下穿巖溶天坑隧道暴雨期涌水量峰值估算方法

謝 藝 偉,陳 基 武,張 鵬,郭 子 昊,張 翾

(1.中交一公局廈門工程有限公司,福建 廈門 361000; 2.南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,江蘇 南京 211816; 3.交通部公路科學(xué)研究所,北京 100088)

0 引 言

突涌水是巖溶地區(qū)修建隧道面臨的主要地質(zhì)災(zāi)害之一[1]。巖溶天坑又稱巖溶漏斗,是巖溶地貌中典型的負(fù)地形,為碗碟狀或漏斗狀洼地[1]。天坑壁因塌陷呈陡坎狀,天坑底部堆積碎石和殘余紅土,常發(fā)育垂直裂隙或溶腔,溶腔與地下暗河或者地下水相通,其形成過程為地表水流沿垂直裂隙向下滲漏時(shí)使裂隙不斷擴(kuò)大,由隱伏孔洞逐步擴(kuò)大崩落,形成環(huán)形陷落天坑。因此天坑是巖溶地區(qū)地表水補(bǔ)給地下水的重要通道[2]。

巖溶地區(qū)隧道選線不可避免地會(huì)從巖溶天坑下部附近穿越,隧道施工期的擾動(dòng)襲奪了地下水徑流途徑,尤其在暴雨期,地表徑流補(bǔ)給會(huì)在短時(shí)間內(nèi)形成洪峰,造成隧道涌水量急劇加大,引發(fā)大規(guī)模突涌水災(zāi)害,造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。防控暴雨期下穿巖溶天坑隧道突涌水災(zāi)害的前提是需要估計(jì)這一特殊地貌和地質(zhì)環(huán)境下隧道突涌水流量的峰值。

目前,隧道涌水量預(yù)測方法有大氣降雨入滲法、地下水徑流模數(shù)法、地下水疏干靜水量法、泉流量匯總法、地下水動(dòng)力學(xué)法、數(shù)值分析法、數(shù)據(jù)挖掘法等[3-4]。結(jié)合隧道工程實(shí)踐,眾多學(xué)者開展了上述經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)預(yù)測方法之間的對(duì)比研究,總結(jié)出各方法的適用工程場景[5-9]。近年來,也有些學(xué)者針對(duì)經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)預(yù)測方法的不足,提出了修正方法,拓寬了傳統(tǒng)方法的適用范圍、特殊條件與精度。例如:常威改進(jìn)了大氣降雨滲入量法的延時(shí)時(shí)間[10];辛冬冬提出基于疊加原理的海底隧道滲流場與涌水量分析與現(xiàn)場測試方法[11];張智雄提出了基于傳統(tǒng)方法的穿越層狀含水結(jié)構(gòu)隧道涌水量修正[12];陳瑜林開展了巖溶隧道的涌水量統(tǒng)計(jì)分析,討論不同涌水量預(yù)測方法的適用條件[13];傅鶴林等將反映法與滲流分析勢相疊加提出了隧道掌子面附近涌水量預(yù)測方法[14];賀小勇等討論了隧道涌水預(yù)測中集水面積的計(jì)算方法[15]。隨著水文地質(zhì)勘探手段的提升與監(jiān)測資料的積累與豐富,數(shù)值分析(GMS、FLAC、Modflow等)[16-18]與數(shù)據(jù)挖掘(最小二乘法、遺傳算法、粒子群算法等)[19-21]方法被引入,涌水預(yù)測精確性大幅提高,然而這類方法嚴(yán)重依賴于監(jiān)測資料的數(shù)據(jù)量與典型性。上述方法要么過于經(jīng)驗(yàn)概化,預(yù)測結(jié)果誤差較大,無法指導(dǎo)精準(zhǔn)施工;要么理論性強(qiáng),需要大量現(xiàn)場勘探工作與實(shí)驗(yàn)參數(shù),才能進(jìn)行有效計(jì)算,而且無法針對(duì)暴雨條件進(jìn)行小時(shí)級(jí)涌水預(yù)報(bào)。

雞冠山隧道位于貴州省六盤水市,該地區(qū)屬于典型的天坑巖溶區(qū)域,2017年6月至2018年7月在巖溶天坑下的隧道施工時(shí)發(fā)生過7次涌水事件,同時(shí)期資料顯示,降雨強(qiáng)度與隧道涌水有極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。本文以下穿巖溶天坑的雞冠山隧道工程為背景,對(duì)巖溶天坑的水文、地貌、地質(zhì)等特征進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì),以降雨條件下巖溶天坑的匯水滲流機(jī)制為中心,結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),借助小流域暴雨資料推求地表匯流洪峰形成機(jī)制,提出了一種下穿巖溶天坑隧道暴雨期涌水峰值流量估算方法,可以實(shí)現(xiàn)暴雨條件的小時(shí)級(jí)涌水預(yù)報(bào);并開展了雞冠山隧道下穿巖溶天坑段案例計(jì)算分析,驗(yàn)證了本文所提方法的可靠性。

1 涌水峰值流量估計(jì)方法

下穿巖溶天坑隧道涌水量不僅由巖溶區(qū)水文地質(zhì)控制,而且還受到暴雨期地表徑流補(bǔ)給的影響。在巖溶隧道地下水涌水量估算與實(shí)測的基礎(chǔ)上,還需對(duì)暴雨期小時(shí)級(jí)隧道上覆巖溶天坑地表徑流量洪峰予以估算。兩者之和即為暴雨期隧道涌水峰值流量。地表徑流量洪峰估計(jì)應(yīng)包括兩大部分:① 巖溶天坑流域范圍確定與流域參數(shù)獲取;② 降雨量與降雨歷時(shí)估算,具體實(shí)現(xiàn)步驟與流程如圖1所示。

圖1 涌水量峰值估算流程Fig.1 Flow chart for estimation of peak inrush flow

步驟1:巖溶天坑微地形測繪。開展巖溶天坑的微地形無人機(jī)攝影測量,獲取天坑區(qū)高精度數(shù)字高程模型DEM地形數(shù)據(jù)。

步驟2:確定流域特征參數(shù)。根據(jù)巖溶天坑區(qū)高精度數(shù)字高程模型地形數(shù)據(jù),采用數(shù)字地形分析方法,計(jì)算巖溶天坑流域面積F,流域最遠(yuǎn)點(diǎn)的流程長度L,最遠(yuǎn)流程的平均縱比降J。

步驟5:計(jì)算雨力。雨力AP的計(jì)算公式為

Ap=H24,P·24n-1

當(dāng)tc≤24 h時(shí),

當(dāng)tc>24 h時(shí),

式中:α為降雨歷時(shí)為24 h的徑流系數(shù),通過查詢當(dāng)?shù)厮氖謨钥梢垣@得。

步驟8:計(jì)算流域匯流歷時(shí)與設(shè)計(jì)洪峰流量。流域匯流歷時(shí)τ與推理公式求設(shè)計(jì)洪峰流量Qm,P計(jì)算公式為

式中:m為匯流參數(shù),J為最遠(yuǎn)流程的平均縱比降,L為最遠(yuǎn)點(diǎn)的流程長度,產(chǎn)流歷時(shí)tc。

流域匯流歷時(shí)τ按照試算法求解:

(1) 按照步驟6計(jì)算tc值。

步驟9:計(jì)算地下水匯流參數(shù)。開展降雨期隧道涌水流量實(shí)測,分別記錄無降雨的日常涌水流量Qn,0、降雨期高峰涌水流量Qn,1、降雨期雨停穩(wěn)定涌水流量Qn,2以及Qn,1與Qn,2之間的歷時(shí)tn(小時(shí)計(jì)),推求地下水匯流參數(shù)Kn:

在降雨實(shí)測的選擇上,其應(yīng)超過該地區(qū)雨季多年月降雨量平均值。

步驟10:涌水峰值流量估計(jì)。巖溶天坑底部出口斷面洪峰為Qm,P,天坑徑流補(bǔ)給隧道的涌水量Qn,P計(jì)算公式為

天坑徑流補(bǔ)給隧道的涌水量峰值Qn,P與日常涌水流量Qn,0之和就是隧道最大涌水量Qn,P,Max,即為Qn,P,Max=Qn,P+Qn,0。

為驗(yàn)證本文計(jì)算方法的準(zhǔn)確性,以雞冠山隧道工程實(shí)例開展計(jì)算,并與實(shí)測和傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

2 雞冠山隧道涌水案例分析

2.1 隧道概況

G7611都勻至香格里拉高速公路雞冠山隧道位于貴州省威寧縣爐山鎮(zhèn),是巖溶地層下的越嶺隧道。隧道洞身主體由北東-南西向呈“S”形展布,其方位角走向?yàn)?48°。如圖2所示,隧道所在區(qū)域?qū)儆跇?gòu)造溶蝕峰叢洼地地貌區(qū),峰叢基座與隧道相連,分布有溶丘與洼地,發(fā)育有溶蝕漏斗、落水洞等巖溶地貌。溶蝕洼地、漏斗、落水洞在地表上延邊界線呈現(xiàn)出線排列[23]。虛線表征隧道的左右線,左線隧道長3 772 m,右線隧道長3 800 m。圓點(diǎn)包圍區(qū)為巖溶天坑,巖溶天坑處于隧道正上方,中心樁號(hào)為K72+280,沿隧道方向范圍為K72+220～K72+340,距離隧道洞頂76 m,天坑常年有地表水匯集,并有落水洞泄水,在歷次涌水過程中發(fā)現(xiàn)天坑降雨匯流均通過落水洞向下排泄。

圖2 隧道及巖溶地貌Fig.2 Tunnel and karst landform

2.2 工程概況

2.2.1降雨氣象

隧址區(qū)位于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū),雨量充沛。根據(jù)以往氣象資料顯示(見圖3),威寧縣當(dāng)?shù)啬昶骄邓繛?90 mm,日最大降水量為166 mm,降水集中在5～10月,旱季為11月至次年4月。

圖3 威寧縣多年平均氣象資料統(tǒng)計(jì) (1971～2000年)Fig.3 Statistics of average meteorological data in Weining County for many years (1971～2000)

2.2.2隧址區(qū)工程及水文地質(zhì)條件

(1) 工程地質(zhì)條件。隧道地處于金鐘背斜中部偏北,北東巖層產(chǎn)狀大致為40°～50°,隧道軸線與地層走向呈大角度傾斜相交,隧道區(qū)出露基巖為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r、二疊系下統(tǒng)梁山組(P1l)泥巖、石炭系中統(tǒng)黃龍組(C2hn)灰?guī)r等。區(qū)內(nèi)裂隙極為發(fā)育,節(jié)理走向主要有兩組:①走向NW30°～65°,傾向北東和南西,傾角60°～80°;②走向NE35°～45°,傾向北西和南東。傾角65°～85°。

巖溶天坑位于隧道正上方的圓點(diǎn)周圍,中心樁號(hào)為K72+280,沿隧道方向的范圍里程為K72+220～K72+340,距洞頂76 m,在歷次涌水過程中發(fā)現(xiàn)天坑降雨匯流均通過落水洞向下排泄。降雨多發(fā)季節(jié),坡面易產(chǎn)生臨時(shí)片流、漫流,從順坡面的凹溝向洼地、漏斗或落水洞區(qū)域匯流形成地下水,沿著溶蝕裂隙或管道排至樂溪與大箐溝。

(2) 水文地質(zhì)條件。隧道穿越段地形東西低,南北高,洞口兩端的箐溝、樂溪構(gòu)成該小區(qū)流域范圍的侵蝕基準(zhǔn)面。就地形上看,隧道南側(cè)、東側(cè)地勢逐漸抬升,處Ⅱ、Ⅲ級(jí)剝夷面過渡區(qū),區(qū)內(nèi)地層總體呈北西走向,溶蝕洼地、落水洞總體沿地層走向呈串珠狀分布,地下巖溶管網(wǎng)發(fā)育,構(gòu)成該區(qū)地下水排匯通道。區(qū)內(nèi)地下水總體由東向西、由南向北排泄。

隧道南側(cè)發(fā)育高家灣地下暗河。該暗河系統(tǒng)主要受東、南側(cè)地下水補(bǔ)給,構(gòu)成隧道水文地質(zhì)單元南側(cè)邊界,該邊界與兩側(cè)溪溝及隧道北側(cè)近東西向山脊線構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。隧道從該水文地質(zhì)單元中部斜穿,其中部被梁山組地層碎屑巖夾煤系地層大角度切割,隧道東西兩側(cè)被分割成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的次級(jí)水文地質(zhì)單元。

2.3 歷次典型涌水事件

地表水在隧道穿越的區(qū)域不發(fā)育,地表漏斗和洼地都無積水,地質(zhì)調(diào)查資料表明地下水位低于隧道線路高程。隧道施工期共發(fā)生了7次與強(qiáng)降雨密切相關(guān)的涌水事件,在隧道下穿天坑洞段發(fā)生了3次涌水事件[23],詳見表1。

表1 隧道施工期涌水事件Tab.1 Events of water inrush during tunnel constrnction

2.4 計(jì)算分析

2.4.1巖溶天坑微地形測繪

本次研究測量巖溶天坑匯水區(qū)的范圍南北長約1.2 km,東西長約1.3 km,測區(qū)面積約為1.58 km2。無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)由DJI M210四軸航拍無人機(jī)、DJI ZENMUSE X5S云臺(tái)相機(jī)、Pix4d數(shù)據(jù)采集與處理軟件組成。無人機(jī)攝影測量外業(yè)工作流程包括:選定測區(qū)、設(shè)備組裝、控制點(diǎn)標(biāo)定、航線規(guī)劃、航測飛行、數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

利用Pix4dmapper進(jìn)行三維精細(xì)化建模,經(jīng)過自動(dòng)空三、密集匹配等處理,生成了DOM、DSM數(shù)據(jù),利用Cloudcompare對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行修剪與去噪,將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS,使用ArcGIS生成相應(yīng)的DEM數(shù)據(jù)。DOM數(shù)據(jù)、DSM數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)如圖4所示。

2.4.2確定流域特征參數(shù)

根據(jù)巖溶天坑區(qū)高精度DEM地形數(shù)據(jù),利用ArcGIS的水文分析工具進(jìn)行匯水分析。采用優(yōu)先漫水算法進(jìn)行流向分析,模擬降水,尋找最先被淹沒的地區(qū),然后迭代增加水量,后淹沒的地區(qū)流向指向最先被淹沒的地區(qū),如圖5(a)所示。基于流向數(shù)據(jù)計(jì)算開展匯流流量分析,以規(guī)則格網(wǎng)表示DEM每點(diǎn)處有一個(gè)單位的水量,按照水流從高處流向低處的自然規(guī)律,根據(jù)流向數(shù)據(jù)計(jì)算每點(diǎn)處所流過的水量數(shù)值,如圖5(b)所示。計(jì)算區(qū)內(nèi)匯水網(wǎng)絡(luò),匯流量大于臨界閾值的柵格就是水流路徑,由水流路徑構(gòu)成河網(wǎng)。該微地貌區(qū)域匯流閾值經(jīng)試算最終確定為100,計(jì)算成果如圖5(c)所示。流域劃分采用ArcGIS的水文分析模塊,劃分結(jié)果如圖5(d)所示,共劃分為12個(gè)流域,其中5個(gè)為內(nèi)流區(qū),7個(gè)為外流區(qū)。最大流域面積為0.191 9 km2,最小流域面積為0.0307 km2。

圖5 研究區(qū)匯流分析與流域劃分成果Fig.5 Convergence analysis and watershed division results in the study area

采用以上方法計(jì)算巖溶天坑流域面積為F=1.076 1 km2,流域最遠(yuǎn)點(diǎn)的流程長度L=0.23 km,最遠(yuǎn)流程的平均縱比降J=0.325‰。

2.4.3獲取降雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)

2.4.4計(jì)算設(shè)計(jì)雨量H24,P

2.4.5計(jì)算雨力AP

雨力AP=H24,P·24n-1=433.26×240.533-1=98.22 mm。

2.4.6計(jì)算損失參數(shù)μ與產(chǎn)流歷時(shí)tc

根據(jù)表2中的涌水事件,2018年7月6日,6 h大暴雨降雨量234 mm,對(duì)應(yīng)實(shí)測涌水量為21 294 m3,以此案例為基準(zhǔn)。參照地區(qū)暴雨徑流相關(guān)圖推求H24,P對(duì)應(yīng)的凈雨量Rtc=234-35-3×30-30=79 mm,并初步判斷tc<24 h,R24=Rtc。將Rtc代入μ計(jì)算公式,得到μ。將μ,AP,n代入tc計(jì)算公式,求出tc。

表2 設(shè)計(jì)洪峰流量試算Tab.2 Trial calculation of designed flood flow

2.4.7計(jì)算匯流參數(shù)m

2.4.8計(jì)算流域匯流歷時(shí)τ與設(shè)計(jì)洪峰流量Qm,P

按照試算法求解流域匯流歷時(shí)τ:

(1) 按照2.4.6節(jié)公式計(jì)算tc值;

2.4.9計(jì)算地下水匯流參數(shù)Kn

開展降雨期隧道涌水流量實(shí)測,分別記錄無降雨的日常涌水流量Qn,0=8329 m3/6 h、降雨期高峰涌水流量Qn,1=24988 m3/6 h、降雨期雨停穩(wěn)定涌水流量Qn,2=15133 m3/6 h、以及Qn,1與Qn,2之間的歷時(shí)tn(小時(shí)計(jì))。地下水匯流參數(shù)Kn計(jì)算如下:

Kn=3.05

2.4.10突涌水洪峰流量估計(jì)

根據(jù)巖溶天坑底部出口斷面洪峰為Qm,P,天坑徑流補(bǔ)給隧道的涌水量Qn,P計(jì)算如下:

=11867 m3/6 h

天坑徑流補(bǔ)給隧道的涌水量峰值Qn,P與日常涌水流量Qn,0之和就是隧道最大涌水量Qn,P,Max,即

Qn,P,Max=Qn,P+Qn,0=11867+8329

=20196 m3/6 h

3 討 論

采用《鐵路工程地質(zhì)手冊》(第三版)推薦的降水滲入法、水文地質(zhì)比擬法以及本文所提方法與實(shí)測涌水洪峰做對(duì)比。降水滲入法、水文地質(zhì)比擬法的計(jì)算結(jié)果摘自《都(勻)至香(格里拉)高速公路六盤水至威寧(黔滇界)段LWTJ-11標(biāo)段施工圖設(shè)計(jì)階段雞冠山隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告》[23],其中降水滲入法、水文地質(zhì)比擬法結(jié)果是按照日最大降雨量估計(jì)的隧道最大涌水量。由于涌水事件的暴雨期為6 h,故在與涌水事件實(shí)測結(jié)果比較時(shí),由每日24 h等比例換到6 h。

綜合表3,降水滲入法的計(jì)算結(jié)果均遠(yuǎn)小于實(shí)測涌水洪峰;相對(duì)而言,水文地質(zhì)比擬法采用工程類推法,由于缺乏實(shí)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐,其結(jié)果比實(shí)測值的偏大。本文所提方法計(jì)算結(jié)果比較接近實(shí)測值,其誤差為5%,誤差產(chǎn)生的主要原因是在匯流分析的過程中,為提取合適的匯流計(jì)算區(qū)域,匯流閾值經(jīng)試算最終選取為100,低于閾值的匯流區(qū)域尚未納入計(jì)算,而在實(shí)際情況中這些范圍仍會(huì)匯聚小部分水量,本次研究計(jì)算所選取的流域參數(shù)相對(duì)實(shí)際情況而言偏小,但在可以接受的范圍內(nèi)。同時(shí)本文所提方法可以實(shí)現(xiàn)小時(shí)涌水量估計(jì),而傳統(tǒng)方法只能計(jì)算日涌水量,日涌水量無法應(yīng)對(duì)搶險(xiǎn)度汛最大隧道排水能力計(jì)算。

表3 傳統(tǒng)方法、新方法與實(shí)測結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of traditional method and new method m3/6 h

4 結(jié) 論

天坑洼地是巖溶地區(qū)的特殊地貌單元,是聯(lián)接巖溶地區(qū)地表水與地下水的重要通道,其下穿隧道的涌水量不僅受巖溶區(qū)水文地質(zhì)控制,還受到暴雨期地表徑流補(bǔ)給的影響。針對(duì)巖溶隧道下穿天坑洼地區(qū)施工期涌水事件,本文提出了一種考慮地表徑流補(bǔ)給的下穿巖溶天坑隧道暴雨期突涌水量峰值估計(jì)方法,并結(jié)合雞冠山隧道的隧址區(qū)地形地貌、水文地質(zhì)條件與實(shí)測涌水資料,開展了案例分析計(jì)算并與涌水事件的實(shí)測涌水量進(jìn)行對(duì)比。

(1) 傳統(tǒng)涌水預(yù)測方法不適用于巖溶隧道下穿天坑洼地區(qū),其預(yù)測結(jié)果與涌水量實(shí)際監(jiān)測值相比存在巨大差異。相對(duì)而言,水文地質(zhì)比擬法是傳統(tǒng)方法中最為接近實(shí)測值的方法,但是水文地質(zhì)比擬法需要大量周邊已建同類工程的實(shí)測資料,而且缺乏理論支撐,僅僅是概念估算。

(2) 傳統(tǒng)涌水預(yù)測方法僅能按照年降雨量平均值或日最大降雨量推算日最大涌水量,缺乏針對(duì)降雨補(bǔ)給涌水量的準(zhǔn)確計(jì)算。本文所提方法根據(jù)地形實(shí)測數(shù)據(jù)與降雨統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)地表徑流補(bǔ)給的精確計(jì)算,準(zhǔn)確預(yù)測地表匯水補(bǔ)給天坑洼地下穿隧道突涌水的小時(shí)洪峰。

(3) 以雞冠山隧道為例,本文所提方法計(jì)算值與涌水量實(shí)測值相差5%,計(jì)算結(jié)果可為隧道涌水防洪或布置抽排方案提供重要數(shù)據(jù)支撐,保障了隧道施工與運(yùn)營安全。