水庫蓄水對鐵路隧道安全的影響

尚海敏 李 翔 陳則連 李國和

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

近年來，隨著交通及水利工程的快速發展，我國山區修建了大量水庫[1-6]。受線形、地質等因素的限制，某些隧道工程必須穿越水庫所在山區。一方面，水庫蓄水會對隧道結構穩定性產生影響；另一方面，隧道開挖將成為地表水和地下水新的集水廊道，改變了原有的地下水循環系統，也會影響水庫的蓄水功能。目前，已有部分學者就水庫蓄水對隧道的安全影響進行了相關研究。劉丹等[7]基于現場調查及資料分析，探討了華鎣山隧道排水引起的巖溶泉枯竭、水質惡化、水土流失等一系列負效應產生的原因。趙東平等[8]從力學角度分析了水庫蓄水對麻石山隧道安全的影響。侯偉等[9]基于GEO-SLOPE，分析了李家河水庫對西合高速公路深埋隧道的滲流影響。Alessandro Graziani、Daniela Boldini[11]通過解析法與數值法相結合的方法，分析了深埋隧道應力—滲流耦合下的應力和應變問題[10-11]。段青龍等[12]從水庫與隧址區地層巖性、地質構造及滲水特征等方面出發，研究了水庫蓄水對隧道安全的影響。以下結合區域地質資料和勘探成果，應用經驗理論評價法和數值分析法，分析大梁山隧址區施工期間地下水運移特征變化及重分布狀態，定量評價水庫蓄滿水對隧道安全性的影響。

1 工程概況

大梁山隧道地處大梁山中山區及洪積扇區，走向為NE，是某新建鐵路的控制性工程，隧道全長13.395 km，最大埋深為430 m，左側緊鄰在建的懷安縣瓦溝臺水庫。隧址區水文地質條件復雜，沿線地形起伏較大，圍巖從Ⅰ級到Ⅴ級均有分布(以Ⅳ級和Ⅴ級為主)。洞身范圍內的巖體主要為強風化片麻巖，部分段落為花崗巖、閃長巖、輝綠巖和石英斑巖等，表層巖體受風化影響，呈碎塊、砂土狀。受陽高-天鎮旋卷構造帶及斷層(約14條)的影響，節理裂隙發育，大部分具中等導水性，構成了隧道周邊地下水的集水和導水通道。

瓦溝臺水庫位于大梁山隧道西北側瓦溝臺與大南溝之間(見圖1)，壩體兩端位于基巖處，壩頂高程為1 038～1 040 m，庫底高程為1 025 m，設計壩高15 m。河道寬約200 m，河床覆蓋層大于25 m，下伏太古界斜長片麻巖，河谷兩側均出露基巖，水庫周圍無斷裂構造。

圖1 模擬區內隧道與水庫的平面位置關系

隧道緊鄰水庫，最上游到隧道的垂直距離為

2.0 km，下游大壩到隧道的垂直距離為2.5 km。隧道底板低于蓄水位(按壩頂高程1 040 m考慮)的里程段為DK55+735～DK57+000段(設計高程為1 018～1 040 m)，其中隧道在DK56+724處于F030斷層分界(見圖2)。

圖2 隧址區工程地質縱斷面(單位：m)

2 地下水流模型

隧道進口DK55+735～DK56+724段巖性主要為第三系泥巖，透水性差，洞身內幾乎無地下水，且該段與水庫之間被多條溝谷切斷(溝底高程為1 016～1 050 m)，起到一定的排水和阻水作用[16]。因此，水庫蓄滿水對大梁山隧道進口DK55+735～DK56+724段基本無影響。

本次模型范圍為平面上圍繞大梁山隧道(里程DK56+724～DK59+600)，東臨F030正斷層，西為瓦溝臺水庫所在水系，南靠大梁山隧道南邊的地表分水嶺和溝谷，北至山前傾斜平原，總面積約8.63 km2。在垂向上，上部以地表為界，下部以節理裂隙不發育的基巖為界，總體模擬深度約為435 m。隧址區巖體節理裂隙發育，故假定模擬區內地下水運動符合線性達西定律。大氣降水是模擬區地下水的主要補給源，山脊構成了隧址區地下水的分水嶺。地下水接受大氣降水補給后，由大梁山山脊向西北和東北兩側徑流。區內構造較多，節理裂隙發育，使得地下水的排泄通道較多，不能以集中式泉水的方式排泄，而是多沿節理裂隙排泄于溝谷，成為區內溝谷地表水的主要來源。采用韓巍等[1]小流域、泉域水均衡法進行計算，確定研究區基巖山區大氣降水等效入滲系數約為0.16。當地年均降水量約為665 mm，通過計算可得，大氣降水入滲補給量約為106.4 mm/a。基于能量和質量守恒定律，模擬區地下水流數學方程為

(1)

式中，D為滲流區域；H為含水層水位高程/m；K為含水層的滲透系數/(m/d)；B為潛水含水層底板高程/m；μ為潛水含水層在潛水面上的重力給水度；W為垂向水量交換強度/(m3/(d·m2))；H0(x，y)為含水層的初始水位分布/m；q(x，y，t)為研究區第二類邊界上的單寬滲流量/(m2/d)；H1為研究區第一類邊界已知水頭函數/m；n為邊界外法線方向；α、β為常數。

采用有限差分方法求解上述數學方程組，模型的識別與驗證通過反復試錯法完成，以校正模型的主要參數(包括滲透系數、給水度和彈性釋水系數)。由于缺乏詳盡的地下水位觀測資料，模擬區初始穩定流場通過二維滲流有限差分的方法來模擬。本次校正選取了線位上觀測孔的穩定水位，擬合結果見圖3和表1。

圖3 模擬區穩定初始流場(單位：m)

表1 實測水位與計算水位對比

由圖3和表1可知，模擬的初始穩定流場與山體表面地形總體一致，反映了地下水的補、徑、排特征；與觀測孔實測水位對比，觀測孔14-ZD-158的水位擬合絕對誤差為0.46 m，觀測孔14-ZD-153-1的水位擬合絕對誤差為0.59 m，擬合誤差小于1 m，精度較高。由此優選所得的水文地質參數見表2。水文地質參數與水文地質條件基本相符，能夠反映模擬區內地下水含水系統特征。

表2 模擬區水文地質參數值

3 水庫蓄水對隧道的影響分析分析

3.1 隧道開挖后地下水位平面分布

在隧道施工過程中，為了防止突水、涌水等災害的發生，需及時將地下水位控制在隧道洞底以下。隧道DK56+724～DK57+000段洞底高程低于水庫蓄滿水高程(1 040 m)，該段水位降至洞底以下的地下水流運動方向模擬情況如圖4所示。由圖4可知，地下水位降至洞底后，隧址區形成新的排水通道，周邊地下水明顯向隧道內匯集，隧道周邊的水力坡度明顯增大，等水位線分布密集。瓦溝臺水庫和隧道DK56+724～DK57+000段位于不同的地下水流系統中，它們之間的水力聯系并不緊密。從地下水位降深(見圖5)也可以看出，水位降深影響半徑雖然跨越了大梁山分水嶺，但未到達瓦溝臺水庫。

圖4 降低水位后地下水流方向(黑線為從水庫至隧道的剖面位置)(單位：m)

圖5 降低水位后地下水位降深(單位：m)

3.2 隧道開挖后地下水位剖面分布

為了直觀分析水庫蓄滿水后對周邊地下水位的動態變化影響，以水庫至隧道DK56+800的剖面為例，分別選取1年、2年、5年、10年來模擬地下水滲流場分布情況，結果見圖6。

由圖6可以看出，瓦溝臺水庫蓄滿水后，其周邊地下水位動態變化特征為初始上升速度較快，隨后逐漸變緩直至穩定。

水庫與周圍地下水之間補排關系：在開始階段，水庫水位高于其周邊地下水，在水力梯度作用下，水庫水向庫岸四周滲流，歷時近2年后，水庫水位低于其周邊地下水，在水力梯度作用下，地下水向水庫排泄。通過模擬計算，地下水平均流速為0.009 m/d，地下水從大梁山山脊流動到水庫的等效時間約為440年，遠大于水力聯系發生轉變的時間。因此，可以認為出水庫水與大梁山山脊東側地下水水力聯系很弱。

圖6 水庫蓄水后地下水流場