背斜蓄水构造隧道区水文地质特征及涌水预测——以下坝隧道为例

易世友,李 强,涂明江,先 开,刘汉武

(贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队,贵州 遵义 563000)

0 引言

纳雍至兴义国家高速公路纳雍至晴隆(第二合同)下坝隧道位于贵州省六盘水市六枝特区北西侧的关寨镇堕却村境内,起于关寨镇龙潭村,止于堕却村南侧的倮那,进口高程1 304.38 m,出口高程1 345.84 m,全长5 194 m。该隧道采用人字坡形设计,最高标高1 362 m,最大埋深约430 m,属特长隧道,其轴线走向方位角225°转240°,洞身呈弧形展布,为分离式隧道。

下坝隧道穿越堕却背斜蓄水构造,水文地质条件极为复杂,本文以下坝隧道所在完整水文地质单元为研究区,综合分析了研究区水文地质特征,并采用多种计算方法对隧道涌水量进行了预测。

1 地质背景

研究区位于羌塘—扬子—华南板块之华南陆块黔北隆起区六盘水裂谷带之六盘水北西向构造变形区,在北东—南西向主应力作用下,形成一系列轴向大致平行的、呈NW方向展布的褶皱与断裂带,下坝隧道穿越墮却背斜(图1),受区内断层(堕却断层、牛坡断层)的切割,把背斜分成四段,但整体背斜轮廓清晰。堕却背斜核部地层为石炭系上统马平组至二叠系阳新统栖霞-茅口组,北东翼受堕却断层的破坏缺失了大部分石炭系上统马平组一段(C2P1m1)地层,断距约180 m。南东翼出露地层齐全,由老到新依次有石炭系上统马平组(C2P1m)二叠系罗甸阶梁山组(P2l)、阳新统栖霞组(P2q)和茅口组(P2m)。

区内主要断裂为墮却断层,断层总体走向北西向,倾向南西,东段产状45°∠60～70°,西段产状230°∠65～75°。断层南东段表现为茅口组内部的顺层滑动,地貌上形成沿走向线状负地形特征,断距不明;断层中段头塘一带表现为梁山组与茅口组的接触,断面倾向北东,断距在200 m左右;断层北西段表现为马平群一段与三段接触,断面倾向南西。沿断层带可见发育宽几米至几十米断层破碎带,具有多期活动的特征,下坝隧道YK79+410 m处穿过该断层带,隧道轴线与断层近于垂直相交。

图1 研究区水文地质略图

2 水文地质特征

2.1 碳酸盐岩含水岩组及富水性

区内碳酸盐岩含水岩组为石炭系马平组、栖霞茅口组。马平组分布于堕却背斜核部,出露面积大,岩性为灰、深灰色中厚层灰岩、泥质灰岩夹少量粘土岩、页岩,含水介质为溶洞、管道、裂隙等,岩溶极为发育,年均径流模数达28 L/s·km2,钻孔单井涌水量168.48～2 098.4 m3/d,富水性强。栖霞茅口组分布于堕却背斜两翼,岩性为灰岩、生物屑灰岩、泥灰岩等,含水介质为溶洞、管道、裂隙等,年均径流模数22～35 L/s·km2,钻孔单井涌水量51～1 822.18 m3/d,富水性强。

2.2 地下水系统及补径排特征

研究区为堕却背斜蓄水构造控制的完整水文地质单元,可细分为8个地下水系统,其中下坝隧道直接穿过龙潭地下河系统、汪家箐地下河系统和倮那地下河系统(见上图1)。

龙潭地下河系统位于下坝隧道YK76+600～YK77+800进口段,碳酸盐岩含水岩组为栖霞茅口组,其补给源主要有2处,一是汪家箐地下河出露地表后形成地表溪沟,以有水落水洞直接入渗补给;另一补给源为骂支地下河以伏流入口补给,地下水沿岩溶管道由南东向北西径流,最终在龙潭地下河出口排泄出地表,出口标高1 255 m,调查时流量299.61 L/s。该地下河岩溶管道平面总体上呈单支状展布,最长约4.31 km。水力坡度30.4‰。

汪家箐地下河系统处于下坝隧道中段,补给区为系统南侧箐头、茅草坪及中部荒坝一带,含水岩组为石炭系上统马平组,地表洼地、落水洞极为发育,大气降水沿斜坡地带在下坝汇集成溪沟,于荒坝一带的岩溶洼地、落水洞垂直向下补给,地下水沿岩溶管道由南东向北西径流,受地形切割以地下河出口形式出露地表,该地下河出口距离隧道线路仅150 m,标高1 444 m,隧道底板比该地下河出口低104 m,调查时流量14.97 L/s,丰水期最大流量约500 L/s。岩溶管道平面呈树枝状,管道长约2.16 km,水力坡度32.8‰。

倮那地下河系统位于下坝隧道YK80+720～YK82+150出口段,含水岩组为马平组、栖霞茅口组。补给区范围较大,主要位于系统北西部郎树根、郎节坝以及箐泥塘一带,大气降水汇集于洼地内,通过落水洞、溶蚀裂隙等垂向补给地下水,下游以地表溪沟形式于瓦房头一带落水洞、溶蚀裂隙垂向补给地下水,地下水总体由北西向南东、南径流,受峨眉山组(Pβ)玄武岩隔水层阻隔,排泄于地表,出口标高为1 412 m,调查时流量180.46 L/s,丰水期最大流量1 172.99 L/s,此外铁路隧道引水洞标高1 483 m,调查时流量33.4 L/s,丰水期最大流量217.1 L/s。

2.3 构造对地下水的控制作用

构造致使岩层破碎、裂隙发育,为地下水运移与富集提供了空间,墮却背斜为紧密褶皱,下坝隧道垂直穿越墮却背斜,背斜核部构造应力集中,构造节理、裂隙极为发育,节理、裂隙相互穿插,密度大、连续性、开张性较好,加之工作区的茅口组和马平组的灰岩较纯,岩溶极发育,该背斜蓄水构造形如一个完整的“地下水库”,在背斜实施的钻孔中,涌水量达2 098.4 m3/d,降深仅8 m,核部实施的钻孔自流量达432.131 m3/d。

3 隧道涌水量预测

3.1 涌水量计算原则

下坝隧道进口YK77+201～YK77+560段处于包气带中,其余部分均处于饱水带中,隧道涌水量计算分为静储量和动储量两部分。静储量计算主要为隧道开挖在含水层中疏干降落漏斗范围内的“静储量”,动储量为地下水系统含水层中“径流量”,隧道建设过程中和建成后,从YK77+560～YK82+395段涉及的地下水系统之间边界将不复存在,构造一个统一的地下水系统,最终以下坝隧道为排泄基准面,则隧道动储量为汪家箐地下河系统、牛坡分散排泄系统及倮那地下河系统中地下水集中排泄点的总排泄量,因此,依据地层岩性、构造对隧道涌水量分为4段进行计算,采用泉流量汇总法、大气降水入渗法、地下水径流模数法、洼地入渗法计算动储量,对比分析后将动储量与静储量之和得出隧道涌水量。

3.2 计算方法及公式的选择

3.2.1 动储量计算

1)泉流量汇总法

将下坝隧道穿越的汪家箐地下河系统、倮那地下河系统补给范围内地下水集中排泄点(岩溶泉、地下河出口)平、丰季流量进行求和,计算出隧道动储量。

2)大气降水入渗法

根据隧址区水文地质条件、地层岩性及含水层特征对其进行分段计算,计算公式:

Q=2.74α×X×B×L

(1)

式中:Q为隧道正常涌水量(m3/d);α为入渗系数,根据区域数据采用经验值及隧址区水文地质条件确定;X为年降雨量(mm); B为积水面积宽度,单位为km,B一般为0.5 L,但不超过5～6 km;L为隧道纵断面长度,单位为km。

3)地下水径流模数法

计算公式:Q=86.4×M×F

(2)

式中:M为地下水径流模数(l/s·km2),按年平均径流模数计算;F为隧道通过含水体的地下积水面积(km2)。

4)地下水动力学法

计算公式:Q=q0·L

(3)

(4)

3.2.2 静储量计算

静储量对隧道涌水量的大小影响,与掘进速度有关,掘进快则涌水量大,掘进慢则涌水量小。每天静储量的涌水量为:

(5)

式中:Q静为每天静储量的涌水量(m3/d);Qv为静储量(m3);T为降落漏斗范围内静储量疏干时间(d)。

静储量按照下列公式进行计算。

Qv=V·μ=(LRH)·μ

(6)

表1 入渗系数取值统计表

3.3 参数的选择

3.3.1 降雨量

研究区多年平均降雨量选取六枝特区1 363.68 mm,最大年降雨量为2 087.70 mm。

3.3.2 入渗系数α

入渗系数根据不同区段的地层、裂隙发育、地貌类型及岩溶发育等特点选用经验数据,区内不同地层的入渗系数取值见表1。

3.3.3 径流模数M

区内各地层径流模数取值见表2。

表2 径流模数取值统计表

3.3.4 渗透系数K

C2P1m含水岩组各钻孔渗透系数见表3。

表3 钻孔渗透系数统计表

3.3.5 隧道影响半径R

将隧道视为钻孔,隧道开挖后形成的影响半径采用地下水动力学法估算,公式如下:

(7)

式中:R为影响半径(m);S为地下水降深值(m),隧道开挖后地下水降深视为原水位降至隧道底板,隧道各分段取降深平均值;k为渗透系数(m/d),各分段取相应含水岩组的钻孔计算的值;H为含水层厚度(m)。

图2 下坝隧道分段汇水面积示意图

下坝隧道各分段影响半径计算结果见表4。

3.3.6 汇水面积F

下坝隧道分段的汇水面积为对应的地表范围内的地下水的补给面积,同时考虑了隧道开挖的影响半径。隧道各分段的汇水面积见图2所示。

表4 下坝隧道影响半径计算结果表

3.4 隧道涌水量计算结果及评价

下坝隧道涌水量计算结果见表5,其中正常涌水量为20.01万 m3/d,最大涌水量为36.73万 m3/d。

综合分析,YK77+201～YK77+560进口段平面上隧道进口标高较岩溶管道高,隧道开挖不会揭穿龙潭地下河岩溶管道,下坝隧道与龙潭地下河管道间无水力联系,涌水量较小;YK77+560～YK81+748段穿越堕却背斜核部,应力集中,断裂十分发育,岩石破碎,两翼有隔水地层阻水,为背斜蓄水构造,涌水量较大,开挖过程中发生涌水、突水的可能性大;YK81+748-YK82+395出口段隧道标高低于地下河出口,下坝隧道开挖后形成新的排泄基准面,发生隧道“袭夺”地下河的可能大,隧道涌水量较大。

表5 下坝隧道涌水量计算结果表

4 结语

(1)研究区为堕却背斜蓄水构造控制的完整水文地质单元,断裂构造发育,碳酸盐岩分布广,水文地质条件极为复杂,将研究区细分为8个岩溶地下水系统,下坝隧道穿越了龙潭地下河系统、汪家箐地下河系统和倮那地下河系统。

(2)采用大气降水入渗系数法、径流模数法、地下水动力学法、泉流量汇总法计算出下坝隧道最大涌水量为367 274 m3/d(36.73万 m3/d),正常涌水量为200 147 m3/d(20.01万 m3/d。评价认为YK77+201～YK77+560进口段涌水量较小,不易发生突水、涌水,YK77+560～YK81+748中段和YK81+748-YK82+395出口段涌水量较大,极易发生突水、涌水。