引绰济辽工程2号隧洞涌水量预测分析

康家亮，程宪龙

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

随着地下工程设计和施工的需要，我国从20世纪80 年代起，铁路、水利水电、冶金等部门开始了对隧洞涌水量预测的系统研究，从定性分析逐步发展为定量评价和计算，特别是最近几十年，研究的深度和广度都有了很大的拓展，但也存在许多缺点和不足。随着工程项目的开展和对实际涌水量的统计，各种隧洞涌水量预测方法所计算的结果也不断地得到验证，不同预测方法之间也得到了相互比较，这些工程应用对隧洞涌水量的预测研究做出了贡献。但无论是隧道正常涌水量还是最大涌水量，都是依季节变化，预测时误差较大，尚无成熟的理论和公认的准确计算方法[1-4]。

1 隧洞涌水量预测方法

目前，隧洞涌水量的预测方法主要有确定性数学模型和随机性数学模型两大类。确定性数学模型方法包括水文地质类比法、水均衡法、水力学法、地下水动力学法、数值法等；随机性数学模型方法主要有“黑箱”理论、灰色系统理论、时间序列分析、频谱分析等[5]。每种预测方法都有其特定的应用条件和适用范围，都有一定的局限性，因此，一般采用不同的方法相互验证，以使预测结果更加合理。常用的预测方法有水文地质类比法、地下水动力学法和简易水均衡法等[6]。

当新建隧洞附近有水文地质条件相似的既有隧洞或坑道及岩溶区时，可采用水文地质比拟法预测隧洞涌水量。当隧洞通过潜水含水体时，可采用地下水动力学法对隧洞可能最大涌水量及稳定涌水量进行计算。其中，计算隧洞最大涌水量的方法包括古德曼经验式、佐藤邦明非稳定流式、大岛洋志法；计算隧洞稳定涌水量的方法包括落合敏郎法、裘布衣理论式、柯斯嘉科夫法、佐藤邦明经验式等。简易水均衡法包括地下径流深度法、地下径流模数法和降水入渗法。当越岭隧洞通过一个或多个地表水流域时，预测隧洞正常涌水量可以采用地下径流深度法和地下径流模数法；当隧洞通过潜水含水体且埋藏深度较浅时，可采用降水入渗法预测隧洞正常涌水量。

2 工程概况

引绰济辽调水工程地处中低山及丘陵区，为寒温带大陆性气候区，多年平均降水量为424.5 mm。2 号隧洞穿越沙巴尔吐河、查干木伦河、胡尔勒河，以及沿线多条次级支流与冲沟谷地的下部，隧洞最大埋深约280.0 m，局部河谷及浅埋段埋深为28.0～60.0 m。隧洞长度为58.505 km，为无压隧洞，设计流量为18.58 m3/s，开挖洞径4.0～5.0 m，开挖断面面积根据不同围岩类别不等。隧洞沿线地层岩性主要为凝灰岩、凝灰角砾岩、酸性熔岩、凝灰砂砾岩、变质砂岩、板岩、安山岩。侵入岩为致密块状花岗岩、花岗斑岩，以及部分第四系河流冲洪积层和坡残积层。工程区断裂构造总体不太发育，无区域性断裂、活动断裂穿越。线路沿线地下水主要为河谷第四系松散岩类孔隙潜水及基岩风化网状裂隙水，受大气降水补给，向河流排泄。

3 计算方法

引绰济辽输水2 号隧洞工程属长引水隧洞，穿越低山丘陵区，岩体中的地下水径流及排泄条件较为复杂，隧洞附近尚没有与之条件相似的完整工程可以借鉴，难以采用水文地质比拟法对隧洞涌水量进行预测。结合前期勘察成果及隧洞的工程、水文地质等条件，文中采用古德曼法、大岛洋志法、中国工程经验法、裘布依公式法、地下径流法及降水入渗法预测计算隧洞的涌水量。

4 参数确定

4.1 洞段的划分

引绰济辽工程输水线路2 号隧洞分别穿越沙巴尔吐河、查干木伦河和胡尔勒河，穿河段为富水段，其他段在山体下穿过，一般为弱富水段，局部断层部位为富水段。根据隧洞围岩富水情况的不同，分别将3 个穿河段单独计算，并依据河流为界，将2 号隧洞划分为7 段进行计算，分段情况见表1。

表1 2 号隧洞底板以上5 段钻孔压水试验成果表

表2 2 号隧洞底板以上5 段钻孔压水试验范围内渗透系数表m/d

4.2 隧洞围岩透水性

根据隧洞底板以上5 段压水试验资料，分段统计压水试验吕荣值平均值、大值平均值和小值平均值，并依据渗透系数与透水率吕荣值的转换公式，计算渗透系数k，见表1，2。

4.3 洞底以上潜水含水体厚度

洞底以上潜水含水体厚度H取地下水位线至洞底板的距离，文中依据等面积法分别计算各段H的平均值，见表3。

表3 2 号隧洞各段地下水位线至洞底板的距离H

5 涌水量预测计算

5.1 最大涌水量预测

文中采用古德曼法、大岛洋志法、中国经验法预测最大涌水量。

1）古德曼法[5]

式中：L为通过含水体的隧洞长度，m；K为含水体的渗透系数，m/d；H为静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离，m；d为洞身横断面的等效圆直径，取5.6 m。

2）大岛洋志法[6]

式中：q为洞身通过含水体单位长度最大涌水量，m3/（d·m）；r0为洞身横断面的等效圆半径，取2.8 m；m为转化系数，一般取0.86。

3）中国经验法[6]

依据工程实践总结的最大单位涌水量经验公式：

计算结果见表4。

表4 隧洞最大涌水量计算成果表m3/（d·km）

5.2 正常涌水量预测

文中采用裘布依公式法、地下径流模数法、降水入渗法预测正常涌水量。

1）裘布依公式法[5]

当隧洞通过潜水含水体时，可采用裘布依公式：

式中：QS为洞身通过长度为L的含水体的正常涌水量，m3/d；h为洞内排水沟假设水深，取0.1 m；Ry为隧洞涌水地段的引用补给半径，m。

2）地下径流模数法[6]

式中：Q为洞身通过长度为L的含水体的正常涌水量，m3/d；M为地下径流模数，取314.84 m3/（d·km2）。

3）降水入渗法[5]

式中：α为降水入渗系数，取0.20；W为年降水量，取424.5 mm；A为隧洞通过含水体地段的集水面积，km2。

计算结果见表5。

表5 隧洞正常涌水量计算成果表m3/（d·km）

5.3 涌水量地质建议值

1）最大涌水量

对比表4 的计算结果，古德曼公式和中国经验法计算结果比较接近，大岛洋志法计算结果较小。根据计算结果，并结合有关工程经验，综合确定最大涌水量地质建议值，见表6。建议保证隧洞施工安全的排水设计采用最大涌水量建议值计算。

表6 隧洞涌水量地质建议值表m3/（d·km）

2）正常涌水量

对比表5 的计算结果，降水入渗法计算结果数据相对合理，裘布依公式法偏小；地下径流模数法所采用的M值为附近河流特默河流域的地表径流模数，准确性值得商榷，计算结果偏差较大。综合考虑，文中主要按降水入渗法计算值，并参考最大涌水量计算结果确定正常涌水量地质建议值，见表6。建议施工期隧洞废水处理设计采用正常涌水量建议值计算。

6 结语

目前，隧洞涌水预测往往都要计算最大涌水量和正常涌水量，一般考虑开挖初期为最大涌水量，随着地下水的排出，降落漏斗形成后，一般认为是正常涌水量。作为偏安全考虑，施工期安全防护设计选择涌水量时，建议采用最大涌水量；而隧洞施工排水和环境保护处理水量，建议采用正常涌水量。隧洞涌水量的预测方法并不是普遍适用的，不同的方法有不同的适用条件，应用时必须按水文地质条件选择合适的预测方法，不可滥用。建议采用不同的预测方法进行对比，分析不同预测方法计算结果的差别和原因，最终给出涌水量的建议值。隧洞涌水量预测的难点就是水文地质参数和计算边界条件的确定，应综合考虑勘察期工程和水文地质条件，以及该地区的多年平均降水量、降雨入渗情况等，选取相对合理的地质参数进行计算。该工程隧洞涌水量的预测，在分析几种计算结果的基础上，并参照了一些工程案例，最终给出了涌水量地质建议值，可以为工程以后的隧洞涌水量预测提供借鉴作用。