永順隧道巖溶涌水風險性評價及地下水流量衰減過程分析

萬豪杰，趙 駿，張松松，張茹星

(1.中國地質(zhì)大學(武漢) 教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北 武漢 430074;2.山東正元建設(shè)工程有限責任公司，山東 濟南 250101)

永順隧道位于湖南省湘西土家族苗族自治州永順縣芙蓉鎮(zhèn)境內(nèi)，隧道所在工程區(qū)屬構(gòu)造溶蝕低山地貌，發(fā)育狹長溝谷，多呈“V”字型。該隧道起訖里程為DK56+440.00～DK68+523.27，最大埋深約為450 m，全長12 083.27 m，屬長大巖溶隧道。在水文地質(zhì)勘察中，在永順隧道多個路段均揭露了不同程度的巖溶發(fā)育現(xiàn)象，隧道存在巖溶涌水的隱患。因此，對該隧道不同路段的巖溶涌水風險性進行評價迫在眉睫。

目前，關(guān)于隧道涌水量預測與風險性評估的研究既有定性的描述又有定量的計算，涌現(xiàn)了多種計算方法和模型，其中包括地下水動力學方法、水均衡理論指導下的地下水徑流模數(shù)法和大氣降雨入滲系數(shù)法、數(shù)值模擬法、基于統(tǒng)計學方法的層次分析法和模糊數(shù)學法等[1-7]。但隧道涌水量各種評價方法都有其一定的適用條件，因此需要結(jié)合隧道的水文地質(zhì)條件以及勘察精度來選取[8-9]。由于大氣降雨入滲法綜合考慮了地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性等因素的影響，因此本文采用大氣降雨入滲法對永順隧道各路段巖溶涌水量進行估算，并在分析研究區(qū)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用隧道巖溶涌水專家評判系統(tǒng)對該隧道不同路段巖溶涌水風險性進行評價及涌水量估算，同時采用地下水流量衰減的指數(shù)衰減理論分析了隧道段DK64+630～DK67+930發(fā)育的蘭花洞地下暗河系統(tǒng)巖溶地下水流量的衰減過程。

1 工程概況

1.1 地形地貌條件

研究區(qū)位于湖南省西部，該地區(qū)地形起伏較大，地貌單元多，受構(gòu)造的影響，地勢上總體表現(xiàn)為西高東低。研究區(qū)地表及地下巖溶極為發(fā)育，地表峰叢洼地、峰叢槽谷和峰叢坡立谷十分普遍，地表河流常通過落水洞潛入地下形成暗河，地下暗河呈樹枝狀發(fā)育，最終流向酉水河匯聚排泄。

1.2 區(qū)域地質(zhì)條件

1.2.1 地層巖性

表1 研究區(qū)地層巖性概況

1.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)主體構(gòu)造為松柏向斜，該向斜為一寬緩開闊的向斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)發(fā)育有張家界-古丈-吉首斷裂，該斷裂位于研究區(qū)東南部，對局部巖溶的發(fā)育以及巖溶管道的走向具有一定的控制意義。此外，該地區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育，形成了復雜多變的各種性質(zhì)的節(jié)理、裂隙，其中走向40°～60°的縱張裂隙為本區(qū)的主裂隙發(fā)育方向，基本控制了區(qū)域暗河、溝谷的展布方向。

1.3 氣象及水文地質(zhì)條件

研究區(qū)屬亞熱帶季風性氣候，四季分明，降雨豐沛且具有季節(jié)性、突發(fā)性的特點。該地區(qū)屬酉水河流域，位于酉水河干流左岸，流域內(nèi)河床天然標高為110～150 m，鳳灘水庫建成后正常庫水位高程為205 m，構(gòu)成了該地區(qū)地表水及地下水的區(qū)域排泄基準面。

研究區(qū)地下水類型可劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水、碳酸鹽巖類巖溶水和非含水巖層四類。該地區(qū)地下水的運動主要受控于地貌和松柏向斜構(gòu)造，區(qū)域排泄基準面為酉水河，其中酉水河以南為潭河巖溶水系統(tǒng)和羅依溪地表水系統(tǒng)，酉水河以北為芙蓉河巖溶水系統(tǒng)、科必洞地下暗河系統(tǒng)和施洛溪河地表水系統(tǒng)，芙蓉河巖溶水系統(tǒng)因靠近隧道工程區(qū)，為本研究的重點區(qū)域(見圖1)。研究區(qū)的地下水除了接受降雨入滲補給外，還接受大量來自于巖溶斜坡地帶的地表溪溝匯入補給，并經(jīng)落水洞或暗河伏流灌入式補給下伏地下暗河系統(tǒng)，故該地區(qū)地下水極為豐富。

圖1 隧道區(qū)水文地質(zhì)圖

2 隧道巖溶涌水量估算

2.1 大氣降雨入滲系數(shù)法

大氣降雨落到地面后，只有部分滲入地下，并受大氣降水強度、地形地貌特征、植被發(fā)育狀況和地質(zhì)構(gòu)造條件等多種因素的影響[10]。據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB 10049—2014)，隧道正常涌水量的計算公式為

Q正常=1 000·α·X·A·η

式中：Q正常為隧道正常涌水量(m3/d)；α為降雨入滲系數(shù)；X為中雨日平均降雨量(mm/d)；A為隧道集水面積(km2)；η為滯后補給系數(shù)(d)。

根據(jù)在孔家灣所設(shè)的氣象監(jiān)測站2018年7月23日—10月31日實時在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測期間日最大降雨為98 mm/d，降雨類型主要以中小雨為主，中雨日平均降雨量為15.65 mm/d。永順隧道區(qū)總降雨量為855.4 mm，20年一遇特大暴雨強度為236 mm。本次采用大氣降雨入滲系數(shù)法對該隧道各路段巖溶涌水量進行計算時，最大涌水量利用日最大降雨量進行計算，正常涌水量采用中雨日平均降雨量進行計算，極端情況下的涌水量采用20年一遇特大日極端暴雨量進行預測，此外，其他各參數(shù)取值來源如下：降雨入滲系數(shù)α采用水文地質(zhì)勘察階段的數(shù)據(jù)；滯后補給系數(shù)η采用對水文地質(zhì)勘察階段次降水的地表水、地下水動態(tài)特征分析所得到的數(shù)據(jù)，見表2。

表2 降雨入滲系數(shù)法的參數(shù)取值表

采用降雨入滲系數(shù)法計算得到永順隧道正常涌水量為24 590 m3/d，最大涌水量為153 981 m3/d，極端降雨情況下的涌水量為344 081 m3/d。

2.2 隧道巖溶涌水風險性等級評價

韓行瑞等[8]以滬蓉西高速公路上的11個大長巖溶隧道為研究對象，按先定性后定量的觀點給出了一套定性判斷的標準，即“隧道巖溶涌水專家評判系統(tǒng)”。該評判系統(tǒng)針對不同隧道所處的垂直及水平水動力分帶位置采用不同的隧道巖溶涌水量估算方法，并給出了隧道建設(shè)過程中巖溶涌水量預測預報的原則如下：

(1) 要明確各隧道所遇巖溶段的巖溶發(fā)育程度及區(qū)域巖溶發(fā)育特征，并采用不同的參數(shù)。

(2) 要明確各隧道巖溶段所處的垂直及水平水動力分帶位置，采用不同的隧道巖溶涌水量評價方法，進而評價隧道不同性質(zhì)的巖溶涌水量。

(3) 隧道巖溶涌水需考慮水頭壓力以及不同頻率降水引起的瞬間峰值涌水的危害性，這對隧道安全施工運營具有重要的意義。

巖溶發(fā)育的不均勻性、連通性導致了巖溶水管道化、河系化，致使隧道巖溶涌水量預測預報顯得十分困難，因此隧道巖溶涌水量的預測尤為復雜[11]。永順隧道除進口1 km段為碎屑巖外，其余路段均為可溶巖段，且隧道最大埋深約為450 m，屬長大巖溶隧道，根據(jù)工程概況將該隧道分為DK56+440～DK57+460、DK57+460～DK64+630、DK64+630～DK67+930和DK67+930～DK68+522.27 4個路段。工程地質(zhì)勘察過程中，永順隧道多個路段均揭露了不同程度的巖溶現(xiàn)象，存在隧道巖溶涌水的風險隱患，適用于“隧道巖溶涌水專家評判系統(tǒng)”，因此本文采用該評判系統(tǒng)對永順隧道各路段巖溶涌水風險性進行了評價及涌水量估算，見表3。

3 地下暗河系統(tǒng)巖溶地下水流量的衰減過程分析

3.1 巖溶地下水對降雨的動態(tài)響應(yīng)

相較于我國北方地區(qū)，西南巖溶地區(qū)巖溶發(fā)育強烈，巖溶地下水管道化、河系化的特征尤為顯著。永順隧道DK64+630～DK67+930路段發(fā)育有蘭花洞地下暗河系統(tǒng)，巖溶和地下水強烈發(fā)育，地下水豐富，環(huán)境水文地質(zhì)條件較敏感，存在隧道突涌水的可能，會影響隧道施工進度，危害鐵路運營安全，為隧道涌水極高風險路段。為了明確隧道開挖對區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境的影響已開展了水文監(jiān)測，到目前水文監(jiān)測已經(jīng)歷了3個發(fā)展階段:人工觀測階段、自計式監(jiān)測設(shè)備階段和在線監(jiān)測系統(tǒng)階段[12]。本研究采用基于GPRS通訊技術(shù)的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)對降雨量-流量-水位進行了監(jiān)測，并安裝了超聲波水位計對電壓初始值和初始水位(水深H)進行了測量和記錄。

表3 永順隧道各里程段巖溶涌水評判表

注：依據(jù)韓行瑞等[8]的“隧道巖溶涌水專家評判系統(tǒng)”分析得到。

根據(jù)超聲波水位計測得的水深H與電壓x之間的近似線性關(guān)系，可得到該曲線的斜率、截距，據(jù)此可通過實測電壓值得到水深H，進而采用矩形堰流量計算公式Q=3.6M×H3/2[式中，Q為流量(m3/h)；M為流量系數(shù)，M=1 995.1B-1.295；B為矩形堰寬度(m)；H為水位(m)；x為電壓(mV)]。并結(jié)合監(jiān)測點水深H，即可計算其流量Q。在孔家灣槽谷-蘭花洞地下暗河建立了流量矩形監(jiān)測堰(見圖2)，對該地下暗河流量進行了實時在線監(jiān)測，其流量監(jiān)測數(shù)據(jù)來源如下：

當x>2 360(即無水流時),Q=0；當2 226≤x≤2 360(水流深度小于20 cm)時，Q=3.6(1 995.1×1.65-1.295)×(3.54-0.001 5x)3/2；當x<2 226(水流深度大于20 cm)時，Q=3.6(1 995.1×1.65-1.295)×(3.54-0.001 5x)3/2+3.6(1 995.1×1.8-1.295)×(3.34-0.001 5x)3/2。超聲波式水位計最大使用量程為6 m，輸出電壓為1～5 V，安裝后電壓變動1 mV相當于水位變動0.15 cm;超聲波式水位計安裝時電壓初始值為2 293 mV，水位計安裝時初始水位值為10 cm。

圖2 地下暗河流量矩形監(jiān)測堰示意圖

根據(jù)孔家灣槽谷-蘭花洞地下暗河上游段巖溶管道流量-降雨量的關(guān)系曲線(見圖3)可見，孔家灣-蘭花洞地下暗河上游段巖溶管道地下水流量在2018-09-22日之前對降雨的反應(yīng)較弱，分析原因認為自2018-08-02日之后其上游橫洞(見圖4)發(fā)生了幾次大規(guī)模排水攔截了下游孔家灣槽谷-蘭花洞地下暗河的流量；在2018-09-22日之后其流量對降雨的反應(yīng)較為敏感，呈現(xiàn)出陡漲陡落的變化特征，但該地下暗河流量對降雨的反應(yīng)存在1～2 d的滯后時間且流量在衰退過程表現(xiàn)出多個峰值，反映該巖溶地下暗河系統(tǒng)調(diào)蓄性能較好，具有一定的規(guī)模，且降雨入滲補給條件較好、巖溶發(fā)育程度較高。另外，由圖4可見，永順隧道橫洞流量與降雨量的對應(yīng)關(guān)系不明顯，分析原因認為其涌水量主要受到隧道工程施工過程中揭露的巖溶含水層產(chǎn)生的人為涌水的影響所致。

圖5為鉆孔順孔3地下水水位與降雨量的關(guān)系曲線。

圖3 孔家灣漕谷-蘭花洞地下暗河上游段巖溶管道流量-降雨量的變化特征

圖4 永順隧道橫洞地下水流量-降雨量的變化特征

圖5 鉆孔順孔3地下水水位-降雨量的變化特征

由圖5可見，從2018-07-23日—2018-09-22日鉆孔順孔3地下水水位呈緩慢下降趨勢，其中在2018-07-29日鉆孔地下水水位異常升高，2018-08-09日鉆孔地下水位異常下降，通過查看降雨量數(shù)據(jù)，排除了降雨的影響，分析原因認為鉆孔順孔3因靠近隧道工程區(qū)，地下水水位異常主要受施工區(qū)隧道爆破開挖、鄰區(qū)抽水引起的地應(yīng)力及固體潮變化的影響較大；受多次強降雨影響自2018-09-22日—2018-09-27日鉆孔地下水水位回升迅速，增幅達3.75 m，表明該段時間鉆孔地下水水位受大氣降雨的影響顯著。

3.2 地下暗河系統(tǒng)含水介質(zhì)特征的識別

為了進一步分析隧道段DK64+630～DK67+930發(fā)育的蘭花洞地下暗河巖溶系統(tǒng)含水介質(zhì)的特征，本次采用布西涅斯克(J.Boussinesq,1904)和梅勒(E.Maillet,1905)提出的地下水流量衰減的指數(shù)衰減方程對該地下暗河巖溶系統(tǒng)含水介質(zhì)的特征進行了識別與分析[13-14]。布西涅斯克和梅勒利用指數(shù)函數(shù)表達了地下水流量的衰減過程，即：

Qt=Q0×e-α(t-t0)

(1)

式中:t為衰減期任意時刻(h)；t0為衰減初始時刻(h)；Qt為t時刻相應(yīng)的流量(L/s)；Q0為t0時刻相應(yīng)的流量(L/s)；α為衰減系數(shù)(1/h)。

通過泉流量的衰減動態(tài)曲線，可以分析研究巖溶含水介質(zhì)的水動力特征，確定諸如含水層導水系數(shù)、儲水系數(shù)、有效降雨入滲系數(shù)等一系列的水文地質(zhì)參數(shù)，從而進行巖溶水資源評價。其中，衰減系數(shù)α表示含水層的給水能力，是含水層導水系數(shù)和給水度的函數(shù)，是含水層儲水特征和水流特征的總響應(yīng)。各衰減亞期的衰減系數(shù)αi的計算公式為[15]

(2)

黃敬熙[16]提出采用一種分段函數(shù)的形式來表示具有多亞動態(tài)流量衰減過程的“折線式”流量衰減方程，即:

(3)

這一方程是利用各衰減亞期的初始流量Q0i和相應(yīng)的衰減亞期的衰減系數(shù)αi,按照公式(1)建立相應(yīng)的衰減亞期的流量衰減方程Q0ie-αit。

據(jù)上述原理，以2018-09-07日17∶05∶00—2018-09-08日07∶05∶00次降雨過程分析蘭花洞地下暗河上游巖溶管道流量衰減曲線，得出的其流量衰減方程大致可分為兩段(見圖6)：

圖6 蘭花洞地下暗河上游巖溶管道流量衰減曲線

(4)

由方程(4)可知，第一段曲線的衰減系數(shù)α1=0.960，為衰減曲線中第一個亞動態(tài)，代表連通性較好的大型巖溶管道或洞穴的迅速排泄;第二段曲線的衰減系數(shù)α2=0.157，為衰減曲線中第二個亞動態(tài)，代表具有一定程度連通性的張性裂隙、斷裂帶及溶隙系統(tǒng)的排泄，地下水流量衰減速度較小，能維持相對長的時間。由此可見：蘭花洞地下暗河巖溶系統(tǒng)具有雙重含水介質(zhì)的特性。

4 結(jié) 論

(1) 本文依據(jù)“隧道巖溶涌水專家評判系統(tǒng)”，采取基于均衡法原理的大氣降雨入滲系數(shù)法對永順隧道各路段巖溶涌水風險性等級進行了評價及涌水量估算，得出DK64+630～DK67+930路段為隧道涌水高風險路段，涌水量大于1m3/d，DK56+440～DK57+460路段為隧道涌水低風險路段，DK57+460～DK64+630路段為隧道涌水中等風險路段，DK67+930～DK68+522.27路段為隧道涌水中低風險路段。

(2) 通過基于GPRS通訊技術(shù)的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)得到的降雨量-流量-水位數(shù)據(jù)，細致分析了橫洞及張潮灣地區(qū)巖溶地下水流量的動態(tài)變化特征及其原因，結(jié)果表明：孔家灣槽谷-蘭花洞地下暗河上游段巖溶管道流量對降雨十分敏感，呈現(xiàn)出陡漲陡落的特征，其衰退過程表現(xiàn)出多個峰值。

(3) 通過地下水流量衰減的指數(shù)衰減理論分析了蘭花洞地下暗河巖溶地下水流量的衰減過程，結(jié)果表明：蘭花洞地下暗河巖溶系統(tǒng)具有雙重含水介質(zhì)的特性，既有大型的巖溶管道或洞穴，又有一般的巖溶裂隙和層間裂隙。

致謝：在課題調(diào)查與研究中得到了中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院萬軍偉教授課題組的指導，中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司提供了諸多寶貴的水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察報告，在此一并表示感謝。