关于水利工程隧道突涌量测算分析研究

(江西省余干县水利局，江西 余干 335100)

1 水工隧道突涌量测算方式述要

1.1 常水头计算

Harr镜像模型法是孔隙水压均匀分布和各向均质同性围岩体隧道突涌量测算常用的方法。水工隧道及镜像部位在开挖之前距离起始地下水位的距离基本相同，两条水工隧道间的流动能够在无限边界情况下给与评估，将起始地下水位线视为等水位线，而不是分析相对复杂的半无限边界问题。在两个水工隧道间的稳定渗流下构成流网(见图1)。

Harr镜像模型的下半部分基本代表了起始地下水位与水工隧道间的流网状态。水工隧道围岩体突涌量计算公式如下：

图1 Harr镜像模型

(1)

式中q0——基于单位长度的突涌量，m3/s；

Km——水工隧道围岩体渗透系数,m/s；

r——水工隧道半径，m；

H——水工隧道高于拱顶线的水头高程,m。

1.2 参考突涌量动态演变的计算

隧道突涌水的主要方式为早期突涌水、衰减突涌水和稳定状态突涌水。扩大开挖面，隧道涌水截面随之扩大，同时，也造成突涌量的加大，最后完全冲破导流通道中的阻挡物，到达突涌量的最大值。此突涌叫作起始突涌，此过流最大量叫作最大起始突涌量(q0)。到达最大起始突涌量后，突涌量会渐渐降低，此间的突涌称作衰减突涌，此间过流量称作衰减突涌量(qt)。最终达到基本平衡状态，处于基本平衡状态的突涌水叫作稳态突涌水，其过流量称作稳态过水量(qs)。突涌曲线(见图2)的形状和稳态突涌量因补充水的有无和补充量而定。

图2 突涌量历时曲线

1.2.1 施工早期的最大突涌量计算

当含水层揭露时，地下水呈漏斗降落状，此时突涌量处于衰减突涌量和稳态突涌量之间。随着时间演进，突涌水衰减期结束，其漏斗降落构成阶段的突涌量变作稳态突涌量。

大岛洋志公式：

(2)

式中q0——基于单位长度的突涌最大量,m2/d；

H——隧道底板至含水层初始静水位的距离,m；

d——隧道横截面的等价圆直径,m；

r——隧道横截面的等价圆半径,m；

K——围岩体的渗透系数,m/d；

m——转换常数，通常取值0.86。

Goodman公式：

(3)

式中符号意义同上。

M.EI.Tani公式：

(4)

非稳定状态流佐藤邦明公式：

(5)

式中hc——高于隧道底板的含水层厚度,m；

m——换算常数，通常取0.86；

其他符号意义同前公式。

铁路勘测规范公式：

q0=0.0255+1.9224KH

(6)

式中各符号意义同上。

1.2.2 衰减突涌量计算

q0是施工早期的最大突涌量，其值一般随时间t的增加而渐次降低，衰减突涌量qt的计算通常选用佐藤邦明公式：

(7)

式中B——衬砌前隧身宽度；

λ——裂缝岩体的裂缝率；

其他符号意义同上。

1.2.3 惯常突涌量计算

铁路系统勘测规范公式：

qs=KH(0.676-0.06K)

(8)

式中H——隧道底板至含水层初始静水位的距离,m;

qs——隧道单位长度的正常突涌量，m2/d。

裘布依计算公式：

(9)

式中Rv——隧道突涌段的补充引用半径,m；

H——高于隧道底板的含水层厚度,m；

H0——隧内排水沟的理论水深，通常考虑水跃值，H0=(0.5～0.75H),m。

落合敏郎公式：

(10)

式中y=0.7734+0.0386K2；

其他符号意义同上。

1.3 多水断层带突涌量测算方法

隧道围岩体地质环境复杂，通常经过裂缝发育、岩体破碎的多水大型断层带。在高水力梯度及高水压的作用下，富水断裂层影响区域开挖后极易出现突涌灾害，尤其是在断裂层破碎带及影响带内，通常会发生高速非达西流问题。学者Jin-HungHwang提出了一种隧道突涌水测算方法。该方法系利用图像法及叠加机理，把有限域问题转变为无限域问题，以卷积和反卷积方法，把时变入流问题转变为恒定入流问题。其隧道穿越多水断层带的突涌量测算公式如下：

(11)

式中Q(t)——t时刻的隧壁或者拱顶的突涌量,m3/d；

F——随水头降低的基本函数；

H——拱顶至围岩体地下水位线的距离,m；

P——包括储水常数、渗透系数、含水边界至掌子面距离以及含水体厚度等的水文地质参数符号；

t——从初始渗流以来的时程间隔(t>0)；

r——隧道开挖等效水力半径,m。

2 案例工程简介

图3 案例工程区水系分布

秦岭隧道是引汉济渭工程的重要组成部分，位于秦岭西部，穿越秦岭山脉，工程全长81.78km(见图3)。区内沟壑纵横，山峰高耸，最高海拔在2705m。隧道经过的椒溪河段位于中低岭南山区，相对地形起伏高差600～700m。地域多年的年平均气温约13℃。地域水系靠降水补充，夏季经常有山洪暴发。椒溪河系子午河支流，不仅常年流水，而且水量及其季节性周期变化均较大。隧道经过的椒溪河流域，在K2+629.5处、K2+706.9处和K2+738处，突涌水问题突出。

椒溪河工程段的地层岩性属下古生界志留系的中统，大量分布斑鸠关组大理岩和石英片岩。椒溪河位于秦岭造山带蜂腰位置，在大地结构单元上，为勉略巴山弧形裂断带及商丹裂断带所夹持的秦岭南结构带。多次地质事件的塑造及叠加，形成了现今复杂的结构格局。案例隧道椒溪河段断裂层特点见表1。

表1 案例隧道椒溪河段断裂层特点

该段地下水属中等富水性状态，包括结构裂隙水、基岩裂隙水及溶岩裂隙水。在志留系中统的斑鸠关组石英片岩中，大量赋存基岩裂隙水。在志留系中统下的鸠斑关组大理岩围岩系统中，裂隙溶岩水相对发育旺盛。在断裂破碎带及其影响带中，大量赋存结构裂隙水。因为异性各向含水介质的差异，地下水的径流、泄排及补充条件十分复杂，基本受裂断结构、地形地貌和地层岩性控制。地下水径流近南北向，泄排形式除借助谷溪、河流以线状泄排外，也有泉点泄排。

3 基于案例的隧道突涌量计算分析

案例工程突涌水多集中发生于K2+629.5、K2+706.9、K2+738处，计算参数见表2。

表2 案例突涌量计算参数

3.1 突涌量测算值随围岩体渗透系数的演变

渗透系数是隧道突涌量测算的重点参数，一般在施工现场借助钻孔抽水实验获取。围岩体渗透系数与突涌量间一般均成正比关系。在洞室规格和地下水水位不变的条件下，绘制突涌量测算值随围岩体渗透常数的演变曲线(见图4)。

图4 突涌量测算值随围岩体渗透系数的演变曲线

在等同渗透系数的条件下，基于佐藤邦明公式测算的突涌量最小，其次是基于大岛洋志公式的计算结果。基于M.EI.Tani公式及基于Goodman公式测算的突涌量几乎相等，基于铁路规范公式的测算值相对最大。大岛洋志公式基于Goodman公式进行了m=0.86折减转换。佐藤邦明公式考虑了含水层厚度影响，故测算值最小。

3.2 突涌量与地下水位的关系

M.EI.Tani公式、Goodman公式及铁路规范公式的突涌量测算值随地下水埋深加大而加大，而大岛洋志公式及佐藤邦明公式演变态势则是先降低后加大。显然测算突涌量能够为确定隧道注浆和衬砌的深厚度，提供技术和参数依据。突涌量测算值与地下水位关系曲线见图5。

图5 突涌量与地水高程的关系曲线

3.3 单宽突涌量比对分析

对早期最大单宽突涌量借助不同的五种计算公式进行测算，并比对实测突涌量(见表3)。

表3 案例截面最大早期单宽突涌比对 单位：m3/(s·m)

对常态单宽突涌量借助不同的四种公式进行测算(见表4)。与实测突涌量相比，每种突涌量计算与都存在一定程度的误差，这与地下水位估算误差、富水裂断带的漏判和围岩体的渗透性估算误差有一定关系。

表4 案例截面常态单宽突涌比对 单位：m3/(s·m)

3.4 多水层突涌量计算研究

隧道设计突涌量与实际突涌量存在明显的偏差。因此，对案例多水断层带最大突涌量以半解析解法测算。图6显示多水断层带不同渗透系数的突涌量随时间梯次减小。

图6 基于渗透系数差异的突涌量时程关系曲线

很明显，突涌水量与渗透系数成正相关。渗透系数的估算误差将导致突涌量的计算误差，因此渗透系数是突涌量测算中重点的影响参数之一。此外，图7也揭示，突涌量在前1.4h内是瞬时的，此后，突涌量几乎一直处于相对稳定状态。

图7 基于厚度差异的多水带突涌量时程关系曲线

图7表明：计算的最大起始突涌量随着多水断层带厚度的加增而加增。对15～50m多水断层带厚度，计算的最大起始突涌量相同。但是，随着厚度加增，突涌量时程加增的梯次降低率变小。这表明当多水断层带厚度较厚时，地层储水也更丰厚，则需要相对更多的时间以逐渐消散。

4 结 语

本文参考工程案例实用数据，对水工隧道突涌量测算开展了专题探究。梳理了隧道突涌量测算典型方法；对隧道突涌量进行了模拟测算；将模拟测算结果与实测突涌量进行比对，验证了各种测算方法的测算误差的存在，指出地下水位估算误差、富水裂断带的漏判和围岩体的渗透性估算等是造成测算误差的重点要素；经计算和比对验证，突涌量大小与渗透系数成正比，因此，渗透系数的准确估算，对突涌量准确预测影响重大。꿣