某电站土洞地下水分析与涌水处理

郭如杰 许小路

【摘 要】地下工程中水文地质条件是至关重要的，地下水对地下工程的破坏力也是巨大的，特别是土洞开挖过程中如果出现大量涌水，土体受到冲刷，土的强度下降，导致土的稳定性变差，洞室安全存在隐患。文章对某电站尾水隧洞土洞的水文地质条件进行描述，针对开挖过程中揭露的涌水情况进行统计，结合地层分析洞内出水原因。结合现场抽水试验粗略获得的渗透系数、降水漏斗等参数，对初步实施的地面降水方案和洞内降水方案进行计算研究，评估方案的可行性，最终确定最优的降水方案，尽快解决洞内出水的问题，加快施工进度。

【关键词】地下工程;水文地质;抽水试验;降水方案

【中图分类号】TV743 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）03-0119-03

0 引言

地下工程是指深入地面以下为开发利用地下空间资源所建造的地下土木工程，未来将会建造更多的地下工程以满足人们生产生活的各种需求。水文地质条件是指有关地下水形成、分布和变化规律等条件的总称，包括地下水的补给、埋藏、径流、排泄、水质和水量等。一个地区的水文地质条件是随自然地理环境、地质条件及人类活动的影响而变化的。开发利用地下水或防止地下水的危害，必须通过勘察，查明水文地质条件[1]。

中东某电站位于约旦河谷西岸，尾水隧洞土洞穿过Lisan组地层和Bira组地层[2]，土层分别为泥灰土层和含砾石黏土地层。

2019年8月18日，土洞掌子面超前排水孔施工过程中大量出水，最大出水量约12 m3/h，混水中含砂、黏土块，采取封堵措施并进行引排水，稳定出水量为5～

6 m3/h，清水。为了土洞开挖稳定安全，决定先对土采取降排水处理措施，再进行土洞开挖。

1 水文地质条件

1.1 地层分布

土洞主要由表层的坡积及冲洪积含砾石粉质黏土（①层）、湖相沉积的泥灰质黏土（②层）和泥灰土（③层）、含砾石黏土（④层）组成，各土层描述如下。

（1）①坡积及冲洪积地层，分布于地表，为新近沉积地层，以含砾石粉质黏土为主，褐色，潮湿，硬塑-可塑状，砾石含量为10%～15%，块径为5～10 cm，磨圆度差，分布厚度为5～10 m。

（2）②和③均为湖相沉积地层，属Lisan组地层，以含碳酸钙高液限黏土为主，上部3～5 m为浅灰色（第②层），下部为深灰色（第③层），湿-饱和，可塑状，局部软塑状，呈薄层状分布，层间夹有粉砂或细砂层，该层近似水平状分布。

（3）④湖相沉积与冲洪积相混杂地层，属于Bira组地层，以含砾石黏土为主，砾石含量为20%～30%，局部超过50%，最大块径为30 cm，棱角状，磨圆度差。黏土为高液限黏土，褐色，饱和，硬塑-可塑状。

1.2 水文地质

（1）地下水位。钻孔揭露地下水位一般在地面以下10～12 m，高于土洞洞顶，分布高程自西向东逐渐降低，表现为靠山侧地下水位高，而约旦河谷一侧地下水位低，呈现出基岩含水层向约旦河谷排泄的特征。

（2）土层渗透系数。根据钻孔压水试验，含砾石黏土层渗透系数在6.7×10-6～8.9×10-5 cm/s。泥灰土层具有显著的层状结构，渗透系数各向异性特征明显，钻孔抽水试验得到的渗透系数仅能反映泥灰土层的水平渗透系数。

1.3 掌子面涌水成因分析

由于过渡区的交互相沉积，因此尾水土洞掌子面存在多层含砾石黏土质砂薄层夹层，而该土层具有较好的水力联通性，在开挖或钻孔过程中，穿透此含水层会出现较大的出水量。

2 地面排水井布置及观测数据

为了查明土层水文地质参数，在土洞开挖掌子面前方两侧布置4个排水井，呈梅花形布置，排水井井内水位变化如图1所示。

排水井W1、W2和W4孔地下水位均能降到土洞底板以下，W3孔地下水位维持在土洞底板高程附近。排水井排水能力显示最大排水能力为W3井，每小时排水量为3.1 m3/h，日排水能力为74.4 m3。

3 土层渗透系数计算

3.1 初始地下水位

根据地面排水井及前期勘探得到的地下水水位资料，确定排水设计和渗透系数分析中的地下水初始水位：W1井稳定水位埋深为26.6 m，W2井的稳定水位埋深为23.31 m，其余两井钻孔过程中未记录稳定水位。因为排水井施工过程中使用了膨润土护壁，所以井内记录的初见水位不能反映真实的地下水位。

3.2 计算模型

根据井的结构及实际的水文地质条件，初步确定W1、W2、W3、W4井属承压水非完整井，计算模型采用“稳定流非完整孔单孔（及多孔）抽水試验;承压水;过滤器置于含水层顶板”。

3.3 渗透系数计算

3.3.1 单孔抽水试验

（1）计算模型确定。根据《水电工程钻孔抽水试验规程》（NB/T 35103—2017）[3]附表D.0.2-1中稳定流非完整孔单孔抽水试验渗透系数计算。

计算公式如下：

公式（1）中：k为渗透系数（m/d）;Q为渗水量（m3/d）;r为过滤器半径（m）;l为过滤器长度（m）;s为降深（m）;α为系数，吉林斯基建议α取1.6，巴布什金建议α取1.32。

（2）适用性分析。该公式适用于过滤器长度l<0.3 M（含水层厚度）。在已安装的抽水井中，过滤器长度l=10 m，抽水井所在承压水含水层厚度为含砾石黏土层的厚度，取M=50 m。

（3）计算结果。W1井单孔抽水量Q=40.0 m3/d，过滤器长度l=10 m，降深sw=32 m，过滤器半径rw=0.1 m，由此计算得到：吉林斯基建议α=1.6时，渗透系数k=0.101 m/d，即1.17×10-4cm/s;巴布什金建议α=1.32时，渗透系数k=0.97 m/d，即1.12×10-4 cm/s。

W2井单孔抽水量Q=108 m3/d，过滤器长度l=10 m，降深sw=30 m，过滤器半径rw=0.1 m，由此计算得到：吉林斯基建议α=1.6时，渗透系数k=0.290 m/d，即3.36×10-4 cm/s;巴布什金建议α=1.32时，渗透系数k=0.279 m/d，即3.23×10-4 cm/s。

3.3.2 多孔抽水试验

（1）计算模型确定。根据《水电工程钻孔抽水试验规程》（NB/T 35103—2017）附表D.0.2-2中稳定流非完整孔多孔抽水试验渗透系数计算。

根据吉林斯基提出的稳定流非完整井多孔抽水试验计算公式：

公式（2）中：k为渗透系数（m/d）;Q为渗水量（m3/d）;l为过滤器长度（m）;r1、r2为观测孔与抽水孔的距离（m）;s1、s2为观测孔中的降深（m）。

（2）适用性分析。？譹？訛过滤器长度l<0.3 M（含水层厚度）。在已安装的抽水井中，过滤期长度l=10 m，抽水井所在承压水含水层厚度为含砾石黏土层的厚度，取M=50 m;实际情况可满足。？譺？訛r2≤0.3M，r1=0.3r2，抽水试验结合排水井的生产布置实施，实际情况为r1=29 m，r2=68 m，该布置不能满足上述计算模型的要求，对计算结果产生的影响较小。

（3）计算结果。在W1、W2和W3井投入运行后进行进一步抽水试验，将W3作为抽水孔，W1和W2作为观测孔，连续抽水48 h后，根据排水能力，稳定水量为59.8 m3/d。抽水过程中对观测孔内水位进行观测，在抽水孔W3中水位稳定后降深为17.58 m时，W2孔降深0.56 m，W1孔降深0.22 m。

采用吉林斯基计算公式，其中渗水量Q=59.8 m3/d，过滤器长度l=10 m;观测孔与抽水孔的距离r1=29 m，r2=68m;观测孔中的降深s1=0.56 m，s2=0.22 m，由此计算得到的渗透系数k=0.54 m/d，即6.25×10-4 cm/s。

3.3.3 结论

根据单孔抽水试验和多孔抽水试验成果分析，在抽水试验影响范围内土层分布不均，其渗透系数在1.12×10-4～3.36×10-4 cm/s。考虑以多孔抽水试验得到的渗透系数计算土洞段内的渗流量，同时进行排水设计时影响半径取68 m。

从推测降水漏斗来看，需加大W3井的排水能力，只有将W3井的水位降至隧洞底板高程以下10 m时，才能满足影响范围内地下水位降低至土洞底板高程以下。

4 土洞降排水方案

4.1 地面管井降水方案设计

管井降水方案设计计算的基本内容如下。？譹？訛计算确定尾水隧洞在含砾石黏土层洞段总的出水量：隧洞进行降水后，隧洞顶部及两侧范围均在降水漏斗范围内，类似于一个条状的基坑降水。隧洞两侧开挖边线可作为基坑宽度，隧洞长度可作为基坑长度。因此，隧洞的降水可类似于矩形基坑降水。隧洞出水量将参考基坑出水量计算方法。？譺？訛计算单井的出水量：分别按管井出水能力计算公式、干扰井群公式计算单井出水量，并同W1、W2、W3、W4排水井实际出水能力相比较，确定单井出水量。

（1）管井埋置深度计算公式如下。

公式（3）中，L为井点管总长（m）;H为基坑底板埋深，此处取50 m;h为井管露出底面高度，此处取0，根据现场井管布置确定;△h为降水后地下水位至基坑底面的安全距离，此处取1 m;i为降水漏斗水力梯度，线状布置取1/5;r1为井管至基坑轴线的水平距离，此处取15 m（W2、W3井距离隧洞轴线约15 m）;l为过滤器长度。

计算得出L=56.75+l。取过滤器长度10 m，则L应取67 m。

（2）管井计算。①隧洞出水量预测。根据W1、W2、W3井抽水试验，尾水隧洞土层的渗透系数为4.32×

10-4 cm/s（0.372 m/d），是抽水井整体的渗透系数，未区别黏土层和含砾石黏土层。根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）[4]，按承压～潜水非完整井（隧洞进入含砾石黏土层，黏土层和含砾石黏土层分别按相对不透水层和含水层考虑）两类，群井按大井简化的基坑降水总涌水量进行计算，含砾石黏土层洞段的出水量Q=1 168 m3/d。②单井出水量计算。按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012），管井的单井出水能力可按下式计算：

公式（4）中：q0为单井出水能力（m3/d）;rs为过滤器半径（m）;l为过滤器进水部分长度（m），取10 m;k为含水层渗透系数（m/d），取0.372 m/d。

按公式（4）可得出，W1、W2、W3、W4井的过滤器半径为0.05 m，则单井出水量为q0=135 m3/d。

W1、W2、W3、W4井的出水能力为28.8～74.4 m3/d，远小于计算值，单井出水量取4個排水井实际出水量的平均值54 m3/d，基本为单井出水能力的40%。

4.2 地面管井降水方案比选

（1）管井直径、数量比选。根据《建筑基坑支护技术规程》，管井的单井最大允许出水能力按公式（4）计算。

取不同过滤器直径进行计算，得出不同过滤器直径下单井最大允许出水量（见表1）。表1中埋置深度根据管井布置，按管井到隧道底板最远点距离，参考埋置深度公式进行计算。结合过滤管的埋置深度及含砾石黏土层厚度，考虑单井实际出水能力比计算值小，过滤器长度仍统一取10 m。

单井最大允许出水量，未考虑含水层厚度，实际出水能力达不到。实际施工中，应根据现场抽水试验资料求得单井出水量值，与上述公式进行对比后确定。根据W1、W2、W3、W4井的类比，单井出水量按40%进行折减。实际配泵的抽水能力应大于取用单井出水量的1.2倍。

（2）埋置深度比选。表1中的埋置深度为按对应过滤器直径、井点数量参数，根据降水漏斗估算的最小埋深深度。若埋置深度增加，则单个井的降水漏斗可涵盖更广的范围。如维持相同的过滤器直径、井点数量，降低埋置深度，将减小洞内排水的压力;如从纯计算上考虑，降低埋置深度10 m，管井数量可通过加大过滤器直径至1.25 m而减少至2孔。

此外，从W1、W2、W3、W4排水井的实际排水效果分析，此处地层水文条件较复杂，排水井排水效果存在不确定性，在综合考虑降水计算、场地布置等各方面因素后，采取排水井数量多的方案，整体排水效果更好。

4.3 降水方案初步布置

根据方案比选及经济性综合考虑，降水方案初步布置4个孔，井身直径为100 cm，过滤器直径不小于0.6 m，间距为55 m，管井埋置深度为70 m，以梅花形布置在尾水隧洞土洞两侧。

5 结束语

尾水隧洞即将进入含砾石黏土层，根据抽水试验推测，含砾石黏土层的渗透系数达4.32×10-4 cm/s（0.372 m/d），尾水土洞渗漏量较大，其开挖安全风险突出，有必要提前采取工程处理措施。考虑到本工程尾水隧洞水文地质条件的不确定性，建议进一步编制详细的尾水隧洞土洞突涌水、涌泥应急预案。

参 考 文 献

[1]张人权，梁杏，靳孟贵，等.水文地质学基础[M].北京：地质出版社，2018.

[2]DR ISRAELKEISSAR.Tailrace tunnel complementary site investigation geotechnical factual report[R].in Israel：G.Y.A. Soil and Foundation Engineering Ltd.，2019.

[3]NB/T 35103—2017.水电工程钻孔抽水试验规程[S].

[4]JGJ 120—2012.建筑基坑支护技术规程[S].