某鐵路隧道水文地質(zhì)分析及涌水量預(yù)測

李建偉

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300142)

工程地質(zhì)超前預(yù)報是前沿性研究課題，而水文地質(zhì)分析是工程地質(zhì)超前預(yù)報的重要內(nèi)容[1］[2］，研究的完善程度對重大工程施工運營安全具有指導(dǎo)意義。黃濤、王建秀[3］[4］等學者對隧道涌水的物理地質(zhì)特征、數(shù)理計算方法進行了探討，然而這些研究很少涉及物探測試，多注重地下水化學的流場分析。

研究區(qū)內(nèi)鐵路隧道位于內(nèi)蒙地區(qū)燕山余脈與陰山的交匯地帶，全長28.94 km，屬于鐵路雙線越嶺特長隧道。該工程已完成初步設(shè)計階段的地質(zhì)調(diào)查勘測工作，施工鉆孔27孔，其中共進行水文地質(zhì)試驗21孔，綜合測井8孔。隧道全線進行了貫通物探測試，結(jié)合大面積的水文地質(zhì)調(diào)繪，為研究本隧道的水文地質(zhì)條件提供了基礎(chǔ)。

1 隧址區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地形地貌及地層

隧址區(qū)處于內(nèi)蒙古高原向松遼平原的過渡地段，地貌屬剝蝕中低山區(qū)。部分地段山體基巖多裸露，植被稀疏，僅個別溝谷中有人工林發(fā)育。隧道范圍內(nèi)地勢總體東北高，西南低，隧道頂部山勢雄偉，地形崎嶇復(fù)雜，多呈懸崖陡坎，溝谷切割強烈。隧道所處山脈海拔高程一般在1 182～1 902 m之間，洞身最高點高程為1 746.4 m，隧道最大埋深696 m。

隧道范圍穿越地層復(fù)雜，進口為第四系上更新統(tǒng)風積新黃土;洞身范圍經(jīng)過的主要地層為二疊系哲斯組中段變質(zhì)砂巖，燕山期晚期二長花崗巖及閃長玢巖，侏羅系土城子組細砂巖，出口為二疊系哲斯組上段變質(zhì)砂巖。另外山澗溝谷底部多有第四系全新統(tǒng)沖洪積圓礫土、卵石土，緩坡分布上更新統(tǒng)坡洪積角礫土，坡腳分布上更新統(tǒng)風積新黃土。

按照巖石強度等級與地質(zhì)成因，二長花崗巖具似斑狀—斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)具細中—粗中粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育—不發(fā)育，堅硬，隔水性質(zhì)較好。閃長玢巖為中細—中粗粒結(jié)構(gòu)，似斑狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育—不發(fā)育，多為侵入巖脈，隔水性質(zhì)較好。變質(zhì)砂巖為細粒變晶結(jié)構(gòu)，條帶狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，在出口段破碎呈束狀，具有一定的親水透水性。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)大地構(gòu)造上位于陰山東西向造山帶，在強烈的褶皺造山地質(zhì)構(gòu)造運動及第四紀冰川作用下，區(qū)域發(fā)生多期巖漿侵入活動，分別有三期侏羅紀花崗巖侵入和一期白堊紀花崗巖侵入，表層基巖為較老的侏羅系和二疊系地層。老地層在巖漿侵入過程中發(fā)生區(qū)域熱變質(zhì)，形成變質(zhì)砂巖，變質(zhì)板巖等。在花崗巖與變質(zhì)巖體接觸面多發(fā)育接觸性斷層錯動，兩側(cè)巖體破碎。該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力強烈，巖體產(chǎn)狀多呈陡傾角產(chǎn)出，產(chǎn)狀多為NW及SE方向。隧道所通過的變質(zhì)巖及侵入巖山體結(jié)構(gòu)面發(fā)育。這些結(jié)構(gòu)面中既有沉積層面、不整合接觸面、影響寬度達到250 m的區(qū)域性的斷層帶，又有密集的節(jié)理面，節(jié)理面的間距為0.05～2 m。結(jié)構(gòu)面、斷層和節(jié)理裂隙疊置組合在一起構(gòu)成了隧道的構(gòu)造破碎帶，隧道工程地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 某鐵路隧道工程地質(zhì)剖面示意

根據(jù)現(xiàn)場水文地質(zhì)及工程地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探成果揭示，隧道通過地段共發(fā)育斷層20余條，隧道穿越的構(gòu)造破碎帶主要為以下幾段。

DK477+460～DK477+730段:分布正斷層 F6、F7，斷層影響寬度約35 m，巖性為侏羅系土城子組砂巖及礫巖。節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈片狀，塊石狀;發(fā)育一組近約70°的陡傾節(jié)理，節(jié)理間距5～15 cm，影響巖體穩(wěn)定。物探揭示該段有兩低阻異常條帶。

DK481+720～DK482+560段:分布正斷層F10、F11，斷層影響寬度約60 m，巖性為二疊系哲斯組中段青灰色變質(zhì)砂巖。節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層陡傾狀態(tài)，傾角50°，巖體破碎，呈碎塊狀。物探揭示該段分布低阻異常帶。

DK490+880～DK491+140段:分布逆斷層F13、正斷層F14，斷層影響寬度約40 m，巖性為燕山期淺肉紅色二長花崗巖。節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈碎塊狀。物探揭示該段為低阻異常帶，存在明顯電性分界。

DK496+950～DK497+170段:分布正斷層F21，其影響帶寬度約50 m，巖性為二疊系上統(tǒng)哲斯組上段變質(zhì)砂巖，強—弱風化，巖層處于陡傾狀態(tài)，傾角53°。物探亦揭示該段為低阻異常區(qū)。該段落節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，地下水類型以基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水為主，地下水較豐富，為重點考慮段落。

2 隧址區(qū)水文地質(zhì)特征

2.1 河流水系及氣象

隧址區(qū)南部為東西向的西拉沐倫河，南部降水多沿溝谷流向碧柳溝河，然后匯流進入西拉沐倫河;北部為烏梁蘇臺河，北部諸溝降水流入烏梁蘇臺河，最終匯入西拉沐倫河。

隧址區(qū)屬東亞中溫帶亞干旱大陸性季風氣候區(qū)，終年干旱少雨，歷年平均降水量為372 mm，歷年平均蒸發(fā)量為1 390 mm，降水多集中在7、8月份，蒸發(fā)量遠遠大于降水量，大氣降水對地下水的豐枯程度及動態(tài)變化起控制作用。

2.2 含水層及地下水類型

依據(jù)地下水賦存條件，區(qū)內(nèi)地下水以第四系孔隙水、基巖裂隙水為主，另存在少量松散巖類孔隙水。在斷層和不同巖層接觸破碎帶存在構(gòu)造裂隙水。

第四系孔隙水:分布于測區(qū)的河谷沖積階地、坡洪積山間谷地。含水層巖性、厚度、富水性因地而異。含水層巖性東部以礫卵石為主，顆粒較粗;西部為粉細砂含礫、砂礫層，顆粒相對較細。

基巖裂隙水:分布于低中山區(qū)，巖性主要為花崗巖類和變質(zhì)砂巖。測區(qū)花崗巖風化裂隙發(fā)育、風化殼厚20～30 m。變質(zhì)砂巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎。測區(qū)南部平房溝附近存在碎屑巖類孔隙水。

2.3 地下水補給、徑流、排泄特征

區(qū)內(nèi)地下水的補給、徑流、排泄受地形地貌條件控制。隧道所處東部中低山基巖裂隙區(qū)為補給區(qū)，西部坡洪積與溝谷區(qū)成為徑流、排泄區(qū)。

(1)地下水的補給特征

隧址區(qū)廣泛分布的基巖，在內(nèi)外營力長期作用下，致使巖層節(jié)理裂隙較為發(fā)育，為降水的直接滲入創(chuàng)造了有利條件。中山區(qū)基巖裸露，第四系堆積物覆蓋薄或無覆蓋，節(jié)理裂隙多未充填，富水性相對較強;低山區(qū)第四系堆積物較發(fā)育，山坡植被覆蓋，基巖出露條件相對較差，富水性較弱。裂隙發(fā)育特點是表層以風化裂隙(多為花崗巖)為主，泉水出露較多，構(gòu)造裂隙一般僅沿斷裂兩側(cè)呈脈狀、帶狀發(fā)育。大氣降水及地表溝谷河流的垂向滲入補給，是區(qū)內(nèi)各類地下水形成的主要來源。

(2)地下水的徑流特征

隧址區(qū)地形坡度較大，溝谷縱橫，切割較深，地表徑流條件良好，大部分降水可匯集成地表水快速順坡徑流。小部分降水入滲補給基巖裂隙水，除在流經(jīng)途中以泉水形式排泄于溝谷外，大多以潛流形式補給第四系孔隙水或深層基巖裂隙孔隙水。

地下水在得到入滲補給后即沿孔隙或裂隙自高而低作水平運移，地下水的流向與地表水流向基本一致，總的方向是自東北向西南流動，水力坡度較大，隧道區(qū)徑流條件良好。

(3)地下水的排泄特征

隧道區(qū)內(nèi)泉水流量、民井水位隨季節(jié)降水而變化，地下水位年變幅小于5 m。

區(qū)內(nèi)地下水排泄方式主要有泉水、溝谷水向區(qū)外的徑流、附近村民生活用水、農(nóng)田灌溉以及垂向蒸發(fā)等。其中地下徑流為其主要排泄方式，蒸發(fā)為本區(qū)普遍的重要排泄方式之一。

3 隧道涌水量計算

綜合基巖裂隙水發(fā)育情況、斷層構(gòu)造帶和隧道低埋處的影響，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，推測斷裂破碎帶處可能為地下水富集帶。因此在相應(yīng)位置布置鉆孔，并進行抽水或壓水水文地質(zhì)試驗，以求得巖土體的水文地質(zhì)參數(shù)。

3.1 鉆孔水文地質(zhì)試驗

根據(jù)實際情況，隧址區(qū)共完成21個單孔水文地質(zhì)試驗。對于抽水試驗，結(jié)合現(xiàn)場鉆孔的試驗井類型及地下水水力類型，采用《鐵路工程地質(zhì)手冊》中的抽水試驗計算公式[5］;對于壓水試驗，由于實際試驗段底部距隔水層之厚度大于試驗段長度，采用公式如下[5］

式中 K——滲透系數(shù)/(m/d);

ω——單位吸水量/(L/min·m2);

l——試驗段長度/m;

r——鉆孔的半徑/m。

求得不同鉆孔覆蓋層及不同風化程度基巖對應(yīng)的滲透系數(shù)K結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，隧道范圍內(nèi)淺部巖體的透水性和賦水性相對較強，向深部表現(xiàn)為由強→弱→微弱透水與非含水的變化規(guī)律，巖體滲透性與地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境之間存在著相互關(guān)系。

表1 隧道水文孔滲透系數(shù)計算結(jié)果

3.2 隧道涌水量預(yù)測

隧道區(qū)內(nèi)構(gòu)造破碎帶較發(fā)育，根據(jù)不同水文參數(shù)及地質(zhì)情況，隧道涌水量計算分段較多。限于篇幅，僅選取具有代表性的DK496+950～DK497+170構(gòu)造破碎段落進行涌水量計算。

DK496+950～DK497+170段:隧道穿越地層為二疊系上統(tǒng)哲斯組上段變質(zhì)砂巖，強—弱風化，分布斷層破碎帶及其影響帶F21，巖層處于陡傾狀態(tài)，傾角53°。物探亦推測該段為低阻異常區(qū)。該段落巖體破碎，地下水類型以基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水為主，地下水較豐富。滲透系數(shù)可參考18號鉆孔水文地質(zhì)試驗計算結(jié)果。

(1)涌水量計算公式的選取

在研究和總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)地下水的預(yù)測方法基礎(chǔ)上，從快速適用、可行的角度出發(fā)，同時又遵循有關(guān)國家標準規(guī)范，有選擇性地運用如下多種方法進行預(yù)測計算，這些方法包括地下水動力學方法、理論公式法以及經(jīng)驗公式法等[5-10］。

①柯斯嘉科夫理論公式

②佐藤邦明經(jīng)驗式

③最大古得曼法經(jīng)驗式

④正常、最大涌水量經(jīng)驗公式

⑤大島洋志半理論半經(jīng)驗公式法

⑥落合敏郎半理論半經(jīng)驗公式法

式中 Q——隧洞涌水量(m3/d，Qs為段落穩(wěn)定涌水量，Q0為段落最大涌水量);

q——單位涌水量(m3/d·m，qs為穩(wěn)定單位涌水量，q0為最大單位涌水量);

K——含水體的滲透系數(shù)/(m/d);

L——通過含水體的隧洞長度/m;

α——降水入滲系數(shù);

m——洞身橫斷面等價圓系數(shù)，一般取0.86;

ε——平均試驗系數(shù)，一般取12.8;

W——年降水量/mm;

A——通過含水體段的集水面積/km2;

H1(h2)——為靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離/m;

H(hc)——含水體有效厚度/m;

h0——洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深/m;

d——洞身橫斷面的等價圓直徑/m;

r(r0)——洞身橫斷面的等價圓半徑;

B——為洞身橫斷面寬度/m;

R——隧道涌水影響半徑/m。

(2)涌水量預(yù)測計算結(jié)果

分別根據(jù)以上涌水量公式對 DK496+950～DK497+170段進行計算，并根據(jù)結(jié)果綜合考慮，對該段落的涌水量預(yù)測推薦值如表2所示。

表2 DK496+950～DK497+170段涌水量計算結(jié)果

由表2可知，隧道內(nèi)DK496+950～DK497+170構(gòu)造破碎段的正常涌水量為3 199 m3/d，最大涌水量為7 860 m3/d，屬于強富水段。

同理，通過以上方法對隧道其余段落進行涌水量預(yù)測計算，可知隧道在斷層和不同巖性接觸面破碎帶、隧道沿線溝谷的第四系含水層、巖層破碎的隧道淺埋區(qū)都是潛在涌水的重要地段，屬于中等—強富水段。

4 結(jié)束語

(1)隧道范圍內(nèi)斷裂、節(jié)理裂隙面與結(jié)構(gòu)面組成的破碎帶為滲水的主要通道，降雨形成的地表水是地下水的主要補給來源。地下水以第四系孔隙水、基巖裂隙水為主，另存在少量碎屑巖孔隙水，在斷層和不同巖層接觸破碎帶存在構(gòu)造裂隙水。隧道內(nèi)DK496+950～DK497+170構(gòu)造破碎段的正常涌水量為3 199 m3/d，最大涌水量為7 860 m3/d，屬于強富水段。

(2)通過隧道勘探孔的水文地質(zhì)試驗及調(diào)查，可知隧道范圍內(nèi)淺部巖體的透水性和賦水性相對較強，向深部表現(xiàn)為由強→弱→微弱透水與非含水的變化規(guī)律，巖體滲透性與地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境之間存在著相互關(guān)系。

(3)綜合多種方法預(yù)測涌水量，隧道在斷層和不同巖性接觸面、破碎帶、隧道沿線溝谷且?guī)r層破碎的隧道淺埋區(qū)都是潛在涌水的重要地段，屬于中等—強富水段，可能會發(fā)生集中涌水、涌泥等問題，在工程施工中應(yīng)重點關(guān)注。

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