(江西省余干縣水利局，江西 余干 335100)

1 水工隧道突涌量測(cè)算方式述要

1.1 常水頭計(jì)算

Harr鏡像模型法是孔隙水壓均勻分布和各向均質(zhì)同性圍巖體隧道突涌量測(cè)算常用的方法。水工隧道及鏡像部位在開挖之前距離起始地下水位的距離基本相同，兩條水工隧道間的流動(dòng)能夠在無限邊界情況下給與評(píng)估，將起始地下水位線視為等水位線，而不是分析相對(duì)復(fù)雜的半無限邊界問題。在兩個(gè)水工隧道間的穩(wěn)定滲流下構(gòu)成流網(wǎng)(見圖1)。

Harr鏡像模型的下半部分基本代表了起始地下水位與水工隧道間的流網(wǎng)狀態(tài)。水工隧道圍巖體突涌量計(jì)算公式如下：

圖1 Harr鏡像模型

(1)

式中q0——基于單位長(zhǎng)度的突涌量，m3/s；

Km——水工隧道圍巖體滲透系數(shù),m/s；

r——水工隧道半徑，m；

H——水工隧道高于拱頂線的水頭高程,m。

1.2 參考突涌量動(dòng)態(tài)演變的計(jì)算

隧道突涌水的主要方式為早期突涌水、衰減突涌水和穩(wěn)定狀態(tài)突涌水。擴(kuò)大開挖面，隧道涌水截面隨之?dāng)U大，同時(shí)，也造成突涌量的加大，最后完全沖破導(dǎo)流通道中的阻擋物，到達(dá)突涌量的最大值。此突涌叫作起始突涌，此過流最大量叫作最大起始突涌量(q0)。到達(dá)最大起始突涌量后，突涌量會(huì)漸漸降低，此間的突涌稱作衰減突涌，此間過流量稱作衰減突涌量(qt)。最終達(dá)到基本平衡狀態(tài)，處于基本平衡狀態(tài)的突涌水叫作穩(wěn)態(tài)突涌水，其過流量稱作穩(wěn)態(tài)過水量(qs)。突涌曲線(見圖2)的形狀和穩(wěn)態(tài)突涌量因補(bǔ)充水的有無和補(bǔ)充量而定。

圖2 突涌量歷時(shí)曲線

1.2.1 施工早期的最大突涌量計(jì)算

當(dāng)含水層揭露時(shí)，地下水呈漏斗降落狀，此時(shí)突涌量處于衰減突涌量和穩(wěn)態(tài)突涌量之間。隨著時(shí)間演進(jìn)，突涌水衰減期結(jié)束，其漏斗降落構(gòu)成階段的突涌量變作穩(wěn)態(tài)突涌量。

大島洋志公式：

(2)

式中q0——基于單位長(zhǎng)度的突涌最大量,m2/d；

H——隧道底板至含水層初始靜水位的距離,m；

d——隧道橫截面的等價(jià)圓直徑,m；

r——隧道橫截面的等價(jià)圓半徑,m；

K——圍巖體的滲透系數(shù),m/d；

m——轉(zhuǎn)換常數(shù)，通常取值0.86。

Goodman公式：

(3)

式中符號(hào)意義同上。

M.EI.Tani公式：

(4)

非穩(wěn)定狀態(tài)流佐藤邦明公式：

(5)

式中hc——高于隧道底板的含水層厚度,m；

m——換算常數(shù)，通常取0.86；

其他符號(hào)意義同前公式。

鐵路勘測(cè)規(guī)范公式：

q0=0.0255+1.9224KH

(6)

式中各符號(hào)意義同上。

1.2.2 衰減突涌量計(jì)算

q0是施工早期的最大突涌量，其值一般隨時(shí)間t的增加而漸次降低，衰減突涌量qt的計(jì)算通常選用佐藤邦明公式：

(7)

式中B——襯砌前隧身寬度；

λ——裂縫巖體的裂縫率；

其他符號(hào)意義同上。

1.2.3 慣常突涌量計(jì)算

鐵路系統(tǒng)勘測(cè)規(guī)范公式：

qs=KH(0.676-0.06K)

(8)

式中H——隧道底板至含水層初始靜水位的距離,m;

qs——隧道單位長(zhǎng)度的正常突涌量，m2/d。

裘布依計(jì)算公式：

(9)

式中Rv——隧道突涌段的補(bǔ)充引用半徑,m；

H——高于隧道底板的含水層厚度,m；

H0——隧內(nèi)排水溝的理論水深，通?？紤]水躍值，H0=(0.5～0.75H),m。

落合敏郎公式：

(10)

式中y=0.7734+0.0386K2；

其他符號(hào)意義同上。

1.3 多水?dāng)鄬訋挥苛繙y(cè)算方法

隧道圍巖體地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，通常經(jīng)過裂縫發(fā)育、巖體破碎的多水大型斷層帶。在高水力梯度及高水壓的作用下，富水?dāng)嗔褜佑绊憛^(qū)域開挖后極易出現(xiàn)突涌災(zāi)害，尤其是在斷裂層破碎帶及影響帶內(nèi)，通常會(huì)發(fā)生高速非達(dá)西流問題。學(xué)者Jin-HungHwang提出了一種隧道突涌水測(cè)算方法。該方法系利用圖像法及疊加機(jī)理，把有限域問題轉(zhuǎn)變?yōu)闊o限域問題，以卷積和反卷積方法，把時(shí)變?nèi)肓鲉栴}轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣ㄈ肓鲉栴}。其隧道穿越多水?dāng)鄬訋У耐挥苛繙y(cè)算公式如下：

(11)

式中Q(t)——t時(shí)刻的隧壁或者拱頂?shù)耐挥苛?m3/d；

F——隨水頭降低的基本函數(shù)；

H——拱頂至圍巖體地下水位線的距離,m；

P——包括儲(chǔ)水常數(shù)、滲透系數(shù)、含水邊界至掌子面距離以及含水體厚度等的水文地質(zhì)參數(shù)符號(hào)；

t——從初始滲流以來的時(shí)程間隔(t>0)；

r——隧道開挖等效水力半徑,m。

2 案例工程簡(jiǎn)介

圖3 案例工程區(qū)水系分布

秦嶺隧道是引漢濟(jì)渭工程的重要組成部分，位于秦嶺西部，穿越秦嶺山脈，工程全長(zhǎng)81.78km(見圖3)。區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，山峰高聳，最高海拔在2705m。隧道經(jīng)過的椒溪河段位于中低嶺南山區(qū)，相對(duì)地形起伏高差600～700m。地域多年的年平均氣溫約13℃。地域水系靠降水補(bǔ)充，夏季經(jīng)常有山洪暴發(fā)。椒溪河系子午河支流，不僅常年流水，而且水量及其季節(jié)性周期變化均較大。隧道經(jīng)過的椒溪河流域，在K2+629.5處、K2+706.9處和K2+738處，突涌水問題突出。

椒溪河工程段的地層巖性屬下古生界志留系的中統(tǒng)，大量分布斑鳩關(guān)組大理巖和石英片巖。椒溪河位于秦嶺造山帶蜂腰位置，在大地結(jié)構(gòu)單元上，為勉略巴山弧形裂斷帶及商丹裂斷帶所夾持的秦嶺南結(jié)構(gòu)帶。多次地質(zhì)事件的塑造及疊加，形成了現(xiàn)今復(fù)雜的結(jié)構(gòu)格局。案例隧道椒溪河段斷裂層特點(diǎn)見表1。

表1 案例隧道椒溪河段斷裂層特點(diǎn)

該段地下水屬中等富水性狀態(tài)，包括結(jié)構(gòu)裂隙水、基巖裂隙水及溶巖裂隙水。在志留系中統(tǒng)的斑鳩關(guān)組石英片巖中，大量賦存基巖裂隙水。在志留系中統(tǒng)下的鳩斑關(guān)組大理巖圍巖系統(tǒng)中，裂隙溶巖水相對(duì)發(fā)育旺盛。在斷裂破碎帶及其影響帶中，大量賦存結(jié)構(gòu)裂隙水。因?yàn)楫愋愿飨蚝橘|(zhì)的差異，地下水的徑流、泄排及補(bǔ)充條件十分復(fù)雜，基本受裂斷結(jié)構(gòu)、地形地貌和地層巖性控制。地下水徑流近南北向，泄排形式除借助谷溪、河流以線狀泄排外，也有泉點(diǎn)泄排。

3 基于案例的隧道突涌量計(jì)算分析

案例工程突涌水多集中發(fā)生于K2+629.5、K2+706.9、K2+738處，計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 案例突涌量計(jì)算參數(shù)

3.1 突涌量測(cè)算值隨圍巖體滲透系數(shù)的演變

滲透系數(shù)是隧道突涌量測(cè)算的重點(diǎn)參數(shù)，一般在施工現(xiàn)場(chǎng)借助鉆孔抽水實(shí)驗(yàn)獲取。圍巖體滲透系數(shù)與突涌量間一般均成正比關(guān)系。在洞室規(guī)格和地下水水位不變的條件下，繪制突涌量測(cè)算值隨圍巖體滲透常數(shù)的演變曲線(見圖4)。

圖4 突涌量測(cè)算值隨圍巖體滲透系數(shù)的演變曲線

在等同滲透系數(shù)的條件下，基于佐藤邦明公式測(cè)算的突涌量最小，其次是基于大島洋志公式的計(jì)算結(jié)果?；贛.EI.Tani公式及基于Goodman公式測(cè)算的突涌量幾乎相等，基于鐵路規(guī)范公式的測(cè)算值相對(duì)最大。大島洋志公式基于Goodman公式進(jìn)行了m=0.86折減轉(zhuǎn)換。佐藤邦明公式考慮了含水層厚度影響，故測(cè)算值最小。

3.2 突涌量與地下水位的關(guān)系

M.EI.Tani公式、Goodman公式及鐵路規(guī)范公式的突涌量測(cè)算值隨地下水埋深加大而加大，而大島洋志公式及佐藤邦明公式演變態(tài)勢(shì)則是先降低后加大。顯然測(cè)算突涌量能夠?yàn)榇_定隧道注漿和襯砌的深厚度，提供技術(shù)和參數(shù)依據(jù)。突涌量測(cè)算值與地下水位關(guān)系曲線見圖5。

圖5 突涌量與地水高程的關(guān)系曲線

3.3 單寬突涌量比對(duì)分析

對(duì)早期最大單寬突涌量借助不同的五種計(jì)算公式進(jìn)行測(cè)算，并比對(duì)實(shí)測(cè)突涌量(見表3)。

表3 案例截面最大早期單寬突涌比對(duì) 單位：m3/(s·m)

對(duì)常態(tài)單寬突涌量借助不同的四種公式進(jìn)行測(cè)算(見表4)。與實(shí)測(cè)突涌量相比，每種突涌量計(jì)算與都存在一定程度的誤差，這與地下水位估算誤差、富水裂斷帶的漏判和圍巖體的滲透性估算誤差有一定關(guān)系。

表4 案例截面常態(tài)單寬突涌比對(duì) 單位：m3/(s·m)

3.4 多水層突涌量計(jì)算研究

隧道設(shè)計(jì)突涌量與實(shí)際突涌量存在明顯的偏差。因此，對(duì)案例多水?dāng)鄬訋ё畲笸挥苛恳园虢馕鼋夥y(cè)算。圖6顯示多水?dāng)鄬訋Р煌瑵B透系數(shù)的突涌量隨時(shí)間梯次減小。

圖6 基于滲透系數(shù)差異的突涌量時(shí)程關(guān)系曲線

很明顯，突涌水量與滲透系數(shù)成正相關(guān)。滲透系數(shù)的估算誤差將導(dǎo)致突涌量的計(jì)算誤差，因此滲透系數(shù)是突涌量測(cè)算中重點(diǎn)的影響參數(shù)之一。此外，圖7也揭示，突涌量在前1.4h內(nèi)是瞬時(shí)的，此后，突涌量幾乎一直處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 基于厚度差異的多水帶突涌量時(shí)程關(guān)系曲線

圖7表明：計(jì)算的最大起始突涌量隨著多水?dāng)鄬訋Ш穸鹊募釉龆釉?。?duì)15～50m多水?dāng)鄬訋Ш穸龋?jì)算的最大起始突涌量相同。但是，隨著厚度加增，突涌量時(shí)程加增的梯次降低率變小。這表明當(dāng)多水?dāng)鄬訋Ш穸容^厚時(shí)，地層儲(chǔ)水也更豐厚，則需要相對(duì)更多的時(shí)間以逐漸消散。

4 結(jié) 語

本文參考工程案例實(shí)用數(shù)據(jù)，對(duì)水工隧道突涌量測(cè)算開展了專題探究。梳理了隧道突涌量測(cè)算典型方法；對(duì)隧道突涌量進(jìn)行了模擬測(cè)算；將模擬測(cè)算結(jié)果與實(shí)測(cè)突涌量進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證了各種測(cè)算方法的測(cè)算誤差的存在，指出地下水位估算誤差、富水裂斷帶的漏判和圍巖體的滲透性估算等是造成測(cè)算誤差的重點(diǎn)要素；經(jīng)計(jì)算和比對(duì)驗(yàn)證，突涌量大小與滲透系數(shù)成正比，因此，滲透系數(shù)的準(zhǔn)確估算，對(duì)突涌量準(zhǔn)確預(yù)測(cè)影響重大。?