汪 云，楊海博，鄭夢琪，韓智昕，趙 耀，袁金浩

（中國冶金地質(zhì)總局山東正元地質(zhì)勘查院，山東泰安271000）

世界上巖溶面積占陸地總面積的7%～12%，巖溶水作為飲用水源供給全球20%～25%的人口［1］。中國是世界上巖溶分布面積最廣的國家，巖溶面積達(dá)346萬km2，約占國土面積的1/3［2］。隨著我國水利及交通事業(yè)的發(fā)展，大量的隧道工程需要穿越巖溶地區(qū)，由于巖溶區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜、富水特性差異大、非均質(zhì)性強(qiáng)，因此隧道修建過程中極易發(fā)生突涌水事故。同時(shí)，巖溶隧道突涌水具有水量變異性大、水位高差變化顯著、地表水與地下暗河貫通性強(qiáng)等特點(diǎn)［3］，因此為確保巖溶區(qū)域施工安全，有必要加深對(duì)巖溶區(qū)域水文地質(zhì)條件的研究，在此基礎(chǔ)上探明突涌水的發(fā)生機(jī)制，從而有效預(yù)防和處理巖溶區(qū)的突涌水事故。

研究表明水文地質(zhì)條件控制著巖溶水的滲流規(guī)律。王建秀等［4］根據(jù)地下水在各種滲流介質(zhì)（巖石孔隙、巖層裂隙和經(jīng)地下水溶蝕而成的溶隙及溶洞、地下暗河等巖溶通道）中流態(tài)的不同，建立了快速紊流系統(tǒng)及慢流滲流系統(tǒng)，并利用滲流理論進(jìn)行了詳細(xì)的描述；鄒成杰［5］在對(duì)巖溶地區(qū)多年研究經(jīng)驗(yàn)及理論分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)巖溶水賦存的形式及滲流規(guī)律將巖溶水劃分為管道型、脈管型及溶隙型三種類型。根據(jù)地下水及巖溶水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，國內(nèi)外不少學(xué)者也對(duì)巖溶突水量的預(yù)測進(jìn)行了大量研究［6］。因?yàn)閹r溶隧道突水是個(gè)比較復(fù)雜及多變的災(zāi)害類型，所以對(duì)隧道突水量的預(yù)測計(jì)算尚無較完善且公認(rèn)的理論及準(zhǔn)確的計(jì)算方法。饒新平［7］基于TSP203plus系統(tǒng)與超前鉆孔探水的方法對(duì)齊岳山隧道右洞巖溶裂隙進(jìn)行了預(yù)報(bào)并指導(dǎo)超前帷幕注漿堵水施工，收到了良好效果。陳夢熊［8］指出水文地質(zhì)概念模型能夠?qū)⒐こ痰谋举|(zhì)特征簡化為概念模型，在礦床涌水量計(jì)算中具有較好的應(yīng)用。楊立中等［9］利用滲流應(yīng)力-溫度耦合作用下的水文地質(zhì)數(shù)值法對(duì)某隧道的突涌水量進(jìn)行了預(yù)測及驗(yàn)證。Jukic等［10］針對(duì)巖溶區(qū)域建立降雨—徑流概念模型用以估算地下水量平衡。林傳年等［11］基于我國巖溶隧道突涌水實(shí)例分析，指出水文地質(zhì)概化模型可以用于隧道涌水量預(yù)測。

國外學(xué)者研究水文地質(zhì)模型的較多，但進(jìn)一步用它來研究概念模型下的涌水問題則較少；而國內(nèi)雖然研究了很多隧洞涌水問題，但是對(duì)于隧洞所處工程區(qū)的水文地質(zhì)概念模型認(rèn)識(shí)卻不充分。為此，筆者重點(diǎn)研究巖溶隧道突涌水的水文地質(zhì)概念模型，并用于計(jì)算巖溶隧洞涌水量。

1 工程概況

貴州省夾巖水利樞紐及黔西北供水工程位于貴州省畢節(jié)市及遵義市境內(nèi)，工程總體布局以新建的夾巖水庫為集中供水水源，已建的附廓水庫為反調(diào)節(jié)水庫，并利用灌區(qū)現(xiàn)有小型水庫屯蓄。如圖1所示，供水隧洞穿越地層主要為T1yn地層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾砂、泥巖，T1f細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖，P3c灰?guī)r，P3l砂巖、泥巖和P2m灰?guī)r。其中T1yn和P2m地層中灰?guī)r巖溶發(fā)育，隧洞將橫穿大小不一的數(shù)十條巖溶管道及地下暗河，隧洞建設(shè)過程中的突涌水問題尤為突出。

圖1 研究區(qū)域水文地質(zhì)狀況

1.1 地下水類型

根據(jù)工程區(qū)地下水賦存的地層巖性和含水介質(zhì)類型，可將地下水劃分為巖溶水和基巖裂隙水兩種類型，其中巖溶水分布最廣，占工程區(qū)的70%以上，是對(duì)工程區(qū)地下水環(huán)境影響最為深遠(yuǎn)的地下水類型。

1.1.1 巖溶水

巖溶水按發(fā)育特征進(jìn)一步細(xì)分為溶洞—管道水、溶隙—溶洞水及溶孔—溶隙水3個(gè)亞類。

溶洞—管道水主要分布于純石灰?guī)r分布區(qū)，含水介質(zhì)以溶洞—管道組合為主。地下水多集中徑流，并以暗河形式出現(xiàn)，導(dǎo)致富水性極不均一。巖溶水對(duì)降雨量的反應(yīng)靈敏，雨季暴漲，枯季銳減，動(dòng)態(tài)變化大，水流多呈紊流狀態(tài)。

溶隙—溶洞水主要賦存于石灰?guī)r與白云巖互層及純碳酸鹽巖及碳酸鹽巖夾碎屑巖的次純或不純碳酸鹽巖出露區(qū)，含水介質(zhì)主要為脈狀溶蝕裂隙和孤立狀溶洞，地下水動(dòng)力條件介于層流與紊流之間。

溶孔—溶隙水主要分布于T2g等白云巖發(fā)育地區(qū)，含水介質(zhì)為細(xì)小的溶蝕孔洞、孔隙。地下水流態(tài)呈層流，運(yùn)移緩慢，流速小，徑流分散，地下水位埋藏淺。

1.1.2 基巖裂隙水

基巖裂隙水主要賦存于 T1f、T1y3、P3l地層中，巖性主要為砂巖、粉砂巖、黏土巖、泥巖及硅質(zhì)巖等，呈條帶狀分布于工程區(qū)，無集中連片分布。地下水主要賦存于構(gòu)造裂隙及風(fēng)化裂隙中，泉點(diǎn)分布多，但流量小。該含水巖類與碳酸鹽巖相間產(chǎn)出時(shí)，常形成巖溶地下水的隔水層或阻水邊界。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造及巖溶發(fā)育情況

工程區(qū)域位于揚(yáng)子準(zhǔn)臺(tái)地—黔滇臺(tái)隆—遵義斷拱三級(jí)構(gòu)造單元內(nèi)，斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，依其展布方位分為典型隧洞區(qū)域北東向的朱昌斷裂帶及水打橋區(qū)域近東西向的馬場斷裂阻水帶。

繼燕山運(yùn)動(dòng)以后，地殼長時(shí)期上升剝蝕，河流下切，為巖溶發(fā)育創(chuàng)造了良好的條件，形成了多層性及水平帶與垂直帶交替共存的、復(fù)雜的巖溶形態(tài)景觀。

由河谷至分水嶺地帶，垂直巖溶形態(tài)由強(qiáng)變?nèi)?，巖溶發(fā)育具有明顯的差異性，巖溶發(fā)育的強(qiáng)度一般隨深度增加而減弱，同時(shí)巖溶的發(fā)育具有繼承性與成層性的特點(diǎn)。

2 水文地質(zhì)概念模型

2.1 補(bǔ)給來源

研究區(qū)域位于貴州省境內(nèi)地貌第一、第二級(jí)階梯過渡帶，南部被六沖河以最低侵蝕基準(zhǔn)面切割，東部被白甫河以最低侵蝕基準(zhǔn)面切割，背面以龍昌坪大山為分水嶺，形成傾向南向的坡面閉合流域。其間又被發(fā)源于龍昌坪大山頂部的數(shù)條暗河和地表河流分割成數(shù)條小流域。由于研究區(qū)域由一條區(qū)域性分水嶺及兩條具有最低侵蝕基準(zhǔn)面性質(zhì)的河流邊界構(gòu)成，因此該區(qū)域地下水補(bǔ)給來源以大氣降雨為主。

2.2 補(bǔ)給方式

研究區(qū)域出露的地層分為以P2m為代表的巖溶地層及以P3β為代表的非巖溶地層。巖溶地層與非巖溶地層相間產(chǎn)出，容易形成盲谷及泉點(diǎn)。巖溶地層經(jīng)過長期的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及物理化學(xué)作用，產(chǎn)生大量的巖溶洼地、落水洞等巖溶地區(qū)特有的景象。因此，區(qū)域地下水主要補(bǔ)給方式為滲透補(bǔ)給及灌入補(bǔ)給。滲透補(bǔ)給主要指大氣降水沿巖石溶隙、溶孔入滲補(bǔ)給巖溶區(qū)地下水系統(tǒng)。這種補(bǔ)給方式是區(qū)域內(nèi)地下水最普遍、也是最重要的補(bǔ)給方式，以分散、連續(xù)、面廣但補(bǔ)給速度慢為特點(diǎn)。灌入補(bǔ)給指大氣降雨形成的坡面流、地表溪流水直接沿地表落水洞、地下河天窗、豎井、漏斗注入地下，補(bǔ)給地下水。此類補(bǔ)給方式在斜坡區(qū)較明顯，以補(bǔ)給量大、集中、迅速為特點(diǎn)。

2.3 巖溶水的徑流

巖溶水的徑流受巖性、構(gòu)造、地貌條件及水文網(wǎng)控制。純石灰?guī)r分布區(qū)溶洞和管道等巖溶形態(tài)發(fā)育，巖溶水多以快速管流為主，地下水類型為溶洞—管道水。賦存于白云巖及泥質(zhì)碳酸鹽巖中的巖溶水，徑流通道為溶孔及細(xì)小溶隙或小溶洞，巖溶水多為分散流。

2.4 巖溶水的排泄

巖溶水的排泄受地形及構(gòu)造條件控制，集中于地勢低洼處或阻水?dāng)嗔?、巖層界面處出露排泄。同時(shí)，巖溶水受地質(zhì)構(gòu)造控制，在相變帶、斷裂帶、褶皺轉(zhuǎn)折端地下水排泄點(diǎn)集中，且水量較大。工程區(qū)六沖河和白甫河是最低侵蝕基準(zhǔn)面，是巖溶地下水排泄的主要場所。大泉、地下河出口大多分布于此。按排泄出口水量大小及水點(diǎn)分布可分為集中排泄、分散排泄和懸掛排泄。集中排泄多出露于石灰?guī)r分布的斜坡區(qū)深切河谷地段，地下水露頭點(diǎn)少，但流量大，如六沖河九洞天景區(qū)峽谷段，白甫河大方縣以下峽谷段等。分散排泄分布于不純碳酸鹽巖、白云巖分布的各級(jí)臺(tái)地、盆地及河谷地區(qū)，地下水多以小泉群或散流狀分散出流，單個(gè)水點(diǎn)流量小，只有在斷裂帶才有巖溶大泉出露。懸掛排泄形成于碳酸鹽巖與碎屑巖間互層的地區(qū)，地下水多以小泉點(diǎn)分散出流，單個(gè)水點(diǎn)流量小。

根據(jù)上述分析可建立巖溶地區(qū)隧洞涌水水文地質(zhì)概念模型，如圖2所示。大氣降雨作為研究區(qū)域主要的地下水來源，一部分通過蒸發(fā)耗散，一部分通過孔隙、裂隙等結(jié)構(gòu)以分散流的形式滲入地下，一部分通過地表匯集成為地表徑流或填洼等。其中所產(chǎn)生的地表徑流主要分成兩部分，一是通過落水洞、巖溶洼地等快速匯入地下暗河系統(tǒng)；二是通過地表水文網(wǎng)匯入?yún)^(qū)域最低排泄基準(zhǔn)面。進(jìn)入地下的水量在多孔介質(zhì)、裂隙介質(zhì)以及巖溶管道介質(zhì)之間進(jìn)行水量交換，當(dāng)暗河水位高于周圍地下水位時(shí)，暗河補(bǔ)給地下水；當(dāng)?shù)叵滤桓哂诎岛铀粫r(shí)，地下水補(bǔ)給暗河，最終地下水通過潛流或者泉流排泄。地下隧洞開挖后，形成了新的排泄通道，地下水以不同的方式向隧洞排泄。根據(jù)地層巖性、巖溶發(fā)育規(guī)律、地質(zhì)構(gòu)造等因素，主要的排泄方式可以分為以下3種，如圖3所示。

圖2 研究區(qū)域水文地質(zhì)概念模型示意

（1）斷裂構(gòu)造與暗河聯(lián)合控水模式。研究區(qū)域發(fā)育有不同的斷裂構(gòu)造形態(tài)，隧洞開挖后，斷層及其破碎帶將暗河與隧洞連通，其中較大連通裂隙或溶隙成為良好導(dǎo)水通道，可導(dǎo)致隧洞發(fā)生大規(guī)模的突水事件。此種控水模式具有圍巖富水性強(qiáng)、涌水面廣、降雨響應(yīng)迅速等特點(diǎn)。

（2）巖溶管道控水模式。研究區(qū)域巖溶發(fā)育程度具有分層分帶特性。該涌水模式主要是由于中小型巖溶管道將暗河與隧洞連通，巖溶管道有黏土充填，開挖后不出水或者出水量少，因此隨著滲水的增加及充填介質(zhì)的不斷流失，在暴雨作用及上覆水壓力的作用下發(fā)生突涌水現(xiàn)象，最終形成良好的導(dǎo)水通道。該模式具有突發(fā)性、集中性、涌水量大、降雨響應(yīng)迅速等特點(diǎn)。

圖3 研究區(qū)地下水補(bǔ)徑排條件

（3）層理面控水模式。該模式同樣是以層理面為導(dǎo)水通道，大量平行的層理面具有定向?qū)卣?，暗河中水流通過層理面大量涌入隧洞。該種模式涌水量較穩(wěn)定，單次降雨事件對(duì)涌水量影響不大。

3 典型支洞突涌水分析

上述巖溶地區(qū)隧洞涌水水文地質(zhì)概念模型主要描述了不同水文地質(zhì)條件下隧洞突涌水的補(bǔ)徑排特征。針對(duì)水文地質(zhì)概念模型中不同突涌水特征，選取典型1＃支洞（支洞位置如圖1所示），進(jìn)行突涌水分析，包括主要補(bǔ)給來源、徑流和排泄通道，剖析突涌水發(fā)生機(jī)制，提出不同工程處理措施防止災(zāi)害的發(fā)生。

典型1＃支洞位于典型隧洞K12+000樁號(hào)處，支洞全長1 502.8 m，綜合底坡坡降8.8%，洞軸線走向NE10.7°。典型隧洞1＃支洞開挖過程中揭露3處巖溶，樁號(hào)分別為 ZK0+380、ZK0+827、ZK0+886。 開挖揭露時(shí)巖溶管道內(nèi)填充有黏土，并往洞頂方向延伸，在水壓的作用下巖溶管道內(nèi)黏土被析出，最終在2016年6月30日的持續(xù)暴雨中被全部導(dǎo)通，導(dǎo)致隧洞大量突水突泥。2016年9月26日典型隧洞1＃支洞掌子面作業(yè)樁號(hào)為支1+374，根據(jù)超前預(yù)報(bào)資料顯示，隧洞左側(cè)存在巖溶破碎帶，存在向掌子面延伸的可能性，因此決定調(diào)整為支洞退回25 m后向右側(cè)轉(zhuǎn)20°左右繼續(xù)進(jìn)洞，轉(zhuǎn)向后支洞與主洞正交。2016年10月8日向右側(cè)偏轉(zhuǎn)進(jìn)洞開挖38 m后，掌子面左邊墻在施鉆作業(yè)時(shí)周邊眼再次出現(xiàn)水夾泥噴出，噴射距離達(dá)到15 m。

典型1＃支洞地質(zhì)素描如圖4所示，支洞穿越地層為P2m，巖性為厚層—巨厚層灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀160°∠14°。 據(jù)統(tǒng)計(jì)共分布 L1、L2、L3、L4四組裂隙，其優(yōu)勢產(chǎn)狀分別為 NS/E∠70°、N70°W/NE∠85°、N25°E/NW∠70°、N55°E/NW∠75°。 以 L2組貫通裂隙為主，但該組裂隙裂面平直，呈閉合狀，其余裂隙分布數(shù)量少且未貫通，開挖期間僅出現(xiàn)少量滲水，因此典型隧洞1＃支洞涌水主要通道并非受裂隙控制。

圖4 典型1#支洞地質(zhì)素描

3.1 支洞涌水與降雨關(guān)聯(lián)分析

典型1＃支洞開挖期間有不同程度的涌水發(fā)生，依據(jù)工程區(qū)內(nèi)馬場雨量站及維新雨量站的降雨觀測數(shù)據(jù)及典型支洞抽排水?dāng)?shù)據(jù)，分析涌水量對(duì)降雨事件的響應(yīng)。抽水量與降雨量變化情況如圖5所示。

圖5 典型1#支洞抽水量—降雨量變化情況

由圖5可知，典型1＃支洞于2016年5月25日揭露0+886樁號(hào)巖溶管道，且當(dāng)日及26日有明顯降雨，兩日共計(jì)降雨45 mm，支洞每日涌水量增加1 000 m3左右。但由于前后兩段時(shí)間涌水量波動(dòng)不大，因此可判斷涌水增加的主要來源為原巖溶水，與降雨關(guān)系不大。該區(qū)域自5月開始進(jìn)入雨季，在經(jīng)歷長期的旱季之后，巖溶對(duì)降雨的響應(yīng)具有滯后效應(yīng)，其滯后的原因主要為雨水通過地表入滲，大部分轉(zhuǎn)化為包氣帶持水或者上層滯水，不能到達(dá)潛水層。因此，此時(shí)隧洞突涌水來源主要為地下水靜儲(chǔ)量釋放，涌水量相對(duì)穩(wěn)定。2016年6月6日至6月7日，高強(qiáng)度、大密度的降雨使得隧洞涌水量劇增，隧洞涌水響應(yīng)迅速，在數(shù)小時(shí)內(nèi)即做出響應(yīng)。此時(shí)支洞開挖到0+948樁號(hào)處，由于隧洞涌水量大，造成積水，因此工程以抽排水為主，自6月29日至 7月 31日，抽排設(shè)備達(dá)到最大排泄能力1 4000 m3/d。

3.2 典型支洞突涌水模式

結(jié)合建立的巖溶區(qū)域水文地質(zhì)概念模型以及典型支洞突涌水特征，探討典型支洞巖溶水的補(bǔ)、徑、排條件，得出了典型支洞突涌水模式。典型1＃支洞涌水量與降雨沒有明顯的相關(guān)性，時(shí)間上存在較大滯后，涌水增加的主要來源為原巖溶水，與降雨關(guān)系不大，涌水主要通道為巖溶管道，并非受裂隙控制，突涌水模式可概化為巖溶管道控水模式。

3.3 預(yù)防及治理措施

巖溶區(qū)域地下工程建設(shè)應(yīng)當(dāng)盡量避免遭遇地質(zhì)構(gòu)造薄弱區(qū)域，工程開工前需詳細(xì)調(diào)查工程區(qū)域水文地質(zhì)情況，預(yù)測可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的位置，提前做好預(yù)防措施。施工過程中做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，如地質(zhì)雷達(dá)、TSP、紅外探測、超前鉆孔等，以探明不良地質(zhì)段，提高災(zāi)害源的辨識(shí)度。

依據(jù)現(xiàn)場地勘情況及相關(guān)文獻(xiàn)，典型1＃支洞1+387樁號(hào)處突涌水處理情況如圖6所示。

圖6 典型1#支洞灌漿布孔（單位：mm）

（1）沿洞壁周邊環(huán)向單排布置36個(gè)灌漿孔，孔徑為91 mm，孔間距為0.72 m，其中一序孔9個(gè)、二序孔9個(gè)、三序孔18個(gè)。

（2）要求灌漿孔深度不小于15 m，從2 m以后開始灌漿，并在掌子面周圍呈向外發(fā)散狀布置。

（3）灌漿采用純壓式水灰比0.5∶1的濃漿，外加5%～15%的水玻璃。

針對(duì)超前預(yù)報(bào)有大量巖溶空腔及巖體不良破碎帶的地段，可采取繞避法，即回填隧洞并調(diào)整隧洞走向，避免與巖溶空腔發(fā)生直接接觸。

針對(duì)剛揭露并有黏土填充的巖溶管道以及斷層控制型突涌水地段，宜采取灌漿處理措施，并做好初期支護(hù)及二次襯砌，以抵御高水壓，防止出現(xiàn)突涌水。

針對(duì)層理狀地層，其性質(zhì)較為單一，可直接采取支護(hù)襯砌方式，必要情況下對(duì)巖體加以輔助灌漿。

4 結(jié) 語

通過分析工程區(qū)地下水的補(bǔ)、徑、排關(guān)系，結(jié)合水文地質(zhì)條件，建立了西南巖溶地區(qū)水文地質(zhì)概念模型，對(duì)巖溶地區(qū)可能存在的突涌水過程進(jìn)行描述，為該區(qū)地下水計(jì)算模型提供依據(jù)。在水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)上，對(duì)巖溶地區(qū)深埋引水隧洞工程中的典型支洞突涌水狀況進(jìn)行分析，總結(jié)得出了巖溶區(qū)典型隧洞突涌水過程中的3種典型控水模式（斷裂構(gòu)造與暗河聯(lián)合控水模式、巖溶管道控水模式、層理面控水模式）。針對(duì)突涌水事故，提出了相應(yīng)的治理措施及預(yù)防措施。