方 正，楊 磊* ，吳雄英

（1．四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017； 2．成都理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610059）

0 引言

隨著我國高速公路快速發(fā)展，越來越多的高速公路在山區(qū)修建，而我國西部地區(qū)廣泛分布高山峽谷，導(dǎo)致西部地區(qū)高速公路橋隧比越來越高［1］。部分隧道需要穿越水庫庫區(qū)或緊鄰庫區(qū)，水庫蓄水后的滲流對(duì)隧道的安全施工和后期運(yùn)營都會(huì)帶來不確定性的影響。

目前，已有部分學(xué)者就水庫蓄水對(duì)隧道的安全影響進(jìn)行了相關(guān)研究［2－5］。尚海敏等［6］運(yùn)用地下水滲流理論和三維有限差分方法，對(duì)比分析隧道施工降水前后隧址區(qū)地下水的運(yùn)移變化情況，并結(jié)合剖面二維滲流模擬，開展了瓦溝臺(tái)水庫蓄水對(duì)隧道施工安全的影響研究。張朕銘［7］依托橫江梯級(jí)電站水庫蓄水對(duì)內(nèi)昆鐵路安全影響的評(píng)估、防治工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，結(jié)合巖體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、土力學(xué)等多學(xué)科進(jìn)行綜合分析，水庫蓄水后對(duì)隧道安全的影響進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)價(jià)。Alessandro Graziani，Daniela Boldini［8］通過解析法與數(shù)值法相結(jié)合的方法，分析了深埋隧道應(yīng)力－ 滲流耦合下的應(yīng)力和應(yīng)變問題［9］。侯偉等［10］基于GEOSLOPE，分析了李家河水庫對(duì)西合高速公路深埋隧道的滲流影響。呂曉聰?shù)龋?1］通過理論計(jì)算，簡化海底圓形隧道模型，得出了流固耦合作用下隧道圍巖的變形和襯砌結(jié)構(gòu)的受力的大小，并通過與實(shí)際工程進(jìn)行驗(yàn)證得出不同埋深和不同海水壓力海底隧道穩(wěn)定性的影響。Li 等［12］對(duì)地下水滲流場作用下雙連拱隧道圍巖變形動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究，總結(jié)了滲流場對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。

本文以某高速公路大壩田隧道為工程背景，隧址區(qū)右側(cè)益門河上有在建倉田電站，電站庫區(qū)蓄水可能將對(duì)大田壩隧道產(chǎn)生滲漏影響，采用解析法和數(shù)值模擬法對(duì)倉田電站庫區(qū)蓄水對(duì)大壩田隧道滲漏的影響進(jìn)行分析。

1 工程概況

1．1 地形地貌

大壩田隧道隧址區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕中山地貌，大壩田隧道位于益門河右岸，為斜坡峽谷地貌，峽谷整體呈寬“V”形。擬建隧道屬越嶺榜河隧道，地形整體呈“中部高、兩側(cè)低”狀，地形整體起伏較大。

1．2 倉田電站與大壩田隧道位置關(guān)系

倉田電站位于涼山州會(huì)理縣境內(nèi)，為混合式開發(fā)，壩址位于下村鄉(xiāng)付家彎上游300 m，回水至大壩田，取水口位于益門河左岸，沿河道左岸引水至益門河與六華河匯口下游約600 m 益門河左岸河漫灘建地面廠房發(fā)電。倉田電站水庫區(qū)內(nèi)河段相對(duì)開闊，河水面寬約6 m ～25 m，河谷寬20 m ～160 m，溝床平均坡降15‰～16‰，流域面積約900 km2。河段相對(duì)彎曲，但總體南向北流。兩岸坡度在30° ～45°之間，大部分屬于陡坡。除基巖出露段外植被發(fā)育較好，邊坡相對(duì)穩(wěn)定，庫區(qū)設(shè)計(jì)蓄水位1 715 m，見圖1。

圖1 擬建大壩田隧道與蓄水水庫的平面位置關(guān)系圖

擬建大壩田隧道位于會(huì)理縣六華鎮(zhèn)大壩田，益門河右岸，為分離式隧道。軸線起止樁號(hào)左線為ZK27 +651 ～ZK29 +304，長1 653 m，右線為K27 +676 ～ K29 +284，長1 608 m，屬長隧道。洞軸線為曲線形，隧道軸向169° ～225°，軸線設(shè)計(jì)左線標(biāo)高：1 683．0 m ～1 724．0 m；右線標(biāo)高1 683．6 m ～1 723．4 m，隧道最大埋深453．2 m。隧洞進(jìn)口部位屬于斜坡地帶，接近新田背斜核部部位，地形坡度35° ～40°。工作區(qū)調(diào)查表明，隧道隧址通過石英片巖、石英千枚巖等變質(zhì)巖地區(qū)，其片理面和節(jié)理裂隙較發(fā)育。

工作區(qū)隧址距離水庫最短徑流距離均大于300 m，最大水頭差約為32 m，水力梯度0．106，存在水庫蓄水向隧道滲漏的水動(dòng)力條件，如圖1 所示。

2 倉田電站庫區(qū)蓄水前隧道涌水量預(yù)測(cè)

庫區(qū)蓄水前，益門河水位高程約1 680．0 m，而擬建隧道標(biāo)高1 683．0 m ～1 724．0 m，總體表明蓄水前隧道位于益門河水位高程以上，不受河流地表流水影響。

根據(jù)隧道鉆孔揭露其地下潛水位標(biāo)高在1 836．82 m，鉆孔位于ZK27 + 914 ～ZK29 + 110 段隧址，潛水位面處于隧道洞體標(biāo)高以上部位，地下水儲(chǔ)存類型以基巖裂隙水為主，且局部壓水試驗(yàn)揭露由于巖層陡傾裂隙發(fā)育，巖體破碎，透水性較強(qiáng)，且物探揭露此類地層帶電阻率較低（物二及物三物探剖面） ，富水可能性較大，隧道開挖過程中地下水可能呈小型絮狀流水滲入隧道。

2．1 涌（滲） 水量預(yù)測(cè)方法

涌（滲） 水量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性主要取決于對(duì)隧洞充水條件的正確分析及計(jì)算參數(shù)和計(jì)算方法的合理選用。針對(duì)不同等級(jí)評(píng)價(jià)的隧道工程，考慮到隧道施工期涌（滲） 水的不同來源，選用大氣降雨入滲系數(shù)法，以及在地下水位以下的隧洞段選用地下水動(dòng)力學(xué)方法（解析法） 。

2．1．1大氣降水法

隧址區(qū)地下水主要受地貌形態(tài)、巖性及節(jié)理發(fā)育程度控制。隧址區(qū)屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候，年均降雨量1 211．7 mm，降雨量90%以上集中在6 月～10 月。平均滲入量通過式（1） 進(jìn)行計(jì)算。

其中，Q滲為平均滲入量，m3/d；2．74 為換算系數(shù)；a為降雨入滲系數(shù)，根據(jù)TB 10049—2014 鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程該區(qū)圍巖屬于較破碎巖石區(qū)（a=0．15 ～0．18） 和較 完 整 巖 石 區(qū)（a= 0．10 ～0．15） ；x為多年平均降雨量，mm；F為隧道通過含水體地段的集水面積，km2。

2．1．2地下水動(dòng)力學(xué)法

地下水動(dòng)力學(xué)法進(jìn)行隧道涌（滲） 水量預(yù)測(cè)主要適用于地下水位之下的越嶺隧道，水量來源為邊界很遠(yuǎn)的潛水含水層，涌（滲） 水量預(yù)測(cè)的關(guān)鍵在于隧道之上含水層的水頭高度、介質(zhì)滲透系數(shù)等參數(shù)。

基于穩(wěn)定流理論推導(dǎo)的大井法、集水廊道法等地下水動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式解析解，在使用中要求有比較充分的地下水補(bǔ)給條件。穩(wěn)定流計(jì)算公式認(rèn)為隧道在發(fā)生涌突水時(shí)，適用于含水體為無限厚度，其概化模型如圖2所示。

圖2 穩(wěn)定流概化模型

常用的涌（滲） 水量地下水動(dòng)力學(xué)法有裘布依理論公式和落合敏郎公式，前者主要適用于隧道通過潛水含水體，后者主要適用于基巖山地越嶺隧道，含水體為無界潛水。而本區(qū)域因部分花崗巖侵入體的巖性變化，所以認(rèn)為含水體是有界面變化的有界潛水體。因而對(duì)照本區(qū)域的工程地質(zhì)條件來說裘布依理論公式更加適用。裘布依理論公式如下：

其中，Qs為預(yù)測(cè)隧道通過含水體穩(wěn)定涌水量，m3/d；K為巖體的滲透系數(shù)，m/d；H為含水層中原始靜水位至隧道底板的垂直距離，m；L為隧道通過含水層的長度，m；R為隧道涌水影響半徑，m，S=1/3H；r為隧道洞身橫斷面的等價(jià)圓半徑，m（單隧經(jīng)驗(yàn)取3．5 m，雙隧經(jīng)驗(yàn)取值7 m） ；h為隧道內(nèi)排水溝假設(shè)水深，m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值1 m。

2．2 涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果

2．2．1大氣降水法

在初步勘察階段，采用大氣降雨入滲系數(shù)法，預(yù)測(cè)隧道的涌突水量為2 397．1 m3/d。

2．2．2地下水動(dòng)力學(xué)法

根據(jù)不同段落隧道洞身的地下水影響有效長度、含水層厚度、降雨入滲系數(shù)、地層巖性等計(jì)算得出預(yù)測(cè)正常涌水量 為2 665． 3 m3/d，最 大 涌 水 量5 330． 5 m3/d，見表1。

表1 擬建隧道涌（滲）水量分段預(yù)測(cè)值

3 水庫蓄水后隧道滲漏量預(yù)測(cè)

水庫蓄水后，由于大壩田隧道建設(shè)，其高程低于正常蓄水位，庫水可能沿花崗巖及變質(zhì)巖的風(fēng)化裂隙向隧道滲漏，從而可能增大隧道涌突水的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)工程安全有一定威脅。

3．1 水庫蓄水后向隧道滲漏的條件分析

水庫兩側(cè)的地層主要為前震旦系會(huì)理群力馬河組一段及二段（Pt2l1，Pt2l2） 的石英片巖、云母片巖、石英千枚巖、石英巖和晉寧期的二云母花崗巖、黑云母花崗巖及片麻狀花崗巖。

大壩田隧道擬建高程為1 683．0 m ～1 724．0 m，正常蓄水位至1 715 m 后，水頭差最大可達(dá)32 m，庫區(qū)向隧道滲漏的水動(dòng)力條件是存在的?？赡艿淖疃虧B流路徑約為300 m 最大的水力梯度為Jmax=32/300 =0．106，為水庫滲漏提供了良好的水動(dòng)力條件。

水庫蓄水后，由于近壩庫岸巖體中存在的風(fēng)化裂隙，加之大壩田隧道的施工，水流會(huì)沿著這些通道由壩前向隧道滲漏，可能會(huì)加大隧道涌突水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。此次研究選取K28 +010，K28 +347．4，K28 +671．2 三個(gè)典型斷面進(jìn)行分析，如圖3 所示（篇幅有限，文中僅列出K28 +010 斷面） 。

圖3 大壩田隧道工程地質(zhì)斷面圖（1∶2 000）

3．2 不同蓄水高程的浸潤曲線計(jì)算

浸潤曲線的求解，可以用水均衡方法來建立流量方程，取坐標(biāo)系：河1 邊界為垂向h軸，向上為正；沿水平隔水底板取值為x軸，向右為正，先規(guī)定向右（與x軸向一致） 的流量為正值；向左的流量為負(fù)值。規(guī)定有入滲補(bǔ)給W＞0； 蒸發(fā)排泄，W＜0。其次建立斷面1 至任意斷面x間的水均衡方程，如圖4 所示。

圖4 河間地段潛水流動(dòng)剖面圖

若x斷面取在地下分水嶺的左側(cè)（x＜a，a是地下分水嶺處的x坐標(biāo)） ，則有：

這時(shí)，q1＜0，q＜0，即：若x斷面取在地下分水嶺的右側(cè)（x＞a） ，則得：

這時(shí)，q1＜0，q＞0，即：

加入引入Dupuit 假定，則單寬流量可寫成：

代入式（6） 得：

分離變量后，由斷面1 至斷面x作定積分，即：

當(dāng)x=l時(shí)，h=h2，將上式可改寫為：

可得斷面1 的單寬流量方程：

將式（14） 代入式（12） 中，可得水頭線方程為：

可由式（15） 計(jì)算各剖面的不同蓄水位條件下的浸潤曲線，計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同蓄水高程條件浸潤線

3．3 水庫蓄水后向隧道滲漏的數(shù)值模擬分析

倉田水庫蓄水后將改變工作區(qū)地下水滲流場，為分析庫區(qū)蓄水對(duì)擬建隧洞地下水滲流場影響及潛在滲流量，采用Visual MODFLOW 軟件，分別構(gòu)建蓄水前后兩個(gè)地下水滲流數(shù)值模型開展分析。

在隧址區(qū)分別選取三個(gè)典型剖面對(duì)隧道建設(shè)后的滲流場進(jìn)行模擬，對(duì)應(yīng)3．2 節(jié)中的浸潤線計(jì)算剖面。橫一剖面位于隧址區(qū)北側(cè)，模型西邊界劃定在1 715 m 蓄水位影響到的位置，隧道高程為1 683 m，其地下水埋深較小，水壓力較大。文中以剖面一進(jìn)行分析。

3．3．1模擬工況

本次模擬計(jì)算主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行：

1） 針對(duì)倉田水庫目前天然水流條件，進(jìn)行非穩(wěn)定流模擬與評(píng)價(jià)，模擬計(jì)算地下水滲流場變化，根據(jù)觀測(cè)水位擬合情況判斷模型的有效性。

2） 針對(duì)水庫蓄水至1 715 m 后，從北至南三個(gè)剖面水庫水體對(duì)于地下水滲流場的變化影響分析，進(jìn)行穩(wěn)定流模擬與評(píng)價(jià)，通過水均衡計(jì)算水庫（向隧道） 滲漏量。

3．3．2參數(shù)取值

滲透系數(shù)取值根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)分析，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)來確定?？紤]到場地試驗(yàn)與區(qū)域模擬的分析尺度不同，鉆孔試驗(yàn)不能總體把握裂隙介質(zhì)區(qū)域性的滲透性分布規(guī)律，而數(shù)值模擬尺度更大，更為宏觀，需要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來校正，因此在模擬的時(shí)候?qū)⒃囼?yàn)所得滲透系數(shù)取值縮小了兩個(gè)量級(jí)，導(dǎo)入模型進(jìn)行計(jì)算。其余地層的滲透系數(shù)取值參考前震旦系會(huì)理群力馬河組一段（Pt2l1） 進(jìn)行賦值。表2 為調(diào)試后的滲透參數(shù)取值。

表2 模型滲透系數(shù)取值

對(duì)于給水度和貯水系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，變質(zhì)巖區(qū)的給水度取0．2，貯水系數(shù)取10－5，花崗巖區(qū)給水度取0．2，貯水系數(shù)為10－5。

3．3．3模型建立

本次采用Visual MODFLOW 建立二維模型，由于模擬區(qū)地形起伏較大，選用分層的矩形網(wǎng)格，單元?jiǎng)澐殖叽?0 m×10 m，分別對(duì)研究區(qū)橫一～橫三剖面構(gòu)建二維滲漏模型，如圖6 所示。第1 模擬層為第四系全新統(tǒng)沖洪積層（的漂石、卵石及圓礫，第2 模擬層為前震旦系會(huì)理群力馬河組一段（Pt2l1） 的石英片巖、石英千枚巖（部分區(qū)域含該地層上部的覆蓋物） ；第3 模擬層為晉寧期（γ） 的花崗巖（部分區(qū)域含該地層上部的覆蓋物） ，其中，第3 層為滲漏模擬的重點(diǎn)層位。

圖6 橫一剖面二維滲漏模型特征（不同顏色代表介質(zhì)滲透系數(shù)差異）

3．3．4模擬結(jié)果

圖7 為模擬得到的現(xiàn)狀條件下橫一剖面地下水滲流場，中部花崗巖區(qū)在圖中顯示部分疏干，基巖中的水向益門河排泄。

圖7 天然狀態(tài)下橫一剖面原始滲流場

圖8 為倉田水庫蓄水1 715 m，隧道開挖后橫一剖面、橫二剖面、橫三剖面的地下水滲流場，隧道附近形成明顯的降位漏斗，庫水部分向隧道滲漏排泄。

圖8 蓄水后橫一剖面滲流場

3．4 水庫蓄水后向隧道的滲漏量計(jì)算

庫區(qū)的滲漏通道主要集中在大壩附近，滲漏層位主要為晉寧期的花崗巖（γ） ，滲漏段落無貫通性管道發(fā)育，為均質(zhì)巖體裂隙滲漏，故滲漏量的計(jì)算公式采用SL 373—2007 水利水電工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范中推薦公式：

其中，q為單寬滲流量，m3/（d·m） ；K為巖體滲透系數(shù)，m/d；H1為水庫水位，m；H2為隧道高程，m；L為平均滲徑，m。

在實(shí)際工程區(qū)，其變質(zhì)巖及花崗巖體雖然坡表節(jié)理裂隙較發(fā)育，但基于物探揭露越往深部其巖體介質(zhì)電阻率越高，隧道區(qū)巖體為弱（中） ～微風(fēng)化～新鮮，其介質(zhì)滲透性更低，而且工作區(qū)變質(zhì)巖片理面總體傾向坡外，不利于水庫滲漏。此外，工作區(qū)最短滲透路徑均在300 m以上，各橫剖面上介質(zhì)滲透性基于二維數(shù)值模擬反演參數(shù)揭示耦合性較好，模擬考慮更宏觀的山體尺度效應(yīng)，故計(jì)算時(shí)參照鉆孔壓水試驗(yàn)的巖體滲透系數(shù)并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行校正，采用數(shù)值模擬反演的等效滲透系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 水庫蓄水對(duì)隧道的滲漏量計(jì)算結(jié)果表

從表3 可見，橫一剖面段滲漏量最大，滲漏量為673 m3/d，橫二剖面為312 m3/d，橫三剖面為284 m3/d。

根據(jù)以上分析及計(jì)算方法，將整個(gè)隧道每個(gè)分段在水庫蓄水后的涌（滲） 水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果如表4 所示。

表4 水庫蓄水后隧道涌（滲）水量增加量預(yù)測(cè)

從表4 可見，水庫滲漏造成隧道涌水量的增加量為1 269 m3/d，蓄水后隧道K27 +740 ～K28 +980 段（總長約1 240 m） 將低于正常蓄水高程，隧道單位長度上由水庫滲漏造成的隧道涌水量的增加量ΔQ為1．02 m3/（d·m） 。

4 結(jié)論及建議

4．1 結(jié)論

本文以某高速公路倉田電站對(duì)擬建大壩田隧道的滲漏影響為工程背景，采用解析法和數(shù)值模擬法進(jìn)行分析?；诮馕龇ǖ乃淼烙克坑?jì)算結(jié)果，蓄水前隧道涌（滲）水量預(yù)測(cè)值為：正常涌（滲） 水量約為2 665．3 m3/d，最大涌（滲） 水量約為5 330．5 m3/d。基于水庫蓄水后數(shù)值模擬分析的結(jié)果，水庫滲漏造成隧道涌水量的增加量為1 269 m3/d，隧道單位長度上由水庫滲漏造成的隧道涌水量的增加量ΔQ為1．02 m3/（d·m） ，整個(gè)水庫蓄水后對(duì)隧道影響等級(jí)為輕微。

4．2 建議

1） 建議施工勘察階段針對(duì)物探（物二及物三物探斷面） 揭露巖體破碎帶附近，可能因破碎巖體富水性導(dǎo)致低電阻率部位增加鉆孔勘探進(jìn)行驗(yàn)證。

2） 建議隧道開挖過程中對(duì)隧道K27 +740 ～K28 +980 段，可根據(jù)涌水量情況適當(dāng)加密導(dǎo)水管數(shù)量、增加防水板層數(shù)、加大中央排水溝寬度，以達(dá)到防滲目的。

3） 因施工爆破等工程活動(dòng)對(duì)巖體擾動(dòng)影響，需在隧道掘進(jìn)過程中加強(qiáng)超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

文中分析方法可供類似工程分析和設(shè)計(jì)提供參考。