小浪底北岸灌區某隧洞F29斷層承壓水涌水數值模擬分析

李永新, 李向峰, 魯 琴

(1.河南省水利勘測有限公司,河南 鄭州 450003; 2.德州市水文局,山東 德州 253016; 3.鄭州市市政工程勘測設計研究院,河南 鄭州 450018)

小浪底北岸灌區某隧洞F29斷層承壓水涌水數值模擬分析

李永新1, 李向峰2, 魯 琴3

(1.河南省水利勘測有限公司,河南 鄭州 450003; 2.德州市水文局,山東 德州 253016; 3.鄭州市市政工程勘測設計研究院,河南 鄭州 450018)

針對小浪底北岸灌區某隧洞F29斷層高位承壓水涌水問題,采用三維數值模擬法研究多種工況條件下隧洞開挖過程的涌水量,進行涌水量和可能性預測及不同處理方案對比分析,提出合理的F29斷層高位承壓水處理方案建議。分析結果表明,不采取防滲處理措施情況下斷層涌水量比斷層影響帶涌水量顯著,但基本不可能發生突泥現象;采用隧洞內超前高壓注漿防滲措施能有效減少隧洞的涌水量,在同一寬度的影響范圍內,防滲截面面積的大小直接影響到涌水量的大小,灌漿截面越大,涌水量越小。數值分析成果為隧洞承壓水處理提供重要參考依據,也為地質環境條件類似的工程提供借鑒。

斷層;承壓水;涌水;數值模擬;三維模型;注漿處理

隧洞富水性構造涌水對隧洞施工及后期安全運行有重大的危害性,隨著工程建設的發展和隧洞長度的增加、埋深加大,深埋特長隧洞施工遭遇突水突泥已成為一種十分普遍和復雜的水文地質災害。隧洞在開挖過程中,破壞了含水層原有的結構,同時使得地下水動力條件發生轉變。隧洞涌突水多發生在滲透能力強、含水豐富及巖體破碎的地層中,尤其是褶皺或斷層發育的地區,對地下水滲流通道的連通性和規模皆有較大的影響。隧洞施工涌突水不僅降低圍巖穩定性,而且給施工帶來很多不良影響,特別是在有大量高壓涌突水的情況下,一方面會帶來設備和儀器損失、投資增加、工期延誤,甚至導致人員傷亡,釀成不可挽回的重大災難事故。另一方面,為了解決地下水突水突泥災害問題,采用過量排放隧洞涌水,常給隧洞經過地段帶來生態環境改變和水污染問題。國內外學者通過對隧洞涌水量預測和隧洞涌突水處理技術的長期研究,已經取得了一定深度的研究成果[1-5]。但由于各地區隧洞富水性構造的地質條件千差萬別,以上研究成果對具體工程的借鑒意義不大。

筆者采用目前國際上通用的三維地下水流模擬評價FLAC3D專業軟件,針對小浪底北岸灌區某隧洞F29斷層高位承壓水問題,建立隧洞涌水三維數值計算模型,對隧洞涌水進行數值模擬計算和分析,并對承壓水涌水注漿處理進行預測對比分析,為工程施工和涌水治理提供可靠基礎。

1 F29斷層影響帶涌水計算模型

1.1 水文地質條件

小浪底北岸灌區某隧洞總長約6.9 km,隧洞地形屬王屋山余脈的基巖丘陵區,洞室圍巖地層為三疊系椿樹腰組和三疊系譚莊組砂巖、泥巖和頁巖。圍巖類別為Ⅲ-Ⅳ類,巖性以較軟巖類的砂巖、泥巖和頁巖為主,巖體相對較完整,局部較破碎,山間多出泉水,巖層中地下水較豐富。斷層F29是富水性構造,存在承壓水,承壓水最大水頭高程為330 m,高出洞底約126 m[6-7]。

F29斷層為正斷層,走向325°,斷層面傾向東北,傾角76°,斷層帶寬5 m,影響帶寬約370 m,斷層走向與設計隧洞線基本呈垂直相交。地質測繪表明,沿斷層上盤,發育有大量塌滑體。F29斷裂是導水斷層,該斷裂富水性較好,為隧洞西部山區地下水的滲流通道。斷層上盤的鉆孔XZS5-6、F29-1附近和F29斷層東南端(下馬池河村)溝谷段巖層裂隙發育,有數處地表水體分布,且豐水期有泉水出露,溪水常流。物探表明F29斷層帶存在高位承壓水、裂隙發育、多層含水層等復雜水文地質問題[8]。區域地下水滲流場如圖1所示,圖2為隧洞F29斷層帶三維空間位置圖。

圖1 區域地下水滲流場Fig.1 Groundwater seepage field in the region

圖2 隧洞F29斷層帶三維效果Fig.2 Three dimensional effect of F29 fault zone in tunnel

1.2 三維滲流計算模型

根據現場調查范圍內地形圖繪制三維模型圖,鑒于現場地形高差較小,按照計算范圍繪制模型地形不明顯,將地形高差擴大10倍后繪出三維地形模型,如圖3所示,從圖上可以看出研究區內地形、構造、地層等的分布與切割關系。將斷層F59和F54作為邊界并切除后,整個三維計算模型如圖4所示,此處高程按照實際高程進行繪制,隧洞作為內部模型嵌入整體模型中。

1.3 計算工況與參數選取

F29斷層寬度5 m,F29斷層影響帶寬度范圍存在不確定,前期勘測資料顯示影響帶寬度最大為370 m,作為參考分別取370 m、250 m、200 m、150 m寬度作為比較。三疊系譚莊組(T3t)地層計算長度1 040 m,三疊系椿樹腰組(T3c)地層計算長度1 610 m。

圖3 研究區地形及主要構造圖(地形高程擴大10倍)Fig.3 Terrain and main tectonic map of the study area(10 times of elevation)

圖4 計算模型剖分圖Fig.4 Calculation model partition graph

根據鉆孔壓水試驗統計結果,并參考隧洞開挖施工后現場涌水量統計,計算模型選取參數如表1所示。

表1 模型計算參數分析及參數取值

2 F29斷層影響帶涌水三維數值模擬分析

2.1 F29斷層及影響帶涌水分析

根據已經建立的三維數值計算模型,計算隧洞F29斷層及斷層影響帶的涌水量(表2)。F29斷層帶寬度5 m總的涌水量為1 314.35 m3/d,單位寬度的涌水量為262.87 m3/d·m,斷層影響帶范圍370 m的涌水量為2 593.70 m3/d,單位寬度的涌水量為7.01 m3/d·m。

表2 F29斷層及影響帶涌水量計算結果

不采取防滲措施情況下,研究區范圍內的自由水面的基本形態為:斷層影響帶內不采取處理措施,按照斷層帶及影響帶巖體的滲透差異特性,形成了研究區周邊高,隧洞位置段低的馬鞍形降落漏斗形勢,表現在總水頭上,形成由外到內橢圓形下降,靠近隧洞位置越近,水頭越低,如圖5和圖6所示。

圖5 總水頭云圖(F29斷層影響帶寬370 m)Fig.5 Total head contour (F29 fault influence bandwidth 370 m)

圖6 F29斷層剖面的自由水面位置(圖中虛線)Fig.6 Free surface position of F29 fault section(blue liner)

剖開模型,選取隧洞及其周邊一帶范圍內,總水頭形成了環繞隧洞斷面的同心圓,距離隧洞斷面中心點越小,相對應的總水頭越小,如圖7和圖8。

圖7 隧洞周邊的總水頭云圖Fig.7 Total water head contour of tunnel

圖8 開挖隧洞一定范圍內的總水頭云圖Fig.8 Total head image in a certain range of excavation tunnel

研究區水力坡降集中在隧洞周邊一定范圍內,靠近隧洞距離越近,水力坡降越大。圖9中的A為水力梯度1.72的等值面圖,B為水力梯度2.75的等值面圖,B的范圍明顯比A要小很多,且水力坡降數值大,最大的水力坡降為5.94,集中在馬蹄形隧洞的洞底腳部分,范圍較小,隧洞周邊大部分范圍內的最大水力坡降在3左右,形成的最大動水壓力59.4 kPa遠遠低于巖體的抗拉強度,不會產生巖體整體破壞。斷層和裂隙巖體中存在一定的泥化夾層,可能發生管涌破壞。

圖9 環繞隧洞周邊的水力梯度坡腳等值面圖Fig.9 Contour plot of hydraulic gradient around the tunnel slopeA.1.72;B.2.75。

研究區流速分布情況見圖10,流速較大部位分布在斷層帶內,且主要集中在隧洞周邊一定范圍,最大流速集中在F29內的隧洞截面上,圖10中的淺綠色等值面流速為0.389 m/d。計算結果表明,水流動的方向為從隧洞四周流向隧洞中心線。

圖10 研究區流速矢量圖Fig.10 Flow vector map of study area

2.2 F29斷層承壓水注漿處理數值模擬分析

針對隧洞F29斷層高承壓水段地質構造復雜、地下水壓力高、涌水量大、存在突水等地質災害問題。在經濟合理、安全可行的前提下,地下水涌水災害處理采取“超前預報、以堵為主、堵排結合、平行施工” 的原則。F29斷層段高承壓水處理方案采用高壓水泥超前注漿施工處理,為了優化超前注漿范圍,選取F29斷層帶寬5 m,斷層影響帶寬分別選取370 m、250 m、200 m、150 m和洞室斷面注漿范圍選取3 m×3 m、5 m×5 m等工況。計算模型剖分見圖11。

圖11 計算模型剖分圖Fig.11 Partition graph of calculation model

采用FLAC3D進行三維數值計算分析,計算結果列于表3。

表3 超前注漿不同范圍涌水量計算結果

各種工況下計算結果表明:采取不同范圍的處理方案,會減少隧洞的涌水量。

從同一寬度的斷層影響帶的防滲效果看,在同一寬度的影響范圍內,防滲截面面積的大小直接影響到涌水量的大小,灌漿截面越大,涌水量越小。如370 m寬的斷層影響帶,斷層的涌水量受灌漿處理截面面積大小影響明顯,最大減少量超過51%;而斷層帶灌漿處理截面面積大小影響而產生的減少量超過40%。

3 結語

本文通過三維數值模擬方法分析小浪底某隧洞斷層承壓水的涌水情況,研究多種工況條件下隧洞開挖過程的涌水量和可能性預測,并進行不同處理方案對比分析,得出結論如下:

(1) 依據隧洞斷層承壓水水文地質條件建立的三維數值計算模型計算出的斷層帶總涌水量1 314.35～1 298.32 m3/d,單位寬度的涌水量為262.87～259.66 m3/d·m;斷層影響帶范圍的總涌水量為2 593.70～1 098.9 m3/d,單位寬度的涌水量為7.01～7.33 m3/d·m。

(2) 斷層影響帶內不采取處理措施,按照巖體的滲透特性,形成了研究區周邊高,隧洞位置段低的降落漏斗型式,表現在總水頭上,形成由外到內環形下降,靠近隧洞位置越近,水頭越低。研究區水力坡降集中在隧洞周邊一定范圍內,靠近隧洞距離越近,水力坡降越大。隧洞的洞底腳部分水力坡降最大,形成的最大動水壓力遠低于巖體的抗拉強度,不會產生巖體整體破壞。斷層和裂隙巖體中存在一定的泥化夾層,可能發生管涌破壞。

(3) 數值分析表明,洞內超前高壓注漿能有效減少隧洞的涌水量。在同一寬度的影響范圍內,防滲截面面積的大小直接影響到涌水量的大小,灌漿截面越大,涌水量越小。

(4) 根據隧洞斷層承壓水涌突水特征,建議以 “超前預報、以堵為主、堵排結合、平行施工”的處理原則,對F29斷層高位承壓水段采取超前注漿處理。防止隧洞涌突水地質災害,加固洞室圍巖,保護水環境和生態環境,利于當地居民的生活和生產。

[1] 崔浩東,張家發,鄔愛清,等.雅礱江錦屏二級深埋隧洞圍巖滲流特性初步研究[J].鐵道工程學報,2011(7):83-87.

[2] 劉成明.隧道水砂突涌災害及其治理方法的研究[D].重慶:重慶大學,2013.

[3] 劉丹,楊立中.利用環境同位素預測秦嶺特長隧道的突水風險[J].西南交通大學學報,2003,38(6):629- 632.

[4] 劉輝.壓氣新奧法隧道施工中的滲流分析[J].巖石力學與工程學報,2006,25(3):584-589.

[5] 劉欽,李術才,李煜航.龍潭隧道F2斷層處涌水突泥機理及治理研究[J].地下空間與工程學報,2013(6):1419-1426.

[6] 李永新,張健全.小浪底北岸灌區一期工程初步設計階段工程地質勘察報告[R].鄭州:河南省水利勘測有限公司,2011.

[7] 李永新,張健全.小浪底北岸灌區一期工程總干渠11#洞線地質比選工程地質勘察報告[R].鄭州:河南省水利勘測有限公司,2012.

[8] 張毅,高拴會.小浪底北岸灌區一期工程總干渠11號隧洞F29斷層探測項目物探報告[R].鄭州:黃河勘測規劃設計有限公司工程物探研究院,2014.

(責任編輯：陳文寶)

Numerical Simulation Analysis on the North Bank of the Xiaolangdi DamIrrigation Area of F29Fault Confined Water Gushing

LI Yongxin1, LI Xiangfeng2, LU Qin3

(1.HenanHydraulicEngineeringInvestigationandSurveyingCo.,Ltd,Zhengzhou,Henan450003; 2.HydrologyBureauofDezhouCity,Dezhou,Shandong253016;3.ZhengzhouMunicipalEngineeringSurveyandDesignInstitute,Zhengzhou,Henan450003)

On the North Bank of the Xiaolangdi Dam irrigation tunnel F29fault high pressure water gushing,water inflow in the tunnel excavation process by three-dimensional numerical simulation method under various operating conditions,water content and the possibility of prediction and analysis of different treatment scheme comparison,the paper puts forward reasonable treatment of fault F29high confined water.Analysis results show that don’t take impermeable fault water inrush quantity measures of treatment effect than the fault zone water inflow significantly,but would have been almost impossible to mud gushing phenomenon.The tunnel ahead of high-pressure grouting anti-seepage measures can effectively reduce the tunnel water inflow,within the sphere of influence of the same width,the size of the area of impervious directly affects the size of inflow,grouting section more,inflow of smaller and smaller.The numerical analysis results of pressure tunnel provide important reference for confined water treatment,but also provide a reference for the similar engineering geological conditions.

fault; confined water; water gushing; numerical simulation; 3D model; grouting treatment

2016-04-17;改回日期:2016-05-06

李永新(1970-),男,高級工程師,水文地質與工程地質專業,從事工程地質勘察和巖土工程方面的研究工作。E-mail:1055663216@qq.com

U452.1

A

1671-1211(2016)03-0519-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.062

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.032.html 數字出版日期:2016-05-04 09:24