山西省中部引黄工程隧洞下穿北川河段大口井降水方案可行性分析

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原030024）

1 工程概况

山西中部引黄工程总干3#隧洞穿北川河段位于吕梁市方山县大武乡保安村至雅安村北川河两岸。该段隧洞洞径8 m，隧洞底高程约964.3 m，埋深约30 m，属浅埋隧洞，地下水水位位于洞顶以上。3#隧洞开挖分两台阶施工，临时支护方案为管棚法超前支护，钢拱架设置双层，开挖过程中，由于地下水影响，隧洞内多次发生突泥、涌水等不良地质情况，并伴随发生两次高速公路路面塌陷。随后隧洞停止开挖，并设置挡墙进行封堵。

针对隧洞内突泥、涌水等情况，布置了单孔、多孔、群孔抽水试验，以了解地表水井降水方案的可行性。

2 地层岩性

3#隧洞穿北川河段沿线涉及的地层岩性为第四系全新统洪冲积松散堆积物，土层具二元结构。由上而下依次为：

1）低液限黏土：浅黄色，塑性低-中等，韧性低，稍湿，多具中等压缩性，含植物根系及小砾石，土质不均。厚2～4 m。

2）上层含泥卵石混合土：灰色，含漂石，湿-饱和，稍密，级配不良。巨粒主要成分为辉绿岩、灰岩、砂岩，磨圆度较好，呈次圆状-次棱角状，最大粒径25 cm。细粒物主要为淡黄色低液限粉（黏）土及少量级配不良砂，肉眼观察低液限粉（黏）土含量约5%～10%。厚17～21 m。

3）下层含泥卵石混合土层或级配不良砾层：浅红-棕红色，饱和，稍密，级配不良。卵砾石主要成分为强风化或全风化砂岩，强度低，手掰可断或搓揉即碎，磨圆度较好，呈次圆状-次棱角状。细粒主要为浅红色低液限黏土，黏性较高，包裹紧密，肉眼观察低液限黏土含量约10%～20%。厚度大于30 m。

3 渗透系数及中心降深

抽水试验井点布置见图1。水井设计：井深50 m，井内径300 mm，外径400 mm，孔径620 mm；过滤器采用混凝土滤水管；滤料采用2～10 mm 的砾石。地下水主要赋存于含泥卵石混合土或级配不良砾石层中。试验区地下水位埋深3.59～4.4 m。

图1 抽水试验井点布置图

3.1 单孔抽水

根据3 个抽水孔与北川河之间的距离，分别采用《水利水电工程钻孔抽水试验规程》（SL320-2005）附录B 表B-1 中的公式，按照潜水非完整孔计算，即公式1（临河型）、公式2。影响半径计算选用公式3。参数取值及计算结果见表1。

式中:K——渗透系数，m/d；

Q——稳定流量，m3/d；

r——抽水井半径，m；

l——滤水管长度，m；

S——抽水井降深，m；

b——抽水孔与河之间的距离，m；

R——影响半径，m。

表1 单孔抽水试验参数取值及计算结果表

3.2 多孔抽水

多孔抽水试验共分三组进行：

1）以CS16-1 为抽水井，分别以CS16-2、CS16-3、CG16-1 为观测孔。

2）以CS16-2 为抽水井，分别以CS16-1、CS16-3、CG16-1 为观测孔。

3）以CS16-3 为抽水井，分别以CS16-1、CS16-2、CG16-1 为观测孔。

根据多孔稳定流抽水试验资料及《工程地质手册》（第四版），表9-3-4、9-3-7 中的公式，按照潜水非完整孔计算，即公式4、5，影响半径分别按公式3、5 计算。参数取值及计算结果见表2。

式中：l′=l0-0.5（s+s1）

K——渗透系数，m/d；

Q——稳定流量，m3/d；

rw——抽水井半径，m；

r1——抽水井与观测井之间的距离，m；

l0——滤水管长度，m；

s——抽水井降深，m；

s1——观测孔降深，m；

H——含水层厚度，m。

表2 多孔抽水试验参数取值及计算结果表

3.3 中心降深

群孔抽水试验主要是为观测隧洞中心降深。三个主抽水井的中心位置基本与观测孔重合，且处于隧洞中心线，本次计算采用模拟基坑降水方法，计算基坑中心降深。

以CS16-1、CS16-2、CS16-3 为抽水井，以CG16-1为观测孔的群孔抽水试验，抽水试验共进行了73 h。试验时保持抽水井动水位稳定，观测CG16-1 观测孔的水位变化情况。

根据群孔非稳定流抽水试验资料，及《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）中92 页，公式7.3.5，即公式6。参数取值及计算结果见表3。

式中：si——基坑内任意一点的降深，m；

H——潜水含水层厚度，m；

qj——第j 口降水井的单井流量，m3/d；

kj——第j 口井含水层的渗透系数，m/d；

Rj——第j 口井的影响半径，m；

rij——第j 口井中心至地下水位降深计算点的距离，m；

n—降水井数量。

表3 中心降深计算结果表

据表3可知，隧洞中心顶部地层地下水位降深计算值为3.24 m，而抽水试验实测观测孔的最大降深为0.56 m，计算值与实际观测值差距较大，隧洞中心顶部地层的地下水位降深可能达不到计算值。

4 降水方案可行性分析

4.1 群孔试验成果分析

观测孔水位降深较小（0.56 m），分析认为地下水位附近含泥卵石混合土中粉黏粒含量相对较低，水位降深主要在含水层粉黏粒含量相对较低的部分（含泥卵石混合土的表层），而下部的含泥卵石混合土或级配不良砾中由于黏粒含量较高（约5%～20%），观测孔水位降至含泥卵石混合土粉黏粒含量较高的地层附近，下部含泥卵石混合土或级配不良砾渗透性差且排水周期长，试验期内排水不明显。由于粉黏粒含量存在着各向异性和不均匀性，影响了含泥卵石混合土的渗透特性，尤其是试验区内的CS16-2 抽水井，出水量明显多于其余两个抽水井，如隧洞穿过洞段粉黏粒含量较低时，隧洞涌水量可能突然增大，更容易产生突泥突水及塌方现象。

4.2 提高降水效果的措施分析

4.2.1 提高单井涌水量及增加水位降深

本次抽水试验采用20 m3/h 的潜水电泵，但单井稳定涌水量最大仅11.2 m3/h，一般小于5 m3/h，且抽水井水位均能降至水泵进水口附近，说明提高单井涌水量的潜力不大。

增加井深及水位降深虽可扩大地下水降落漏斗范围，但因含水层透水性弱且单井涌水量增加不明显，分析洞顶处增加的地下水位降幅也很有限。

4.2.2 增加降水井数量

1）降水井加密布置

本次群孔抽水试验井孔间距为18～23 m，存在增加降水井数量、减少降水井间距的条件。

在垂直洞轴线方向上，本次试验井孔距离隧洞开挖边线约4 m，已十分靠近隧洞开挖边线，距离隧洞开挖边线太近，会增加隧洞开挖的安全风险。隧洞开挖直径约8 m，若以洞轴线两侧各一排主降水井设计，建议两排降水井的间距在18 m 以上。因此，分析认为在垂直洞轴线方向，两排主降水井缩短排距的余地不大。

群孔抽水时的总涌水量与单孔抽水时各孔的涌水量之和相比，比值约0.85，井间干扰系数约15%左右。井群布置合理平均井间干扰系数宜为25%～30%，故在平行洞轴线方向上主降水井间距缩减的余地也有限。且不宜过小，间距越小，井间干扰就越大。

2）增加降水井数量后效果分析

增加降水井数量会使总排水量增大，但是由于含水层渗透系数小、单井涌水量小及井间干扰现象，在来水补给有限的情况下，总排水量不会无限制增大。

增加降水井数量会使隧洞中心地下水位进一步下降。据粗略估算，按两排平行降水井对称布置，排距18 m，单井深50 m。考虑到井间干扰损失，根据《建筑基坑支护技术规程》有关公式计算，当井间距为10 m时，单井涌水量为2.8 m3/h，隧洞轴线中心降深约6.6 m；当井间距为5 m 时，单井涌水量为1.8 m3/h，隧洞轴线中心降深约8.4 m。通过计算说明，减小井距、增加降水井数量，隧洞中心降深也达不到洞底以下，且即使达到计算出的降深也是一个很缓慢的过程。

4.2.3 增加排水周期后效果分析

群孔抽水持续73 h，中心水头下降0.56 m，因此，分析主要原因是，由于上、下游及底部地下水的补给，最终中心水位会是一个稳定水位，不会持续下降。

地表降水方案的主要目的是降低隧洞段水头及渗透压力，减少隧洞突泥突水的风险，增加施工安全性，其次是减少隧洞排水量。从以上分析看，该方案虽能部分降低掌子面及洞顶地层的水头及渗透压力，能够减少部分隧洞内渗流量，但对于减少突泥突水效果较为有限，不会很明显。

综上所述，增加井孔抽水整体可行性较差，不一定满足隧洞施工要求。

5 结语

本文通过单孔、多孔、群孔抽水试验，计算得出地层渗透系数，估算出隧洞中心降深。分析通过提高降水井单井涌水量、增加水位降深、增加降水井数量、增加排水周期等方法总体效果有限，虽然在个别方面有一定效果，但整体可行性较差，对减少隧洞施工中突泥突水及塌方情况效果有限，不能满足施工要求。