引绰济辽工程某施工支洞涌水量预测方法探讨

高 博，程宪龙，朱婷佳，康家亮

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021；2.中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，吉林长春130021）

隧洞涌水问题是隧洞施工中常见的地质灾害，往往给地下工程带来严重影响，大量的涌水会造成隧洞失稳、人员伤亡、地面沉降及环境恶化等系列恶劣后果。我国水利水电工程隧洞，特别是长输水隧洞，大部分遇到了不同程度的隧洞涌（突）水问题。据统计，隧洞涌水问题多发生在浅埋或者埋深较浅的穿越河谷或山谷等地表为负地形隧洞段。最近几十年，随着工程项目开展和对实际涌水量的统计，各种隧洞涌水量预测方法所计算的结果也不断地得到验证，不同预测方法之间也得到了相互的比较，常用的计算隧洞涌水量方法在工程的应用，不仅指导了实际工程进展，也会对隧洞涌水量的预测研究做出贡献。数值计算法主要包括有限单元法、有限差分法、离散单元法、边界元法和有限体积法等，这类方法适用于复杂水文地质条件下隧洞涌水量问题的计算；物理模拟法主要包括水电模拟、室内物理模型实验和现场示踪试验等，这类方法可以直观显现出隧洞涌水过程。

当隧洞穿越潜水含水层，一般根据水利工程手册和水利行业规范，采用地下水动力学法对隧洞可能最大涌水量及稳定涌水量进行计算。其中计算隧洞最大涌水量的方法包括古德曼经验式、佐藤邦明非稳定流式、大岛洋志法；计算隧洞稳定涌水量的方法包括落合敏郎法、裘布衣理论式、柯斯嘉科夫法、佐藤邦明经验式等。

1 隧洞涌水量预测方法

鉴于隧洞涌水问题的重要性，国内外学者研究提出大量的涌水量计算方法，目前，国内外广泛应用的涌水量预测计算方法分为4类：经验公式法、解析公式法、数值计算法和物理模拟法。经验公式法包括大岛洋志公式、佐藤邦明公式与铁路勘测规范经验公式等，这类方法多来源于工程实践的总结，对于相似地质条件下涌水问题计算有着不错的预测精度；解析公式法分为镜像法、竖井法、保角变换法以及其他方法，这类方法具有严密的理论推导过程，计算过程简洁，便于工程应用；

2 涌水量计算

2.1 工程概况

“引绰济辽”跨流域调水工程项目位于内蒙古自治区东北部的兴安盟与通辽市境内。调水工程北起兴安盟扎赉特旗文得根水利枢纽工程，供水至西辽河流域通辽市的莫力庙水库，输水线路全长390.263km，设计最大年调水量为4.88×108m3。2-4施工支洞为输水工程2号隧洞的1条施工支洞，长度为1.260km，为城门洞型，宽约7m。

隧洞交叉段位于胡尔勒河支流河谷底部，埋深38～70m。覆盖层厚度一般为10～30m，基岩为燕山期花岗岩，灰白色，中粗粒花岗结构、块状构造，岩质较坚硬。全风化厚度为5～15m，强风化厚度一般大于5m，洞顶以上弱风化岩体厚20～30m。受构造影响，断层附近岩石存在差异风化，破碎带岩体多呈强风化状态。

该段出露2条断层，f10-3，N40°E/SE∠40°，宽20～40cm，主要由岩屑、断层泥组成；f10-4，N15°W/SW∠70°，宽5～20cm，主要由岩屑、断层泥、铁锈组成。

主要发育以下4组节理：①N30°E/SE∠20°，间距一般为0.2～0.8m，贯穿，节理面平直粗糙，微张，充填岩屑、泥，面锈蚀严重；②N10°E/NW∠85°，间距一般为0.4～1.0m，贯穿，节理面平直粗糙，微张，充填岩屑、泥，锈蚀严重；③N30°W/SW∠55°，间距一般为0.2～0.8m，延伸长度一般为0.5～1.5m，节理面平直粗糙，微张，充填岩屑、泥，锈蚀严重；④N65°E/NW∠65°，节理间距一般为0.2～0.8m，延伸长度一般为0.5～1.5m，节理面平直粗糙，微张，充填岩屑、泥，锈蚀严重。

地下水主要为第四系松散岩类孔隙潜水和基岩风化网状裂隙水。潜水主要赋存于河谷内级配不良砾中，埋深1～3m，均受大气降水补给，向河流排泄，隧洞一般位于地下水位以下约40m。

2.2 隧洞涌水量分析

隧洞涌水量的变化，在相当程度上取决于隧洞通过地区的地形地貌条件。如隧洞穿过盆地、宽谷等大面积汇水地形，一般会出现较大涌水。隧洞中涌（突）水、漏水、渗水等现象多发生在孔隙度大、裂隙率高的岩土体地段和岩溶化地带。可溶岩的岩溶化地带易发生涌水、突水，沉积岩区一般易发生承压水头的涌水和渗水，火成岩区一般为渗水，埋深较浅的易风化火成岩，易成为富水地层，有时候也会发生涌水。

隧洞遇水的几率按断层、向斜、背斜、单斜的顺序排列。断层破碎带及其影响范围的裂隙密集带、向斜构造的轴部与背斜构造的两翼是地下水的富集地带。临近深大断裂带和靠近构造运动活跃地区的隧洞，受构造影响的节理密集带或延伸长的大节理等，常常是地下水富集带或地下水运移通道，涌水、突水等现象比较严重。

2-4施工支洞穿越胡尔勒河支流河谷，河谷溪流常年流水，枯水期流量为0.5～2.0m3/s。虽然流量不大，但河谷覆盖层厚，储水量丰富，隧洞开挖至该段，发生涌水后补给源源不断，很难通过长期排水减少涌水量。岩性为花岗岩，全强风化厚度较大，节理较发育，受构造影响，节理延伸较长，涌水点主要为沿节理涌水。2次量测涌水量变化不大，判断该段涌水为受地表水补给，水量减小的可能性不大。

2.3 岩体渗透系数选取

岩体渗透系数一般是根据压水试验资料取得，取隧洞底板以上5段压水试验值。该段压水试验资料较少，陡倾角节理发育，试验取得岩体透水率偏小。但实际开挖时，洞内呈淋雨状，局部沿节理集中涌水，说明试验数据不具有代表性。

根据工程经验，并结合洞内实际情况，透水性应为中等透水偏大，涌水部位为强透水。此次将岩体各向异性的渗透系数进行平均化处理，渗透系数选取中等透水岩体的较大值，建议此段采取0.864～8.640m/d。

2.4 涌水量预测

2.4.1 最大涌水量预测

1）古德曼法

据SL629-2014《引调水线路工程地质勘察规范》附录E：

式中：Q——洞身通过长度为L的含水体地段的最大涌水量，m3/d；L——通过含水体的隧洞长度，m；K——含水体的渗透系数，m/d；H——静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离，m；d——洞身横断面的等效圆直径，m。

适用条件：隧洞通过潜水含水体时的最大涌水量预测。

2）大岛洋志法

据《水利发电工程地质手册》：

式中：q——洞身通过含水体单位长度最大涌水量，m3/（d·m）；r0——洞身横断面的等效圆半径，m；m——转化系数，一般取0.86。

适用条件：潜水、第四系松散层孔隙潜水、基岩裂隙水的初期最大涌水量预测。

3）中国经验法

据TB10049-2004《铁路工程水文地质勘察规程》条文说明：

适用条件：预测隧洞最大涌水量。

以上3种预测方法计算结果见表1，H=40 m，d=7.6m，L=10m。

表1 隧洞最大涌水量预测计算成果表

通过按岩体平均渗透系数计算，古德曼法和中国经验法计算的涌水量值稍大，大岛洋志法较小。实际量测涌水量在3种预测方法计算范围之内，说明渗透系数的取值在合理区间。

2.4.2 正常涌水量

当隧洞通过潜水含水体时，可采用裘布依理论公式：

式中：Qs——洞身通过长度为L的含水体的正常涌水量m3/d；H′——洞底以上潜水含水体厚度，m；h——洞内排水沟假设水深，m；Ry——隧洞涌水地段的引用补给半径，m。

洞内排水沟假设水深取0.1m，Ry一般采用库金公式进行估算，规范规定，降深S≈H′-h。

项目为穿河谷段，隧洞位于基岩中，且地下水丰富，补给源为地表明流，很难有地下水位降深，隧洞涌水地段的Ry应该为较小的数值。假定水位降深1m，渗透系数采取0.864～8.640m/d，计算出正常涌水量预测值为1700～4000m3/（d·10m）。

2.4.3 涌水量实测值

2019年9月9日，2-4施工支洞桩号0+952～0+964段涌水量采用相对高程控制法进行了量测，根据结果计算该段涌水量为585.83L/（min·10m）；2019年10月8日，桩号0+963附近涌水量并未衰减，再次现场实测，该段涌水量为577.5L/（min·10m）；2019年11月7日，桩号1+017～1+042涌水量采用相对高程控制法进行了测量，实测结果为584.4L/（min·10m）。3次实测值的平均值为582.6L/（min·10m），折算为839m3/（d·10m）。

3 结论

1）虽然涌水量的计算只是经验公式，有时候存在较大偏差，但作为工程前期勘察，仍然需要进行预测。为施工安全防护，一般建议采用最大涌水量，而隧洞施工排水和环境保护处理水量，建议采用正常涌水量。

2）不同隧洞涌水量的预测方法有不同的适用条件，应用时，必须按水文地质条件选择合适的预测方法。建议采用不同的预测方法进行对比，分析不同预测方法计算结果的差别和原因，最终给出涌水量的建议值。

3）隧洞涌水量的预测，难点就是水文地质参数和计算边界条件的确定，应综合考虑勘察期工程地质条件和水文地质条件，以及该地区的多年平均降水量、降雨入渗情况等，选取相对合理的地质参数进行计算。

4）工程隧洞涌水量预测，在分析实际开挖揭露的工程地质和水文地质条件基础上，对围岩渗透系数进行均匀化处理，对比计算结果和实际涌水量，可以判断围岩的渗透系数的合理取值，为以后隧洞涌水量预测时，如何对岩体渗透系数进行取值提供借鉴。