复杂水文地质条件下隧道涌突水数值模拟方法

陈 鹏，蒲文斌，鲍志言，李 强，钱 康

（四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川 成都610000）

复杂水文地质条件下的隧道涌突水是常见的施工灾害之一，严重威胁着现场施工安全及进度。一直以来隧道涌突水计算是一个复杂的水文地质问题，尤其当隧道穿越段水文地质条件复杂时，隧道涌突水预测与计算则变得更加困难。随着国家基础设施建设步伐向贫困、偏远山区迈进，复杂地质条件下超长隧道工程逐渐增多，这些隧道的涌突水量预测与计算是工程建设过程需直面的具体问题。从常规地质方法角度进行研究，从地下水补给、径流、排泄、存储和水压等几方面进行分析可定性判断隧道涌突水情况，但需要再进一步预测和计算隧道的主要涌突水段和涌水量时则需要结合现场水文地质条件采用科学、合理的方法与手段开展隧道涌突水预测和计算[1-5]。

1 隧道涌突水计算数值模拟方法

地下水流模拟方法是基于计算机利用数值方法来分析和预测不同条件下局部或区域地下水系统行为的一种手段。早期的地下水模拟采用的物理模型进行模拟，随着电子计算机科学技术的飞速发展，地下水流模拟逐渐从类比法（物理模拟）过渡到数值法，数值模拟方法就是在计算机上采用离散化的方式去求解数学模型，得到数学模型的近似解[6-8]。随着科学技术的不断发展，地下水数值模拟法已经发展成为解决地下水各种问题的主要方法。这种方法具有较高的仿真度，能够很好地反映复杂及多变的水文条件下的地下水流的运动状态。针对复杂地质条件下隧道涌突水计算采用数值模拟方法可有效地模拟复杂水文地质条件下隧址区地下水流场的变化情况。根据模拟计算结果确定隧道的主要涌突水段和涌突水量，为隧道工程涌突水防范提供基础资料。

2 水文地质概念模型及边界概化

邛崃山特长隧道位于四川邛崃山山脉西北段，为省道S450线理县至小金公路改造工程路线穿越邛崃山而设的越岭隧道。隧道全长6 645 m，最大埋深1 037 m，为特长越岭隧道。隧道中部洞身段上方发育3处海子处。隧址区主要地层为新生界第四系全新统崩坡积层、河流冲洪积层、坡洪积层与中生界三叠系上统新都桥组板岩夹炭质板岩、砂岩、侏倭组砂岩夹板岩，中统杂谷脑组砂岩夹板岩及印支期侵入正长岩构成。区内地下水主要赋存于第四系、三叠系、印支期的卵石土、碎块石土、板岩、砂质板岩、砂岩、变质砂岩、正长岩的孔隙、裂隙中。隧址区地下水的补给来源主要为湖水、溪沟水、雪山融水及大气降水，由于斜坡横坡陡峻，斜坡中上部以地表径流为主，向下逐渐沿断层破碎带与基岩风化及构造裂隙快速下渗。未来在隧道施工过程中，由于地下水深部人工排泄段的存在，地下水将大量向隧道径流，隧道涌水量将成为区内地下水的主要排泄方式之一。隧址区水文地质单元示意图如图1所示。

图1 隧址区水文地质单元示意图

区内的地下水渗透介质为中生界变质岩，印支期侵入体（正长岩）以及断层破碎带，根据各地层的岩性及区域地质资料，区内渗透介质可概化为多孔介质，具非均质性，各渗透介质内部渗透性能变化不大，可视为均质介质。

计算区四周边界为各流域（沟谷）间的分水岭或次级分水岭可将这些边界概化为第二类零流量边界；对于模拟区内的凉台沟、海子沟以及2、3号海子，考虑到隧道从该河流下部深处附近穿过，将该河流和海子概化为河流边界。计算时，河边边间的交换水量可通过河水位与地下水位之间的水力坡度差值计算，然后代入方程进行计算；对于模拟区底部边界概化时，因隧道开挖后将改变隧道周边地下水的流场和地下水运动方式，隧道的涌水量主要由隧道洞身以上的地下水组成，隧道洞身的地下水流场受隧道开挖影响较小，因此可将其概化为零流量边界；模拟区顶部边界主要接受大气降水和融雪入渗补给，可概化为潜水面边界，隧洞及其辅助工程处将成为地下水的排泄通道，可将其概化为排水沟边界。

在隧道施工过程中，区内地下水将大量向隧道洞身处径流，隧洞涌水量将成为区内地下水的主要排泄方式之一。区内地下水运动符合达西定律，且三维特征显著，可采用地下水的非稳定流模型来计算隧道的集中涌水量[9-11]：

式（1）中：K为渗透系数，m/d；H为水头，m；Ss为弹性释水率，1/d；Ω为计算区；H0为计算区初始流场，m；n为各边界面的外法线方向；A1为计算区的东部边界面；A2为计算区的南部边界面；A3为计算区的西部边界面；A4为计算区的北部边界面；A5为计算区的底部边界面；A6为渗流区内河流边界；A7为潜水面边界；A8为隧道边界；Qr为河流地下水交换量，m3/d；Cr为河床介质渗透性能参数，m2/d；Hr为河流水位标高，m；W为降水入渗补给强度，m2/d；μ为给水度；QD为隧洞排泄量，m3/d；CD为隧洞渗透性能参数，m2/d；HD为隧洞排水标高，m。

上述的渗流数学模型，可用有限差分法进行求解。即在对计算区进行适当剖分的基础上，把微分方程及边界条件中的微商用差商来代替，从而将微分方程的求解问题转化为一组代数方程组的求解问题。

3 参数选取及模型识别

渗透系数、给水度等参数是影响区内地下水的渗流状态以及隧洞集中涌水量的重要因素之一。本次隧洞集中涌突水模拟计算中各地层所采用的渗透系数，是根据隧道初勘、详勘期间的钻探、相关试验等成果取得资料，同时考虑模拟区的水文地质条件的基础上，并结合区内地层岩性，通过模型识别综合确定，通过模型识别把研究区细分为6个参数区，如表1所示。

表1 各参数分区参数取值表

模拟区内河流为凉台沟、海子沟（含1、2、3号海子），总体为排泄地下水。根据前述概念模型，区内各河流及海子可概化为河流边界。计算时根据模拟区数字高程模型提取出区内的地表水系，得到反映主要地表水体与地下水交换关系，然后根据水系的平面位置，并结合区内数字高程模型，共同确定河流不同位置的水位标高。采用下式计算地表水体的排水量：

4 模拟计算

根据计算结果隧道的正常涌水量为20 168 m3/d，最大涌水量为42 734 m3/d，其中K49＋290—K49＋690段，受上部海子影响，该段为主要集中涌水段，根据模型计算结果该段涌水量为15 047 m3/d，断层破碎带附近涌水量为6 637 m3/d。计算区隧道开挖后地下水流场图如图2所示，计算结果如表2和表3所示。

图2 计算区隧道开挖后地下水流场图

表2 隧道涌突水计算成果表

表3 隧道穿越接触带及断层破碎带涌水量计算成果表

K47＋600—K47+700为侵入接触带，岩体裂隙发育，破碎，地下水较发育，地下水受补给后沿侵入接触带向下运移，通过计算，预测此段涌水量为2100 m3/d左右；K48＋260—K48＋360为侵入接触带，岩体裂隙发育，破碎，地下水较发育，通过计算，预测此段涌水量为2 400 m3/d左右；K49＋290—K49＋690为侵入接触带，岩石受侵入接触带蚀变，挤压影响，岩体裂隙发育，破碎，地下水较发育，同时接触带于2号海子中间穿过，2号海子水平距离隧道约为200 m，垂直距离约为510 m，通过计算，预测此段隧道涌水量为15 000 m3/d左右；K51＋970—K52＋070为侵入接触带，岩体裂隙发育，破碎，地下水较发育，地下水受补给后沿侵入接触带向下运移，通过计算，预测此段涌水量为3 300 m3/d左右；K52＋570—K52＋770为断层挤压带及影响带，裂隙、孔隙发育，岩体较破碎，成为地下水良好的富集、运移的场所，透水性强，地下水较丰富，并穿越沟谷，补给源除降水、融雪外，隧道开挖后，沟道内地表水也成为其丰富的补给源，通过计算，预测该段涌水量为6 500 m3/d左右。

5 计算结果对比

本次计算同时采用径流模数法、降雨入渗法多种方法对邛崃山隧道涌水量进行计算，并将计算结果与数值模拟法的计算结果进行对比，如表4所示。对比结果表明，本次数值模拟法的计算结果可以接受，建立的数学模型能够较好反应实际情况，能够较好地预测隧道的涌水量。最终推荐采用数值法计算结果作为最终涌水量推荐结果。

表4 邛崃山隧道涌水量计算成果对比一览表

6 结论及建议

一直以来隧道涌突水计算是一个复杂的水文地质问题。随着国家基础设施建设步伐向贫困、偏远山区推进，复杂地质条件下超长隧道工程逐渐增多，这些隧道的涌突水量预测与计算是工程建设过程需直面的具体问题。通过地下水流模拟方法可以模拟复杂水文地质条件下隧址区地下水流场的变化情况。根据模拟计算结果确定了隧道的主要涌突水段和涌突水量，为隧道工程涌突水防范提供基础资料。