大理岩溶地区某引水隧洞涌突水预测研究

汪亚莉，许 模，韩晓磊，宋海波，朱海明

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都610059)

隧道涌突水是常见的隧道地质灾害，具有发生几率高的特征，且在发生大规模涌突水后，不仅对人员安全及施工进度产生影响，同时会引起一系列的环境效应，因此预测涌突水灾害预测，是能有效在涌突水发生前做好防御措施，在发生后做好危机处理的。涌突水在断层破裂带、岩溶发育的地区和其他含水储水构造中极易发生，特别是在岩溶发育的地区，目前对于岩溶地区隧道涌突水的研究逐渐增多。一般而言，在岩溶地区岩溶地区水文系统极其容易遭受到人类活动的影响，目前对于裸露型岩溶地区隧道涌突水灾害的研究甚多，包括涌突水的机理研究和预测方法的适用性研究;而裸露－埋藏型岩溶区对其结构研究更多，而对于隧道工程的应用则未能进行深入探究。

本文在已有对预测用途水量各方法的适用条件和局限性研究的基础上，通过分析常用预测涌突水量的计算方法，得到适用于裸露－埋藏型岩溶区预测涌突水量的常用计算方法，并以大理萂村某隧道为例，进行涌突水量的预测计算。

1 裸露-埋藏型岩溶

裸露－埋藏型岩溶是当埋藏型岩溶是裸露型岩溶的延伸时构成的一种地质构造。埋藏型岩溶由于上覆岩层的阻隔，无法接受直接接受降雨补给等直接补给，而是跟裸露岩溶区产生水力联系或者是从其他含水层越流补给，埋藏型岩溶含水层组具有良好的储水空间，其储水空间是以发育较均匀的网状岩溶裂隙为主，富水性及透水性较裸露型岩溶更为均匀，一般都赋存承压水，动态稳定。

裸露－埋藏型岩溶形成的地下水系统称之为裸露－埋藏型岩溶水系统，这类水系统是以地下水循环特征为前提，对浅循环岩溶水系统，根据基本特征和水文地质条件的差异，对岩溶水系统进行分类时提出的。

云南裸露－埋藏型岩溶水系统的含水层组成大多是上覆为玄武岩下伏为灰岩(见图1)。当隧洞施工开挖时遇到此类岩溶水系统时，隧洞首先需进行详细的地质调查和分析，再提出方案对灰岩含水层进行及时疏排，当灰岩地层中地下水位降低到一定程度时，上覆玄武岩地层中的裂隙水发生一定程度的补给下伏灰岩含水层。因此，隧洞涌水量主要来自岩溶水和少部分玄武岩裂隙水。此外，由于岩溶含水层的水位略高于隧洞，且玄武岩裂隙水垂向补给有限，故施工开挖对渗流场影响范围也不会太大。

图1 裸露－埋藏型岩溶剖面示意图

2 岩溶涌突水量预测

隧道涌突水预测已有约半个世纪的研究历史，隧道涌突水量的预测是为了对涌突水预测这种具有不确定性和普遍性的地质灾害进行一个半定量或定量的评定。随着隧道技术难度的增加，隧道涌突水量的预测研究的深度和广度得到了很大程度的拓展。

隧道涌水的预测方法常用有简易水均衡法、地下水动力学法、比拟法、数值模拟法、非线性理论法等，近年来结合随机数学理论而发展的随机数学方法也应用其中。其中应用最广泛的为简易水均衡法中的大气降雨法和地下水动力学法。

表1 常用隧道用途水量计算方法统计

考虑到隧洞大部分从地下水位以下通过，裸露－埋藏型岩溶埋藏型部分不能直接接受大气降雨的补给，地下水补给来源主要为侧向补给和来自裸露部分的补给，当隧道穿越上覆岩层时，大气降雨法和地下水动力学法均适用，但当隧道穿越下伏岩溶岩层时，大气降雨法显然不适用，同时由于裸露－埋藏型岩溶的地质条件和水文地质条件复杂，比拟法和数值模拟法皆不适用。综合考虑裸露－埋藏型岩溶的特殊性，地下水动力学法更加适用。

3 实例分析

3.1 研究区概况

大理某引水隧洞全长23 974 m，和村段为引水隧洞穿越的裸露－埋藏型岩溶区，处在洱海－宾川断裂构造带内，长度为2 450 m，最大埋深为336 m，最小埋深为101 m，该段东侧即为萂村盆地。该段隧洞进口高程为1 974.36 m，出口高程为1 973.65 m，工程地质条件复杂，引水隧道埋深低于埋藏型岩溶含水层的水位，上覆非可溶岩厚度为13～192 m(见图2)。

隧址区为低纬度高原季风气候，在区域分水岭的作用下，地下水从西向东补给萂村，地表水系属金沙江水系，由南向北流，经萂村，于达苴河汇入金沙江。该隧道的施工安全直接关系到萂村的安危，因此需高度重视该段引水隧洞的施工。

图2 大理某引水隧洞裸露－埋藏型岩溶区剖面示意图

3.2 地质构造

引水隧洞的设计线路与萂村盆地近乎平行，由北西向向南东向从萂头箐穿越埋藏型岩溶区可溶岩地层，该地区的整体地质构造为北西－南东向，该处为向斜，核部为P1灰岩。Pβ1为喷发岩，是形成晚于P1，经后期剥蚀和风化作用，现仅覆盖于P1之上，这种构造利于下伏P1储水，P1岩溶发育程度极强。

3.3 水文地质条件

裸露－埋藏型岩溶区上覆地层为二迭系Pβ1玄武岩，其主要岩性为玄武岩夹石灰岩，其富水性受地貌和风化程度的控制，含浅层风化裂隙水，深部起隔水作用，富水性强，主要受大气降雨补给。下伏岩溶地层为二迭系P1灰岩，为厚层块状纯灰岩，厚度为514 m，属于水量丰富的覆盖型碳酸盐岩组，该覆盖型岩溶为裸露型岩溶的延伸，在二迭系Pβ1玄武岩覆盖区地表少量出露P1灰岩。在地表分水岭的作用下，下伏岩溶地下水补给来源，主要以断裂带为介质使得岩溶水系统有效的接受其他含水层的补给。

3.4 隧址区涌突水预测

涌水量预测的关键在于参数的选取，参数必须依据地形地貌、地层岩性、地质构造等条件来进行取值，而在裸露－覆盖型岩溶的区域参数的选择具有很多不确定性。

地下水动力学法中主要的参数为岩体的渗透系数和隧道水位降升，隧道洞身的渗透系数取值为0.3，H取平均值为64 m，隧道水位降升由于在此我们采用极值，即如若发生涌突水该区域地下水全部疏干S为57 m，影响半径采取的公式(6)的适用条件为计算松散含水层井群或基坑矿山巷道抽水初期的R值，计算结果为539.55 m。

通过选取合适的参数进行涌水量的预测计算，计算结果见表2。

表2 隧道涌突水量预测结果

3.5 结果分析

由结果可知，地下水动力学法中在计算正常涌水量时科斯佳科夫公式和铁路经验法的计算结果接近，而在计算最大涌水量时，铁路经验法较大。该区域裸露－埋藏型岩溶根据工程地质勘查钻孔结果可知，两套地层均存在稳定的地下水位—上覆玄武岩水位和下伏灰岩水位，隧道在穿越下伏灰岩时，如若发生隧道涌突水灾害，涌突水的来源存在两种可能:(1)全部来自灰岩中的承压水;(2)除了灰岩中的承压水，玄武岩中地下水也受涌突水灾害的影响发生越流。在计算的过程中，无法准确判断会发生哪种情形，往往计算过程中在选取降升这个参数时，我们是以疏干全部含水层的地下水为极限，这样计算出来的结果显然会偏大，提高了隧道设计和施工的难度。

4 结语

(1)隧道涌突水量预测计算是隧道水文地质调查的一个重要的工作，计算涌突水量方法种类较多，对常用方法原理和适用性进行了对比分析，但由于裸露－埋藏型岩溶本身地质条件复杂，水动力学法较其他方法而言更加适用。

(2)实例中，采用了常用的地下水动力学法对大理某引水隧洞进行了预测。正常涌水量预测采用科斯加科夫和铁路经验法，结果分别为36 807 m3/d、35 946 m3/d，大岛洋志和铁路经验法，结果分别为79 121 m3/d、105 564 m3/d。预测结果表明，正确判定涌水的来源，是提高预测结果准确性的前提;

(3)为了能更好的预测裸露－埋藏型岩溶区域的隧道涌突水量，需要通过更多的地质调查去查明地下水的来源，使得涌水量的预测能够更加准确。

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