唐波 張莉萍 邱德俊 孟頌頌

白頭山隧洞工程位于南京市江寧區(qū)。隧洞為南京市備用水源工程輸水通道，設(shè)計(jì)采用洞徑為4 m的曲墻拱形斷面有壓隧洞，洞頂高程約27.00 m（1985國(guó)家高程系統(tǒng)），出水口頂高程約25.70 m，長(zhǎng)2.64 km。隧洞擬采用鉆爆法施工。

隧洞位于火成巖地區(qū)，受地形、風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙發(fā)育所影響，地下水位變化較大。SJ9鉆孔鉆至14 m時(shí)，有地下水自孔口溢出，表明該深度處有承壓含水層，為了查明承壓水地質(zhì)特征，將套管下至14.2 m后進(jìn)行抽水試驗(yàn)，抽水后水位降到13.5 m時(shí)穩(wěn)定流量達(dá)44 L/min，進(jìn)一步鉆探發(fā)現(xiàn)承壓水富集于埋深14～20 m位置的裂隙密集帶，現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期水位監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)承壓水位高出地面0.85 m以上，降雨后水位上升，表明該承壓含水層與降雨入滲有關(guān)。經(jīng)水位恢復(fù)速度計(jì)算滲透系數(shù)為0.025 cm/s，為強(qiáng)透水性。如圖1所示。

圖1 場(chǎng)地地形圖

1 地質(zhì)條件[1-2]

隧洞位于寧蕪凹陷盆地中部，寧蕪向斜SE翼，隧洞軸線距離向斜核部約6 km，穿越地層主要為白頭山組（K1b）中、上段：巖性為紫灰色安山質(zhì)凝灰?guī)r、灰綠色輝石、角閃石安山巖、粗安巖、粗面巖等，其中粗安巖在隧洞段分布最廣。巖體中有巖脈侵入，侵入巖主要為二長(zhǎng)斑巖。覆蓋層以粉質(zhì)黏土為主。研究區(qū)分布地層包括：

（1）粉質(zhì)黏土：隧洞出口附近普遍分布，灰褐色-灰黃色，可塑為主，局部軟塑、硬塑。厚0.5～3.0 m。

（2）強(qiáng)風(fēng)化安山巖（K1b3）：隧洞出口附近揭露。灰色、塊狀，粗面斑狀安山巖，成分與粗安巖一致，斑晶較大，最大粒徑可達(dá)5 mm左右，斑晶為輝石、角閃石、基質(zhì)為輝石、玻璃質(zhì)等，少量長(zhǎng)石、石英。圍巖以Ⅳ類為主。

（3）弱風(fēng)化安山巖（K1b3）：根據(jù)巖質(zhì)類型、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)類型初判：圍巖以Ⅲ類為主。

（4）石英二長(zhǎng)斑巖（ηOπ53-2）：根據(jù)1∶5萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)資料，其分布范圍大致位于隧洞中段，向北到小雙虎水庫(kù)附近，大多呈脈狀侵入在安山巖中，礦物成分與二長(zhǎng)巖大致相當(dāng)，石英含量較二長(zhǎng)巖多（一般小于20%）。在白頭山南側(cè)南山湖附近地表有大面積出露，長(zhǎng)石易風(fēng)化成高嶺石，巖性軟弱，遇水易崩解，受力后極易破碎，該巖層風(fēng)化后透水性差，在與圍巖接觸帶上易形成隔水層。

許多學(xué)者專門針對(duì)火成巖做過(guò)大量研究工作，Richard等[4-6]認(rèn)為，火成巖中由于各項(xiàng)異性和差異風(fēng)化等導(dǎo)致地層巖性的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沉積巖和變質(zhì)巖，火成巖中有大量的活動(dòng)性強(qiáng)和不穩(wěn)定的礦物成分，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受埋深、溫度、成巖作用、構(gòu)造活動(dòng)和水巖反應(yīng)等影響，其工程性質(zhì)有很大的不確定性[3-6]。針對(duì)火成巖上述特性，該輸水工程現(xiàn)場(chǎng)采用高密度電阻率層析成像法對(duì)SJ9鉆孔附近地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行勘察，典型剖面對(duì)應(yīng)的電阻率反演結(jié)果如圖2所示。近地表電阻率變化大，零星散布著小塊高阻區(qū)，結(jié)合鉆孔取芯分析，認(rèn)為地表雜填土以及含碎石粉質(zhì)黏土中含水率變化較大所致。西側(cè)接近雙虎水庫(kù)處為低阻區(qū)（小于100Ω·m），受侵入巖體影響，在中下部存在一塊較厚的低阻區(qū)。東側(cè)向山體（安山巖組成）高阻區(qū)與低阻區(qū)接觸面逐漸抬升，地表安山巖體內(nèi)裂隙發(fā)育，該區(qū)域向山頂延伸，在山體上部出露，為雨水快速入滲移運(yùn)以及承壓含水層的形成提供了良好的通道。

圖2 高密度電法測(cè)試結(jié)果

2 承壓水形成機(jī)制

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，白頭山下部安山巖和侵入巖透水性差，山體上部破碎裸露的基巖為降雨的入滲通道，近地表粉質(zhì)黏土形成相對(duì)隔水層，東側(cè)山體接受降雨入滲后在粉質(zhì)黏土層下部裂隙發(fā)育的巖體內(nèi)形成承壓含水層。采用Slidev6.0軟件對(duì)降雨入滲地下水滲流場(chǎng)和承壓水形成機(jī)制進(jìn)行分析。計(jì)算模型如圖3所示，計(jì)算時(shí)首先根據(jù)實(shí)測(cè)地下水位對(duì)地下水滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬，假設(shè)兩側(cè)為常水頭邊界（水頭高度根據(jù)雙虎水庫(kù)水位確定），對(duì)降雨入滲導(dǎo)致的瞬態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，模擬時(shí)設(shè)地表為降雨入滲邊界，即（安山巖山體）處變化水頭邊界。

圖3 地質(zhì)模型

2.1 計(jì)算模型

在飽和-非飽和滲流分析中，確定巖體初始孔隙水壓力的分布是進(jìn)行降雨入滲瞬態(tài)模擬的前提，模擬所需巖土體參數(shù)見(jiàn)表1。在前期研究成果以及室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合西側(cè)水庫(kù)內(nèi)實(shí)測(cè)水位（標(biāo)高約40 m），模型兩側(cè)采用常水頭為邊界條件，以穩(wěn)定流模擬鉆孔內(nèi)的實(shí)測(cè)水位。

表1 土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.2 瞬態(tài)模擬

在確定邊坡初始地下水位的基礎(chǔ)上，進(jìn)行降雨入滲徑流分析，坡面為降雨入滲邊界。

南京市位于長(zhǎng)江下游中部地區(qū)，地理坐標(biāo)為北緯31°14′～32°37′、東經(jīng)118°22′～119°14′。本區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。多年平均氣溫15.40℃，最高氣溫43.00℃（1934年7月13日），最低氣溫-14.00℃（1955年1月6日）。全年日照時(shí)數(shù)為2 148.3 h，日照率49%。一年之中溫差較大，四季分明，降水比較豐沛。流域多年平均降水量1 012 mm，自北向南遞增，全年降水日數(shù)110～130 d，北部較南部約少15 d。降水量年內(nèi)分配不均勻，年際變化大。最大年降水量2 086 mm，最小年降水量為448.0 mm。

2016年6—7月間南京出現(xiàn)了歷史持續(xù)降雨，其降雨天數(shù)達(dá)最多15 d，為歷史最長(zhǎng)，日最大降雨量發(fā)生在2016年6月10日，日降雨量為245 mm。2016年7月7日，出現(xiàn)歷史最大小時(shí)雨量，根據(jù)南京市氣象局的統(tǒng)計(jì)，凌晨1時(shí)至4時(shí)，南京市雨花臺(tái)梅山二中監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得3 h降雨量235.5 mm，平均每小時(shí)降雨量接近80 mm，單日平均降雨強(qiáng)度約10 mm/h。南京其他地區(qū)雨量分布不均，小時(shí)雨量20～70 mm，持續(xù)時(shí)間不等。

為了分析降雨對(duì)該處承壓水的影響對(duì)不同降雨量入滲的滲流場(chǎng)按3種情況進(jìn)行模擬：（1）基于2016年6月底到7月初連續(xù)15 d的實(shí)測(cè)降雨量；（2）年平均降雨量；（3）強(qiáng)降雨。

2.2.1 基于實(shí)測(cè)降雨量的模擬

2016年6月22日 至7月6日南京總降水量達(dá)到488.7 mm。單日實(shí)際降雨量如圖4所示，計(jì)算時(shí)按15個(gè)階段進(jìn)行，計(jì)算得到不同降雨強(qiáng)度條件下的地下水流場(chǎng)。持續(xù)降雨后壓力水頭變化如圖5所示。從圖中可以看出，在連續(xù)降雨條件下，雨水主要通過(guò)山體上部裸露的強(qiáng)風(fēng)化巖中的裂隙沿坡體滲流，強(qiáng)風(fēng)化巖中水頭迅速上升，而坡體中上部的粉質(zhì)黏土及下部的弱風(fēng)化安山巖透水性弱，屬相對(duì)隔水層。另外，原本處于非飽和狀態(tài)的裂隙發(fā)育的安山巖上部巖體由于降雨的進(jìn)一步入滲形成了暫態(tài)飽和區(qū)域逐漸向下延伸，當(dāng)濕潤(rùn)鋒到達(dá)地下水位置并與含水層貫通后，引起地下水位上升。降雨10 d后，SJ9鉆孔內(nèi)14 m深度處壓力水頭即達(dá)到16 m以上，形成承壓水，在裂隙巖體內(nèi)壓力水頭隨深度均勻變化，在粉質(zhì)黏土層中壓力水頭等值線較密集，形成局部高水力梯度帶。

圖4 南京地區(qū)2016年6—7月降水量

圖5 連續(xù)降雨條件下壓力水頭變化結(jié)果（單位：m）

2.2.2 平均降雨量情況

結(jié)合氣象資料，以2016年為例，該年總降雨量約為2 086 mm時(shí)，平均日降雨量為5.72 mm/d，將其作為地表入滲邊界條件，計(jì)算時(shí)分12個(gè)月模擬，結(jié)果如圖6所示。該工況下，降雨總量大而降雨強(qiáng)度小，雖然持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，但地下水的排泄作用大大減慢了地下水位的上升速度，裂隙巖層中的承壓水頭上升速度慢，飽和區(qū)范圍小。

圖6 平均降雨量條件下壓力水頭變化（單位：m）

2.2.3 強(qiáng)降雨情況

2017年6月10日南京發(fā)生了的日降雨量達(dá)245 mm的強(qiáng)降雨，降雨連續(xù)3 h，平均降雨量80 mm/h，降雨入滲的模擬結(jié)果如圖7所示。雖然降雨強(qiáng)度大，但僅僅在山體上部巖體中形成局部區(qū)域的水位變化，在地表以下深度一定范圍形成局部飽和區(qū)域，未造成地下水水位上升或上升很微弱，表明短時(shí)強(qiáng)降雨對(duì)該處地下水的影響較小。強(qiáng)降雨條件下，降雨量超過(guò)了地表巖（土）體的入滲能力，只能讓少量地表水入滲，其余的則形成地表徑流，排泄到地表低凹溝谷水庫(kù)、池塘內(nèi)形成地表水，導(dǎo)致降雨入滲率較低。而降雨強(qiáng)度較低時(shí)，降雨量小于或略大于地表入滲能力，降雨入滲率高，在降雨時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)能夠較好的補(bǔ)給地下水，形成承壓水。

圖7 強(qiáng)降雨條件下壓力水頭變化（單位：m）

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)白頭山西側(cè)地層中承壓水形成機(jī)制的分析，在考慮降雨入滲時(shí)采用的是歷史降雨量，與勘察期間和后期長(zhǎng)期觀測(cè)期間的實(shí)際降雨數(shù)據(jù)不同，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況必然有所出入，但這不影響對(duì)該處承壓水形成機(jī)制的分析。

根據(jù)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件和地下水滲流模擬分析，針對(duì)該處承壓水形成機(jī)制有如下結(jié)論：

（1）根據(jù)鉆探、物探和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地承壓水的形成跟降雨入滲關(guān)系密切。

（2）根據(jù)地層分布和地層滲透性測(cè)試結(jié)果，認(rèn)為，巖體中裂隙密集帶為地表水和地下水之間的水力聯(lián)系提供了良好的通道，上部粉質(zhì)黏土和下部完整巖體由于滲透性弱形成相對(duì)隔水層，降雨入滲后在裂隙帶內(nèi)形成承壓水。

（3）模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期的降雨條件下地表水入滲量較大，易造成地下水位上升，而短期強(qiáng)降雨對(duì)地下水位影響較小。