電站庫區對高速公路隧道工程的影響分析

陳沛，余蜀予，向波，雷學軍，何云勇, 3

電站庫區對高速公路隧道工程的影響分析

陳沛1，余蜀予1，向波1，雷學軍2，何云勇1, 3

（1.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，成都 610041；2. 四川省地質工程勘察院集團有限公司，成都 610072；3.西南交通大學土木工程學院，成都 610031）

水庫水會導致庫岸隧道水文地質環境改變，影響隧道的建設運營安全。針對獅子坪水電站庫區對汶川至馬爾康高速公路隧道工程的影響進行分析，根據隧道水文地質條件，采用徑流模數法和大氣降雨入滲系數法計算各方案線隧道的涌水量，結合運用達西定律計算的水庫蓄水對隧道的滲漏水量，比選出最佳的方案線路，可供類似地區高速公路隧道工程參考。

高速公路；隧道工程；涌水量；滲漏水量；線路比選

隨著我國交通及水利工程的發展，山區修建了大量水庫（李建偉，2011；彭文波等，2017；孔繁越，2017）。高速公路建設受地形、環境等因素限制，隧道工程必須穿過水庫所在山區，水庫蓄水會對隧道結構穩定性產生影響（尚海敏等，2019；冉萬云，2015；杜鵬等，2010；彭文波等，2017）。相關學者就水庫蓄水對隧道安全影響展開研究，分析水庫蓄水對麻石山隧道安全性影響，總結水庫蓄水前后隧道二次襯砌內力、安全系數變化規律（趙東平和王明年，2005）。運用GEO-SLOPE滲流分析模塊SEEP/W，分析隧道西側擬建李家河水庫在2 054m水頭差作用下水庫水對隧道的滲流影響（侯偉等，2006）。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，評價水庫蓄水后對隧道工程的影響（段青龍，2010）。

汶川至馬爾康高速公路線路經過理縣古爾溝鎮地形狹窄雜谷腦河谷地區，可選路線寬度不足，高速公路的建設要在獅子坪水電站庫區附近通過，公路建設與水電站之間的水力影響，是公路選線和工程型式選擇關鍵。本文根據各隧道區水文地質條件，通過各方案線隧道涌水量計算以及水庫蓄水對隧道滲漏水量，對獅子坪電站庫區對隧道工程影響進行評價。

1 庫區高速公路隧道工程概況

該公路隧道工程區位于四川省理縣境內的獅子坪水電站庫區左右兩岸，右岸I5線路線和左岸I2線、左岸K線路線（圖1），分布于雜谷腦河兩側地帶，海拔高程3 200～3 800m，相對高差800～1 200m，河谷呈狹窄“V”與“U”字型。

右岸I5線經過大溝村隧道、獅子坪1～6號隧道，全長22.215km。獅子坪庫區3隧道起于I5K135+745（進口標高2510m），止于I5K147+495（6號隧道出口標高2 589m）全長12km，屬于右岸水文地質單元。通過小丘地溝、九架棚溝水文地質單元。左岸I2線隧道起于古爾溝隧道，經庫區獅子坪1號，止于K147+680（獅子坪2號出口標高2 585.8m），全長15.9 k m，屬左岸水文地質單元。1號、2號隧道通過人字溝、牌坊溝及丘地溝水文地質單元。左岸K線起于大溝村隧道，獅子坪庫區隧道起于K137+075（獅子坪1號進口標高2 493m），止于K151+295（獅子坪2號出口標高2 607.9m），全長20.115 km，屬于左岸水文地質單元。沿線通過人字溝、牌坊溝及丘地溝地表水文地質單元。

圖1 高速公路路線平面圖

根據隧道勘察資料，隧道區發育有F1、F2兩條斷層破碎帶，從I2線獅子坪1號隧道及K線獅子坪1號隧道通過，斷層走向350°（F1）和近南北向（F2）。隧道圍巖完整性較差，巖體裂隙發育，含水層滲透性較強，利于大氣降雨和地表水入滲補給和儲集。

2 工程地質及水文地質條件

2.1 工程地質條件

地層主要為中生界三疊系及第四系全新統地層。三疊系包括中統雜谷腦組（T2）、上統侏倭組（T3）、三疊系上統新都橋組（T3）。第四系全新統地層根據成因、物質組成、結構特征，由老到新可分為五層：含砂漂(塊)卵礫石層(Ｑ3gl+fgl)、質粘土與粉細砂互層(Ｑ3l)、砂漂(塊)卵礫石層(Ｑ4al)、碎礫石土層(Ｑ4col+dl+al)、碎礫石砂層、粉質壤土層(Ｑ4al)、漂卵礫石層(Ｑ4al)。

隧道區位于米亞羅壓扭性斷層南西側，以線狀弧形褶皺為主，隧道區位于北西—南東向展布線狀族郎帚狀構造群區，卷入地層有雜谷腦組上段、侏倭組及新都橋組。隧道區主要褶皺：小夾壁倒轉向斜、瀘桿橋背斜、大石包倒轉背斜、加拉溝向斜、古爾溝背斜。

按照中華人民共和國國家標準《中國地震動參數區劃圖(GB18306-2015)》，研究區地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期0.40s，抗震設防烈度為VII度。

2.2 水文地質條件

研究區域屬亞熱帶氣候，海拔高差懸殊，地形復雜，氣候差異顯著，具有山地立體型氣候特征。

氣溫年較差小，日較差大，多年平均氣溫11.4℃，變幅在10.5～12℃。多年氣溫日較差平均值為10.7℃，最大日較差為26.8℃。降水分布差異顯著，降水量由東向西隨海拔增高面增多；降水量集中在5～9月為420.6mm，占全年降水量69%，10月—次年4月降雨量僅189.0mm，占全年降水量31%。全年降雨呈雙峰型分布，5、6、9月是降水高峰期，每年雨季開始和臨近結束有兩次大降水過程。

河流屬于岷江水系上游一級支流——雜谷腦河流域，水量豐富，水系發育，呈樹枝狀，干流全長168km，流域面積4 632km2，河道平均坡降18.4‰。雜谷腦河徑流主要由降水形成，地下水和融雪水次之。雜谷腦河徑流年際變化較小，洪水年際變化亦不大。

地下水類型有松散巖類孔隙水、變質巖裂隙水兩類。地下水運動特征是，以降水滲入補給為主，地下水逕流途徑短，以泉水及滲流方式排泄并轉化為地表水，補給區、逕流區和排泄區基本一致，水力坡度大，水交替活動強烈。

3 隧道涌水量預測

3.1 隧道涌水量預測原則及方法

3.1.1 預測原理

隧道涌水量預測主要根據隧道區水文地質條件，包括不同含水巖組的特征、水文地質參數、洞室揭露的長度等具體劃定。擬定預測的隧道正常涌水量包括隧道地下水逕流量。

根據隧道勘察所查明的水文地質條件，充分利用所取得的各種水文地質參數，對劃分的主要隧道涌水洞段進行不同方法的水文地質計算。

3.1.2 地下水正常涌水量計算方法

采用大氣降雨入滲系數法、逕流模數法進行涌水量預算（任佳等，2007；寇正中等，2019）。

（1）大氣降水入滲系數法

（2）逕流模數法

式中：Q為隧道正常涌水量（m3/d）；M為地下水逕流模數（M（L/s·km2））；F為匯水面積（km2），同大氣降水入滲系數法；86.4為單位換算系數。

由于雨季施工時隧道涌水量可能有較大變幅。根據多年降雨量資料分析和經驗，一般選取1.6～3.0的經驗系數與枯水季節涌水量相乘作為豐水期涌水量，文中經驗系數取2.0。其它參數取值見表1。獅子坪隧道計算成果見表2。

表1 參數取值統計表

表2 各段隧道各方法預算的正常涌水量及最大涌水量統計表

3.2 預測結果及評述

以上計算結果中，兩種計算的隧道正常涌水量看，枯季徑流模數略大，按枯豐期轉換系數計算的豐水期最大涌水量較大，根據各線隧道水文地質條件，結合獅子坪水庫區在建隧道、大壩地下廊道地下水出水狀況調查分析，將大氣降雨入滲系數法計算正常涌水量作為推薦值，各隧道正常涌水量見表2。I5線隧道推薦正常涌水量為4 792.05m3/d（未包括水庫蓄水對隧道的滲漏補給量），I2線隧道推薦正常涌水量為2 052.40m3/d（未包括水庫蓄水對隧道的滲漏補給量），K線隧道推薦正常涌水量為2 699.38m3/d（水庫對隧道無影響）。

表3 滲透系數取值列表

上面計算未包括水庫蓄水對隧道的滲漏補給量，在水庫區兩岸各方案隧道設計高程低于水庫設計蓄水水位2 540m的正常涌水量還包括水庫水滲漏（側向）補給量，從計算結果看，基本與各隧道水文地質條件相符，各隧道涌水量不大。

4 水庫對隧道工程的影響

水庫水對隧道滲漏形式主要通過裂隙或斷層破碎帶滲漏。計算水庫蓄水引起隧道滲流量，設計高程低于獅子坪水庫水位的路段有：I5線獅子坪1號隧道、2號隧道、3號隧道；I2線獅子坪1號隧道。

巖體的滲流（漏）量大小因含水介質與水動力條件不同差異很大，滲漏量的計算精度取決于合理選擇邊界條件、計算參數與計算方法（張朕銘，2014）。根據獅子坪水庫兩岸隧道圍巖水文地質結構、滲流特性及滲漏型式（屬裂隙性），分析滲漏邊界條件，確定滲漏影響寬度，根據區域水文地質和收集到水電站勘察水文地質試驗滲透參數，采用達西定律計算水庫蓄水（設計水位）對隧道的滲漏水量：

Q=KFh/L （3）

式中：Q為單位時間滲流量；F為過水斷面；h為總水頭損失；L為滲流路徑長度；I=h/L為水力坡度；K為滲透系數。

關系式表明，水在單位時間內通過多孔介質的滲流量與滲流路徑長度成反比，與過水斷面面積和總水頭損失成正比。滲透系數取值見表1、3（具有多層透水層的滲透系數采用綜合加權平均值）。按照理論公式計算庫水位2 540m以下路段水庫側向補給量見表4：

水庫水側向滲漏影響寬度根據鐵路工程水文地質勘察規范經驗公式R=215.5+510.5k進行估算，隧道一側影響寬度在290～420m（不同含水巖層滲透性不同）。隧道開挖地應力釋放發生改變，加之放炮、機械振動，巖體產生卸荷松動，導致裂隙擴展加大，會增加巖層的滲透性，其影響范圍將擴大。考慮到水庫水位與隧道位置形成的水頭差大者達41.0～99.2m（I2線），隧道開挖水庫水通過裂隙滲流補給隧道，具有一定的動水壓力，但動水壓力的大小主要取決于地下水的水力梯度，一般規律是離水庫越遠（即滲徑越長），則滲漏量會越小，到一定距離后滲漏量可以忽略了。為此，為保證隧道工程建設和獅子坪水庫蓄水和發電站的正常營運的安全，根據前面經驗公式計算的影響半徑和不同巖組不同水頭差下每100m長隧道滲水量500 m3/d的水平距離（表6）及工程地質、水文地質條件綜合分析，計算水庫對隧道滲流（漏）影響寬度按1 000m考慮，大于1 000m的則不考慮滲漏影響。

表4 水庫對隧道側向補給水量

表5 設計線路隧道涌水量統計表

表6 不同巖組滲水量500 m3/d的水平距離

從表4計算結果可知，獅子坪水庫蓄水對I2線獅子坪1號隧道水庫蓄水影隧道長度3 930m，水平距離在19.0～740.0m，受水庫蓄水影響產生的滲流量估算為7 383.99m3/d。從計算的水庫蓄水對隧道地下水補給量看，大大增加了隧道正常涌水量，該段巖層走向與隧道軸線夾角小于10°，隧道開挖，水庫水易順巖層層面裂隙滲漏，出口段隧道埋深淺，巖石風化強烈，淺表層千枚狀板巖呈強風化，又有F1、F2斷層通過該路段，巖層滲透性強，F2斷層會明顯增加該段滲水量，將可能成為涌水點（F1與該路段交匯處位于K139+200，F2與該路段交匯于K141+300），順斷層及層面一旦出現滲流后，斷層破碎帶、千枚巖等易軟化會發生塑性變形，對隧道圍巖巖體強度和穩定性有較大影響，有較大的安全風險，如施工中不及時襯砌和采取防滲處理，可能發生中～大型坍塌，并且一旦形成滲流通道，其防滲處理實施技術難度大，極有可能對隧道建設造成毀滅性影響；一旦發生涌水，大量水庫水向隧道中排泄，則會影響到水庫正常蓄水，若防滲支撐不及時或不得力，隧道建設也會對水庫蓄水將造成嚴重影響。故建議不采用此路線方案。

K線獅子坪1號隧道高程位于水庫蓄水位以下，其水文地質縱剖面見圖2，其離庫區水平距離為2 169～4 457m，且水頭差小，超出水庫水滲漏影響范圍，因此水庫蓄水對該方案線無影響。

I5線獅子坪1號隧道在水庫蓄水位以下隧道長度7 565m，水平距離在3 188～10 368m；獅子坪2號隧道在水庫蓄水位以下隧道長度685m，水平距離在2 506～3 486 m；獅子坪3號隧道在水庫蓄水位以下隧道長度1 067m，水平距離在1 060～2 000m，且均位于水庫大壩以下右岸，因此獅子坪水庫蓄水滲漏對I5線1～3號隧道建設及運營基本無影響，隧道建設對水庫基本無影響。

基于以上計算結果及分析評價，獅子坪庫區兩岸各方案線估算隧道正常總涌水量（大氣降雨入滲系數法計算正常涌水量+水庫設計水位2 540m以下側向滲漏補給量）如表5，其中K線1號隧道，I5線1～3號隧道超出水庫蓄水滲漏影響范圍，不考慮。

計算庫區各單一巖層和組合巖層在不同水頭差下每100m長隧道滲水量500 m3/d的水平距離，計算成果見表6。

圖2 K線隧道水文地質縱剖面圖

5 路線方案比較與建議

三條方案線路的工程地質及水文地質條件相差不大，主要從各方案隧道涌水量、隧道工程建設對獅子坪水庫蓄水的影響、水庫滲流對隧道工程的影響，水庫滲漏對隧道的影響長度等進行比較，見表7。

從表7對比條件看，I2線1號隧道位于水庫設計蓄水位以下長度達3 930m，隧道與水庫水平平距離最短僅19 m，且水頭差為41～99.2m，水庫滲流對隧道工程建設影響大，隧道施工若不及時采取防滲措施，可能發生大的集中涌水，引發洞室坍塌，對水庫影響大、危害性大，建議不宜選取該方案線，如要采用該方案線，建議1號隧道距水庫水平距離應至少大于500m為宜；I5線1～3號隧道、K線1號隧道高程低于2 540m，距水庫距離大于1 000m，超出水庫滲漏影響范圍，但相比較而言，I5線距離庫區的平面距離更近一些（I5線最近為1 060m，K線為2 169m），隧道建設對水庫蓄水基本無影響。因此，從水文地質角度推薦采用K線，其次為I5線。

表7 線路方案比較表

6 結論

（1）各隧道涌水量預測采用徑流模數法和大氣降雨入滲系數法計算，將大氣降雨入滲系數法計算的正常涌水量作為推薦值。估算I5線隧道推薦正常涌水量為4 792.05m3/d，I2線隧道推薦正常涌水量約為9436.39m3/d（包括1號隧道水庫側向補給量），K線隧道推薦正常涌水量約為2 699.38m3/d。

（2）分析了水庫設計蓄水水位對2 540m水位以下各擬建隧道的影響。其中I2線獅子坪1號隧道開挖時水庫水易順巖層面的滲漏，對隧道圍巖巖體強度和穩定性有較大影響。I5線獅子坪1～3號隧道距水庫距離大于1 000m，基本不在水庫滲漏影響范圍，隧道建設對水庫蓄水基本無影響。K線獅子坪1號隧道距離庫區遠（2 169～4 457m），且水頭差小，已經超出影響范圍，水庫滲流對該隧道工程建設無影響。

（3）根據隧道水文地質條件，通過各方案線隧道涌水量計算以及水庫蓄水對隧道的滲漏影響分析比較認為：I2線1號隧道位于水設計蓄水位以下長度達3 930m，隧道與水庫水平平距離最短僅19 m，且水頭差為41～99.2m，水庫滲流對隧道工程建設影響大，建議不宜選取該方案線。I5線1～3號隧道、K線1號隧道超出水庫滲漏影響范圍。考慮I5線距離庫區的平面距離更近，從水文地質角度推薦采用K線，其次為I5線，不建議采用I2線。

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On the Influence of Power Station Reservoir Area on Expressway Tunnel Engineering

CHEN Pei1YU Shu-yu1XIANG Bo1LEI Xue-jun2HE Yun-yong1,3

(1.Sichuan Highway Planning Survey Design and Research Institute Co. , Ltd., Chengdu 610041；2.Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation,Chengdu,Sichan,610072；3.School of Civil Engineering, SWJTU,Chengdu 610031 )

The reservoir impoundment will change the hydrogeological environment of the tunnel along the reservoir bank and affect the safety of tunnel construction and operation. This paper makes an approach to the influence of the Shiziping hydropower station reservoir impoundment on the safety of tunnel construction and operation of the Wenchun-Barkam Expressway. Water yield in the tunnel based on the hydrogeological condition is calculated by the use of runoff modulus method and atmospheric rainfall infiltration coefficient method and the leakage of the tunnel under the condition of reservoir impoundment is calculated by the use of Darcy's law based on which the best tunnel route scheme is selected.

Wenchun-Barkam Expressway; tunnel engineering; water yield; leakage; line selection

U458

A

1006-0995（2021）03-0461-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.03.022

2021-07-02

陳沛（1969— ），男，四川成都人，高級工程師，從事公路工程設計研究工作

余蜀予（1971—），男，四川成都人，高級工程師，從事公路工程設計研究工作