楓香坡隧道巖溶發育規律及涌水量預測

周曉光

(鐵道第一勘察設計院,陜西西安 710043)

1 工程概況

楓香坡隧道位于湖南省龍山縣水田壩鄉下比寨村東南的武陵中低山區。隧道起訖里程為CK112+900～CK117+680,全長4 780 m,為雙線單洞隧道,單面坡。進口位于湖南省龍山縣水田壩鄉下比寨村東南一沖溝內,隧道出口位于猛必鄉猛必村四、五組附近一沖溝內,進口高程為592.5 m,出口高程為532.7 m。隧道洞身最大埋深約540 m。

2 自然地理特征

2.1 地形地貌

楓香坡隧道位于武陵山中低山區。除坡體頂部、坡腳及沖溝中覆蓋少量粉質黏土外,大部分地段基巖裸露,山體走向近N45°E。整體分為三級臺階：

一級臺階高程為1 100～1 000 m,相當于區域Ⅲ級剝夷面,低丘形態,主要為丘陵洼地,在線路CK115+500左側形成串珠狀洼地,每個洼地均有巖溶漏斗、落水洞及暗河發育,其中張家界洼地最大,雨季易出現內澇排水不暢情況,這些洼地多為垂直徑流帶。

二級臺階高程為900～850 m,相當于區域Ⅳ級剝夷面,殘丘形態,主要為開闊谷地,位于線路CK115+500右側,洼地內地勢平坦,落水洞分布較多。明流及暗河交替出現,其中最大的車拉坪洼地地表形成一暗河較長的水平徑流區。

三級臺階高程為500～650 m,相當于區域Ⅴ級剝夷面,寬谷形態,位于隧道出口段落,以水平巖溶管道為主,地表水、溶洞及暗河均發育。

2.2 氣象特征

隧道所屬區氣候屬中亞熱帶山地季風濕潤型,氣候溫和,四季分明。由于處于中低山區,氣候變化呈垂直規律,常出現一山有四季,十里不同天的情況。年平均氣溫16.5 ℃,極端最高氣溫39 ℃(8月),極端最低氣溫-3.7 ℃(1月)；年平均降雨量,年最大降水量1 488.4 mm,年最小降水量970.9 mm；年平均蒸發量1 036.6 mm,年最大蒸發量1 207.6 mm。

3 隧道地質特征

3.1 地層巖性

隧道工程范圍涉及主要巖性為第四系全新統粉質黏土、志留系中統羅惹群組頁巖夾砂巖、志留系上統紗帽群組頁巖、泥盆系中上統寫經寺組及云觀臺組砂巖夾泥灰巖、二疊系下統馬鞍組及棲霞組眼球狀灰巖、二疊系下統茅口組鮞狀灰巖。

3.2 地質構造

本區大地構造單位隸屬揚子地臺,二級構造單元為鄂黔臺褶帶。經過多期次構造變動,才形成今日雄偉壯觀的北北東向和北東向山脈及小型山間盆地相間的地貌景觀,區內褶皺構造及其伴生斷裂發育。

隧道通過猛必向斜西北翼：向斜核部由三疊系下統灰巖組成,兩翼由二疊系至志留系組成。兩翼巖層產狀：西北翼N30°～50°W/15°～30°S；東南翼N35°W/35°～ 45°N；軸向N45°E,軸面傾向SE。隧道通過地段無斷裂構造通過。

4 水文地質條件

4.1 地下水類型及特征

本區地下水的分布規律和賦存條件,受到氣候、構造、巖性及地貌控制。隧道區山體巖層歷經多次構造變動,褶皺、斷裂、節理裂隙均較發育,其接觸帶、原生層理裂隙等構成了地下水儲存的基本條件。根據地下水的賦有條件、水理性質及水動力特征,本工點地下水主要有第四系松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶裂隙溶洞水。其中與隧道關系較密切的裂隙水按成因又分為網狀風化裂隙水及脈狀構造裂隙水,受其所處地貌位置、構造部位和巖性特征的控制,并因補給條件的不同,地下水的分布亦有明顯的差異性。

第四系松散堆積層孔隙水主要賦存于隧道通過區的溝谷及巖溶洼地中,以淺表層形式存在,隧道洞身位置均未出現。

基巖裂隙水主要賦存于志留系中統羅惹坪群組頁巖夾砂巖、志留系上統紗帽群組頁巖、泥盆系中上統寫經寺組及云臺觀組砂巖夾泥灰巖,基巖裂隙水較豐富,為隧道區主要含水巖組。

巖溶裂隙溶洞水主要賦存于二疊系下統馬鞍組及旗下組眼球狀灰巖、二疊系下統茅口組鮞狀灰巖、二疊系上統灰巖,巖溶裂隙溶洞水豐富,為隧道區最重要的含水巖組。

4.2 可溶巖水補徑排特征

巖溶地區以灌入式補給為主,滲入式補給為輔,這種補給方式決定了巖溶水具有動態變化大的特點。

巖溶補給區——各級剝夷面上幾乎全為具有漏斗、落水洞等泄水孔道的大小洼地密布,特別是沿節理密集帶和向斜軸部、可溶巖與非可溶巖接觸帶密度更大,最有利于大氣降水的灌入式補給。巖溶化剝夷面上的地表溪流也大多消入地下,成為有些暗河的重要補給來源之一。此外也不排除接受源于外圍碎屑巖區的地表水或基巖裂隙水的越域補給。

巖溶區高級剝夷面的巖溶水向低級剝夷面匯流排泄,巖溶水的主要賦存和運移的通道——暗河管道系統,根據地層巖性、地質構造和地形地貌的不同,主要有以下二種水動力類型：橫向線流型(暗河主干道順地層走向發育),向斜匯流型。

山區裸露型巖溶水以無壓流為基本特性,也不排除局部地帶有承壓水,由于巖溶發育很不均一,即使在同一巖體中,透水性差異也甚大。巖溶水的排泄特點多以暗河出口、泉水排泄,再就是通過徑流排泄到地表水,猛必河可視為山區巖溶水的最終排泄基準面。

隧道上方車拉坪、張家界等大型巖溶洼地及落水洞發育。隧道區大泉極少(流量大于5L/s),僅有一處,暗河發育。每個巖溶洼地巖溶水均形成各自獨立的暗河徑流系統,最終向猛必河排泄。

4.3 非可溶巖水補徑排特征

非可溶巖區以滲入式補給為主,第四系孔隙水及基巖裂隙水區結合地層巖性具有潛水特征,水循環交替作用強烈,經過短暫的循環,通過溝谷以泉的形式泄出地表匯流成溪,部分補給基巖裂隙水。

4.4 地下河管道分布特征

地下暗河的形成嚴格受地層、巖性、地質構造的控制,地下河的埋深及出露與地形、地貌關系密切。但受白堊紀以來區域性間歇性隆起影響,經歷了漫長的巖溶化過程,在質純易溶地層中,溶洞、地下河強烈發育,因此其發育、發展、演變過程極為復雜,本區地下河大多發育在灰巖地層中,發育方向與區域構造線的關系多為垂直關系(如表1所示)。

表1 楓香坡隧道附近暗河基本特征匯總

暗河進口高程處于三級剝夷面,出口高程處于五級剝夷面,進入雨季特別是大的暴雨后,有的暗河,其流量是現在流量的幾倍至十幾倍。僅有的一個巖溶大泉遠離隧道,也處于五級剝夷面。

推測張家界巖溶洼地的暗河進口與23號暗河相連,進口地表水實測流量8 232 m3/d,通過投放示蹤劑(乒乓球及稻殼)做連通試驗,經各暗河出口觀測點5 d記錄,未發現示蹤劑,驗證了隧道區暗河系統極為復雜,具有多層次、多回路的特點。

4.5 水化學特征

通過地表水、暗河取樣6組做簡分析及侵蝕性分析,隧道通過基巖裂隙水區地下水水化學類型為SO4·HCO3—Na·Ca ·Mg型水,礦化度都小于0.1 g/L；通過巖溶裂隙溶洞水區地下水水化學類型為SO4·HCO3—Na·Ca型水,礦化度都小于0.3 g/L；均為極好的淡水,對混凝土無侵蝕性。

4.6 富水性分區及評價

根據水文地質調查、地層巖性、構造、巖溶發育程度以及隧道的埋深,并結合物探資料及區域水文地質資料,將楓香坡隧道區圍巖含水巖組的富水性劃分為基巖裂隙水中等富水區、巖溶裂隙溶洞水強烈發育區。

巖溶裂隙溶洞水強富水區(Ⅰ)：隧道洞身位置CK115+730～CK117+680(長1 950 m),分布于隧道的中部及出口端,地層巖性為二疊系下統馬鞍組及旗下組眼球狀灰巖、二疊系下統茅口組鮞狀灰巖、二疊系上統灰巖,該區泉水發育,巖溶洼地、落水洞、漏斗及暗河發育,測區范圍內共有4條暗河,僅有一條與隧道有關,推測該暗河相交于隧道DK115+800,在隧道上方通過,根據物探資料分析,暗河在隧道上方約260 m通過。本區地下水豐富,根據區域水文地質資料,地下徑流模數采用1 728.00 m3/d·km2。

基巖裂隙水中等富水區(Ⅱ)：CK112+900～CK115+730(長2 830 m),分布于隧道的進口端及中部,地層巖性為志留系中統羅惹坪群組頁巖夾砂巖、志留系上統紗帽群組頁巖、泥盆系中上統寫經寺組及云臺觀組砂巖夾泥灰巖,該區以風化裂隙水為主、構造裂隙水次之,泉水發育,地下水較豐富,根據地表水實測資料,地下徑流模數采用平均值1 073.62 m3/d·km2。

5 隧道區巖溶發育規律及評價

5.1 巖溶類型及主要特征

隧道工程附近二疊系下統馬鞍組及棲霞組眼球狀灰巖、二疊系下統茅口組鮞狀灰巖巖溶強烈發育,巖體表面發育溶痕、溶隙、溶溝及溶槽,并形成落水洞、溶洞、暗河等不良地質現象。

溶痕為地表水沿可溶性巖層進行溶蝕所形成的微小的溝道,隧道工程附近灰巖表面隨處可見寬數厘米至十余厘米,長數厘米至數米的溶痕。

溶隙為地表水沿可溶性巖層的裂隙滲流溶蝕擴大所形成的溝隙,隧道工程附近灰巖發育很多寬數厘米至1～2 m,長數米至數十米的溶隙。

溶溝、溶槽為地表水沿可溶巖的節理裂隙進行溶蝕和機械侵蝕所形成的小型溝槽,隧道工程附近多發育寬度數厘米至數米,長度數米至數十米的溶溝、溶槽。

落水洞為巖體中的裂隙受水流溶蝕,機械侵蝕以及塌陷而成,是地表水通往地下河和溶洞的通道,隧道工程附近發育13處較大落水洞,洞口橢圓形、圓形,寬約3～4 m,長約3～6 m,高程位于840～1 080 m。

溶洞為地下水對可溶性巖石進行溶蝕和機械侵蝕作用而形成的地下空洞,隧道工程附近發育許多小型溶洞,形態多樣,洞身曲折,無經常流水,主要發育2處較大溶洞,洞口橢圓形,寬約2～4 m,長約3～5 m。

隧道工程附近發育較大的暗河進口有6處,橢圓形,寬約2～4 m,長約3～6 m,高程位于900～1 100 m,出口有5處,橢圓形、圓形,寬約2～4 m,長約2～6 m,高程位于475～525 m。

巖溶洼地為巖溶作用形成的小型的封閉洼地,是由相鄰漏斗逐漸加寬合并而成,隧道工程附近發育有8個巖溶洼地,寬約100～350 m,長約100～1 130 m,高程位于840～1 080 m,洼地中央多發育有溶洞、落水洞及暗河進口。其中,車拉坪巖溶洼地位于隧道CK115+200上方右側約300 m,地面高程約901 m,隧道高程約590 m,高差約300 m；張家界巖溶洼地位于隧道CK116上方左側約500 m,地面高程約1 030 m,隧道高程約575 m,高差約455 m,洼地內一暗河進口。

5.2 巖溶空間發育規律及控制因素分析

巖溶地區,哪怕是巖溶極發育的地區,也絕非處處是空洞,比比皆管道。在巖溶含水層中,大都是微細溶隙和巨大洞穴管道并存,賦存于其中的地下水,往往各自成獨立的補給排泄系統,彼此之間一般無直接的水力聯系。反映在水文地質特征上,一是富水性極不均一性,二是地下水系統的相對獨立性。

縱觀不同期次剝夷面巖溶的發育情況,可以看出該區域內不同期次剝夷面的巖溶發育情況有所不同,位于三級剝夷面的灰巖,層理、節理發育,落水洞分布較散,多在小型山間洼地中,地表水經溶蝕洼地、落水洞等垂直下滲,沿坡面附近至巖層內部巖溶發育較為強烈,溶蝕面受巖層垂直節理及風化節理控制。位于四級剝夷面的灰巖,層理、節理發育,貫通性好,溶蝕現象嚴重,沿層理及節理可見溶槽、溶坑、褐銹色條紋等,局部亦有小型空洞。位于五級剝夷面的灰巖,層理發育,貫通性好,溶蝕現象嚴重,沿層理可見溶槽、溶坑、溶洞等。地表水經溶蝕洼地、落水洞等垂直下滲以及水平徑流形成暗河。溶蝕面主要的控制因素為巖層層理及節理。

5.3 巖溶區發育強度分級及綜合評價

綜上所述,隧道場地區域內巖溶水經三級剝夷面垂直下滲,Ⅳ級剝夷面垂直下滲以及短暫的水平徑流最終在高程為500～650 m之間，相當于區域五級剝夷面流出,匯入河谷。隧道場地內的可溶巖段落,巖溶發育較為強烈,巖石表層溶痕、溶槽、溶溝順層發育。地表巖溶漏斗、落水洞、洼地、溶丘相間,與溶洞、地下暗河等已形成系統。其中,線路里程CK117+320至隧道出口段,溶蝕面較低,巖溶發育最低處距線路軌面高差不足100 m,需注意巖溶對隧道工程的影響,其他段落巖溶發育最低處距線路高差多為100 m以上,但有可能在洞身局部有巖溶水富集的封閉水腔,需注意巖溶水對隧道工程造成的影響。根據《鐵路工程不良地質勘察規程》的分類標準,結合區域地質資料和現場地質調查,場地巖溶發育程度判定為強烈發育。

6 隧道涌水量預測

本次初測對隧道通過區的3條溝谷進行了調查,隧道出口端的無名溝無水,有水的2條溝取樣做水質分析,并進行流量測定，如表2。

表2 楓香坡隧道溝水流量量測及徑流模數計算

楓香坡隧道長4 780 m,水文地質條件復雜,為了取得較合理的隧道涌水量值,本次初測通過對隧道通過的2條常年流水的溝進行了測流,并結合區域水文地質資料,采用降水入滲法、地下徑流模數法預測隧道涌水量。

6.1 降水入滲法計算隧道正常涌水量

采用公式

Q1=2.74wαA

式中Q1——隧道的正常涌水量/(m3/d)；

w——年降水量/mm；

α——降水入滲系數；

A——隧道通過含水體地段的面積/km2。

根據隧道圍巖的巖性、巖體裂隙及巖溶發育特點：α一般取值0.20～0.59之間,隧道區年最大降水量采用1 488.4 mm。計算結果見表3。

表3 降水入滲法計算隧道涌水量

6.2 降水入滲法對最大涌水量預測

本方法是利用宜萬鐵路重點科研項目對巖溶水隧道最大涌水量預測的研究成果。隧道突水涌水量與降雨強度關系十分密切,經研究分析，采用多年日最大降雨量來預測隧道最大涌水量。

采用公式

Q2=1 000αXAη

式中Q2——隧道涌水量/(m3/d)；

α——降雨入滲系數,取值0.59；

X——日最大降雨量/mm；

A——隧道集水面積/km2；

η——時間滯后系數,取值0.25。

其中,將隧道所在地區五年一遇(P=20%)的日最大降雨量124.5 mm和五十年一遇(P=2%)的日最大降雨量192.9 mm，作為隧道不同頻率下的日最大雨量值。計算結果見表4。

表4 巖溶段隧道最大涌水量預測成果

本次巖溶段隧道最大涌水量采用5年一遇的計算結果。

6.3 地下徑流模數法

利用公式

式中Q3——隧道通過地表水流域時涌水量/(m3/d)；

M——地下徑流模數/(m3/d·km2)；

A——隧道所在流域匯水面積/km2；

Qi——地表水流域的枯水流量，代表該流域地下水徑流量/(m3/d)；

F——地表水流域匯水面積/km2；

B——隧道在流域通過時影響寬度/km；

L——隧道通過流域時涌水段長度/km。

計算結果見表5。

表5 地下徑流模數法計算隧道涌水量

6.4 涌水量預測計算方法的選擇

綜合分析上述3種方法預測隧道的涌水量,認為降水入滲法計算隧道的正常及最大涌水量較為合理,基巖裂隙水中等富水區最大涌水量按正常涌水量的3倍考慮,預測該隧道的正常涌水量為16 846 m3/d,可能出現的最大涌水量為115 710 m3/d。

由于平導距離正洞30 m,地層巖性及長度與正洞一致,故平導的涌水量可完全參照正洞的涌水量,不再另行計算。結果見表6。

表6 楓香坡隧道輔助坑道涌水量計算

7 分段水文地質條件評價

(1)基巖裂隙水中等富水區(Ⅱ)：隧道洞身位置CK112+900～CK115+730,預測該段隧道正常涌水量約2 770 m3/d,可能出現的最大涌水量約8 310 m3/d。該段落長度2 830 m,占整個隧道的59.2%,隧道施工通過節理密集帶、不同巖性的接觸帶及下穿車拉坪溝谷地表水,可能會發生突然涌水現象。

(2)巖溶裂隙溶洞水強富水區(Ⅰ)：隧道洞身位置CK115+730～CK117+680,預測該段隧道正常涌水量約14 076 m3/d,可能出現的最大涌水量約107 400 m3/d。該段落長度1 950 m,占整個隧道的40.8%。在可溶巖地段及不同巖性的接觸帶施工,將會遇到大小不等的溶洞、溶隙,并下穿一條暗河,不排除遇到以靜儲量形式存在為主的有壓溶腔水,發生突水、突泥的現象,致使圍巖易造成坍塌,應提前做好地質超前預報工作,時刻要有應急預案,及時做好排水及防范措施,確保施工中人身與機械的安全。

(3)根據物探V8資料,在非可溶巖與可溶巖接觸帶、CK116+250～CK116+380(長130 m)、CK116+900～CK117+050(長150 m)、CK117+500～CK117+600(長100 m)段落，有可能發生突水、突泥現象。

8 結論

楓向坡隧道用水量預測是在詳細的資料收集、物探分析及宜萬鐵路巖溶隧道科研成果利用的基礎上進行的,鑒于巖溶裂隙溶洞水以及基巖裂隙水的非均質各向異性特點及隧道區水文地質條件的復雜性,設計及施工過程中需要注意以下幾點：

(1)所預測用水量代表區段總涌水量,文中所述的單位涌水量并不代表該段的涌水性質是均一的,涌水量預測的結果仍需在施工中加以驗證及動態修整。

(2)對易發生坍塌變形、突涌水的巖體破碎帶、巖性接觸帶、節理密集帶及隧道淺埋地段,設計及施工中做好地質超前預報工作,做好超前支護并且及時襯砌。

(3)非可溶巖區隧道施工開挖,對股狀涌水及突涌水大的段落,建議采用以堵為主,以排為輔,堵排結合的措施；可溶巖區隧道施工開挖,對股狀涌水及溶腔突涌水的段落,建議采用以排為主,以堵為輔,排堵結合的措施。

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