基岩裂隙含水系统与隧洞外水压力的相关性研究

于士程，刘洪铖，卢长伟

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021）

1 工程背景

ABH输水隧洞是连接南北两侧的大型跨流域调水工程，洞长41 920 m，设计洞径5.2 m，最大输水流量65 m3/s，底坡1/559，为无压输水隧洞。输水隧洞洞底高程1 270～1 195 m，埋深在500～2 268 m的洞段长占总长的2/3，属超深长隧洞[1]。隧洞沿线断裂构造发育，较大断层36条，以压、压扭性为主[2]。隧洞跨越距离超长，地质条件异常复杂，洞子埋深超大，外水压力折减系数的确定对外水压水计算及围岩支护设计具有重要意义。因此，研究引入基岩裂隙含水系统概念，为外水压力折减系数的确定提供必要指导[3]。

2 隧洞地下水环境及其补径排条件

作为山地水循环系统的径流过程，隧洞沿线地下水的补给、径流和排泄具有以下特征：①大气降水形成高山积雪或汇集成高～中山区径流，进入山地水循环系统，形成产流区。②高山积雪融水为径流稳定补给源，高～中山区降水为辅助补给源。③高山积雪融水迅速下渗进入冰水堆积物及浅层裂隙岩体，随岩体裂隙发育程度、径流条件、地形坡降及补给量等的不同，形成潜流或溢出汇集成明流。④来自产流区的补给水源依靠地形重力梯度，维持了一定水力坡降的基岩裂隙潜水位，在各种适宜的条件下，或沿岩体裂隙径流，或受阻以下降泉出露，或因地形低洼溢出为地表径流。因此，表现出河流、沟谷两岸地下水位一般高于河水位，相对低洼地带出现泉水露头及地下潜流于河谷地带溢出进入明流等水文地质现象。⑤地下水位动态变化具有明显的季节性，与区域气象因素相关。

上述隧洞区域的地下水活动性特征，主要是反映了浅层基岩裂隙水的赋存和运动状态，即反映了隧洞地下水环境场的浅部渗流特征，是与径流补给源关系最密切的基岩表生作用裂隙潜水环境。对于深埋隧洞的不同埋深洞段，浅层基岩裂隙潜水均是在垂直方向上向隧洞集中渗流和作用外水压力的最大“地下水动力学”来源，因此，沿隧洞方向对其水文地质条件进行分带是必要的。

3 基岩裂隙含水系统确定

地应力场和地下水渗流场既是岩体赋存的两大基本环境场，同时，两场之间也是互为影响、互为依存的关系；而表生地质作用范围，是岩体裂隙水渗流最为活跃和水文地质环境最为复杂的范围。考虑岩体裂隙水与对其所赋存环境可能产生影响的地形地貌、地层岩性、地质构造、表生地质作用及地应力环境等因素之间的关系，可将基岩裂隙含水系统由浅到深划分为浅层、深层及超深层基岩裂隙含水系统。

3.1 浅层基岩裂隙含水系统

该单元大体与岩体风化带、卸荷相当，其岩体节理裂隙相对较为发育，地应力较低，张开裂隙较多，岩体透水性相对较强。一般为强透水至弱透水，渗透系数为K（10-1～10-4cm/s），相应透水率为1～100 Lu。岩体风化带、卸荷的厚度与岩性和地形有直接关系。由于浅层裂隙含水单元总体上是向上开放的，具有相对统一并随地形坡降变化的自由水面，对于同一单元而言，均属于裂隙潜水的概念范畴。由于裂隙发育的不均匀和复杂性，浅层局部切入单元潜水位以下的低洼沟谷地带地下水露头和钻孔地下水水头可能高出地面，表现出“局部承压性”，但其不可能高过该单元潜水位，因此，仍是该单元潜水系统的一部分。相比较而言，该单元岩体裂隙水最为丰富，与地表水和大气降水的水力联系最为密切，其补给、径流、排泄循环也相对强烈，且随季节变化明显。

3.2 深层基岩裂隙含水系统

从含水孔隙特征角度讲，深层含水裂隙主要为构造裂隙，裂隙的发育程度和张开度已不受风化、卸荷影响，其张开程度以微张-闭合状为主，地应力较高，构造裂隙已有不同程度的压密，但仍有部分裂隙未达到挤压闭合的程度。岩体的渗透性以弱透水和微透水(10-4～10-6cm/s)为主，并含有极微透水岩体(K＜10-6cm/s)。构造裂隙发育程度及张开度对岩体声波速度和渗透性有直接影响。据此，当岩体波速与岩块波速值相近时，即可认为岩体中无节理裂隙或节理裂隙呈紧闭状态，可将此深度作为深层裂隙含水层的底界。

深层含水系统岩体的富水性明显比浅层岩体弱，多为贫水状，局部可能处于干燥状态。除断裂构造等较大破裂结构面外，一般与浅层含水系统水力联系较弱，地下水补给、径流及排泄条件较差且相对滞缓。

3.3 超深层基岩裂隙含水系统

由于超深层地区地应力大，节理裂隙大多处于闭合状态，除大的断裂构造破碎带外，岩体大多贫水或无水。地下水的补给、径流和排泄十分缓慢，与浅部地下水系统主要通过大的断裂结构面发生较弱的水力联系。有的超深层水可能为漫长地质历史时期赋存下来的“古老地下水”，岩体渗透性极微弱，一般透水率小于0.1 Lu，局部透水率大于1.0 Lu，岩体渗透系数在10-7～10-9cm/s之间。超深层水往往因弹性释放而表现出承压水的特性，但水量不大。

4 基岩裂隙含水系统应用

本文以博罗科努山南坡主脊附近高山产流及入渗补给区单元为例，通过确定基岩裂隙含水系统，从而定性确定洞段岩体外水压力折减系数。该单元分布有奥陶系呼独克达坂组(O3h)矽卡岩化灰岩及志留系上统博罗霍洛山组(S3b)浅变质砂岩，海拔多在3 000 m以上，几乎一年四季都有降雪，是基岩裂隙水的主要补给源。冰雪堆积时间长，其持续融化过程保证了补给源的稳定。该地段物理风化作用强烈，地表岩体破碎，岩屑堆积物厚度巨大，在地表较大坡降下，稳定融化的雪水亦能迅速下渗进入堆积层和基岩裂隙，仅少量形成地表径流。一般在高程3 000 m上潜流为主，以下出露为明流，流量逐渐增大汇流成河并沿途补给地下水。相对输水隧洞而言，该地段潜水位很高，含水带厚度不均匀且起伏较大（即包气带厚度和饱水带厚度变化较大）。

从该单元JDZK3钻孔声波测试成果来看，在孔深245 m以上声波速度一般为4 300～5 000 m/s，孔深245 m以下波速值一般为5 400～6 700 m/s，在245 m处有一个明显的增加变化，可以理解为该钻孔附近岩体卸荷下限深度245 m。考虑到该地区强烈的构造运动及地形切割等特征，卸荷深度可能达到300 m以上，综合分析认为，隧洞浅层基岩裂隙含水层底界埋深为300 m。

从该单元JDZK3钻孔声波测试成果来看，波速值与孔深关系：

式中：Vp——声波波速值，cm/s；h——钻孔孔深，m。

岩块的声波波速为6 700 m/s，相应孔深为824 m。综合分析认为，隧洞深层基岩裂隙含水层的底界面埋深应在800～1 000 m。

由于隧洞埋深一般可达到1 600～2 200 m，因此，“悬挂”在基岩上部的裂隙含水带相对隧洞为“上层滞水”状态，若“上层滞水”向隧洞产生集中渗流或施加外水压力，则需穿过其间厚度巨大且逐渐密闭完整的裂隙岩体（即相对隔水层）进行“越流”补给，其水力联系和影响势必是很微弱的。因此，该洞段岩体外水压力折减系数一般可能很小。

5 结语

综上所述，浅层基岩含水系统裂隙水最为丰富，与地表水和大气降水的水力联系最为密切，其补给、径流、排泄循环也相对强烈，且随季节变化明显；深层基岩裂隙水含水系统富水性明显比浅层岩体弱，多为贫水状，局部可能处于干燥状态；由于超深部地区地应力大，节理裂隙大多处于闭合状态，除大的断裂构造破碎带外，岩体大多贫水或无水。

引入基岩裂隙含水系统来确定外水压力折减系数，在ABH 引水隧洞中已经得到很好的应用，今后在引水隧洞建设过程中，应加强对地下水补径排条件的勘察，全面掌握隧洞区的水文地质情况；可以充分利用钻孔数据及声波测试确定卸荷及基岩裂隙含水层界线。