白头山承压水形成机制研究

唐波 张莉萍 邱德俊 孟颂颂

白头山隧洞工程位于南京市江宁区。隧洞为南京市备用水源工程输水通道，设计采用洞径为4 m的曲墙拱形断面有压隧洞，洞顶高程约27.00 m（1985国家高程系统），出水口顶高程约25.70 m，长2.64 km。隧洞拟采用钻爆法施工。

隧洞位于火成岩地区，受地形、风化裂隙、构造裂隙发育所影响，地下水位变化较大。SJ9钻孔钻至14 m时，有地下水自孔口溢出，表明该深度处有承压含水层，为了查明承压水地质特征，将套管下至14.2 m后进行抽水试验，抽水后水位降到13.5 m时稳定流量达44 L/min，进一步钻探发现承压水富集于埋深14～20 m位置的裂隙密集带，现场长期水位监测结果发现承压水位高出地面0.85 m以上，降雨后水位上升，表明该承压含水层与降雨入渗有关。经水位恢复速度计算渗透系数为0.025 cm/s，为强透水性。如图1所示。

图1 场地地形图

1 地质条件[1-2]

隧洞位于宁芜凹陷盆地中部，宁芜向斜SE翼，隧洞轴线距离向斜核部约6 km，穿越地层主要为白头山组（K1b）中、上段：岩性为紫灰色安山质凝灰岩、灰绿色辉石、角闪石安山岩、粗安岩、粗面岩等，其中粗安岩在隧洞段分布最广。岩体中有岩脉侵入，侵入岩主要为二长斑岩。覆盖层以粉质黏土为主。研究区分布地层包括：

（1）粉质黏土：隧洞出口附近普遍分布，灰褐色-灰黄色，可塑为主，局部软塑、硬塑。厚0.5～3.0 m。

（2）强风化安山岩（K1b3）：隧洞出口附近揭露。灰色、块状，粗面斑状安山岩，成分与粗安岩一致，斑晶较大，最大粒径可达5 mm左右，斑晶为辉石、角闪石、基质为辉石、玻璃质等，少量长石、石英。围岩以Ⅳ类为主。

（3）弱风化安山岩（K1b3）：根据岩质类型、岩体完整程度、结构类型初判：围岩以Ⅲ类为主。

（4）石英二长斑岩（ηOπ53-2）：根据1∶5万区域地质资料，其分布范围大致位于隧洞中段，向北到小双虎水库附近，大多呈脉状侵入在安山岩中，矿物成分与二长岩大致相当，石英含量较二长岩多（一般小于20%）。在白头山南侧南山湖附近地表有大面积出露，长石易风化成高岭石，岩性软弱，遇水易崩解，受力后极易破碎，该岩层风化后透水性差，在与围岩接触带上易形成隔水层。

许多学者专门针对火成岩做过大量研究工作，Richard等[4-6]认为，火成岩中由于各项异性和差异风化等导致地层岩性的复杂程度远远大于沉积岩和变质岩，火成岩中有大量的活动性强和不稳定的矿物成分，结构复杂，受埋深、温度、成岩作用、构造活动和水岩反应等影响，其工程性质有很大的不确定性[3-6]。针对火成岩上述特性，该输水工程现场采用高密度电阻率层析成像法对SJ9钻孔附近地质结构进行勘察，典型剖面对应的电阻率反演结果如图2所示。近地表电阻率变化大，零星散布着小块高阻区，结合钻孔取芯分析，认为地表杂填土以及含碎石粉质黏土中含水率变化较大所致。西侧接近双虎水库处为低阻区（小于100Ω·m），受侵入岩体影响，在中下部存在一块较厚的低阻区。东侧向山体（安山岩组成）高阻区与低阻区接触面逐渐抬升，地表安山岩体内裂隙发育，该区域向山顶延伸，在山体上部出露，为雨水快速入渗移运以及承压含水层的形成提供了良好的通道。

图2 高密度电法测试结果

2 承压水形成机制

根据上述试验结果可知，白头山下部安山岩和侵入岩透水性差，山体上部破碎裸露的基岩为降雨的入渗通道，近地表粉质黏土形成相对隔水层，东侧山体接受降雨入渗后在粉质黏土层下部裂隙发育的岩体内形成承压含水层。采用Slidev6.0软件对降雨入渗地下水渗流场和承压水形成机制进行分析。计算模型如图3所示，计算时首先根据实测地下水位对地下水渗流场进行模拟，假设两侧为常水头边界（水头高度根据双虎水库水位确定），对降雨入渗导致的瞬态流场进行模拟，模拟时设地表为降雨入渗边界，即（安山岩山体）处变化水头边界。

图3 地质模型

2.1 计算模型

在饱和-非饱和渗流分析中，确定岩体初始孔隙水压力的分布是进行降雨入渗瞬态模拟的前提，模拟所需岩土体参数见表1。在前期研究成果以及室内试验的基础上，结合西侧水库内实测水位（标高约40 m），模型两侧采用常水头为边界条件，以稳定流模拟钻孔内的实测水位。

表1 土体物理力学性质指标

2.2 瞬态模拟

在确定边坡初始地下水位的基础上，进行降雨入渗径流分析，坡面为降雨入渗边界。

南京市位于长江下游中部地区，地理坐标为北纬31°14′～32°37′、东经118°22′～119°14′。本区属亚热带湿润、半湿润季风气候区。多年平均气温15.40℃，最高气温43.00℃（1934年7月13日），最低气温-14.00℃（1955年1月6日）。全年日照时数为2 148.3 h，日照率49%。一年之中温差较大，四季分明，降水比较丰沛。流域多年平均降水量1 012 mm，自北向南递增，全年降水日数110～130 d，北部较南部约少15 d。降水量年内分配不均匀，年际变化大。最大年降水量2 086 mm，最小年降水量为448.0 mm。

2016年6—7月间南京出现了历史持续降雨，其降雨天数达最多15 d，为历史最长，日最大降雨量发生在2016年6月10日，日降雨量为245 mm。2016年7月7日，出现历史最大小时雨量，根据南京市气象局的统计，凌晨1时至4时，南京市雨花台梅山二中监测点测得3 h降雨量235.5 mm，平均每小时降雨量接近80 mm，单日平均降雨强度约10 mm/h。南京其他地区雨量分布不均，小时雨量20～70 mm，持续时间不等。

为了分析降雨对该处承压水的影响对不同降雨量入渗的渗流场按3种情况进行模拟：（1）基于2016年6月底到7月初连续15 d的实测降雨量；（2）年平均降雨量；（3）强降雨。

2.2.1 基于实测降雨量的模拟

2016年6月22日 至7月6日南京总降水量达到488.7 mm。单日实际降雨量如图4所示，计算时按15个阶段进行，计算得到不同降雨强度条件下的地下水流场。持续降雨后压力水头变化如图5所示。从图中可以看出，在连续降雨条件下，雨水主要通过山体上部裸露的强风化岩中的裂隙沿坡体渗流，强风化岩中水头迅速上升，而坡体中上部的粉质黏土及下部的弱风化安山岩透水性弱，属相对隔水层。另外，原本处于非饱和状态的裂隙发育的安山岩上部岩体由于降雨的进一步入渗形成了暂态饱和区域逐渐向下延伸，当湿润锋到达地下水位置并与含水层贯通后，引起地下水位上升。降雨10 d后，SJ9钻孔内14 m深度处压力水头即达到16 m以上，形成承压水，在裂隙岩体内压力水头随深度均匀变化，在粉质黏土层中压力水头等值线较密集，形成局部高水力梯度带。

图4 南京地区2016年6—7月降水量

图5 连续降雨条件下压力水头变化结果（单位：m）

2.2.2 平均降雨量情况

结合气象资料，以2016年为例，该年总降雨量约为2 086 mm时，平均日降雨量为5.72 mm/d，将其作为地表入渗边界条件，计算时分12个月模拟，结果如图6所示。该工况下，降雨总量大而降雨强度小，虽然持续时间长，但地下水的排泄作用大大减慢了地下水位的上升速度，裂隙岩层中的承压水头上升速度慢，饱和区范围小。

图6 平均降雨量条件下压力水头变化（单位：m）

2.2.3 强降雨情况

2017年6月10日南京发生了的日降雨量达245 mm的强降雨，降雨连续3 h，平均降雨量80 mm/h，降雨入渗的模拟结果如图7所示。虽然降雨强度大，但仅仅在山体上部岩体中形成局部区域的水位变化，在地表以下深度一定范围形成局部饱和区域，未造成地下水水位上升或上升很微弱，表明短时强降雨对该处地下水的影响较小。强降雨条件下，降雨量超过了地表岩（土）体的入渗能力，只能让少量地表水入渗，其余的则形成地表径流，排泄到地表低凹沟谷水库、池塘内形成地表水，导致降雨入渗率较低。而降雨强度较低时，降雨量小于或略大于地表入渗能力，降雨入渗率高，在降雨时间较长时能够较好的补给地下水，形成承压水。

图7 强降雨条件下压力水头变化（单位：m）

3 结 语

针对白头山西侧地层中承压水形成机制的分析，在考虑降雨入渗时采用的是历史降雨量，与勘察期间和后期长期观测期间的实际降雨数据不同，计算结果与实际情况必然有所出入，但这不影响对该处承压水形成机制的分析。

根据场地水文地质条件和地下水渗流模拟分析，针对该处承压水形成机制有如下结论：

（1）根据钻探、物探和现场观测结果，发现场地承压水的形成跟降雨入渗关系密切。

（2）根据地层分布和地层渗透性测试结果，认为，岩体中裂隙密集带为地表水和地下水之间的水力联系提供了良好的通道，上部粉质黏土和下部完整岩体由于渗透性弱形成相对隔水层，降雨入渗后在裂隙带内形成承压水。

（3）模拟计算发现，长期的降雨条件下地表水入渗量较大，易造成地下水位上升，而短期强降雨对地下水位影响较小。