隧洞断层破碎带岩体涌水量分析——安哥拉某水电站为例

李辰舟，苏传洋，邓争荣，李林，袁洋洋

(长江岩土工程有限公司，湖北 武汉 430010)

随着国内外工程隧道建设的不断发展，隧道涌水问题在水电、交通、建筑及国防等土建工程中经常遇到，并被逐渐重视(张飞等，2012)。涌水问题直接影响到隧道的施工和运营安全，造成巨大的经济损失，甚至会造成人员伤亡。因此，准确预测隧道涌水量，对隧道设计、施工安全和运营管理都是很重要的。目前，隧洞突涌水预测由定性分析逐渐发展为定量计算与定性分析结合。隧道突涌水预测的方法主要有水均衡法、地下水动力学法、经验公式法、工程类比法等(徐国鑫等，2017)。国内很多学者对隧道突涌水进行了一定研究。其中，罗玉虎(2017)等通过对摩天岭隧道地层、构造、水文地质特征及涌水特点的综合分析，确定岩溶地下水系统的结构特征，对岩溶隧道涌水量进行综合预测研究；孙臣生(2017)通过详细分析天河山隧道涌水发生的原因，研究提出了不同的处治方案，对隧道的安全施工起到了很好的作用；浦友繁(2015)通过对牛栏江滇池补水干河泵站引水洞暗河采用“钢管引流、封堵灌浆、岩石超前固结、闸阀闭水”措施，确保安全成功地对地下暗河进行了封堵；张天明等(2013)等通过查清牛栏江滇池补水工程引水隧洞涌水量、涌水补给途径、水压等情况，采取分流、强抽排、封堵等方式成功封堵涌水；钱富林(2014)为保证关角隧道顺利穿越岩溶富水区，通过研究关角隧道突涌水发生的机理，对不同的突涌水模式制订针对性方案，保证了工程顺利进行。

岩石裂隙是基岩裂隙水的储存空间和运移通道，裂隙的发育程度受构造控制强烈(周宗青等,2012)。大量的实例表明，涌水与断层关系密切，受断层影响，断层周围岩体通常极为破碎，破碎带成为地下水的储集场所(马晓辉，2010)。笔者以安哥拉某水电站进厂交通洞涌水事件为例，通过分析研究其涌水特征和成因，根据断层附近岩体透水性的不同，建立相应的地质模型；结合地质模型对岩体的正常涌水量和最大涌水量进行估算，结果与实际测量结果基本一致。研究成果可供其他类似工程参考。

1 工程概况

进厂交通洞在开挖过程中，开挖至桩号K1+229.3～K1+214.9段时，揭露一逆冲断层f1，顶拱及边墙出现大量渗水现象，多股地下水从排水孔中呈股状流出，流量较小，对工程进度影响甚微。随着隧洞继续开挖，至桩号K1+090.2处，因其揭穿f2断层，沿3个爆破孔发生涌水(图1)，水流清澈并具一定承压性，初始总涌水量约145 m3/h，流量较大，造成现场停工12天。

图1 f2断层涌水现场图Fig.1 Site photos of water inflow

2 涌水特征

2.1 实测涌水量

自桩号K1+090.2处初见涌水后，即对总涌水量进行了持续观测，监测到初始最大流量达3 408 m3/d，后流量迅速减小，约7天后流量减小至729.6 m3/d。随后流量减小趋缓，第61天后减小至120.8 m3/d，之后流量趋于稳定，维持在120 m3/d左右，流量变化曲线见图2。

图2 流量变化曲线图Fig.2 Flow change curve

2.2 水温特征

涌水后对其涌水点、沿断层f1出水点水温和洞室内温度以及就近涌水点处宽扎河河水温度分别进行了测量，结果见表1。由此可知，涌水点水温保持相对稳定，并高出同时段就近河水水温，沿f1断层渗水点水温分别约3℃、0.4℃。

表1 涌水水温及其他位置温度观测结果表Tab.1 Observation results of water inrush temperature and other location temperatures

2.3 水化学特征

表2 水化学分析主要成分结果汇总表Tab.2 Components of water chemical analysis results

2.4 附近钻孔地下水水位变化

桩号K1+090.2处地下水涌水发生后，对其沿线前期钻孔S625与周边长期观测孔S529、S533、S603、S606、S610地下水水位变化进行了同步观测。观测结果表明：桩号K1+090.2～K1+053段地下水涌(渗)水持续，该隧洞沿线附近钻孔S625地下水位下降约1.0 m，下降幅度较大，46天后，累计下降约4.9 m；周边5个长期观测孔地下水位间隔2天，下降约0.07～0.20 m，下降幅度明显，46天后，累计下降约0.3～0.7 m。

由周边及附近长期观测孔同步观测结果可知：桩号K1+090.2～K1+053洞段地下水涌(渗)水由周边及附近地下水补给，且距涌(渗)水段越近，地下水位下降幅度越大(图3)。

图3 涌水处及周边钻孔位置示意图Fig.3 Location of water inrush and peripheral boreholes

3 涌水段地质模型及涌水量估算

3.1 涌水成因分析

发生涌水洞段的地层岩性为下太古界下段片麻岩，片麻理总体倾向160°～195°，倾角为35°～50°，片麻理揉皱现象明显。后续开挖揭示：地下水沿小断层f2岩体破碎带涌出，断层倾向250°～270°，倾角为24°～35°，断层核部宽为2～5 cm，物质组成为碎屑夹泥。受断层影响，断层两侧为岩体破碎带(断层影响带)，该带岩体结构呈碎块状，两侧带宽均约0.4 m(图4)。现场开挖揭示：K1+090～K1+050段岩体节理相比于其他洞段更为发育；发育北东、北西、北北西向3组优势节理，节理间距为0.3～1.0 m，倾角以中陡倾角为主，开度小于3 mm，钙质充填，节理两壁未蚀变，延伸长度一般为3～8 m，节理形态多平直稍粗糙，属硬性结构面。

图4 泥化碎屑带及岩体破碎带图Fig.4 Mud-detrital and broken rock masses zone

工程区岩体透水率大部分属微-极微透水(GB 50287-2016,2016；GB 50287-2016,2016)，切割岩块的裂隙网络为地下水的储存和运移场所，地下水通过降雨入渗后赋存在网状裂隙中，受断层影响的岩体破碎区域岩体裂隙网络发育，赋存的地下水较多，在钻爆孔揭穿该区域后，因其透水性强而发生涌水，地下水涌(渗)水来源主要由周边及附近地下水补给。

3.2 涌水段地质模型建立

复合渗透结构的地质模型更符合岩体破碎带渗透特征。按照隧洞段岩体透水性的不同，可将发生涌水的f2断层附近岩体分为3部分(图5)。其中，①为岩体极破碎-破碎的强透水层带(核部+断层破碎带)，根据钻孔压水试验结果为不起压，岩体破碎带渗透系数为10-2cm/s，初期的涌水均主要来自于此部分地下水。②为岩体较破碎的中等-弱透水层带(断层影响带)，根据钻孔压水试验结果，岩体渗透系数为10-4cm/s，为流量缓慢衰减的涌水主要来源。③为岩体较完整-完整的微-极微透水层带，裂隙发育少，为稳定阶段的涌(渗)水提供来源。

图5 断层带区导水通道划分图Fig.5 Water passage formed by fracture network

涌水一般分初期阶段，衰减阶段，稳定阶段(GB 50487-2008,2008)，初期发生的涌水主要来源于受断层影响的极破碎-较破碎的岩体破碎带(①和②)，钻孔揭露岩体破碎带后，破碎带中赋存的地下水沿钻孔涌出，因该区域岩体透水率强，涌水量随时间迅速衰减，水位迅速下降。赋存于周围裂隙带(③)中的地下水向岩体破碎带进行补给，岩体破碎带中的地下水排空后，涌水量递减趋缓，最终流量达到稳定，形成以涌水点为汇的降落漏斗。

3.3 涌水量估算

3.3.1 最大涌水量估算

岩体破碎带中，岩体透水性强，初期涌水量大，且涌水量随时间迅速衰减，该部分地下水运动不符合达西定律。因此，采用流体力学中伯努利方程(GB 50487-2008,2008)进行估算。

(1)

将式(1)进行化简得：

(2)

根据式(2)得到最大涌水量：

(3)

式中：水头h=91 m；管嘴流量系数μ按0.82取值；g=9.8 m/s2；A为钻孔面积1 962.5 mm2(钻孔直径50 mm)，计算得涌水量约3 390.2 m3/d，与实测最大涌水量3 408.0 m3/d相当。

3.3.2 正常涌水量估算

隧洞正常涌水量根据《铁路工程水文地质勘察规程》(TB10049-2004)(2004)及《引调水线路工程地质勘察规范》(SL 629-2014)(林建忠,2013)中提到的裘布依理论公式进行估算：

(4)

式中：

Ry=215.5+510.5K

(5)

其中，Ry为隧道涌水地段的引用补给半径(m)；Qs为隧道正常稳定涌水量(m3/d)；L为隧洞通过含水体的长度(m)，为40 m；K为含水体渗透系数(m/d)，按10-4cm/s估算；H2为洞底以上含水体厚度(m)，为101 m；h为洞内排水沟假设水深(m)，取0.5 m；r为洞身横断面等价圆半径(m)，为4.94 m。

带入式(5)与式(4)，计算得隧道通过含水体地段的正常稳定涌水量为112.4 m3/d，略小于实测稳定涌水量120 m3/d。

4 涌水处理措施

鉴于桩号K1+090处涌水主要来源于岩体中赋存的地下水，与河水无关联。为了有效排出衬砌以外的围岩裂隙水，消除二次衬砌背面的静水压力，按照“动态排水”的排水原则:①初期支护喷射混凝土中的排水管由原设计的随机设置调整为系统布置，采用Φ50排水孔引排，排水孔为深4 m的花管，排水孔间距为1.5 m，排水孔位置和孔深根据现场岩体破碎区域进行调整。②桩号K1+090位置底板两侧设置集水坑，集水坑尺寸为1.5 m×1.5 m×1.5 m，采用水泵抽排，达到减少洞内积水的目的。另外，在涌水洞段范围内，布置收敛监测断面，每个断面布置5个测点，长期对岩体变形情况进行监测。

鉴于涌(渗)水洞段涌水处初始流量较大，考虑其对围岩长期稳定性及运行的影响，建议设计对f2断层带及附近部位，视需要采取掏挖后回填混凝土塞，并结合帷幕灌浆处理措施。另外，对于后续隧洞开挖过程中岩体破碎部位水量较丰富洞段，布置超前钻孔排水，提前释放岩体中赋存的地下水。

5 结论

(1)对隧洞涌水的水量、水温、水化学及附近周边钻孔地下水位变化分析表明，桩号K1+090.2处涌水来源于岩体网络中储存的地下水，受降雨入渗补给，与就近河水无关联。

(2)根据涌水洞段岩体透水性的不同，将受断层影响的破碎岩体分为：岩体极破碎-破碎的强透水层带，初期的最大涌水主要来自于此部分地下水；岩体较破碎的中等-弱透水层带，为流量缓慢衰减的涌水主要来源；岩体较完整-完整的微-极微透水层带，为稳定阶段的涌(渗)水提供来源。

(3)根据建立的地质模型，利用流体力学伯努利方程得到涌水初期的最大涌水量为3 390.2 m3/d；利用稳定流裘布依理论公式得到正常涌水量为112.4 m3/d。计算结果与实测最大涌水量和正常涌水量大小相近。该研究方法及成果可供其他类似工程参考。