深埋引水隧洞圍巖透水性和涌水量水文地質分析與計算

侯立柱

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述

新疆某引水工程以已建的山區水庫為水源工程，通過修建長距離輸水隧洞及管線，將河水引調至某經濟開發帶，以滿足生活及新型工業化發展的需水要求。該方案線路總長106.7km，隧洞長92.35km，設計洞徑5.26～7.1m，縱坡1/5000，在隧洞出口修建一水庫進行調蓄。在修建調蓄水庫尾水采取管道引水至目的地。因此，引水隧洞和埋涵管線為該工程主要建筑物。

引水隧洞主要穿越山區和低矮丘陵，埋深一般在150～320m，平均埋深約230m，最大埋深350m。經統計穿過隧洞處在地表上有明顯構造形跡的區域性斷裂有2條，斷裂破碎帶一般寬度90～100m，最大破碎帶寬800m。其次隧洞中上段分別還發育多條次級斷層，破碎帶一般寬度10～30m，少數達60～80m。由洞線上每2.0～3.0km一個勘探鉆孔所揭露的巖芯、物探波速、井下電視測試來看，洞身段基本均處于新鮮巖體內。巖體以塊狀和厚層狀為主，洞身僅在穿越斷層附近巖體破碎、節理裂隙發育，圍巖完整性較差[1]。隧洞穿越一河床底部石炭系凝灰質砂巖內通過外，其它洞段地表徑流不發育，但隧洞均處于基巖裂隙水以下。

在隧洞開挖掘進過程中，與地下水環境有著密切聯系。隧洞穿越含有少量地下水滲流段落，影響不大，但是如果在富含地下水段落，遇到涌水，股狀突水將對隧洞建設造成嚴重影響，甚至淹沒作業面，對洞內設施運轉造成嚴重影響。因此，對隧洞區域水文、地下水類型及賦存條件、補給排泄和涌水量等進行分析預測和計算，為正確處理和應對隧洞中地下水問題提供科學依據。

2 區域水文宏觀分析

工程區主要處于低山丘陵區和一盆地東部邊緣，氣候干燥、多風，年降水量少，蒸發量遠大于降水量，低洼排泄區的地表水及淺埋地下水礦化度較高。地表水對基巖裂隙和斷層破碎帶補給量有限。

(1)地表溝谷：工程區內主要有2條較大的溝谷分布。溝谷主要接受高山區的冰雪融水和大氣降水補給，地下水徑流方向總體上由北向南，最終流向盆地中心。工程區內部分低洼的山間小盆地也往往成為區域地下水的排泄區。

(2)基巖裂隙水：工程區沿線主要為低山丘陵地貌，巖性以古生代和華力西期侵入巖的堅硬層狀、塊狀巖石為主，地下水除河谷潛水和丘陵夷平面上高地沼澤潛水呈狹長狀和小片狀存在外，主要是賦存在斷層、構造裂隙和上部基巖風化裂隙中的基巖裂隙水[2]。

由于基巖裂隙水含水巖類的不同，可分為殼狀基巖裂隙水和構造破碎脈狀基巖裂隙水：①殼狀基巖裂隙水：主要賦存于表層風化巖體內，表部風化卸荷帶裂隙較發育，多呈網狀相互切割，為地下水提供了較好的賦存空間。主要接收大氣降水的補給，一般隨風化卸荷帶呈殼狀分布，往往以下降泉形式向溝谷排泄，在溝底及岸坡處多有泉水出露點，富水性較強，其水量隨降雨入滲補給量的變化呈季節性動態變化。殼狀基巖裂隙水沿風化卸荷裂隙隨地形從高處逐漸向較低的谷地處滲流匯集，一般在裂隙相對發育的部位以下降泉的型式排泄到溝谷或洼地中。大多數泉水流量一般在0.01～0.1L/s，個別流量為2.0～3.3L/s。表層風化巖體基巖裂隙水下部，巖體完整，屬微透水性，基巖裂隙水極為貧乏。②構造裂隙水：主要受構造控制，沿構造呈線狀分布，分布在構造破碎帶或裂隙密集帶內，其富水性相對較強，但分布范圍相對較小，靜態貯水量相對較小。構造裂隙水主要接收大氣降水的補給，以下降泉形式向河谷排泄，在溝底及岸坡處多有泉水出露點，泉水流量一般在2.7～3.3L/s。

3 隧洞沿線地下水類型與賦存條件[3- 4]

工程區沿線主要為低山丘陵地貌，地下水主要是基巖裂隙水。其次是分布在巖體復背斜、復向斜和短軸背、向斜等褶皺和斷裂構造中的地下水。尤其是區域性的主干斷裂橫貫低山丘陵區，擠壓破碎帶寬度達90～150m，斷裂帶及破碎帶中賦存的脈狀地下水。根據地下水賦存條件、水理性質和水力特征，可劃分為以下2種基本類型：

(1)古生代泥盆系(D)、石炭系(C)、華力西期花崗巖基巖裂隙水(包括斷裂脈狀水)和碎屑孔隙微承壓水。

碎屑巖類孔隙水主要分布于中生代碎屑巖及斷層破碎帶內，它一般處于地勢低洼、封閉性較好的環境內。碎屑巖類孔隙水多具微承壓性，局部自流，礦化度略高，但當其位于隧洞洞身附近時對隧洞施工影響較大。基巖裂隙水分布于區內古生代基巖裂隙中，分布范圍廣，由大氣降水入滲補給。古生代巖石一般堅硬，裂隙不發育，貫通性差，它在一些溝谷中以泉水的形式溢出。裂隙水水量大多較小，沒有統一的地下水位，水質均較差。

(2)新生代第四系松散層孔隙潛水。

孔隙潛水主要分布于區內第四系松散堆積物中，由于區內第四系覆蓋層厚度分布小，且補給水量有限，區內孔隙潛水分布少，且其厚度較薄，儲量很小，加之其埋深一般不大，受強烈蒸發的影響。一般在靠近河流的孔隙潛水，水質較好，遠離河流的孔隙潛水質較差。

由上述可知，現場的斷裂脈狀水是一種特殊的基巖裂隙水，主要賦存于斷層破碎帶中，具有集中、量大、連通性差等特點；碎屑孔隙裂隙地下水均屬層間微承壓水，無潛水，賦存于裂隙和斷層影響帶中；而第四系地下水只有潛水而無承壓水賦存條件。

4 隧洞沿線巖體透水性分析

為了解和分析該引水隧洞段的水文地質條件，定量評價和預測地下水在施工中的涌水災害。因此，對沿線巖體的透水性分析至關重要。主要采用地表斷裂帶泉水測流試驗進行反推初判巖體透水性能、斷層破碎帶大口徑井深孔專門水文地質抽水試驗、隧洞沿線勘探小口徑深孔抽(掏)水與壓水試驗等多種方法，綜合估算隧洞沿線巖體的透水性。

(1)泉水溢出量測流試驗初判透水性

通過對現狀調查，工程區引水隧洞段沿線附近共分布有20處泉水點，均屬斷裂構造破碎帶或節理裂隙密集帶，泉水溢出點附近地表大多呈濕地、生長低矮雜草植被。現場結合泉水出露點位置和特性，分別對各泉水點采用三角堰法和簡易抽水試驗進行流量測試。結合SL629—2014《引調水線路工程地質勘察規范》中按泉水流量對本工程區沿線斷裂帶泉水、基巖裂隙水進行富水性等級劃分，見表1。

表1 工程區沿線泉水富水性等級劃分對比表

工程區沿線斷裂構造帶的泉水流量[5]一般處于0.01～0.9L/s之間，占實測泉水點總數的85%；個別流量為1.0～3.33L/s，占實測泉水總點數量的15%。表明工程區沿線受斷裂或節理裂隙影響的巖體內地下水量不豐富，大多屬于貧水區(段)，局部屬弱富水區(段)，斷裂帶泉水點估算最大涌水量約Q=12m3/h，斷層破碎帶、節理裂隙帶巖體內總體涌水量不大，初判巖體透水性能較弱。

(2)斷層破碎帶大口徑井深孔水文地質抽水試驗及參數[5]

經驗表明，基巖區內的斷層破碎帶、節理裂隙密集帶往往是地下水相對富集的地段。因此，在工程區隧洞段沿線附近，分別對部分區域性斷裂和次級斷裂共布置大口徑水文地質勘探孔，并進行了專門水文地質抽水試驗。

斷層破碎帶含水巖體滲透系數計算選用承壓水完整井兩側為隔水邊界的帶狀含水層計算公式：

(1)

(2)

式中，K—含水層滲透系數，m/d；Q—抽水井出水量，m3/d；S—抽水井水位降深值，m；M—含水層有效厚度，m；r—抽水井過濾器的半徑，m；b—帶狀含水層中心至隔水邊界距離，m；R—抽水井至供水方向的抽水影響距離，m。

式中參數取值和各水井抽水試驗成果及滲透系數計算結果見表2。

工程區內區域性斷層破碎帶巖體，滲透系數K介于4.87～7.52×10-4m之間，屬中等透水性；次級斷層破碎帶巖體，滲透系數K介于3.36～3.59×10-5m之間，屬弱透水性。

(3)隧洞沿線勘探小口徑深孔抽(掏)水試驗及參數

在隧洞段沿線每2～3km布置完成的鉆孔抽(掏)水試驗，其水文地質參數計算采用裘布依潛水完整井計算公式進行巖體滲透系數計算，采用裘布依潛水完整井計算公式[6]：

式中，Q—抽水井出水量，m3/d；k—含水體滲透系數，m/d；H—含水體厚度，m；R—影響半徑，m；S—水位降深，m；r—抽水井半徑，m。

從表3(鉆孔抽水試驗)可以看出：隧洞段深度40m以下至洞底巖體的滲透系數平均值K為1.1×10-6～1.65×10-8cm/s，大多屬微～極微透水性，局部屬弱透水性。

為得到確切實際的巖體透水性等地質參數，在個別鉆孔中進行壓水試驗，進而對巖體透水性進行復核。其水文地質參數計算采用SL 25—92《水利水電工程鉆孔壓水試驗規程》進行巖體滲透系數計算。通過鉆孔壓水試驗可以看出：隧洞段在洞底線以上50m范圍內，巖體的透水率平均值q為0.47～1.83Lu，滲透系數平均值K=5.92×10-6cm/s，大多屬微～極微透水性，局部屬弱透水性。試驗數據和鉆孔抽水試驗基本相同，數值準確可靠。

5 隧洞涌水量估算[7- 8]

計算隧洞段涌水量時，既要考慮隨引水洞線掘進涌水量的累加，也要重點考慮裂隙水隨時間推移的衰減，因此通過各種科學手段進行估算和復判。現主要采取裘布依理論公式、水文地質比擬法、工程類比法和試驗洞實測法進行綜合估算和判定。

5.1 按照裘布依理論公式，估算隧洞段單位涌水量[9]

式中，Qs—隧洞正常涌水量，m3/d；K—含水體的滲透系數，m/d；H—洞底以上潛水含水體厚度，m；h—洞內排水溝假設水深(一般考慮水躍值，取值h=0.5H)；Ry—隧洞涌水地段的引用補給半徑，m；L—隧洞通過含水體的長度，m；r0—洞身橫斷面等價圓半徑(取值4.0m)。

表2 斷層破碎帶內大口徑鉆孔抽水試驗成果表

(1)對工程區內主要斷層和次級斷裂進行計算(參數取值見表4)

采用水文鉆孔抽水試驗對隧洞各斷層破碎帶涌水量估算。公式數值選取見表4，經計算可知，在隧洞通過區域性斷層的破碎帶巖體時，隧洞單位涌水量平均值Qs=92.44m3/h·km；在隧洞通過次級斷層的破碎帶巖體時，隧洞單位涌水量平均值Qs=62.64m3/h·km。各級斷裂破碎帶隧洞單位涌水量合計平均值Qs=74.56m3/h·km。

(2)采用工程勘探孔抽水試驗對隧洞段涌水量估算(參數取值見表5)

由表5中可以看出：隧洞段根據各鉆孔抽水試驗，一般巖體單位涌水量最大值2.22m3/h·km，平均值Qs=1.31m3/h·km，屬貧水區(段)，總體隧洞涌水量不大。

同理，在個別鉆孔內根據各鉆孔壓水試驗提供參數，進行計算可知在一般巖體單位涌水量平均值Qs=14m3/h·km，屬貧水區(段)，總體隧洞涌水量不大。

5.2 按照水文地質比擬法[10]，估算隧洞段單位涌水量

式中，QS、QS′—新建、既有隧洞通過含水體地段的正常涌水量，m3/d；F、F′—新建、既有隧洞通過含水體地段的涌水面積，m2；S、S′—新建、既有隧洞通過含水體中自靜止水位起的水位降深，m；B、B′—新建、既有隧洞洞身橫斷面的周長，m；L、L′—新建、既有隧洞通過含水體地段的長度，m。

表3 隧洞段鉆孔抽(掏)水試驗成果計算表

表4 斷層破碎帶內水文鉆孔隧洞涌水量估算表

表5 隧洞段單位涌水量估算表

在進行水文地質比擬法時，根據現場在不同地貌單元、不同巖石巖性布設的勘探試驗洞的實測涌水量，并盡量在同樣埋深情況下進行比擬估算。布設探洞即為“既有隧洞”，預測主洞為新建，二者洞徑橫斷面等價圓半徑4.0m和洞身橫斷面周長21.98m均相同。

選取具有代表性強的各勘探試驗洞實測涌水量及新建隧洞涌水量，估算結果見表6。

由表中可以看出：隧洞段根據T0—T2勘探試驗洞開挖洞段實測涌水量，估算擬建隧洞涌一般巖體單位涌水量平均值Qs=13.95m3/h·km，屬貧水區(段)，總體隧洞涌水量不大。

5.3 工程類比法

引水隧洞具有軸線長、點多面廣的特點，穿過不同區域，因此對臨近已進行地下洞室作業的項目可以參考和借鑒。

(1)根據隧洞樁號15+000以西25km處的已建的銅鉬礦業“1#采礦井”調查資料分析：該礦井為緩斜井，井徑3.5m，縱坡23%，垂直井深90m，斜洞總長401m，初見基巖裂隙水位埋深40m，施工和運行期緩斜井井壁以滲水、滴水為主，水量貧乏微弱，在前期采礦運行過程中緩斜井豎井疏干總涌水量為120m3/d，估算緩斜井巖體單位涌水量為12.5m3/h·km。

(2)隧洞樁號65+000以東12km處已建的銅鉬礦業調查資料分析：“1#采礦主副豎井”井徑6.0～6.5m，井深700m，且在井深300m處又增加了一條1200m長的水平巷洞，洞徑3.5m，施工和運行期豎井井壁以滲水為主，采礦運行過程中該豎井疏干總涌水量為960m3/d，估算豎井巖體單位涌水量為21.1m3/h·km。“2#采礦通風豎井”位置靠近斷裂帶附近，井徑5.0m，井深700m，采礦運行過程中該豎井疏干總涌水量為1600m3/d，估算豎井斷裂帶破碎巖體單位涌水量為95.2m3/h·km。

5.4 各勘探試驗洞實測涌水量[11]

現場采取布設勘探洞和施工支洞相結合的方式，對洞室做到最大的利用效果，以此減少資金投入。

各勘探試驗洞實際開挖深度、洞頂埋深、洞徑(6.9～7.0m)、分布巖性、圍巖類別、洞壁裂隙水出露表觀特征均有所不同，現場實測已開挖洞段總涌水量彼此相異。實測隧洞段3.0～40.0m3/h，推算單位涌水量1.2～26.5m3/h·km。見表7。

根據區域水文地質條件和以上地表斷層帶泉水測流試驗、斷層破碎帶深孔專門水文地質抽水試驗、隧洞沿線勘探深孔抽(掏水)壓水試驗、工程類比和各勘探試驗洞實測水量等方法，結合鉆孔中巖體透水率、滲透系數、單位涌水量等參數綜合分析。

隧洞在通過區域性斷裂帶或局部較大的次級斷裂帶地段時，單位涌水量q取值為80～800m3/h·km；隧洞通過河流或地表水體附近地段時，單位涌水量q取值為25～100m3/h·km；隧洞通過其它地段時，單位涌水量q取值為10～50m3/h·km。

表6 試驗洞實測涌水量及新建隧洞涌水量估算表

表7 試驗洞實測單位涌水量匯總統計表

6 結語

(1)工程區引水隧洞段、處于盆地沙漠東部邊緣，溝谷分布，氣候干燥、多風，蒸發量遠大于年降水量，地表水對基巖裂隙和斷層破碎帶補給量甚微。

(2)工程區隧洞沿線，表層的基巖裂隙水(與大氣補給相對密切的基巖強、弱、微風化層)與下部基巖裂隙水(深埋隧洞附近完整、較完整巖體段)水力聯系微弱，隧洞洞身巖體富水性屬貧水區(段)，為微～極微透水性，施工中隧洞段總體涌水量不大。

(3)由于地質鉆孔代表的段落有一定的局限性，隧洞在施工時不排除局部地段有大的斷層、節理裂隙、層理與地表水有一定的水力聯系，所以施工時仍需要注意加強排水和超前地質預報。