王方立WANG Fang-li

（中交路橋華南工程有限公司，中山528430）

1 工程概況

花橋隧道為貴州省石阡至玉屏高速公路隧道之一?；蛩淼雷蠖撮L3780m，最大埋深約463m。

花橋隧道地處黔東北武陵山喀斯特高原，巖溶發(fā)育，巖溶地下水系統(tǒng)以及地下暗河十分復(fù)雜，線路走向與大堯寨向斜構(gòu)造大致正交，隧道橫穿向斜核部棲霞~茅口組碳酸鹽巖巖溶含水層。右洞掌子YK21+125 面前方圍巖位于斷層帶上，層與層之間的裂隙水豐富。

2 涌水情況

2018 年9 月19 日右洞掌子面YK21+125 在爆破施工后出現(xiàn)涌水，初測(cè)涌水量約320m3/h，水質(zhì)渾濁，并有一定水壓。涌水量隨降雨顯著變化，雨后流量陡增，水質(zhì)變渾濁，雨后隧道涌水量衰減較快。

3 影響橫穿向斜含水層隧道最大涌水量預(yù)測(cè)必要性

隧道右洞出現(xiàn)大量涌水后，針對(duì)花橋隧道做了專項(xiàng)水文、地質(zhì)補(bǔ)充調(diào)查，確認(rèn)了影響右洞涌水的降雨匯水面積區(qū)域、地下巖溶管道情況，在此基礎(chǔ)上需要預(yù)測(cè)花橋隧道右洞最大涌水量，以進(jìn)一步確認(rèn)涌水處理方案和選擇排水系統(tǒng)（隧道最大涌水量是隧道防排水設(shè)計(jì)的依據(jù)），確保隧道施工和運(yùn)營節(jié)段結(jié)構(gòu)安全。

4 影響橫穿向斜含水層隧道最大涌水量預(yù)測(cè)技術(shù)

在確認(rèn)影響橫穿向斜含水層的花橋隧道涌水的巖溶水系統(tǒng)基礎(chǔ)上分析可見本區(qū)巖溶地下水與大氣降雨關(guān)系十分密切，隧道涌水量隨降雨變化顯著，為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道最大涌水量，本次研究在隧道區(qū)開展了高分辨率的降雨-地下水動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征的長期監(jiān)測(cè)工作。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：降雨量、泉水流量及隧道涌水量。

4.1 隧道涌水與降雨關(guān)系統(tǒng)計(jì)

2018 年9 月~11 月期間隧道涌水量為180m3/h，涌水量隨降雨顯著變化，雨后流量陡增，水質(zhì)變渾濁，雨后隧道涌水量衰減較快。期間2018 年9 月25~26 日花橋鎮(zhèn)發(fā)生強(qiáng)降雨，降雨量50mm，9 月27 日21 時(shí)隧道涌水量增至1070m3/h，約為平時(shí)涌水量的6 倍，10 月1 日隧道涌水量回落至正常狀態(tài)，洪峰持續(xù)時(shí)間約5 天。

4.2 花橋鎮(zhèn)氣候

石阡縣花橋鎮(zhèn)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫13.4~17.3℃，并具有山地垂直氣候特征，海拔每升高100m，氣溫約降低0.64℃。年平均降雨量1472mm，降雨主要集中在4~10 月，占全年降雨量的75~85%，期間多過程性強(qiáng)降雨，暴雨以5~8 月最為集中，其中6 月又為暴雨高峰月，百年一遇小時(shí)極端暴雨強(qiáng)度可達(dá)93mm。

4.3 降雨-水文監(jiān)測(cè)部署

本次降雨-水文監(jiān)測(cè)共部署監(jiān)測(cè)點(diǎn)5 個(gè)，其中降雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 個(gè)；流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)4 個(gè)，分別為：①隧道進(jìn)口的涌水量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)隧道涌水量的變化過程；②梁家屯1#和2#泉水，監(jiān)測(cè)其流量變化及隧道施工對(duì)泉水流量的影響；③山頂巖溶大洼地匯水，監(jiān)測(cè)暴雨條件下大洼地集中灌入地下暗河的流量，確定地表產(chǎn)流系數(shù)。

4.4 隧道降雨-水文監(jiān)測(cè)方法

花橋隧道區(qū)巖溶水系統(tǒng)的流量和水位隨降雨變化非常劇烈，為了準(zhǔn)確掌握其變化規(guī)律，本次監(jiān)測(cè)全部采用高精度自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行，具體監(jiān)測(cè)方法如下：

①降雨量監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)雨量計(jì)直接采集降雨量數(shù)據(jù)，時(shí)間步長為10min，精度為0.1mm。

②隧道涌水量、泉水流量以及大洼地匯水的監(jiān)測(cè)全部采用薄壁矩形堰流或涵管均勻流的方法進(jìn)行。分別在隧道進(jìn)口排水涵洞以及梁家屯1#、2#兩個(gè)泉點(diǎn)附近修筑了薄壁矩形堰流，在堰內(nèi)埋設(shè)水位探頭監(jiān)測(cè)堰口水位（時(shí)間步長為10min，精度為1mm），然后根據(jù)薄壁矩形堰流量公式計(jì)算得到每10min 一個(gè)流量值。

式中：Q：流量（l/s）；m：流量系數(shù)；b：堰寬（m）；h：堰口水層厚度（m）；g：重力加速度（m/s2）。

在山頂巖溶大洼地利用公路下方的圓形過水涵洞直接監(jiān)測(cè)暴雨過程中涵管水深，利用圓形涵管均勻流計(jì)算公式計(jì)算得到每10min 一個(gè)流量值。

圓管流量計(jì)算公示：

式中：w：過水面積（m2）；V：過水?dāng)嗝嫫骄魉伲╩/s）；θ：水面圓心角（弧度）；r：水力半徑；i：圓管底坡坡度；n：圓管粗糙系數(shù)；R：圓管半徑（m）；h：過水水層厚度（m）。

4.5 隧道降雨-水文響應(yīng)特征

本研究自2019 年1 月監(jiān)測(cè)站建立以來，通過開展隧道涌水量、主要泉水流量以及大洼地地表徑流量的高分辨監(jiān)測(cè)，已獲得了5 個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)隧道涌水流量、梁家屯1#、2#巖溶泉以及大洼地地表徑流量~降雨動(dòng)態(tài)曲線，通過研究分析已基本掌握花橋地區(qū)隧道涌水量及影響流域在枯水期、平水期及豐水期部分短時(shí)強(qiáng)降雨條件下的降雨-水文響應(yīng)特征，其中計(jì)算得到的各場(chǎng)次典型降雨的水文特征參數(shù)。

4.5.1 梁家屯2#泉水動(dòng)態(tài)特征

由監(jiān)測(cè)曲線和分析可見花橋隧道突水后，梁家屯2#泉水流量顯著減少，且基本穩(wěn)定，流量基本穩(wěn)定在3~4l/s。說明花橋隧道與梁家屯2#巖溶泉同屬一個(gè)水力聯(lián)系十分暢通的巖溶地下水系統(tǒng)，由于花橋隧道涌水點(diǎn)在梁家屯2#泉水的上游，已經(jīng)基本截?cái)嗔嗽撊难a(bǔ)給來源。

4.5.2 梁家屯1#泉水動(dòng)態(tài)特征

梁家屯1#泉水流量及變化比較正常，并隨降雨變化比較敏感，另外根據(jù)該泉水監(jiān)測(cè)資料，計(jì)算獲得的降雨過程的地下水入滲系數(shù)分析該泉水應(yīng)該與花橋隧道不在同一個(gè)巖溶地下水系統(tǒng)中，對(duì)隧道未來施工和運(yùn)營影響較小。

4.5.3 花橋隧道涌水量動(dòng)態(tài)特征

根據(jù)花橋隧道涌水量監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，目前在以超前探孔排水的情況下，其流量變化有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

①隧道涌水量與降雨量的變化十分顯著，每次降雨后流量都有顯著的增大，這說明花橋隧道所在的巖溶地下水系統(tǒng)的導(dǎo)水性能非常好，即巖溶和巖溶管道發(fā)育程度較高，管道十分暢通，尤其是在20mm 以上的降雨情況下，都會(huì)出現(xiàn)類似洪峰一樣的瞬間流量劇增；

②隧道涌水量劇增但維持的時(shí)間并不長，往往幾個(gè)小時(shí)流量就快速下降，這說明巖溶管道很暢通，同時(shí)也說明其補(bǔ)給區(qū)的范圍不大、主要補(bǔ)給點(diǎn)離隧道比較近的特點(diǎn)；

③花橋隧道在強(qiáng)降雨條件下峰值流量非常大，在小時(shí)降雨強(qiáng)度25mm 的暴雨情況下，隧道峰值流量已經(jīng)超過500l/s，最大達(dá) 789l/s；

④隧道峰值涌水量雖然較大，但總水量和平均流量并不大，原因是隧道峰值流量的持續(xù)時(shí)間較短，根據(jù)監(jiān)測(cè)資料從洪峰持續(xù)時(shí)間一般在幾十~一百小時(shí)，但是峰值（>500l/s）持續(xù)時(shí)間往往僅幾個(gè)小時(shí)；

⑤在暴雨情況下，隧道涌水十分渾濁，說明掌子面前方巖溶溶腔內(nèi)應(yīng)該淤積有較多泥沙，未來掌子面打開時(shí)容易同時(shí)發(fā)生突水突泥，因此，建議首先在拱頂再多實(shí)施幾個(gè)超長炮孔，利用超長炮孔盡可能將溶腔內(nèi)的水先基本排到無壓狀態(tài)，然后再爆開章子面，讓泥流出。應(yīng)避免暴雨期高水壓情況下實(shí)施掌子面爆破。

4.5.4 Ⅰ號(hào)巖溶大洼地地表徑流特征

目前監(jiān)測(cè)Ⅰ號(hào)巖溶大洼地在小于和中雨情況下不會(huì)產(chǎn)生地表徑流，降雨除了包氣帶截流和蒸發(fā)外，全部通過碳酸鹽巖中的裂隙和溶蝕裂隙面狀就地下滲，補(bǔ)給下伏巖溶含水層中。當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到25mm/h 時(shí)該洼地才會(huì)產(chǎn)生地表徑流。2019 年5 月19 日降雨量86.2mm（最大降雨強(qiáng)度33.2mm/h）情況下監(jiān)測(cè)到地表徑流時(shí)間持續(xù)4 小時(shí)，最大流量1435l/s，監(jiān)測(cè)到洼地地表徑流與降雨量關(guān)系如圖1、隧道涌水與降雨量關(guān)系如圖2 及表1 所示。

表1 花橋隧道降雨量~流量響應(yīng)特征

圖1 Ⅰ號(hào)巖溶大洼地地表徑流量-降雨量動(dòng)態(tài)曲線

圖2 花橋隧道涌水量~降雨量動(dòng)態(tài)曲線

4.6 隧道最大涌水量預(yù)測(cè)

花橋隧道右洞自2019 年9 月隧道涌水以來，隧道掌子面超前探孔始終處在長期涌水狀態(tài)，涌水量隨降雨呈現(xiàn)陡漲陡落的特點(diǎn)，強(qiáng)降雨以后隧道涌水流量迅速增大至峰值然后快速下降，下降速度稍慢于上漲速度，反映該巖溶地下水系統(tǒng)具有一定的蓄水和調(diào)節(jié)能力。由隧道涌水量高分辨率監(jiān)測(cè)情況可見，在中雨以下降雨條件下，隧道涌水量一般小于300l/s，小于隧道設(shè)計(jì)排水能力，但是極端強(qiáng)降雨條件下隧道最大涌水量是否會(huì)大于隧道極限排水能力，將是隧道未來施工和運(yùn)營亟待回答的關(guān)鍵問題，故本研究將根據(jù)不同的方法針對(duì)隧道最大涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，為隧道設(shè)計(jì)和水害防治提供水文地質(zhì)依據(jù)。

花橋隧道區(qū)屬于黔東北暴雨集中區(qū)，歷史最大日降雨量可達(dá)250mm，根據(jù)《貴州省暴雨參數(shù)SP=1%等值線圖》，花橋隧道區(qū)百年一遇（Sp=1%）暴雨強(qiáng)度約為93mm/h，本次隧道最大涌水量預(yù)測(cè)以該百年一遇小時(shí)極端降雨強(qiáng)度為依據(jù)進(jìn)行隧道最大涌水量的預(yù)測(cè)。

本次隧道最大涌水量預(yù)測(cè)將分別依據(jù)：施工實(shí)測(cè)資料、降雨入滲系數(shù)法和本次開展的隧道降雨~涌水量高分辨率監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)方法來進(jìn)行隧道最大涌水量的預(yù)測(cè)。

4.6.1 據(jù)施工涌水簡(jiǎn)易監(jiān)測(cè)推算

根據(jù)花橋隧道施工單位開展的隧道涌水量簡(jiǎn)易監(jiān)測(cè)資料，結(jié)合花橋雨量站的降雨量資料，2019 年9 月25 日~26 日花橋地區(qū)普降大雨，降雨量為50mm，此次降雨過程引起的隧道峰值涌水量為1070m3/h，洪峰持續(xù)時(shí)間為5天，據(jù)此按等降雨比例推算花橋地區(qū)特大暴雨（日降雨量250mm），花橋隧道極端強(qiáng)降雨的最大涌水量約5350m3/h。

4.6.2 降雨入滲系數(shù)法

根據(jù)宜萬鐵路巖溶隧道的研究，巖溶隧道最大涌水量的計(jì)算公式如下

式中：Q：隧道涌水量（m3/h）；a：降雨入滲系數(shù)；P：時(shí)段降雨量（mm/h）；A：匯水面積（km2）；T：洪峰持續(xù)時(shí)間（h）。

地下水示蹤試驗(yàn)試驗(yàn)表明，花橋隧道突涌水主要來源于隧道上方Ⅰ號(hào)巖溶大洼地及南側(cè)巖溶槽谷，監(jiān)測(cè)期間（2019.1-2019.5）最大降雨量為86mm，Ⅰ號(hào)巖溶大洼地過水涵洞有地表水流過的跡象，說明梁家屯巖溶地下水系統(tǒng)在降雨強(qiáng)度小于25mm/h 的情況下大部分降雨依舊通過面上巖溶裂隙就地入滲為主，但是當(dāng)降雨大于25mm/h 的情況下超出地下水入滲強(qiáng)度部分的降雨就會(huì)產(chǎn)生地面坡流，匯集于巖溶槽谷和洼地中，經(jīng)洼地底部的落水洞直接灌入地下。根據(jù)花橋隧道區(qū)的水文地質(zhì)條件，在強(qiáng)降雨條件下Ⅰ號(hào)巖溶大洼地匯水區(qū)降雨入滲系數(shù)取0.8，洪峰持續(xù)時(shí)間取10h，匯水面積為0.81km2；其它匯水區(qū)降雨入滲系數(shù)取0.5，匯水面積為4.085km2，洪峰持續(xù)時(shí)間取100h，極限流量按照花橋地區(qū)百年一遇（Sp=1%）的極端暴雨取93mm/h，計(jì)算得到隧道最大涌水量約為7965m3/h。

4.6.3 高分辨率降雨~隧道涌水量監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)

根據(jù)開展的高分辨率降雨~隧道涌水量監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，可以得到不同降雨強(qiáng)度條件下隧道涌水對(duì)降雨的響應(yīng)特征。通過分析花橋隧道峰值涌水量與小時(shí)降雨量的關(guān)系得知隧道峰值涌水量與降雨量近似滿足線性關(guān)系，即隧道峰值涌水量Qmax隨降雨量的增大而線性增長，并近似滿足下列關(guān)系式：Qmax=23.73·P-12.687

式中：Qmax：為花橋隧道進(jìn)口段峰值涌水量（l/s）；P：為隧道區(qū)單次降雨量（mm）。

根據(jù)式可以預(yù)測(cè)得到花橋隧道未來在出現(xiàn)百年一遇（Sp=1%）極端強(qiáng)降雨（P=93mm/h）情況下，隧道峰值涌水量為 7944（m3/h）。

綜合上述三種方法預(yù)測(cè)結(jié)果，本次研究推薦未來百年一遇極端強(qiáng)降雨（Sp=1%，P=93mm/h）條件下花橋隧道最大峰值流量為：8000（m3/h）。

5 結(jié)論

確認(rèn)涌水隧道最大涌水量對(duì)涌水治理方案和防排水設(shè)計(jì)的選擇起到至關(guān)重要的作用，我們通過統(tǒng)計(jì)分析隧道涌水及降雨量關(guān)系、布置降雨-水文監(jiān)測(cè)點(diǎn)、建立薄壁矩形堰和圓形過水涵洞流量模型、貴州省暴雨數(shù)據(jù)查詢、施工最大涌水量簡(jiǎn)易檢測(cè)推算法、降雨入滲系數(shù)計(jì)算法、高分辨率降雨~隧道涌水量監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法，成功預(yù)測(cè)了橫穿向斜含水層的花橋隧道右洞最大涌水量，為下一步涌水治理和防排水系統(tǒng)的選擇打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。