谈隧道涌水量估算中降水入渗法的应用

王 亮

（江苏省水文地质海洋地质勘查院，江苏 淮安 223005）

0 引言

山区高速公路的建设往往需要穿越山体，因此隧道的设计是重中之重。在设计过程中，地质勘察工作是基础工作，包括水文地质、工程地质和环境地质的调查与评价等，这其中隧道涌水量的预测对隧道的设计及施工往往起到重要的作用［1］，本文将结合具体的工程项目，针对潜水含水体中浅埋型隧道的设计过程中隧道涌水量的预测作出评价，并给出设计和施工的经验。

1 工程概况

1.1 隧道设计概况

拟建勘察项目为位于山东省枣庄境内，为Ⅰ级高速公路，勘察线路区涉及隧道 4 座，最长的望海石隧道长度 2 145 mm，宽度 25.0 m，属于长隧道，左、右线隧道进口洞门型式均为端墙式，出口洞门型式均为削竹式，山顶最高高程约为 475 m，该隧道为分离式隧道，进口段和出口段均与桥梁相连，隧道进口位置与出口位置多分布乡间道路，交通较为方便。本文主要以该隧道为例，阐述隧道涌水量的常用计算方法，并与后期施工中遇到实际情况作对比，说明隧道涌水量估算的具体过程，以期为后期工作的总结和借鉴。

1.2 自然地理概况

隧址区处于中纬度暖温带半湿润大陆性季风气候区，年降雨量在 650～850 mm，多年平均降水量 810 mm，历史最大降雨量 1 324 mm，最小降雨量 486.9 mm，在地貌上属于低山丘陵地貌，局部地形起伏较大，高程在 220～475 m，在进出口处地形稍缓。隧址区未见明显新构造活动痕迹，且场地基岩多数直接出露，结合波速测试资料及相关规范规程，场地土为稳定岩石，建筑场地类别为Ⅰ0类。

1.3 工程地质概况

地层岩性主要为表层零星分布碎石土和少量粉质黏土（Q3dl+pl），为第四系上更新统洪坡积物，层厚较薄，零星分布，强度及稳定性极差，视电阻率为50～100 Ω·m。下伏基岩主要为寒武系上统张夏组强风化～微风化灰岩（ε3Z），局部夹泥质灰岩，隐晶质结构，中厚层状构造，节理裂隙发育，地层结构简单，裂隙较发育、岩体较完整、局部破碎，强度及稳定性一般，视电阻率为 100～4 300 Ω·m，岩溶裂隙发育区视电阻率为100～500 Ω·m。灰岩纵波速度值在 2 000～3 800 m/s。场地内工程地质层要素如表 1 所示。

表1 场地内工程地质要素

2 水文地质特征

隧道进出口处地势相对较高，勘察期间未见地表水。地下水主要为基岩裂隙水，含水量较小，接受大气降水的补给，水位埋藏度随季节变化和地势的高低变化而变化。根据勘察结果认为整个隧道一般情况下不会出现大规模的涌水或突水问题，但是由于隧道的开挖改变了天然地下水的径流及排泄等自然条件，隧道将会成为新的局部地下水的排泄基准，从而出现局部渗水和涌水现象，主要表现为雨季地表水沿局部宽大裂隙向隧道内汇集，形成短时涌水现象。同时应注意暴雨期间，由于山间积水排泄不及时对隧道建设的影响［2］。

3 隧道涌水量的估算

隧道涌水量的估算主要是依据规范［3］的结论和公式展开工作，在具体的项目中，依据工程地质层的特征获取必要的参数，例如降水入渗系数、年平均降雨量及集水面积的综合确定，得出涌水量的估算值，并结合不同的计算方法和施工过程中的实际的涌水情况，最终给出合理的涌水量值。

3.1 降水入渗法计算原理

当隧道通过潜水含水体且隧道埋深较浅时可考虑降水入渗法预测隧道的正常涌水量。在降雨的过程中，水量的散失包括蒸发、渗入及开采，拟建隧道区灰岩出露，且岩溶稍有发育，蒸发和开采在该区段非常微弱可以忽略不计，所以只需根据年均降雨量，集水面积并选取合适的降水入渗系数经验值，即可宏观、概括地预测隧道的正常涌水量［4］，见式（1）：

式中：QS为隧道通过含水体地段的正常涌水量，m3/d；α 为降水入渗系数；W 为多年平均降雨量，mm；A 为隧道通过含水体地段的集水面积，km2。

3.2 计算参数值的确定

3.2.1 降水入渗系数的确定

降水入渗系数通常可以在山区或山前地区布置一定数量的观测孔，同时观测降雨前后的地下水水位变化，用有限单元法或有限差分法近似计算降水入渗补给量进而求出降水入渗补给系数，但受施工条件的影响，亦可通过规范提出降水入渗系数的经验值，本次工程因受场地及施工的限制，采用经验值法，具体的取值如表 2 所示。

3.2.2 多年平均降雨量的确定

多年平均降雨量的确定主要是依据当地气象部门的长期监测资料，在勘察前期应当充分搜集隧道区域的气象及水文资料，其直接关系隧道涌水量的估算准确度，在获得最近 10～20 年的年降雨量数据后，即可求得年平均降雨量，亦可获得具体的年最大降雨量，季节最大降雨量等数据。

表2 降水入渗系数 α 的经验数据

3.2.3 集水面积的确定

汇水面积与地表的地形有关，在地形图上，将隧道涌水点以上，以涌水点向两侧等高线作垂线，逐段连接至两边的分水岭，这样就构成一个封闭的曲面，把这封闭的曲面的面积求算出来即为拟建隧道的地表集水面积。

经过以上条件的汇总，结合当地年平均降雨量为810 mm，入渗系数考虑到灰岩较为完整，且岩溶情况发育较弱，所以按范围值不利取值 0.15，集水面积按测绘图件在地形图上依据地形及分水岭测绘得封闭的集水面积为 2.28 km2，带入计算公式计算得望海石隧道的正常涌水量 QS为 758 m3/d。

3.3 地下水径流模数法对比

地下水径流模数法为动态变化的值，受季节性影响较大，仅作为岩溶区隧道涌水量的概略预测和降水入渗法的比对参照。依据地质调查资料和区域水文地质资料按枯水期地下水补给地表河流的流量和流域面积的比值及隧道区汇水面积综合确定。据现场地质调查资料，在枯水期地表河流多处于干涸状态，建议设计人员按降水入渗法确定隧道正常涌水量。

3.4 实际涌水量对比

根据隧道后期施工的实际情况，对正常涌水量进行对比，因为实际的隧道正常涌水量约为计算值的 2～3 倍，所以作为勘测设计人员在隧道涌水量计算过程中，从围岩入渗系数的选取到集水面积的确定，以及季节降雨的实际影响，都有一定的不确定和不准确因素。据统计在我国隧道涌水量的预测中可能最大涌水量，接近实际情况的只占 10 % 左右，预测的正常涌水量接近实际情况的只占 20 %～30 %，根据经验，隧道的最大涌水量为正常涌水量的 1.5 倍［5］，所以设计隧道涌水量的计算值时，应当在计算的基础上宜根据实际情况扩大 2～3 倍作为设计依据，对工程的设计来说较为合理。

4 结语

隧道涌水量的准确估算对后期的设计和施工具有一定的指导作用，直接影响施工的方案以及措施，为隧道施工的安全挖掘、设计经济合理的排水设施和衬砌型式、围岩注浆加固范围及强度，提供了必要的依据。

望海石隧道围岩较为完整，涌水量小，局部浅埋地段的沟谷及山谷地段可能出现较大涌水，其他区段出现涌水的可能性较小。隧道区段地形起伏较大，应尽量避免在雨季施工。隧道的施工会对原有的地下水循环系统产生一定的影响，所以施工时对渗水、漏水和涌水应以堵为主，并结合疏导引流。

本文对隧道涌水量的常用方法进行了粗略的举例说明，也与实际的施工情况进行了对比，提出了较为中肯的结论和建议，鉴于项目的特殊情况，若有不足之处，恳希得到指正。