易世友,李 強(qiáng),涂明江,先 開,劉漢武

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局114地質(zhì)大隊(duì),貴州 遵義 563000)

0 引言

納雍至興義國(guó)家高速公路納雍至晴隆(第二合同)下壩隧道位于貴州省六盤水市六枝特區(qū)北西側(cè)的關(guān)寨鎮(zhèn)墮卻村境內(nèi),起于關(guān)寨鎮(zhèn)龍?zhí)洞?止于墮卻村南側(cè)的倮那,進(jìn)口高程1 304.38 m,出口高程1 345.84 m,全長(zhǎng)5 194 m。該隧道采用人字坡形設(shè)計(jì),最高標(biāo)高1 362 m,最大埋深約430 m,屬特長(zhǎng)隧道,其軸線走向方位角225°轉(zhuǎn)240°,洞身呈弧形展布,為分離式隧道。

下壩隧道穿越墮卻背斜蓄水構(gòu)造,水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜,本文以下壩隧道所在完整水文地質(zhì)單元為研究區(qū),綜合分析了研究區(qū)水文地質(zhì)特征,并采用多種計(jì)算方法對(duì)隧道涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于羌塘—揚(yáng)子—華南板塊之華南陸塊黔北隆起區(qū)六盤水裂谷帶之六盤水北西向構(gòu)造變形區(qū),在北東—南西向主應(yīng)力作用下,形成一系列軸向大致平行的、呈NW方向展布的褶皺與斷裂帶,下壩隧道穿越墮卻背斜(圖1),受區(qū)內(nèi)斷層(墮卻斷層、牛坡斷層)的切割,把背斜分成四段,但整體背斜輪廓清晰。墮卻背斜核部地層為石炭系上統(tǒng)馬平組至二疊系陽新統(tǒng)棲霞-茅口組,北東翼受墮卻斷層的破壞缺失了大部分石炭系上統(tǒng)馬平組一段(C2P1m1)地層,斷距約180 m。南東翼出露地層齊全,由老到新依次有石炭系上統(tǒng)馬平組(C2P1m)二疊系羅甸階梁山組(P2l)、陽新統(tǒng)棲霞組(P2q)和茅口組(P2m)。

區(qū)內(nèi)主要斷裂為墮卻斷層,斷層總體走向北西向,傾向南西,東段產(chǎn)狀45°∠60～70°,西段產(chǎn)狀230°∠65～75°。斷層南東段表現(xiàn)為茅口組內(nèi)部的順層滑動(dòng),地貌上形成沿走向線狀負(fù)地形特征,斷距不明;斷層中段頭塘一帶表現(xiàn)為梁山組與茅口組的接觸,斷面傾向北東,斷距在200 m左右;斷層北西段表現(xiàn)為馬平群一段與三段接觸,斷面傾向南西。沿?cái)鄬訋Э梢姲l(fā)育寬幾米至幾十米斷層破碎帶,具有多期活動(dòng)的特征,下壩隧道YK79+410 m處穿過該斷層帶,隧道軸線與斷層近于垂直相交。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)略圖

2 水文地質(zhì)特征

2.1 碳酸鹽巖含水巖組及富水性

區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖含水巖組為石炭系馬平組、棲霞茅口組。馬平組分布于墮卻背斜核部,出露面積大,巖性為灰、深灰色中厚層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾少量粘土巖、頁巖,含水介質(zhì)為溶洞、管道、裂隙等,巖溶極為發(fā)育,年均徑流模數(shù)達(dá)28 L/s·km2,鉆孔單井涌水量168.48～2 098.4 m3/d,富水性強(qiáng)。棲霞茅口組分布于墮卻背斜兩翼,巖性為灰?guī)r、生物屑灰?guī)r、泥灰?guī)r等,含水介質(zhì)為溶洞、管道、裂隙等,年均徑流模數(shù)22～35 L/s·km2,鉆孔單井涌水量51～1 822.18 m3/d,富水性強(qiáng)。

2.2 地下水系統(tǒng)及補(bǔ)徑排特征

研究區(qū)為墮卻背斜蓄水構(gòu)造控制的完整水文地質(zhì)單元,可細(xì)分為8個(gè)地下水系統(tǒng),其中下壩隧道直接穿過龍?zhí)兜叵潞酉到y(tǒng)、汪家箐地下河系統(tǒng)和倮那地下河系統(tǒng)(見上圖1)。

龍?zhí)兜叵潞酉到y(tǒng)位于下壩隧道YK76+600～YK77+800進(jìn)口段,碳酸鹽巖含水巖組為棲霞茅口組,其補(bǔ)給源主要有2處,一是汪家箐地下河出露地表后形成地表溪溝,以有水落水洞直接入滲補(bǔ)給;另一補(bǔ)給源為罵支地下河以伏流入口補(bǔ)給,地下水沿巖溶管道由南東向北西徑流,最終在龍?zhí)兜叵潞映隹谂判钩龅乇?出口標(biāo)高1 255 m,調(diào)查時(shí)流量299.61 L/s。該地下河巖溶管道平面總體上呈單支狀展布,最長(zhǎng)約4.31 km。水力坡度30.4‰。

汪家箐地下河系統(tǒng)處于下壩隧道中段,補(bǔ)給區(qū)為系統(tǒng)南側(cè)箐頭、茅草坪及中部荒壩一帶,含水巖組為石炭系上統(tǒng)馬平組,地表洼地、落水洞極為發(fā)育,大氣降水沿斜坡地帶在下壩匯集成溪溝,于荒壩一帶的巖溶洼地、落水洞垂直向下補(bǔ)給,地下水沿巖溶管道由南東向北西徑流,受地形切割以地下河出口形式出露地表,該地下河出口距離隧道線路僅150 m,標(biāo)高1 444 m,隧道底板比該地下河出口低104 m,調(diào)查時(shí)流量14.97 L/s,豐水期最大流量約500 L/s。巖溶管道平面呈樹枝狀,管道長(zhǎng)約2.16 km,水力坡度32.8‰。

倮那地下河系統(tǒng)位于下壩隧道YK80+720～YK82+150出口段,含水巖組為馬平組、棲霞茅口組。補(bǔ)給區(qū)范圍較大,主要位于系統(tǒng)北西部郎樹根、郎節(jié)壩以及箐泥塘一帶,大氣降水匯集于洼地內(nèi),通過落水洞、溶蝕裂隙等垂向補(bǔ)給地下水,下游以地表溪溝形式于瓦房頭一帶落水洞、溶蝕裂隙垂向補(bǔ)給地下水,地下水總體由北西向南東、南徑流,受峨眉山組(Pβ)玄武巖隔水層阻隔,排泄于地表,出口標(biāo)高為1 412 m,調(diào)查時(shí)流量180.46 L/s,豐水期最大流量1 172.99 L/s,此外鐵路隧道引水洞標(biāo)高1 483 m,調(diào)查時(shí)流量33.4 L/s,豐水期最大流量217.1 L/s。

2.3 構(gòu)造對(duì)地下水的控制作用

構(gòu)造致使巖層破碎、裂隙發(fā)育,為地下水運(yùn)移與富集提供了空間,墮卻背斜為緊密褶皺,下壩隧道垂直穿越墮卻背斜,背斜核部構(gòu)造應(yīng)力集中,構(gòu)造節(jié)理、裂隙極為發(fā)育,節(jié)理、裂隙相互穿插,密度大、連續(xù)性、開張性較好,加之工作區(qū)的茅口組和馬平組的灰?guī)r較純,巖溶極發(fā)育,該背斜蓄水構(gòu)造形如一個(gè)完整的“地下水庫”,在背斜實(shí)施的鉆孔中,涌水量達(dá)2 098.4 m3/d,降深僅8 m,核部實(shí)施的鉆孔自流量達(dá)432.131 m3/d。

3 隧道涌水量預(yù)測(cè)

3.1 涌水量計(jì)算原則

下壩隧道進(jìn)口YK77+201～YK77+560段處于包氣帶中,其余部分均處于飽水帶中,隧道涌水量計(jì)算分為靜儲(chǔ)量和動(dòng)儲(chǔ)量?jī)刹糠?。靜儲(chǔ)量計(jì)算主要為隧道開挖在含水層中疏干降落漏斗范圍內(nèi)的“靜儲(chǔ)量”,動(dòng)儲(chǔ)量為地下水系統(tǒng)含水層中“徑流量”,隧道建設(shè)過程中和建成后,從YK77+560～YK82+395段涉及的地下水系統(tǒng)之間邊界將不復(fù)存在,構(gòu)造一個(gè)統(tǒng)一的地下水系統(tǒng),最終以下壩隧道為排泄基準(zhǔn)面,則隧道動(dòng)儲(chǔ)量為汪家箐地下河系統(tǒng)、牛坡分散排泄系統(tǒng)及倮那地下河系統(tǒng)中地下水集中排泄點(diǎn)的總排泄量,因此,依據(jù)地層巖性、構(gòu)造對(duì)隧道涌水量分為4段進(jìn)行計(jì)算,采用泉流量匯總法、大氣降水入滲法、地下水徑流模數(shù)法、洼地入滲法計(jì)算動(dòng)儲(chǔ)量,對(duì)比分析后將動(dòng)儲(chǔ)量與靜儲(chǔ)量之和得出隧道涌水量。

3.2 計(jì)算方法及公式的選擇

3.2.1 動(dòng)儲(chǔ)量計(jì)算

1)泉流量匯總法

將下壩隧道穿越的汪家箐地下河系統(tǒng)、倮那地下河系統(tǒng)補(bǔ)給范圍內(nèi)地下水集中排泄點(diǎn)(巖溶泉、地下河出口)平、豐季流量進(jìn)行求和,計(jì)算出隧道動(dòng)儲(chǔ)量。

2)大氣降水入滲法

根據(jù)隧址區(qū)水文地質(zhì)條件、地層巖性及含水層特征對(duì)其進(jìn)行分段計(jì)算,計(jì)算公式:

Q=2.74α×X×B×L

(1)

式中:Q為隧道正常涌水量(m3/d);α為入滲系數(shù),根據(jù)區(qū)域數(shù)據(jù)采用經(jīng)驗(yàn)值及隧址區(qū)水文地質(zhì)條件確定;X為年降雨量(mm); B為積水面積寬度,單位為km,B一般為0.5 L,但不超過5～6 km;L為隧道縱斷面長(zhǎng)度,單位為km。

3)地下水徑流模數(shù)法

計(jì)算公式:Q=86.4×M×F

(2)

式中:M為地下水徑流模數(shù)(l/s·km2),按年平均徑流模數(shù)計(jì)算;F為隧道通過含水體的地下積水面積(km2)。

4)地下水動(dòng)力學(xué)法

計(jì)算公式:Q=q0·L

(3)

(4)

3.2.2 靜儲(chǔ)量計(jì)算

靜儲(chǔ)量對(duì)隧道涌水量的大小影響,與掘進(jìn)速度有關(guān),掘進(jìn)快則涌水量大,掘進(jìn)慢則涌水量小。每天靜儲(chǔ)量的涌水量為:

(5)

式中:Q靜為每天靜儲(chǔ)量的涌水量(m3/d);Qv為靜儲(chǔ)量(m3);T為降落漏斗范圍內(nèi)靜儲(chǔ)量疏干時(shí)間(d)。

靜儲(chǔ)量按照下列公式進(jìn)行計(jì)算。

Qv=V·μ=(LRH)·μ

(6)

表1 入滲系數(shù)取值統(tǒng)計(jì)表

3.3 參數(shù)的選擇

3.3.1 降雨量

研究區(qū)多年平均降雨量選取六枝特區(qū)1 363.68 mm,最大年降雨量為2 087.70 mm。

3.3.2 入滲系數(shù)α

入滲系數(shù)根據(jù)不同區(qū)段的地層、裂隙發(fā)育、地貌類型及巖溶發(fā)育等特點(diǎn)選用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),區(qū)內(nèi)不同地層的入滲系數(shù)取值見表1。

3.3.3 徑流模數(shù)M

區(qū)內(nèi)各地層徑流模數(shù)取值見表2。

表2 徑流模數(shù)取值統(tǒng)計(jì)表

3.3.4 滲透系數(shù)K

C2P1m含水巖組各鉆孔滲透系數(shù)見表3。

表3 鉆孔滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.3.5 隧道影響半徑R

將隧道視為鉆孔,隧道開挖后形成的影響半徑采用地下水動(dòng)力學(xué)法估算,公式如下:

(7)

式中:R為影響半徑(m);S為地下水降深值(m),隧道開挖后地下水降深視為原水位降至隧道底板,隧道各分段取降深平均值;k為滲透系數(shù)(m/d),各分段取相應(yīng)含水巖組的鉆孔計(jì)算的值;H為含水層厚度(m)。

圖2 下壩隧道分段匯水面積示意圖

下壩隧道各分段影響半徑計(jì)算結(jié)果見表4。

3.3.6 匯水面積F

下壩隧道分段的匯水面積為對(duì)應(yīng)的地表范圍內(nèi)的地下水的補(bǔ)給面積,同時(shí)考慮了隧道開挖的影響半徑。隧道各分段的匯水面積見圖2所示。

表4 下壩隧道影響半徑計(jì)算結(jié)果表

3.4 隧道涌水量計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)

下壩隧道涌水量計(jì)算結(jié)果見表5,其中正常涌水量為20.01萬 m3/d,最大涌水量為36.73萬 m3/d。

綜合分析,YK77+201～YK77+560進(jìn)口段平面上隧道進(jìn)口標(biāo)高較巖溶管道高,隧道開挖不會(huì)揭穿龍?zhí)兜叵潞訋r溶管道,下壩隧道與龍?zhí)兜叵潞庸艿篱g無水力聯(lián)系,涌水量較小;YK77+560～YK81+748段穿越墮卻背斜核部,應(yīng)力集中,斷裂十分發(fā)育,巖石破碎,兩翼有隔水地層阻水,為背斜蓄水構(gòu)造,涌水量較大,開挖過程中發(fā)生涌水、突水的可能性大;YK81+748-YK82+395出口段隧道標(biāo)高低于地下河出口,下壩隧道開挖后形成新的排泄基準(zhǔn)面,發(fā)生隧道“襲奪”地下河的可能大,隧道涌水量較大。

表5 下壩隧道涌水量計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié)語

(1)研究區(qū)為墮卻背斜蓄水構(gòu)造控制的完整水文地質(zhì)單元,斷裂構(gòu)造發(fā)育,碳酸鹽巖分布廣,水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜,將研究區(qū)細(xì)分為8個(gè)巖溶地下水系統(tǒng),下壩隧道穿越了龍?zhí)兜叵潞酉到y(tǒng)、汪家箐地下河系統(tǒng)和倮那地下河系統(tǒng)。

(2)采用大氣降水入滲系數(shù)法、徑流模數(shù)法、地下水動(dòng)力學(xué)法、泉流量匯總法計(jì)算出下壩隧道最大涌水量為367 274 m3/d(36.73萬 m3/d),正常涌水量為200 147 m3/d(20.01萬 m3/d。評(píng)價(jià)認(rèn)為YK77+201～YK77+560進(jìn)口段涌水量較小,不易發(fā)生突水、涌水,YK77+560～YK81+748中段和YK81+748-YK82+395出口段涌水量較大,極易發(fā)生突水、涌水。