某水利樞紐交通洞涌水模式地質(zhì)分析

李今朝，郭衛(wèi)新，張黨立，楊繼華

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)1988年前已建成隧道中的80%在施工中遭遇到涌水、突水災(zāi)害，總涌水量達(dá)到1 000 m3/d以上的有31座［1］。涌水問(wèn)題是最常見(jiàn)的隧洞地質(zhì)災(zāi)害，受巖性、構(gòu)造、巖溶、水文、氣候環(huán)境等多方面因素影響，涌水形成機(jī)制復(fù)雜多變，只有正確認(rèn)識(shí)了隧洞涌水現(xiàn)象背后的地質(zhì)成因機(jī)制，才能制定出經(jīng)濟(jì)合理的施工方案［2］。實(shí)踐證明準(zhǔn)確的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可以有效減少涌水地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生［3］。本文以某水利樞紐交通洞涌水為例，探討分析了涌水的三種成因模式，突出了地質(zhì)分析的重要作用，同時(shí)指出綜合應(yīng)用各種技術(shù)手段才能提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

1 工程概況

交通洞工程區(qū)位于柴達(dá)木盆地東北緣的宗務(wù)隆山區(qū)，海拔3 300 m以上，地表切割強(qiáng)烈，地貌屬于構(gòu)造剝蝕山地。工程區(qū)氣候寒冷干燥，日照強(qiáng)、降雨少，屬于干旱、半干旱區(qū)。大地構(gòu)造上處于東昆侖褶皺帶與祁連褶皺系、秦嶺褶皺帶交接部位，歷經(jīng)多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地質(zhì)構(gòu)造、節(jié)理裂隙極為發(fā)育。隧洞穿越地層為石炭系上統(tǒng)宗務(wù)隆山群(C3zh)，巖性以薄層狀砂質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖互層為主，局部夾中厚層狀大理巖、極薄層炭質(zhì)板巖，巖層產(chǎn)狀170°～350°∠75°～85°，受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，巖層中節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層中一般發(fā)育3～4組節(jié)理，風(fēng)化卸荷垂直影響深度最大可超過(guò)100 m，圍巖較破碎;地下水一般為線狀滴水，過(guò)溝段出現(xiàn)股狀涌水，圍巖多為互層結(jié)構(gòu)或碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)，總體以Ⅲ－Ⅳ圍巖為主，前期勘察結(jié)論是局部存在涌水問(wèn)題。

進(jìn)場(chǎng)交通洞，起點(diǎn)樁號(hào)K1+707，終點(diǎn)樁號(hào)K3+461，總長(zhǎng)1 754 m，縱坡降2%;交通洞斷面為城門洞型，開(kāi)挖洞徑9．2 m，高約7 m，洞軸向由56°，轉(zhuǎn)為近南北向351°，隧洞埋深20～400 m，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是礦山Ⅲ級(jí)。2011年7月28日開(kāi)始采用鉆爆法施工，歷時(shí)17個(gè)月，于2013年1月7日實(shí)現(xiàn)貫通。

2 涌水過(guò)程及施工方案

2．1 交通洞涌水過(guò)程

2012年11月21日，交通洞開(kāi)挖至樁號(hào)K2+806，掌子面突然出現(xiàn)坍塌，并出現(xiàn)大量涌水，涌水量遠(yuǎn)超出了地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果，初步測(cè)算的涌水量約100 L/s;11月23日，掌子面開(kāi)挖至K2+809，出現(xiàn)了更大的涌水，涌水量高達(dá)300 L/s以上，鉆爆開(kāi)挖只得停工。干旱山區(qū)存在如此豐富的地下水突破了前期勘測(cè)資料的認(rèn)識(shí)。隧洞涌水引起了建設(shè)各方的高度關(guān)注。為查明隧洞涌水地質(zhì)原因，施工單位在掌子面右下方布置了1個(gè)直徑110 mm的超前地質(zhì)鉆孔，水平鉆孔深16 m，孔口涌水最大水平噴射距離達(dá)12 m，顯示隧洞附近存在強(qiáng)大的外水壓力，掌子面前方存在著規(guī)模巨大的富水帶。

為保證施工安全，施工單位首先對(duì)掌子面進(jìn)行排水減壓。在掌子面下方增加4個(gè)排水孔后，外水壓力顯著減小，鉆孔水平噴射距離很快減小至4～5 m，但總的涌水量有所增加。隨著排水孔的增加，排水孔水平噴射距離、涌水量逐漸減小，至12月7日，單孔涌水量顯著減小至10～20 L/s，總涌水量減小為100 L/s左右，排水減壓效果明顯。12月27日，隧洞開(kāi)挖至樁號(hào)K2+842，隧洞涌水僅出現(xiàn)在掌子面右側(cè)邊墻，洞內(nèi)總涌水恢復(fù)到20～30 L/s的正常狀態(tài)，最終確認(rèn)強(qiáng)烈涌水段寬度為36 m。

2．2 涌水量觀測(cè)

隧洞出現(xiàn)涌水后，在洞口位置設(shè)置觀測(cè)標(biāo)志，加強(qiáng)了流量觀測(cè)，連續(xù)記錄了37 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)記錄，可以做出洞口涌水流量隨時(shí)間變化曲線(圖1)，初步測(cè)算37 d內(nèi)總的涌水量達(dá)到了54．45萬(wàn)m3。

圖1 K2+806～K2+842隧洞涌水量隨時(shí)間變化曲線Fig.1 Change curve of water inflow with time

2．3 涌水段施工方案

參與交通洞建設(shè)的四方經(jīng)過(guò)充分的討論，于2012年11月26日提出了涌水段的施工方案:①首先采用超前排水孔(管徑110 mm)對(duì)掌子面充分排水，洞側(cè)壁增加排水管，以保持圍巖穩(wěn)定;②加強(qiáng)初期支護(hù)，108 mm工字鋼間距，由150 cm調(diào)整為80～100 cm;③沿頂拱部位布置一排超前小導(dǎo)管，間距30 cm，導(dǎo)管長(zhǎng)4．5 m，斜上15°，并注漿封孔;④嚴(yán)格遵守短進(jìn)尺、弱爆破、勤支護(hù)的原則;⑤加密涌水量觀測(cè)、圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)。施工單位耗時(shí)38 d穿越了強(qiáng)烈涌水段。

3 涌水模式地質(zhì)分析

3．1 三種涌水模式的成因機(jī)制

通常情況下砂質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖、碳質(zhì)板巖是隔水層，即使作為裂隙含水層，其富水性也是較差的。工程區(qū)屬于干旱、少雨區(qū)，隧洞出現(xiàn)大規(guī)模涌水是異常的，一定有其獨(dú)特的的成因機(jī)制，基于以上認(rèn)識(shí)，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)工程師構(gòu)建了斷層富水帶、連通地表溝水、向斜富水帶3種涌水模式，以探討涌水成因機(jī)制。

第一種涌水模式是將涌水成因歸結(jié)于區(qū)域斷層富水帶。掌子面的有類似于斷層帶的特征，根據(jù)區(qū)域斷層地質(zhì)特征及已有素描成果，推測(cè)隧洞有可能遇到較大規(guī)模的斷層帶;斷層帶寬度20～30 m，補(bǔ)給源長(zhǎng)達(dá)幾千米，甚至更遠(yuǎn)，富水帶通過(guò)斷層帶與臨谷相連，即地下隧洞涌水有持續(xù)的遠(yuǎn)程補(bǔ)給。第一個(gè)超前地質(zhì)鉆孔探16 m，探測(cè)結(jié)果基本否定了斷層富水帶的存在。鉆孔巖芯并未出現(xiàn)斷層角礫巖、構(gòu)造巖、斷層泥等斷層物質(zhì)及其它斷層跡象;孔口噴出水清澈、無(wú)異味、水質(zhì)良好;圍巖層面相當(dāng)穩(wěn)定，未見(jiàn)扭曲、變形現(xiàn)象，因而初步排除了區(qū)域斷層富水帶造成的涌水模式。

第二種涌水模式歸結(jié)于與地表溝水相連通。交通洞出口上游有一常年流水支溝，支溝上游與洞向接近平行，地表溝水有可能與地下含水層存在密切水力聯(lián)系。涌水段埋深大約140 m，前段素描資料顯示垂直卸荷裂隙影響深度可達(dá)100 m以上，地表溝水完全有可能通過(guò)卸荷裂隙、構(gòu)造裂隙、層面溶隙等與地表溝水相聯(lián)系，把地表水直接導(dǎo)入洞內(nèi)，造成隧洞持續(xù)涌水的現(xiàn)象。地質(zhì)人員沿支溝進(jìn)行了水文地質(zhì)調(diào)查，在支溝上游發(fā)現(xiàn)一向斜構(gòu)造，巖層傾向由北轉(zhuǎn)向了南，上游支溝斷流，沒(méi)入地下，但淺層地下水依然有可能補(bǔ)給涌水段含水層。

第三種模式是向斜構(gòu)造富水帶模式。地表水通過(guò)風(fēng)化、卸荷裂隙、構(gòu)造裂隙下滲入向斜構(gòu)造核部，經(jīng)長(zhǎng)年的聚集，形成了一定規(guī)模的富水帶。隧洞樁號(hào)K2+773～K2+852之間為一向斜構(gòu)造，上游產(chǎn)狀傾向S:190°∠85°，下游巖層傾向 N:產(chǎn)狀10°∠80°，向斜波長(zhǎng)約90 m，向斜核部即為涌水段。地表調(diào)查顯示涌水段位于一背斜構(gòu)造的南翼，結(jié)合隧洞素描圖的驗(yàn)證，繪出了復(fù)式向斜構(gòu)造示意圖2。

圖2 K2+806～K2+842涌水段向斜構(gòu)造示意圖Fig.2 The synclinorium sketch of gushing area1．石炭系上統(tǒng)砂質(zhì)板巖夾泥質(zhì)板巖;2．石炭系上統(tǒng)炭質(zhì)板巖夾大理巖;3．裂隙密集帶;4．地下潛水位。

因該向斜為緊閉線性褶皺，推測(cè)其延伸長(zhǎng)度為1 000 m。盡管向斜兩翼由薄層狀板巖夾大理巖組成，但由于其褶曲發(fā)育，巖層中卸荷裂隙、溶隙、裂隙密集帶發(fā)育，由相對(duì)隔水層變成了含水層，證實(shí)了隔水層與含水層是相對(duì)的觀點(diǎn)［4］。從掌握的資料來(lái)看，用向斜構(gòu)造富水帶模式解釋隧洞涌水是最合理的。

通過(guò)涌水模式的地質(zhì)分析，作者得出結(jié)論:隧洞涌水的根源主要是向斜富水帶，是近源補(bǔ)給，富水帶凈儲(chǔ)水量是有限的，涌水量會(huì)逐步減小，沒(méi)有必要增加永久性排水工程措施，原排水溝設(shè)計(jì)可以滿足運(yùn)行要求。

3．2 估算涌水量

為了驗(yàn)證向斜涌水模式的合理性，又根據(jù)向斜富水帶模型進(jìn)行了涌水量估算。向斜富水帶可以歸為蓄水池簡(jiǎn)單管道自由出流模型。依據(jù)直徑110 mm的水平排水孔(距洞底1．2 m)最大水平噴射距離為12 m，計(jì)算出排水孔口水流速度V=24 m/s。再根據(jù)管嘴自由出流流量計(jì)算公式［5］計(jì)算作用水頭H。

式中:Q為管嘴流量(m3/s) ;μ0為流量系數(shù)取0．60;A為排水孔面積(m2);g為重力加速度9．8(m/s2);H為含水層厚度(m)。計(jì)算出隧洞上方含水層厚度H=81．6 m。

理想條件下向斜裂隙密集帶的給水度的值接近巖體的裂隙率，向斜富水帶的給水度μ≈0．1(含有溶隙率)。向斜巖層傾角按80°計(jì)算，儲(chǔ)水帶呈一梯形槽，梯形的橫截面積S≈4 000 m2，根據(jù)調(diào)查結(jié)果推測(cè)向斜槽的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=1 000 m，則其儲(chǔ)水量Q1=μ·S·L，計(jì)算得富水帶裂隙釋出水量為40×104m3。根據(jù)洞口實(shí)際觀測(cè)的流量，37 d的總排水量為54×104m3，估算涌水量小于實(shí)際涌水量，說(shuō)明了向斜富水帶實(shí)際集水面積要大于計(jì)算條件。

4 結(jié)語(yǔ)

砂質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖是隔水層的概念對(duì)合理解釋隧洞涌水造成了困惑，正確理解了隔水層相對(duì)性之后，為查明涌水成因機(jī)制開(kāi)拓了思路，事實(shí)證明裂隙密集發(fā)育的砂板巖也可以是含水層。總結(jié)隧洞涌水問(wèn)題處理過(guò)程，筆者得到以下認(rèn)識(shí):

(1)隧洞施工應(yīng)高度重視現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖地質(zhì)資料的收集，及時(shí)、全面、客觀、綜合分析施工地質(zhì)資料是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，為準(zhǔn)確判定涌水成因機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。地質(zhì)成因分析法發(fā)揮了重要作用。

(2)向斜構(gòu)造富水帶揭示了宗務(wù)隆山區(qū)地下裂隙水賦存的特點(diǎn)，證明了隔水層、含水層概念的相對(duì)性，為區(qū)域類似工程實(shí)踐積累了有益的經(jīng)驗(yàn)。

(3)鑒于宗務(wù)隆山區(qū)地下水賦存狀態(tài)復(fù)雜多變，具有不可預(yù)見(jiàn)性，隧洞施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)綜合物探TSP(Tunnel Seismic Pridiction)手段的使用，以提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和工作效率。

［1］ 周濤，王國(guó)欣．山嶺公路隧道施工中涌水的防治措施分析［J］．西部探礦工程，2006(7):173－175．

［2］ 羅玉虎．摩天嶺隧道涌水原因分析及處治措施［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，7(2):408 －411．

［3］ 李維宏．TSP超前預(yù)報(bào)在新萬(wàn)山寺隧道涌水災(zāi)害防治中的應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2010(2):27 －30．

［4］ 王大純，張人權(quán)，史毅虹．水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)［M］．北京:地質(zhì)出版社，1986:22－23．

［5］ 李煒，徐孝平．水力學(xué)［M］．武漢:武漢水利電力大學(xué)出版社，2000:195－196．