六盘山隧道涌水量预测方法研究

2020-12-26陈秀义

铁道建筑技术 2020年10期

关键词：六盘山富水涌水量

陈秀义

(兰州铁道设计院有限公司甘肃兰州 730000)

1 引言

山区地质条件非常复杂，在隧道施工过程中，由于人为破坏了原有围岩体中地下水的渗流条件，会使隧道洞身成为地下水以不同形式(渗出、滴流、股流及大范围突水等)向外排泄的地下廊道，形成涌水灾害。

六盘山隧道勘测中通过大量地质调绘及分析相关的地质和水文地质资料，根据隧道区水文地质条件，采用大气降水入渗法、地下径流模数法、地下水动力学法计算隧道涌水量[1]，预测正常涌水量和最大涌水量。

工程实践表明，现今阶段，通过详细的水文地质调绘，准确划分富水性分区，采用地下径流模数法预测隧道涌水量是可行的，能够保证隧道施工和运营的安全。

2 六盘山隧道地质条件

六盘山特长隧道是天水至平凉铁路最长隧道，位于甘肃省平凉市华亭县六盘山山脉，全长16 690 m，洞身以N36°E走向穿越六盘山，最大埋深约720 m。

隧道范围内地层有第四系松散层、上第三系泥岩、白垩系下统砂岩夹泥岩、三叠系下统砂岩夹砾岩，局部夹页岩，震旦系白云岩、玄武岩，断层角砾岩和断层泥砾等。隧道位于六盘山褶皱带、鄂尔多斯地台二个大地构造单元，隧道区多种构造交叉穿织，复合叠置，褶曲、断裂较为发育，主体构造走向以北西向为主，与当地山脉走向基本一致。受构造影响，带内地貌切割剧烈，山大沟深。隧道纵断面见图1。

图1 六盘山隧道纵断面

3 隧道涌水量预测

常用的隧道涌水量预测方法可分为理论解析法、经验公式法、数值法、工程类比法等[2]。由于各项参数难以取得精确数据，故预测的隧道涌水量只能是宏观的、近似的数量。六盘山隧道勘察过程中，为了分析隧道通过区水文地质条件及地下水涌水灾害，定量评价隧道涌水量，在全面水文地质调查的基础上对地表沟谷进行泉水流量的测量，并布置了7个深孔进行综合水文地质测试。根据隧道所处的环境地质条件、收集到的水文地质资料、实测泉水流量、深孔抽水试验资料，选用大气降水入渗法、地下径流模数法、地下水动力学法进行隧道涌水量预测[3-7]。

3.1 大气降水入渗法

式中，α为降水入渗系数；A为隧道通过含水体的集水面积(km2)；L为隧道通过含水体的长度(km)；B为隧道涌水地段长度内对两侧的影响宽度(km)；W为年降水量(mm)。

降水入渗系数α根据岩体节理、裂隙发育程度，白垩系砂岩夹泥岩、震旦系白云岩、玄武岩属于破碎岩石取值0.20；上第三系泥岩、三叠系下统砂岩夹砾岩取值0.10。隧道影响宽度根据隧道区地形地貌、植被结合岩性、构造、节理裂隙发育情况等因素综合取值0.8～2 km。降水量根据华亭县气象资料推算隧道区降雨量950 mm。

根据上述参数计算，大气降水入渗法预测隧道正常涌水量Qs＝11 747 m3/d。

3.2 地下径流模数法

六盘山隧道位于中山-低中山区，隧道通过地区流域内地表水以泉水形式出露，形成径流。地下径流模数能够反映地下水的赋存，具备地下径流模数法计算条件。

式中，q为某一富水性分区中隧道的单位涌水量(m3/d)；Bi为不同富水性分区中隧道两侧影响宽度(km)；Li为某一富水性分区中，隧道在第i个流域中的长度(km)；Mi为上下游测流点之间汇水范围相应的径流模数[m3/(d·km2)]。

由于测流时间属于枯水季节，所以修正系数采用1.5对流量进行修正。隧道区各支沟流域地下径流模数见表1。

表1 隧道区各支沟流域地下径流模数

结合区域水文地质资料及隧道岩性、构造情况，径流模数在弱富水区取值300～800 m3/d·km2，中等富水区取值1 200 m3/d·km2。

六盘山隧道地下径流模数法正常涌水量为17 274 m3/d、最大涌水量以正常涌水量的3倍计算为 51 822 m3/d，见表2。

表2 六盘山隧道地下径流模数法涌水量预测

3.3 地下水动力学法

勘察中沿隧道中线布置7个钻孔进行抽水试验，采用裘布依潜水完整孔公式和库萨金经验公式联合求得各段渗透系数K和影响半径R(见表3)，然后应用裘布依公式预测隧道正常涌水量，古德曼公式预测隧道最大涌水量。

(1)裘布依公式预测隧道正常涌水量

式中，L为隧道通过含水体的长度(m)；H为洞底以上潜水含水体厚度(m)；h为洞外水柱高度，一般考虑水跃值，h＝(0.5～0.75)H；r为洞身横断面宽度之半(m)，r＝4 m。

(2)古德曼公式预测隧道最大涌水量

式中，H为静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离(m)；d为洞身横断面等价圆直径(m)，d＝8.8 m。

表3 六盘山隧道地下水动力学法涌水量预测

根据前述方法计算的涌水量，地下径流模数法和地下水动力学方法预测的隧道正常涌水量和最大涌水量大体接近，综合分析后确定，以地下径流模数法预测结果作为设计涌水量。

4 涌水量、涌水段落及地质条件

六盘山隧道施工过程中，进口段埋深大，裂隙水较发育，水量较大；出口段埋深浅，裂隙水不发育，水量较小。现场每次较大涌水发生后，测得的水量减去以前的涌水量，作为涌水段落最大涌水量。2～3个月后，水量基本稳定时，测得的水量作为正常涌水量[8-9]。隧道贯通后，洞口测得的水量21 000 m3/d为隧道正常涌水量，最大涌水量约为正常涌水量的3.1倍。较大涌水量的涌水位置及水量见表4。

表4 六盘山隧道涌水位置、水量及地质条件

从施工过程中涌水量和涌水位置的观测分析，六盘山隧道的涌水属构造裂隙水及岩溶水。岩溶水涌水主要发生在第3段(见图2)，此段白云岩中溶蚀现象较明显，涌水以股状涌出为特征。基岩裂隙水发生在岩体破碎，节理、裂隙发育的节理密集带中，水量变化较大，一般顺宽张的节理涌出，少有突泥、突砂现象。断裂带裂隙水的分布发育与断裂带的性质、展布密切相关。F4断层破碎带、F4-1断层破碎带均发生较大涌水，预测位置也较准确；F5断层属于逆断层，隧道通过时，破碎带物质固结致密，只有少量的渗滴水，但在F5次级断层发生了大涌水(见图3)，水量变化较大，最大20 000 m3/d，沿软弱结构面喷出，有突泥、突砂的现象。

图2 股状涌水

图3 F5次级断层涌水

5 各预测方法涌水量对比分析及参数选取

5.1 大气降水入渗法

大气降水入渗法是依据总的水量来源为基础(年降水量)，结合调查者对隧道所在地区地质条件的认识而综合判定。六盘山隧道预测正常涌水量11 747 m3/d，实际涌水量21 000 m3/d，总的涌水量差值较大。分析原因可以看出，隧道出口DIK93＋430～DIK100＋190段埋深较小，多数在200 m以下，预测的涌水量与实际差别很小；而DIK83＋500～DIK93＋430段埋深大于300 m，多数在500～600 m，预测涌水量比实际正常涌水量少10 000 m3/d，差近1倍。在年降水量和降水入渗系数0.2(破碎岩体)不变时，从实际涌水量反算，影响宽度达到3.8 km，说明埋深大的隧道采用大气降水入渗法预测涌水量时影响宽度需要根据隧道埋深进行修正。

5.2 地下径流模数法

径流模数计算是在充分分析隧道区的气候、地形地貌、植被、地质和水文地质条件的基础上进行的。由于在降雨后间隔较长时间才进行测流，属于枯水季节，可能导致预测涌水量明显偏低，影响预测的准确度。勘测计算中对沟谷流量做了一定的修正。

误差较大的第2段预测涌水量与实际涌水量30 800 m3/d误差达3倍。主要原因一是DIK91＋096～DIK91＋284段长188 m出现了F5次级断层，发生特大涌水，其断层带静储量很大[11]；另一个原因是隧道涌水量计算中，根据隧道地质调绘未发现断裂构造，区域地表水流量较小，对隧道构造发育程度及充填情况的认知出现偏差，造成富水性岩体的划分不准确，将此段划分为构造裂隙水弱富水区，径流模数取值800 m3/(d·km2)，影响宽度B值取值1，参数选取不准确，导致预测涌水量明显偏低。若按中等弱富水区，径流模数取值1 200 m3/(d·km2)，影响宽度B值取值1.5，预测涌水量就和实际接近。

说明勘察阶段对岭脊段隧道地质条件的认识存在偏差和失误，而导致偏差失误的主要原因则是未调查出F5次级断层，对砂岩夹泥岩、砾岩破碎程度认识不足。若在此段落有钻孔和物探资料控制，认识可能就会较为符合实际。

5.3 地下水动力学法

该隧道在勘察阶段，在各类地层中均布置钻孔进行了抽水试验，采用裘布依潜水完整孔公式和库萨金经验公式求得隧道正常涌水量和最大涌水量，与施工中涌水量对比发现，除第2段由于出现了F5次级断层，涌水量误差较大外，其余4段涌水量均与预测的基本一致。这表明，在弱富水、中等富水区有钻孔抽水试验时，地下水动力学法进行涌水量预测计算，能够反映隧道富水的实际情况。

采用地下水动力学法预测隧道涌水量时应注意以下两点:

(1)抽水试验:钻孔抽水试验过程中应采用清水钻进或干钻，抽水试验结果的可靠性才能有所保证，且计算结果应分析其代表段落。

(2)参数选取:裘布依潜水完整孔公式中h表示洞外水柱高度，一般理想地认为地下水位下降到洞内排水沟处，取0.2 m或0.5 m。从已施工隧道分析，地下水位下降有限，h值相当大。本次计算中，采用中铁一院多个隧道总结的经验，根据含水层厚度，h取值(0.5～0.75)H。实际涌水量表明，参数修正是合理的。

从隧道总涌水量来看，地下径流模数法预测的隧道涌水量与实际相比，总体预测水量偏小，但接近实际情况。在对隧道工程地质、水文地质条件认识程度提高，水文地质参数选取更加合理后，能较准确地预测隧道涌水量[10-12]。