青云山隧道典型断层带地下水同位素
分析及涌水量预测
徐子东1
成建梅1
刘府生2
黄玲玲
1
(11中国地质大学(武汉)环境学院
武汉市 430074 21中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉市 430063)
提 要 在介绍青云山隧道地质与水文地质条件的基础上,以F3断层带为重点研究对象,从分析常规元素和
(87S r /86S r 、D 、18O 、T)同位素水化学特征入手,探讨地下水与河水的关系,运用氚同位素测试结果,计算地下水生成的
相对年龄,分析该断层带的涌水条件;采用降雨入渗法、解析法、氚同位素法预测断层带的涌水量,将计算结果进行对比,认为:氚同位素法从理论上比其它两种方法适合火山岩地区断层带的涌水量计算。关键词 深埋火山岩隧道
环境同位素 涌水条件 涌水量计算
Isotopes Analysis of Groundwater in the Typical Fault Zone of Qingyunshan
Tunnel and Prediction of Hydraulic Discharge
Xu Zidong 1
Cheng Jianmei 1
Liu Fusheng 2
Huang Lingling 1
(11School of Environment,China University of Geosciences
2.China Rail w ay Fourth Institute of Survey and D esign G roup Co.,L td )
Abstract Based on the geological and hydrogeological conditions of Qingyunshan tunnel,mainly f ocused on the F3fault ,this paper begins w ith the analysis of hydrogeoche mical characteristics of common ele ments and (87
S r /86
S r 、D 、18
O 、T)isotopes,and studies the relationship betw een the groundw ater and the surface water ,then by using tritium test results,the relative a ge of the groundwater is calc ulated and w ater yield condition is analyzed;the hydraulic discharge in the fault is predicted by the rainfall infiltration me thod ,analytical method and tritium isotope method,and the calculated results are compared.The conclusion is that the tritium isotope method is theoretically more fitted for the calculation of hydraulic discharge in the fault of volcanic rock zone than the others.
Keywor ds deep buried tunnel of volcanic rock;environmental isotope;water yield condition;hydraulic dis 2charge calculation
作者简介:徐子东(1985-),男,硕士研究生,研究方向为地下水与地质灾害防治。
收稿日期:2009-01-24
1 前言
长期以来,隧道突(涌)水量预测是隧道水文地质工作者研究的核心内容。迄今为止,规范、规程推荐的隧道涌水量预测方法基本上是针对隧道围岩为层状岩石,埋深不大,蓄水构造类型为水平岩层、单斜或褶皱型蓄水构造的隧道而设定[1]
。对于围岩岩性主要是块状岩石,蓄水构造类型为断裂型的深
埋火山岩隧道涌水量计算的研究很少。随着环境同位素方法被广泛用于水文地质学领域,在隧道(尤其是长大隧道)的勘察、设计和施工中,利用天然水中环境同位素的标记特性,可以分析各含水层的水力联系,并能定量预测隧道的突(涌)水量
[2,3]
,这有助
于我们对深埋火山岩隧道涌水量的研究。
青云山隧道位于福建省永泰县,本文以青云山隧道F3典型断层带为研究对象,利用水化学和同位素方法分析隧道的涌水条件,并初步进行了深埋火山岩隧道涌水量预测方法的研究。
2 研究区背景
211 概况
青云山隧道全长221161km,横穿国家4A 级景区青云山风景区,是向塘-莆田铁路线上的重要控制工程。隧道与10条大型的断层相交。F3断层的位置如图1所示,其中青深1为F3断层带内钻孔的编号,钻孔深度为335183m 。
断层呈北东走向,延伸约2106km,横切山岭,在
地貌上形成深切的沟谷。沟谷两侧植被发育,沟内常年有水,旱季流量较小。钻孔距地表河水的位置约5m 。断层带内地表到隧道顶面的高度为328m 。根据钻孔资料显示,断层带内的地层主要为白垩系下统石帽山群上组上段(K 1sh b
2),岩性有:灰紫-灰白色球泡流纹岩、深灰色流纹质晶屑凝灰岩、深灰-暗紫红色构造角砾岩。F3断层与隧道近乎垂直相交,产状为149b N 64b ,由4条以上宽1~15m 的一组平行断层破碎带组成,宽度为76m,带内裂隙发育,
岩石较破碎。
图1 青云山隧道北段水文地质平面图(岩性符号见图
2)
图2 青云山隧道北段剖面
212 水文地质条件
断层带在构造运动的作用下形成断层两旁的岩石为隔水层,中间断层带为含水的竖向蓄水构造。断
层带内河水沿沟谷发育,径流量随季节变化明显,旱季流量小,约11502L P s,雨季流量可增大数倍。地下水类型主要有浅层孔隙水、基岩裂隙水和构造裂隙水。浅层孔隙水主要赋存于断层带内基岩的全)强风化层中,主要接受大气降水补给,也受到局部河水的渗漏和回水补给;基岩裂隙水主要赋存于岩石节理裂隙中,断层带内弱风化岩体节理裂隙不发育,岩石完整性好,不利于河水入渗,因此水量较少;构造裂隙水赋存于构造角砾岩中,角砾间由铁质、硅质及原岩碎基充填,胶结紧密,裂隙紧闭,水量较少。基岩裂隙水和构造裂隙水主要接受大气降水和河水的补给。本文所讨论的地下水指的是断层内的裂隙水。
3 水化学与同位素分析
311 地下水化学分析
研究区内的河水和地下水的简分析以及微量元素的实验数据如表1、表2所示。青深1为地下水。
从表1、2数据中可看出,地下水的离子浓度明显高于河水,地下水矿化度是河水矿化度的5倍,从中可以知道河水与地下水的水力联系不密切。在水样简分析数据中阴离子以HC O -3为主,Cl -、S O 2-
4的浓度相对较低,阳离子以Na +
为主,其次是Ca 2+
,M g 2+
、K +
浓度较低,具有典型的火成岩地区地下水化学特征。从微量元素数据中可看出,浅层地下水的Al 、Fe 和M n 元素的含量明显低于深层地下水,而Ca 、M g 、K 元素含量高于深层地下水,这说明浅层地下水与深层地下水的水力联系亦不密切。
表1河水与地下水简分析mg P L 水样Na++K+C a2+Mg2+C l-SO2-4HC O3-矿化度
河水416311360128215921881218019115青深1(浅层)25139171981106311210160106167111146青深1(深层)231311417221382176813097121100107
表2河水与地下水微量元素mg P L 水类型Al B a C a C r Fe K Li Mg
河水010087010099113649--012496010002012834青深1(浅层)014601121719801021132116001011106青深1(深层)312501521417201012138014801010173水类型Mn Na P Pb S Si Sr Zn
河水01002641382501008701015501609816109010063010544青深1(浅层)0136231790102031761319801100106青深1(深层)1198221830103010321891919201090152 312F3断层带水的同位素分析
同位素水文学是水文地球化学的一个分支,它
主要利用同位素技术解决水文学中的一些关键问
题。从上世纪50年代至今,环境同位素在水文地质
领域的应用迅速发展,陈建生等通过氢氧同位素示
踪确定新安大坝江右坝肩水的来源以及右坝肩水与
水库水的水力联系;刘丹等利用氚同位素指数模型
计算秦岭地下水的年龄,均取得了良好的效果。
本文通过分析F3断层带内水的Sr、D、18O、T同
位素,利用天然水中环境同位素的标记特性探讨河
水与地下水的来源及水力联系,计算地下水生成的
相对年龄和岩层垂直渗透速度。
F3断层带内水样的同位素实验数据如表3所
示。
表3同位素数据
水样87Sr/86Sr
(2R)
D D P(j)
(S MOW)
D18O P(j)
(S MOW)
T
P TU
河水0171391?0100003-5219-7125715?113青深1(浅层))-5615-7193114?110青深1(深层)0170911?0100002-60188-8161113?019 31211Sr同位素分析
锶同位素是判别与海相层序相关的各种沉积环境的强有力工具,并且锶同位素对不同水体之间是否具有水力联系具有重要的指示意义。前人的实验证明,尽管一些地质因素(如蒸发作用)可以改变锶同位素在水体中的浓度,但锶同位素在同一地质时期、同一水域的组分(87Sr/86Sr)几乎不变[4]。且(87Sr/86Sr)值在古老硅铝岩石中最高,平均为01720士01005;年青玄武岩中该比值最低,平均为01704士01002(赵其渊,1989)。
由表3可知,河水与地下水的锶同位素比值分别为0171391?0100003、0170911?0100002,两者之间的差值远大于?010005[5],可以证明F3断层带内的河水与地下水分别属于不同的水体,这也为地下水化学分析的结果提供了佐证。
31212D、18O同位素分析
研究水的氢、氧同位素组成及其变化,对于阐明地质作用的特征具有重要的意义。通过对水中的氢、氧同位素与当地的大气降水线结合进行分析,可以判断地下水的现代补给来源,判定地下水与河流水体间的联系,确定不同含水层之间的水力联系。
为了探求F3断层带内的河水和地下水的水力联系,将福州的大气降水线与本次工作所采集的样品联合分析(福州大气降水线的线性方程为D D= 7188D18O+6158[6])。
图3F
3
断层降水线与D、18O同位素分布
当地下水存在不同的来源时,它所含有的D和18O同位素值也会因不同水源的混合比例而发生变化。从图3中可以看出,三个水样的D和180同位素含量均位于大气降水线附近,说明河水和地下水均来源于大气降水;河水发生了18O同位素偏移,而地下水没有出现明显偏移,说明地下水并非来源于此处河水的入渗;从河水到深层地下水,D、18O值依次降低,这是由于大气降水在入渗和径流过程中与岩
石发生了同位素交换。地下水没有发生18O同位素偏移,说明地下水的水量较少。
31213氚同位素分析
地下水的氚来源于大气降水和河水,地下水的氚浓度及其变化与补给来源密切相关。从河水到地下水随深度增加T大幅度下降,深层地下水的T同位素值小于110TU,小于浅层地下水的T值,因此浅层地下水与深层地下水的水力联系较差。在同一地下水系统,地下水的氚浓度一般随含水层埋深增加而减少。根据氚衰变的这一特点,可以计算岩体中地下水的年龄,即地下水渗透运动的时间差。利用这一理论,可以了解并掌握地下水运动速度及裂隙岩体的水文地质特征。
结合青云山实际情况,采用数学物理模型中/活塞流模型0法,假定从地表到隧道到顶面岩体为性质均一的含水介质,以河水作为输入补给源,地下水向河流排泄,计算地下水的年龄。该模型利用两样品之间氚同位素的浓度差,可以求得不同水体之间的相对年龄。
基本公式:
t=401727lg N0
N t
(1)
u=
L
365t(2)
v=un(3)
Q=vA(4)式中:t为样品间地下水运移的时间差,即地下水年龄,a;N0、N t为样品的氚浓度,T U;u为地下水实际运动速度,m P d;L为样品之间的距离,m;v为地下水渗透速度,m P d;N为含水介质的给水度;Q为地下水补给量,m3P d;A为地下水过水面积,m2。
根据上述公式,可以计算地下水的年龄和地下水实际运动速度。本文以河水的氚浓度作为N0,浅层和深层地下水的氚浓度作为N t,求取地下水与地表水之间的相对年龄,计算结果如表4所示:
表4地下水与地表水的相对年龄
及实际流速计算
样品氚含量P TU地下水年龄P a地下水实际流速P(m#d-1)青深1(浅层)114291690100185
青深1(深层)113310100645河水715--
采用/活塞流模型0方法计算地下水渗透速度时,地下水以垂直向下渗透为主。利用公式(3)计算得到地下水的实际速度(如表4所示),其中给水度取n=012,是综合前人资料与研究区岩性所得。
取地下水实际流速的平均值计算地下水的渗流速度,得v=813@10-4m P d。/活塞流模型0假设地下水作垂直向下的运动,因此水力坡度取I=1,渗透系数K=v P I,则K=v,即含水层渗透系数K为813@10-4m P d。根据此结果可以推测F3断层带整体透水性弱,不利于河水体的下渗。
从水化学和同位素分析中可以得到,不仅河水与地下水的水力联系较弱,而且不同含水层之间地下水的水力联系也较差,因此河水和浅层地下水对隧道的影响较小,不会发生溃入式补给。
通过分析还可以得到断层的涌水条件。在F3断层带内的隧道,其涌水来源主要为大气降水、河水和地下水,其中地下水以构造裂隙水为主,储量较小,因此隧道涌水主要来源于河水的入渗;隧道通过近地表的基岩裂隙带和构造角砾岩带与河水联通,因此隧道的涌水通道为基岩裂隙和构造裂隙。综上所述可知隧道涌水方式主要为渗透式。
4涌水量预测及方法分析
主要选取降雨入渗法、解析法和氚同位素计算方法进行涌水量预测,并对此三种方法进行分析,得出较适合火成岩地区的涌水量预测方法。
411降雨入渗法
降雨入渗法为根据铁路水文地质勘察规程推荐使用的方法,根据隧道通过地段的年均降水量、集水面积并考虑地质和水文地质条件选取合适的降水入渗系数经验值,可宏观概略预测隧道正常涌水量。在火山岩山区,断层有其独立汇水区域,汇水区域可根据分水岭圈画出,在汇水区域内的水全部由大气降水提供而不会受到周围含水系统的影响。降雨入渗法提供的最大涌水量可以作为一个区域内水量的上限。此方法是隧道涌水量预测中比较经济实用的方法。公式如下:
Q=2174A W A(5)式中:Q为隧道通过含水体地段的正常涌水量, m3P d;2174为换算系数;A为降水入渗系数(较完整基岩的降水入渗系数A取0110);W为年降水量(取当地多年平均降雨量1540m m);A为汇水面积(取1177km2)。
Q=2174@0110@1540@1177=
746187m3P d
单位宽度涌水量为(F3断层破碎带宽度B=76m): q=Q P B=746187P76=9183m3P(m#d)
412 解析法
根据隧道的具体情况,选用合适的模型估算开挖过程中可能遇到隧道涌水量,隧道与陡倾斜的含水层或富水断裂带呈正交方向穿过,模型如图4、5
。
图4
隧道水平切面示意
图5 隧道横切面示意
其流进隧道的涌水量按下式计算:
Q =KB 2h 12l 1+h 22l 2
+P BK S
ln 4L P D cos P (l 1-l 2)
2L
(6)
式中:h 1、h 2为补给区、排泄区假想隔水层面(图5)以上潜水流的深度(h 1=510m,h 2=110m);l 1、l 2为隧道中心至补给区及排泄区的距离(l 1=786m,l 2=829m);K 为岩石渗透系数(K =2161@10-2
m P d);D
为隧道的宽度(m),双线1215m;B 为隧道穿过含水层的长度(76m);S 为水位下降值(328m);带入公式(6)可得断层带正常涌水量为:
Q =64213m 3
P d
单位宽度涌水量为:
q =Q P B =64213P 76=8145m 3
P (d #m)413 氚同位素法
根据地下水的渗透速度可以评价地下水的补给量,利用公式(4),隧道的过水面积按矩形考虑,F3断层的影响宽度为76m,延伸长度为2067m,由此可以得到过水面积A =2067@76=1157@105
m 2
。可得:
Q =v A =813@10-4
@1157@105=130131m 3
P d
单位宽度涌水量为:
q =Q P B =130131P 76=1171m 3
P (d #m)
针对三种涌水量预测方法进行简单分析。降雨入渗法以工作区区域内的降雨作为涌水的全部来源,符合火山岩地区断层蓄水构造的特点,使用简单,经济,但该方法适用于埋深较浅的隧道涌水量计算,且计算参数的选取受人为因素的影响较大,一般可用于求取一个区域内的最大涌水量;解析法主要是假定地下水的流动符合达西定律,通过建立与工作区的实际情况相对应的模型,从理论上可以获得较好的结果,但解析法主要适用于水文地质条件不
复杂,含水介质比较均质的研究区,这与研究区实际情况不符;氚同位素法分层计算河水与不同断层破碎带含水层中地下水之间的相对年龄,根据计算结果求取河水下渗的渗透速度,进一步求得隧道的涌水量,该方法建立在同位素分析的基础上,具有现实依据,且操作简单、方便,但此方法建立的模型在含水介质的描述方面与现实有差异,且在给水度的选取上受到人为因素的影响。
将三种方法预测的结果进行对比,降雨入渗法算得的结果最大,氚同位素法算得的结果最小,其中降雨入渗法与解析法的结果相近,与氚同位素法算得的结果相差很大。通过分析可知降雨入渗法适用于以大气降雨为主要补给源的浅埋隧道地区,而不
适合深埋地区。解析法与氚同位素法将地表到隧道顶面的岩体刻画为性质均一、具有相同渗透系数的含水介质,解析法所采用的渗透系数为含水层的渗透系数,没有考虑隔水层的影响。氚同位素法采用的渗透系数建立在地下水中氚同位素实测值的基础之上,且氚同位素法在秦岭特长隧道的涌水量预测中取得了很好的效果[3]
,因此在理论上较符合实际,但氚同位素法与解析法两者算得的结果相差较大,其结果仍需要进一步验证。
5 结论及建议
通过对青云山深埋火山岩隧道F3断层的地质条件、河水和地下水的水化学与同位素(87
Sr/86
Sr 、D 、
18
O 、T)的分析研究以及断层带隧道涌水量的对比,主要得出以下结论和建议:
1)F3断层带由于构造作用形成竖向蓄水构造,其主要导水通道为构造裂隙,因此可以判断断层带内隧道的涌水方式为渗透式;
2)F3断层处河水与地下水均来源于大气降水;
3)F3断层处的地下水与河水的水力联系弱,且地下水之间的水力联系也较差;
4)通过采用氚同位素进行分析,得出:河水与浅层地下水的年龄相差29169a,与深层地下水的年龄相差31a 。
5)采用降雨入渗法、解析法和氚同位素法进行涌水量计算,计算结果最大值为9183m 3
P (m #d),最
小涌水量为1171m 3
P (d #m)。通过分析,笔者认为虽然氚同位素法在理论上较符合实际,但其计算结果仍需进一步验证。
本文将环境同位素应用于深埋火山岩隧道的涌水分析及涌水量计算,对深埋火山岩隧道的研究进行了初步的探讨,建议尽可能多的开展火山岩地区隧道涌水量计算的研究,以获得最适合深埋火山岩隧道的涌水量预测方法。
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(上接第15页
)图10
堆填过程中淤泥层底面中点超孔隙水压力变化
图11 堆填完成后2000d 淤泥层底面中点
超孔隙水压力变化
4 结论
1)堆填过程中,土体中超孔隙水压力不断增大,堆填完成时达到最大值,三种堆填速率下超孔隙水压力最大值均为90kPa 左右;而在堆填过程中,第
二种堆填速率或第三种堆填速率进行堆填时,每两层土堆填的间歇期内,超孔隙水压力将有小幅度的
下降;堆填完成后2000d(约5148a)左右,超孔隙水压力基本消散完成。堆填完成后,堆填速率对超孔隙水压力消散的影响较小。
2)采用比奥固结理论进行计算时,土体超孔隙水压力消散过程中,存在曼德尔效应。随着土体的固结,潮汐环境对超孔隙水压力的消散影响将逐渐增大,并在固结基本完成时达到最大值。堆填完成
2000d(约5148a)后,在潮汐环境的影响下,桩周土体内超孔隙水压力将随着潮汐水位变化产生一定幅度的波动。
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岩溶地区隧道涌水量估算 岩溶区隧道的涌水预测是长期以来困扰生产实践的难题，其原因主要有：岩溶地下水赋存极不均一，很难确定隧道内确切的涌水部位及水量大小；勘察精度不够，无动态观测资料及试验资料较少，不能正确描述地质条件及水动力场特征；难以确定合理的计算方法和各类参数。 本次隧道涌水预测是根据隧址区岩溶发育特征、地下岩溶管道系统的分布、地下水补径排特点及各含水岩组富水性等特征，通过采用地下径流模数法和大气降水入渗法、结合地区经验，估算隧道涌水量。 标签：隧道涌水测量 1概况 隧道长2000m左右、最大埋深近200m。中山、溶蚀峰丛洼地地貌区，亚热带湿润季风气候，隧址区内无水库、堰塘。可溶性碳酸盐岩分布广泛，地表溶沟、溶槽、石牙、溶孔、溶穴、溶管、峰丛、洼地、溶丘及溶蚀沟谷等发育，地下岩溶形态则有落水洞、地下河、溶洞等。突水、突泥对隧道工程建设影响甚大。 隧址区位于向斜东翼，向斜轴近乎南北向，两翼岩层倾角约40°左右，近乎对称。轴部地层为三叠系巴东组及白垩系组成，白垩系不整合覆盖于巴东组之上。隧址区内无断裂。区内裂隙发育，一般为张性裂隙，张开宽1～35cm不等，面裂隙率在1.5～3条/m2之间；裂隙发育走向在N45°～65°W、N50°～60°E、N75°～80°E。 2水文地质条件 2.1隧址区岩溶发育规律 溶沟、溶槽、石牙、溶孔、溶穴、溶管在地表随处可见，落水洞口多呈圆形或椭圆形，直径在1～5m之间，普遍发育深度5～15m，少数深不见底，底部多充填黏土夹碎石，以缝状为主，竖井状较少。漏斗多见于斜坡地带或洼地周边缓坡地带，受地形影响多呈斜歪状和碟状，主要受层面、地形和裂隙控制发育而成，深度多为1～3m。隧址区岩溶发育具有以下规律和特征：①岩溶发育的呈层性，岩溶的发育与地壳的上升、停顿和岩溶水的变迁密切相关，故不同岩溶期发育着不同的岩溶形态，从而形成了区域上岩溶发育的呈层性特点；②岩溶发育深度与侵蚀基准面的一致性，河流和泉是调查区当地侵蚀基准面，各水平岩溶出口标高基本与最低侵蚀基准面一致；③岩溶发育方向具有与岩层走向一致性的特点，区内岩层走向N4°～9°W，倾向西，主要发育一组东西走向裂隙，地表落水洞多呈串珠状沿岩层走向分布，区内最大溶槽走向南北。因此，区内岩溶总体具顺岩层走向发育特征；④与地下水运动条件关系密切，区内含水地层与相对隔水层组成了区内四个相对独立的含水单元，这些隔水层顶底板附近，地下水活动相对强烈，
集水面积 集水面积是指流域分水线所包围的面积。集水面积大都先从地形图上定出分水线用求积仪或其它方法量算求得，计算单位为平方公里。如长江集水面积180万 分水线图 平方公里，黄河集水面积约75万平方公里。 地面分水线 地下分水线
计算：复核: 引文一： 4.3隧道涌水量预测 隧道区以根据地质调查结果分析，目前隧道涌水量暂按降水入渗法和地下径流模数法进行预测计算。等深孔水文地质试验参数出来后再按地下水动力法核算。 (1)大气降水入渗法 采用公式：Q=2.74 a W A(m'/d) 采用公式：Q=2.74 a W A(m3/d) a:降水入渗系数。全隧道地表为可溶岩，裂隙发育、岩溶化程度高。DK63+165至DK64+600段洞身大部处于石英砂页岩、炭质页岩夹煤系下，考虑到断层构造影响严 重，降水入渗系数a取值0.25 ；DK64+600至DK67+651隧道处岩溶强烈发育的可溶岩中，降水入渗系数a取值0.5。W:年平均降水量，本测区取1448mm
A:集水面积。 DK63+165 ?DK64+600 段：计算集水面积2.79km2; DK64+600?DK67+651 段；计算集水面积7.32 km2; 涌水量分别计算如下： Q=2.74 汉0.25江1448^.79 =2767(m'/d)?2800 (m3/d) Q=2.74 0.5 1448 7.32 =14521(m'/d)?14500 (m3/d) 两项合计Q 平常=2800+14500=17300(m7d) 考虑到岩溶区有暗河发育并构造发育，影响入渗系数的因素可能要大，DK64+600?DK67+651段雨季涌水量期倍增系数按3考虑，DK63+165?DK64+600段按系数2 考虑； 隧道雨季涌水量Q洪=2800X2+14500X3 =5600+4350009100 (m3/d) ( 2)地下径流模数法 Q=86.4X M X A M—地下径流模数(m/d ? Km) A—为隧道通过含水体的地下集水面积( Km2) 测区集水面积A=10.11 (Knn)(大致估算)，地下水径流模数M枯=10.3( 升/秒?平方公里)(依据都匀幅《区域水文地质普查报告》)则: Q 枯= M 枯X A =86.4 X10.3X 10.11 =9000 ( m3/d ) 考虑到岩溶区有暗河发育并构造发育，其雨季涌水量期倍增系数按 3 考虑 隧道雨季涌水量Q洪=9000X3 3 =27000( m3/d)
为宁杭客运专线宜长段线位稳定提供了重要依据。通过本次工作也认识到:在采空区线位方案评价工作中,必须充分收集既有资料,多方走访调查,同时辅以必要的勘探工作,以查清采空区范围及影响边界,为安全、经济的线路方案做出可靠的分析评价。 参 考 文 献 [1] TB10027 2001 铁路工程不良地质勘察规程[S] [2] 铁道部工务局.铁路公务技术手册(路基篇)[M ].北京:中国铁道 出版社,1993 [3] 铁道第四勘察设计院.宁杭铁路采空区勘察报告[R ].武汉:铁道 第四勘察设计院,2007 收稿日期:2007-08-07 第一作者简介:郭玉法(1963 ),男,2003年毕业于河海大学水文水资源工程专业,工程师。 岩溶隧道涌水量的预测方法研究 郭玉法 鲍庆煜 (江苏省水文水资源勘测局南京分局,江苏南京 210008) Research on Forecasti ngM et hods for Gus hi ng W ater Vol u m e in Karst Tunnels Guo Yu fa Bao Q i n gyu 摘 要 系统分析了隧道涌水量预测的方法,并用数值模拟方法进行了某隧道涌水的预测研究,认为数值模拟方法是进行隧道涌水量预测的有效方法。 关键词 岩溶 隧道 涌水量 预测 数值模拟 铁路、公路隧道工程中经常发生较大规模的涌水现象,给隧道施工带来了严重的影响,甚至会造成很大的经济损失和人员伤亡。在岩溶地区,隧道涌水现象更为常见,对其进行预测与控制研究显得尤为重要。 根据对铁路、公路隧道涌水情况的初步统计,预测涌水量和实际涌水量相差小于20%的仅占15%,误差在20%~80%之间的占60%;误差超过80%的达25%以上,部分隧道的预测误差竟达到数十倍。如襄渝线大巴山隧道预计涌水量为4 14 104 m 3 /d ,施工时最大涌水为20 55 104 m 3 /d ;川黔线娄山关隧道预计涌水量为 6 0 104m 3/d ,施工时最大涌水量为19 20 104m 3 /d ;贵昆线岩脚寨隧道预计涌水量为0 66 104 m 3 /d ,施工时最大涌水量为10 08 104 m 3 /d [1] 。 造成上述结果的原因很多,归纳起来不外乎以下两方面:一是水文地质条件未调查清楚;二是用以预测隧道涌水量的数学模型不正确。前者是基础,若重要的水文地质条件未调查清楚,预测可能要犯大错误。但是,对于条件已经基本查清楚了的拟建隧道区,如果计算模型选得不正确,其预测效果同样也不好。无论预测结果偏小还是偏大,都将给工程的可行性论证、设 计及施工带来巨大损失。这在以往有不少教训:如果预测量偏大,可能使得已设计的既经济又方便的线路改道,或者使得设计防水系统更加复杂化,不仅会浪费大量的人力、物力及财力,而且浪费宝贵的建设时间;另一方面,如果预测量偏小,则可能使得工程在施工过程中发生灾难,甚至使得已建成隧道不能投入使用。因此,隧道涌水预测研究任重道远。 本文对现有的预测方法进行了综合评述,并采用数值模拟方法进行了某岩溶隧道工程涌水量预测的实例研究。 1 各类预测方法的综合评述 目前,隧道涌水量的预测方法主要有:水均衡法、解析法(地下水动力学法)、经验公式法、水文地质比拟法、降水入渗法、地下径流模数法、数值分析法以及非线性理论方法等。 1 1 水均衡法 水均衡法是应用水均衡原理预测隧道涌水量的一种方法。它通过研究某一时期(均衡期)均衡区地下水收支项目之间的关系,建立地下水均衡方程,从而计算隧道涌水量。其最基本的形式为 V 补-V 排= V 储73 岩溶隧道涌水量的预测方法研究:郭玉法 鲍庆煜
二、涌水量的预测 拟采用大气降水渗入量法对隧道进行涌水量计算 1．大气降水渗入法（DK291+028-DK292+150段） Q = 2.74*α*W*A Q—采用大气降水渗入法计算的隧道涌水量（m3/d） α—入渗系数 W—年降雨量（mm） A—集水面积（km2） 参数的选用： α—入渗系数选用0.16； W—隧址多年平均降雨量为508.7m,最大年降雨量为1496.88mm(月平均最大降雨量×12)。 A—集水面积：根据1：10000地形平面图，含水岩组分布面积圈定为0.33km2 最大涌水量为： Q= 2.74*α*W*A = 2.74*0.16*1496.88*0.33= 216.56（m3/d），平均每延米每天涌水量为：0.19(m3/m.d)。 正常涌水量为： Q= 2.74*α*W*A= 2.74*0.16*508.7*0.33=73.59（m3/d），平均每延米每天涌水量为：0.07(m3/m.d)。 2. 大气降水渗入法（DK292+150-DK293+440段） Q = 2.74*α*W*A Q—采用大气降水渗入法计算的隧道涌水量（m3/d） α—入渗系数 W—年降雨量（mm） A—集水面积（km2） 参数的选用：
α—入渗系数选用0.18； W—隧址多年平均降雨量为508.7m,最大年降雨量为1496.88mm(月平均最大降雨量×12)。 A—集水面积：根据1：10000地形平面图，含水岩组分布面积圈定为0.79km2 最大涌水量为： Q= 2.74*α*W*A = 2.74*0.18*1496.88*0.79= 583.23（m3/d），平均每延米每天涌水量为：0.45(m3/m.d)。 正常涌水量为： Q= 2.74*α*W*A = 2.74*0.18*508.7*0.79= 198.2（m3/d），平均每延米每天涌水量为：0.15(m3/m.d)。 3.大气降水渗入法（DK293+440- DK293+870段） Q = 2.74*α*W*A Q—采用大气降水渗入法计算的隧道涌水量（m3/d） α—入渗系数 W—年降雨量（mm） A—集水面积（km2） 参数的选用： α—入渗系数选用0.12； W—隧址多年平均降雨量为508.7mm,最大年降雨量为1496.88mm(月平均最大降雨量×12)。 A—集水面积：根据1：10000地形平面图，含水岩组分布面积圈定为0.25km2 最大涌水量为： Q= 2.74*α*W*A = 2.74*0.12*1496.88*0.25 = 123.04（m3/d），平均每延米每天涌水量为：0.29(m3/m.d)。 正常涌水量为： Q= 2.74*α*W*A = 2.74*0.12*508.7*0.25= 41.82（m3/d），平均每延米每天涌水量为： 0.1 (m3/m.d)。
第三节、隧道洞室涌水量预测 一、水文地质参数计算 为取得计算洞室涌水量的水文地质参数，进行钻孔提（抽）水试验，利用提水试验和抽水试验结果，采用地下水动力学方法及相关计算公式，大部分按潜水非完整井计算出提水的渗透系数K 抽水，另外根据提水后的恢复水位与时间的关系，即s~t 关系计算出恢复的渗透系数K 恢复 ，并参照当地岩性的渗透系数K ， 将该三种方法求得的渗透系数K 值并结合钻探过程中冲洗液的消耗量，岩体的破碎性、岩性的矿物组成及充填胶结情况，给定一个建议的渗透系数K 值。求得水文地质参数， 其提水时K 值计算公式如下： K= 2 2) lg (lg 733.0h H r R Q --ω 其中：K ——渗透系数（m/d ）。 Q ——出水量（m 3/d ）。 R ——影响半径（此值根据《工程地质手册》第二版表9-3-12查得） r ω——钻孔半径（m ）。 H ——自然情况下潜水含水层的厚度（m ）。 h ——抽水稳定时含水层的厚度（m ）。 恢复水位计算渗透系数K 值公式如下： ()2 12 ln 25.3S S t r H r K ωω+= （完整井） 其中：K ——渗透系数（m/d ）。 r ω——钻孔半径（m ）。 H ——自然情况下潜水含水层的厚度（m ）。 S 1——抽水稳定时的水位降深（m ）。 S 2——地下水恢复时间t 后水位距离静止水位的深度（m ）。 t ——水位从S 1恢复到S 2的时间（d ）。 具体计算过程及计算结果见附表5：钻孔提（抽）水试验渗透系数（恢复水位）计算成果表。 二、洞室涌水量的估算方法 （一）、洞室涌水量的补给来源 为了更准确预测隧道洞室涌水量，通过野外水文地质调绘，并分析洞室地下水的补给来源，含水岩性的空间分布、富水性，结合钻孔对地下深处地质情况的揭露，参考物探测井成果，我们认为隧道洞室涌水量的补给来源由以下几部分组成： a ．洞室影响范围内汇集的大气降水渗漏补给量； b ．洞室附近地下水的补给量（包含隧道上行线、下行线间含水层的静储量及洞室两侧地下水的侧向补给量）； c ．地表水流过洞室上方时的渗入补给量； d ．地表水通过节理裂隙、断层破碎带给洞室的侧向补给量； e ．断层破碎带导入洞室的地下水量。 （二）、洞室涌水量的估算方法 根据以上对洞室涌水量补给来源的分析，结合隧址区工程地质、水文地质条件及隧址区气候、大气降雨等特征，本次计算我们按隧道开挖正常涌水量及特大暴雨、地表水沿断层或溶洞导入洞室等极端特殊情况下极端涌水量两种情况考虑。 1、正常涌水量 正常涌水量的计算我们选择以下的计算方法： （1）大气降水入渗法：
隧道涌水量预测 准确预测隧道涌水量一直是国内外隧道建设的难点，目前尚无成熟的方法。为了使我们的预测尽可能接近实际，进行了大量的水文地质调查与测试，采集了较丰富的数据，拟采用多种方法进行预测。考虑各段含水带渗透系数的差异，采取分段预测隧道涌水量。并根据水文地质条件选用三种不同方法（公式）分别计算，以便比较。 8.2.1 竖井比拟法 裂隙网络具分段独立性，含水体上、下部均有隔水边界。设单个竖井居各段裂隙发育系统之中，完全可以达到疏干目的。又因在不同地段内均有代表性抽水试验孔，按钻孔涌水量曲线方程推求各段隧道底板的涌水量，然后比拟成竖井涌水量，将会较为接近实际。 本次根据ZK28-3、ZK29-1、CZK53-1、CZK53-2抽水试验Q～S曲线曲线方程下推预测涌水量如下表8.2.1： 隧道涌水量预测（一）表8.2.1
8.2.2 地下水动力学法 考虑隧道在长期排水的情况下，位于无限厚的潜水含水带中，按有限含水厚度计算涌水量。采用潜水非完整式水平巷道公式： Q ＝] ) (2)(4cos )(4ln[kS )(22121212 2 212 1R R R R лb R R лb R H R H kb +-++ + 式中：H 1=H 2 R 1=R 2 Q —预测涌水量（m 3/d ）； H —由隧道路肩起算的含水层厚度（m ）； R —隧道排水影响宽度（m ）； b —隧道宽度（m ）； S —降深（m ）； k —隧道围岩渗透系数（m/d ）。 隧道涌水量预测（二） 表8.2.2
8.2.3 降水入渗系数法 采用的计算公式为： Q＝2.74×α×ω×A 其中：Q—计算涌水量（m3/d）； α—入渗系数； ω—年降水量（mm）； A—隧道集水面积（k㎡）。 中条山大部分基岩裸露，地表裂隙发育，有利于大气降水入渗。但地形陡峭，大气降水易排走不易补给地下水，冲沟地段地势低平有利地下水入渗，根据有关经验数据，中条山混合花岗片麻岩和片岩地区的综合入渗系数取0.20。 Q＝2.74×0.20×600×3.08＝1013（m3/d）
隧道洞室涌水量预测：采用大气降水入渗估算法、达西定律计算法、水平廊道集水计算法三种方法计算。 ⑴、大气降水入渗法： Q=α?F?P /365 式中：α－大气降水入渗系数（取10%）； F－隧道影响带汇水面积（按隧道两侧各400m计）； P－大气降水量（当地年平均降水量上限，查阅资料，计p=610mm）。⑵、达西定律计算法： Q=K?I?L?B 式中：K－渗透系数； I —水力坡降（根据经验，取I=1）； B－计算断面宽度，取洞底以上部分渗水段周长（单洞三车道，计B=35m）。 L－计算断面长度。 ⑶、水平廊道集水半经验公式，计算断面如图。 式中：Q－隧道稳定涌水量（m3/d）； L－隧道含水段长度（m）； H－洞底以上含水层厚度（m），取厚度不同段平均值； h0－洞内排水沟设计水深（m），取0.5m； R－影响半径，取200m计； r为隧道宽度的一半（m）
地下水迳流模数法 Qs=M?A M=Q＇/F 式中：Qs——隧道通过含水体地段的正常涌水量（m3/d）； M——地下迳流模数［m3/（d?km2）］； A——隧道通过含水体地段的集水面积。 Q＇——地下水补给的河流的流量或下降泉流量（m3/d），采用枯水期流量计算； F——与Q＇的地表水或下降泉流量相当的地表流域面积（km2）。 水平巷道地下水动力学法 公式 式中：Q——隧道涌水量，m3/d ； B——隧道含水体长度； K——含水体渗透系数； H（S）——水柱高度（水位降低）； R——隧道含水体降水影响半径（m），勘察区内地下水不具承压性按公式R=2S 进行计算； 6、地下水疏干静水量 古德曼经验式 式中：Q0——隧道通过含水体地段的最大涌水量（m3/d）； K——含水体渗透系数； H——静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离（m）； d——洞身横断面等价圆直径（m）； L——隧道通过含水体的长度（m）。 佐藤邦明非稳定流式 式中：Q0——隧道通过含水体地段的单位长度最大涌水量［m3/（s?m）］； m——换算系数，一般取0.86； K——含水体渗透系数， h2——静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离（m）； r0——洞身横断面等价圆直径（m）； hc——含水体厚度（m）。 裘布依理论式 式中：Q0——隧道正常涌水量（m3/d）； K——含水体渗透系数，H——洞底以上潜水含水体厚度（m）； h——洞内排水沟假设水深（一般考虑水跃值）（m）； Ry——隧道涌水地段的引用补给半径（m）； L——隧道通过含水体的长度（m）。
洞室最大可能涌水量预测 隧道地处中低山区，含水层主要以基岩风化裂隙为主，呈网状—似层状。主要接受大气降水补给，以垂直蒸发和地下迳流方式排泄。含水层厚度不均匀，水位变化较大，季节性较强，不具备相对稳定的补给和隔水边界。本次洞室内最大涌水量估算采用地下水迳流模数法和水平廊道法计算。 1、地下水迳流模数法 FM Q 1536.3= ∑+=0A B B L F j j i )(0h H W K L i i -= 30 7max ?= aX W c c F Q M = Q －基岩裂隙水天然补给量（m 3/d ） F －计算面积（km 2） M －地下水迳流模数（m 3/d ·km 2） )(i L L －隧道段（或分段）疏干影响宽度（m ） )(j B B －隧道段（或分段）长度（m ） 0A －双洞隧道（或分段）中心间距（m ） K －岩体渗透系数（m/d ） max X －多年平均最大降雨量（m/a 换算成m/d ） a －降水入渗系数 i H －计算隧道段轴线至底板的平均水位值（m ） 0h －计算隧道段轴线至底板的平均疏干水位值（m ） c Q －实测沟谷枯水期迳流量（m/d ）
c F －迳流补给面积（km 2） 具体参数选用及计算结果见下表 参数选用及计算成果一览表 注：渗透系数利用压水试验计算取值 2、水平廊道法 j w Q Q Q +=总 总Q －隧道洞体总的涌水量（ｍ3/d ） w Q －地下水达到新平衡后排除大气降水的稳定流量（ｍ3/d ） j Q －洞室疏干量（ｍ3/d ） ①地下水达到新平衡后排除大气降水的稳定流量 ⅡⅠW Q Q Q += 10212L h H BK Q Ⅰ-= 2 2 22L h H BK Q Ⅱ -= )(0h H W K L i i -= 30 7max ?= aX W ⅠQ 、ⅡQ －隧道半侧稳定涌水量（ｍ3/d ） )(j B B －隧道段（或分段）长度（m ） K －岩体渗透系数（m/d ） max X －多年平均最大降雨量（m/a 换算成m/d ，依据1/50万区域水文地质资料）
涌水量计算
第三节、隧道洞室涌水量预测 一、水文地质参数计算 为取得计算洞室涌水量的水文地质参数，进行钻孔提（抽）水试验，利 用提水试验和抽水试验结果，采用地下水动力学方法及相关计算公式，大部 分按潜水非完整井计算出提水的渗透系数K抽水，另外根据提水后的恢复水位与时间的关系，即s~t关系计算出恢复的渗透系数K恢复，并参照当地岩性的渗透系数K，将该三种方法求得的渗透系数K值并结合钻探过程中冲洗液的消耗量，岩体的破碎性、岩性的矿物组成及充填胶结情况，给定一个建议的渗透系数 K 值。求得水文地质参数， 其提水时K值计算公式如下： H2- h2 其中：K ------- 渗透系数（m/d） Q ----- 出水量（m3/d） R ――影响半径（此值根据《工程地质手册》第二版表9-3-12查 得） r w ---- 钻孔半径（m ）。 H――自然情况下潜水含水层的厚度（m）h――抽水稳定时含水层的厚度（m）。 恢复水位计算渗透系数K值公式如下: r w----- 钻孔半径（m）。 H――自然情况下潜水含水层的厚度（m） 51——抽水稳定时的水位降深（m）。 52——地下水恢复时间t后水位距离静止水位的深度（m）。t――水 位从Si恢复到S2的时间（d）。 具体计算过程及计算结果见附表5:钻孔提（抽）水试验渗透系数（恢 复水位）计算成果表。 二、洞室涌水量的估算方法 （一）、洞室涌水量的补给来源 为了更准确预测隧道洞室涌水量，通过野外水文地质调绘，并分析洞室地下水的补给来源，含水岩性的空间分布、富水性，结合钻孔对地下深处地质情况的揭露，参考物探测井成果，我们认为隧道洞室涌水量的补给来源由以下几部分组成： a.洞室影响范围内汇集的大气降水渗漏补给量； b洞室附近地下水的补给量（包含隧道上行线、下行线间含水层的静储量及洞室两侧地下水的侧向补给量）； c. 地表水流过洞室上方时的渗入补给量； d. 地表水通过节理裂隙、断层破碎带给洞室的侧向补给量； e. 断层破碎带导入洞室的地下水量。 （二）、洞室涌水量的估算方法 根据以上对洞室涌水量补给来源的分析，结合隧址区工程地质、水文地质条件及隧址区气候、大气降雨等特征，本次计算我们按隧道开挖正常涌水量及特大暴雨、地表水沿断层或溶洞导入洞室等极端特殊情况下极端涌水量两种情况考虑。 1、正常涌水量 正常涌水量的计算我们选择以下的计算方法： （1）大气降水入渗法： K = 0.733Q(lg R-lgr.) 其中：K _3.5r _ i n S1 H 2r t S2 渗透系数（m/d） （完整井）
西南地区岩溶隧道涌水量统计分析计算随着我国铁路公路交通系统建设规模的不断扩大,使得许多需穿越岩溶区域的地下工程在施工、设计以及运营时遭受岩溶的侵扰越来越严重,西南地区岩溶隧道涌突水灾害尤其突出。不少专家在关于隧道涌突水灾害的预测方面进行了大量研究,并获取了一定的成就。现阶段水均衡原理以及地下水动力学等理论计算方法已广泛应用于工程方面。 但是许多情况下,由于隧道涉及的地质结构太过复杂,其中以西南地区最为突出,导致大部分理论计算方法都是以地下水均衡原理或者达西定律为基础,通过公式的建立来求解的,而求解的过程中由于边界与参数具有不确定性,经常会要求人为地简化或者删减一些实际的地质条件,但有时因为认识不足,会导致部分重要因素被遗漏,严重影响到了这些算法的预测效果,预测涌水量与实际涌水量相差很大,往往无法满足实际工作的要求。随着西南地区建成隧道和在建隧道越来越多,通过收集的西南岩溶隧道实际涌突水样本数量,从影响隧道涌突水的多种因素出发,以数理统计的方法,建立涌突水数学计算模型,为传统的涌突水量预测方法作为补充。通过研究生期间参与的项目回访资料与文献资料收集,从数理统计的角度,基于西南地区岩溶隧道工程涌突水灾害这一实例展开了探讨,从收集的数据本身出发,寻求数据之间的内在联系,借助多种数学方法,比如多元回归分析法,针对岩溶涌突水灾害形成的主要因素与基本地质条件这一研究对象,进行了对应的数学计算模型的构建。 研究的主要成果如下:(1)在对西南地区30条建成的岩溶隧道已发的128段涌突水灾害资料收集的基础上,以西南地区岩溶隧道已发涌突水灾害的形成条件进行分析,重点查明了影响隧道岩溶涌突水的主要致灾因素和影响因素。结合前
岩溶地区隧道涌水量的预测方法 【摘要】文章从分析岩溶地区隧道工程实施涌水量预测的必要性入手，分析几种行之有效的涌水量预测办法。 【关键词】岩溶区；隧道涌水量；勐乃河龙头水库 引言 当前，研究者们展开对隧道涌水量预测办法的研究，如今已有半个多世纪之久了，并取得了一定的成效，提出了相应的理论计算办法与经验计算公式，然而，不同的计算方法与公式间却存在着较大的差别，即使是最优预测结果，也可能同实际情况有着一定的出路，为此，关于隧道涌水量的预测技术还有待进一步提高[1]。而至今隧道涌水量预测仍然是水文地质学科中重点关注的一个问题，并仍未形成统一的预测办法与计算公式。为此，对于隧道涌水量的预测还有待进一步研究与验证，进而在结合实际工程建设情况的基础上，构建与之相适应的数学模型。 1 开展岩溶地区隧道涌水量预测的必要性分析 众所周知，在众多隧道建设工程施工过程中，涌水灾害是其中一个被高度关注的问题，不仅直接影响到工程的有序进展，而且还可能造成隧道建成投入使用的安全隐患。为此，如何更为准确地预测出隧道涌水量，从而根据结果制定出相应的防排水措施，是当前众多岩土工程学者们重点关注的一个课题。对于隧道用户随量的有效预测，最先是由定性分析开始的，即通过勘察隧道周边含水围岩中的地下水分布情况及其规律，并对隧道开挖地段的工程地质与水文地质条件进行分析，进应用物探、钻探与水文测定等各种手段，以明确该工程区域地下水法富集区与断裂构造带等可能富含地下水的用水通道，进而采用均衡法估算出该隧道的涌水量[2]。伴随施工技术水平与要求的不断提高，隧道涌水量预测在定性分析研究基础上，逐渐发展成为定量评价与计算，即对隧道涌水具体位置和涌水量实施有效预测。 同时，对于岩溶地区的隧道涌水量预测研究，关键就在于对工程区水文地质条件的研究，因为不论何种预测方法、预测公式的提出，均是建立在分析工程地质条件基础之上的。然而，岩溶地区的地质条件，多半比较复杂，且从那些隧道施工期间发生的较严重涌水事件来看，该区域易出现涌水地质条件主要有以下四种：一，由向斜盆地形构成的储水构造；二，断层破坏带、侵入岩接触面与不整合面；三，岩溶的管道与地下河区域；四，其它富含地下水的含水体与构造。而上述仅仅是从宏观上列举了几种可能出现较严重涌水问题的地质条件，具体的隧道涌水条件还需结合具体隧道工程进行分析，而这也正是隧道涌水研究的前提所在，必须给予其高度重视。 2 岩溶地区隧道涌水量预测的原则与方法分析