌水区域水文地质条件调查和有限元渗流分析，研究秦岭隧洞椒溪河段开挖涌水原因并预测涌水量。

1 工程概况

1.1 隧洞工程概况

引汉济渭工程是陕西省省内跨流域调水工程，是针对关中地区缺水问题提出的省内南水北调工程的骨干调水线路，是减轻关中地区环境地质灾害问题的重点支撑工程。调水工程首部黄金峡水利枢纽位于汉江上游陕西省洋县黄金峡，尾部秦岭输水隧洞的出口位于西安市周至县马召镇的黄池沟内（见图1），并规划向关中地区多年平均调水15. 0亿m3。

引汉济渭秦岭隧洞椒溪河段为秦岭输水隧洞先期开挖的勘探试验洞，采用钻爆法施工，现浇混凝土衬砌，其中主洞长为6 592 m，支洞长为324 m，且主洞进口方向是2 529 m，出口方向是4 063 m。椒溪河段隧洞支洞洞口位于椒溪河右岸黄泥嘴，主洞与支洞交汇里程为K2+575，采用无轨双车道施工支洞，平距为324 m，斜长为325.88 m，综合坡比为10.44%。

1.2 水文地质条件

椒溪河段隧洞地表水较发育，主要为浦家沟、木耳沟、椒溪河、垭子沟，为常年流水沟，水量较大且随季节性变化较大，夏季有山洪爆发，主要受大气降水补给。地下水为基岩裂隙水及岩溶水，水量较丰富，受大气降水补给，水质良好，对混凝土无侵蚀性。施工工区属于中等富水区（Ⅱ），分布于f s1 、f s2 断层破碎带及影响带。断裂构造纵横交错，裂隙发育，同时原生层理也发育，各种成因的节理、裂隙相互切割成网络状，构造作用强烈。岩体较破碎、节理裂隙贯通性强。

1.3 涌水情况

（1） 2012年10月，引汉济渭秦岭隧洞椒溪河段的勘探试验洞正式开始建设。

（2） 2013年2月20日，掌子面开挖至K2+692.5处正中央上部发生突然较大涌水，预估初期涌水量约11 000 m3/d，随后有一定衰减，涌水量最小约4 800 m3/d（见图2）。在4月19日，受到大气降水汛期的影响，岩石节理裂隙中的充填物被疏通，最大涌水量约 9 600m3/d。2013年2月22日至5月13日的平均排水量约6 900 m3/d。

（3） 2013年6月15日，掌子面开挖至K2+ 706.9 处左侧边墙底部和掌子面底部时发生突然涌水，初期涌水量约9 800 m3/d。在7月21日，由于大气降水汛期影响，涌水量最大增至约23 600 m3/d。

（4） 2013年9月17日凌晨，掌子面开挖至K2+738处掌子面左侧边墙下部由少量渗水变为少量集中出水，水量逐渐增大（出水量约为45 m3/h）局部冲刷;9月17日晚完成喷护;至9月18日凌晨冲刷范围扩大形成涌水通道，04∶10分涌水量约为850 m3/h，涌水量最大增至约1 000 m3/h（相当于24 000 m3/d）。

（5） 2014年3月1日才顺利完成该段395 m洞挖施工任务，用时14个月。

2 涌水原因分析

2.1 涌水水源

根据现场勘察分析，秦岭隧洞椒溪河段涌水量补给来源为岩溶地下水和地表椒溪河河水渗漏。秦岭隧洞椒溪河段通过区地下水以潜水为主，局部具有弱承压性，且该段处于岩溶地下水位以下的浅饱水带中;另外，椒溪河段隧洞建设地处陕南山区，年平均降雨较多。通过分析3次大涌水的实际情况可知，隧洞涌水量的大小，同椒溪河河道水位有非常密切的关系，在第3次发生涌水时，隧洞内有十几厘米长的小鱼被冲出。

2.2 涌水通道的形成

从椒溪河段区隧洞的工程地质来看，隧洞围岩的岩体较破碎—破碎，节理裂隙发育，这种地质条件为涌水通道的形成提供了必要的条件[11]。施工扰动也是形成涌水通道一个重要因素。当隧道工程施工过程中直接连通富水优势断裂时[12]，突水事故在所难免（见图3）。

椒溪河段隧洞涌水通道的形成和发展，同隧洞围岩的岩性、地质构造以及人为施工扰动是密切相关的[13]。正是上述因素的共同作用，为涌水的发生提供了通道（见图4）。由于涌水的水源主要来自于椒溪河河水，当隧洞开挖后发生涌水，必然存在贯通于河道和隧洞之间的集中渗漏通道。

3 涌水量计算

大多数突涌水灾害的发生与地质缺陷有关[14]，在涌水发生的初期，涌水集中渗漏通道由断层泥以及断层角砾填充，发生的流动为渗流。之后经过流固耦合作用达到稳定阶段，涌水集中渗流通道发生类管涌的水力破坏，通道内的填充物质随水流被带出，形成一个连通河道和隧洞洞室的通道，发生管道流。

3.1 渗流计算

本文应用有限差分软件FLAC 3D 对隧道开挖前后隧洞围岩渗流场分布特性及隧洞涌水量大小进行分析。选取隧洞里程桩号K2+735～K2+855段为研究对象，分别对河道水位为570，573，576，579 m和582 m时隧洞开挖前后渗流场及涌水量开展数值模拟计算。

椒溪河段隧洞主洞标准断面为马蹄形，数值求解区域的长宽范围取为120 m×50 m。围岩材料以Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ类为主，将计算模型分为下、中、上等3层，中层部分范围以隧洞中心水平面算起，向上向下各取10 m（见图5）。下层为弱风化大理岩夹石英片岩地层，中层为微风化大理岩夹石英片岩地层，上层为强风化大理岩夹石英片岩地层。

在数值计算中材料的力学模型采用Mohr-Coulomb弹塑性理论模型。计算模型采用位移边界条件，底部边界采用约束竖向位移，上部边界为自由边界，隧道长度方向和宽度方向左右两端边界处采用水平位移约束。隧道围岩计算参数见表1。

隧洞开挖前，孔隙水压力从上到下呈层状分布，孔隙水压力逐渐增大。隧洞围岩孔隙水压力的分布同静水压力的分布情况是一致的（见图6（a））。隧洞开挖后，隧洞周边围岩孔隙水压力开始下降，地下水向洞内临空面渗透。由于在隧洞开挖边界四周存在水压力差，所以造成隧洞围岩渗流场的改变，最终形成一个类似渗水漏斗的形状（见图6（b））。

通过对隧洞开挖前后，各个水位之间的最大孔隙水压力的计算可知，最大孔隙水压力与河道水位高度近似成正比关系。但是，最大孔隙水压力与河道水位高度的变化率不是很大（见图7）。

通过有限元软件数值计算求得的隧洞开挖涌水量与实际隧道开挖涌水初始阶段的涌水量45 m3/h非常接近。随着水位高度的增加，涌水量是成正比增大的。但是，涌水量随水位高度的增长率不是很大（见图8）。

3.2 涌水集中渗流通道的管道流计算

对于管道流过程，假设由于涌水集中渗漏通道发生了类管涌的水力破坏，渗漏通道内的填充物质随水流全部带出，于是涌水集中渗漏通道变成了涌水管道（见图9）。

通道内的流动可以认为是有压的管道流，根据有压管中的恒定流计算公式可以推求集中渗漏管道中的涌水量。假定该管道为简单管道，通过集中渗漏通道的水流流入隧洞时为自由出流。该计算过程涉及的计算公式为

Q=vA= 11+λ ld+ζA2gH=μcA2gH（1）

Q= 11+λ ld+ζA2gH（2）

Q=μcA2gH （3）

式中，A为管道的过水断面面积，m2 ;μc为管道系统的流量系数， μc= 11+λ 1d+ζ;H为河道水位与管道出口断面中心的高差，m;λ为管道沿程阻力系数，由谢才公式λ= 8gC2和曼宁公式C= 1nR16 ，可推求管道的沿程阻力系数，n取为0.025;ζ为管道的局部水头损失系数，取为0.45。

由式（1）～（3）可求得，通过集中渗漏通道流入隧道内的流量为1 671.55 m3/h，如图10所示。计算结果与现场实测隧洞涌水稳定时的最大涌水量1 700 m3/h接近。

计算求得的初期涌水量和稳定期的涌水量同现场实测的涌水量非常接近，进一步说明隧道开挖发生涌水是由于存在连接河道和隧洞的集中渗漏通道在渗透力的作用下发生了类管涌的水力破坏。

4 结 论

通过对引汉济渭秦岭隧洞椒溪河段隧道发生涌水的原因進行分析，并通过数值模拟和管道流计算涌水量，得到以下结论。

（1） 椒溪河段隧洞涌水的水源来自于椒溪河的河水，而涌水的通道是贯通于椒溪河河道和隧道之间的集中渗漏通道，该渗漏通道是在隧道围岩的岩性、围岩的地质构造、岩溶作用及隧洞的施工扰动等因素的共同作用下形成的。

（2） 在涌水发生的初期，涌水集中渗漏通道由断层泥及断层角砾填充，发生的流动为渗流，通过有限差分软件数值计算求得的隧洞开挖涌水量与实际隧道开挖涌水初始阶段的涌水量非常接近。随着水位高度的增加，涌水量是成正比增大的。但是，涌水量随水位高度的增长率不是很大。

（3） 在涌水稳定阶段，隧道开挖发生的涌水是由于存在连接河道和隧洞的集中渗漏通道在渗透力的作用下发生类管涌的水力破坏。计算的经由集中渗漏通道流入隧洞内的流量同现场实测隧洞涌水稳定时的最大涌水量接近。

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引用本文：郭 熹，柴军瑞.引汉济渭秦岭隧洞突涌水原因及涌水量预测[J].人民长江，2019，50（1）：113-117.

Causes analysis on water gushing and prediction of water inflowin Qinling Tunnel， Water Diversion Project from Hanjiang River to Weihe River

GUO Xi，CHAI Junrui

（Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering ， Xi' an University of Technology， Xi' an 710048， China）

Abstract：Aiming at the problems of geological hazards such as water gushing caused by tunnel

excavation in water-rich area， on the basis of hydro-geological condition investigation， finite element seepage calculation and Darcy's law， we analyzed the water gushing causes and predicted water inflow of Jiaoxi river section of Qinling Tunnel， Water Diversion Project from Hanjiang River to Weihe River. The results showed that in the water gushing initial period， the concentrated leakage passage was filled with fault mud and fault breccia， and the flow was seepage. The initial water inflow amount obtained by finite element numerical calculation was very close to the actual water inflow amount. In the steady period， for the piping failure occurred in the concentrated water leakage passage， the simulated water inflow was 1671.55m3/h， closing to the actual maximum water inflow of 1700m3/h. The research results can be applied to the water inflow calculation in tunnel engineering with similar hydro-geological conditions.

Key words： water gushing cause; water inflow; concentrated leakage channel; conduit flow; finite element seepage calculation; Qinling Tunnel; Water Diversion Project from Hanjiang River to Weihe River