浅析影响横穿向斜含水层隧道最大涌水量预测技术

王方立WANG Fang-li

（中交路桥华南工程有限公司，中山528430）

1 工程概况

花桥隧道为贵州省石阡至玉屏高速公路隧道之一。花桥隧道左洞长3780m，最大埋深约463m。

花桥隧道地处黔东北武陵山喀斯特高原，岩溶发育，岩溶地下水系统以及地下暗河十分复杂，线路走向与大尧寨向斜构造大致正交，隧道横穿向斜核部栖霞~茅口组碳酸盐岩岩溶含水层。右洞掌子YK21+125 面前方围岩位于断层带上，层与层之间的裂隙水丰富。

2 涌水情况

2018 年9 月19 日右洞掌子面YK21+125 在爆破施工后出现涌水，初测涌水量约320m3/h，水质浑浊，并有一定水压。涌水量随降雨显著变化，雨后流量陡增，水质变浑浊，雨后隧道涌水量衰减较快。

3 影响横穿向斜含水层隧道最大涌水量预测必要性

隧道右洞出现大量涌水后，针对花桥隧道做了专项水文、地质补充调查，确认了影响右洞涌水的降雨汇水面积区域、地下岩溶管道情况，在此基础上需要预测花桥隧道右洞最大涌水量，以进一步确认涌水处理方案和选择排水系统（隧道最大涌水量是隧道防排水设计的依据），确保隧道施工和运营节段结构安全。

4 影响横穿向斜含水层隧道最大涌水量预测技术

在确认影响横穿向斜含水层的花桥隧道涌水的岩溶水系统基础上分析可见本区岩溶地下水与大气降雨关系十分密切，隧道涌水量随降雨变化显著，为了准确预测隧道最大涌水量，本次研究在隧道区开展了高分辨率的降雨-地下水动态响应特征的长期监测工作。监测内容包括：降雨量、泉水流量及隧道涌水量。

4.1 隧道涌水与降雨关系统计

2018 年9 月~11 月期间隧道涌水量为180m3/h，涌水量随降雨显著变化，雨后流量陡增，水质变浑浊，雨后隧道涌水量衰减较快。期间2018 年9 月25~26 日花桥镇发生强降雨，降雨量50mm，9 月27 日21 时隧道涌水量增至1070m3/h，约为平时涌水量的6 倍，10 月1 日隧道涌水量回落至正常状态，洪峰持续时间约5 天。

4.2 花桥镇气候

石阡县花桥镇属亚热带季风湿润气候区，年平均气温13.4~17.3℃，并具有山地垂直气候特征，海拔每升高100m，气温约降低0.64℃。年平均降雨量1472mm，降雨主要集中在4~10 月，占全年降雨量的75~85%，期间多过程性强降雨，暴雨以5~8 月最为集中，其中6 月又为暴雨高峰月，百年一遇小时极端暴雨强度可达93mm。

4.3 降雨-水文监测部署

本次降雨-水文监测共部署监测点5 个，其中降雨量监测点1 个；流量监测点4 个，分别为：①隧道进口的涌水量监测点，监测隧道涌水量的变化过程；②梁家屯1#和2#泉水，监测其流量变化及隧道施工对泉水流量的影响；③山顶岩溶大洼地汇水，监测暴雨条件下大洼地集中灌入地下暗河的流量，确定地表产流系数。

4.4 隧道降雨-水文监测方法

花桥隧道区岩溶水系统的流量和水位随降雨变化非常剧烈，为了准确掌握其变化规律，本次监测全部采用高精度自动监测仪器进行，具体监测方法如下：

①降雨量监测采用自动雨量计直接采集降雨量数据，时间步长为10min，精度为0.1mm。

②隧道涌水量、泉水流量以及大洼地汇水的监测全部采用薄壁矩形堰流或涵管均匀流的方法进行。分别在隧道进口排水涵洞以及梁家屯1#、2#两个泉点附近修筑了薄壁矩形堰流，在堰内埋设水位探头监测堰口水位（时间步长为10min，精度为1mm），然后根据薄壁矩形堰流量公式计算得到每10min 一个流量值。

式中：Q：流量（l/s）；m：流量系数；b：堰宽（m）；h：堰口水层厚度（m）；g：重力加速度（m/s2）。

在山顶岩溶大洼地利用公路下方的圆形过水涵洞直接监测暴雨过程中涵管水深，利用圆形涵管均匀流计算公式计算得到每10min 一个流量值。

圆管流量计算公示：

式中：w：过水面积（m2）；V：过水断面平均流速（m/s）；θ：水面圆心角（弧度）；r：水力半径；i：圆管底坡坡度；n：圆管粗糙系数；R：圆管半径（m）；h：过水水层厚度（m）。

4.5 隧道降雨-水文响应特征

本研究自2019 年1 月监测站建立以来，通过开展隧道涌水量、主要泉水流量以及大洼地地表径流量的高分辨监测，已获得了5 个月的连续监测数据。根据隧道涌水流量、梁家屯1#、2#岩溶泉以及大洼地地表径流量~降雨动态曲线，通过研究分析已基本掌握花桥地区隧道涌水量及影响流域在枯水期、平水期及丰水期部分短时强降雨条件下的降雨-水文响应特征，其中计算得到的各场次典型降雨的水文特征参数。

4.5.1 梁家屯2#泉水动态特征

由监测曲线和分析可见花桥隧道突水后，梁家屯2#泉水流量显著减少，且基本稳定，流量基本稳定在3~4l/s。说明花桥隧道与梁家屯2#岩溶泉同属一个水力联系十分畅通的岩溶地下水系统，由于花桥隧道涌水点在梁家屯2#泉水的上游，已经基本截断了该泉水的补给来源。

4.5.2 梁家屯1#泉水动态特征

梁家屯1#泉水流量及变化比较正常，并随降雨变化比较敏感，另外根据该泉水监测资料，计算获得的降雨过程的地下水入渗系数分析该泉水应该与花桥隧道不在同一个岩溶地下水系统中，对隧道未来施工和运营影响较小。

4.5.3 花桥隧道涌水量动态特征

根据花桥隧道涌水量监测发现，目前在以超前探孔排水的情况下，其流量变化有以下几个特点：

①隧道涌水量与降雨量的变化十分显著，每次降雨后流量都有显著的增大，这说明花桥隧道所在的岩溶地下水系统的导水性能非常好，即岩溶和岩溶管道发育程度较高，管道十分畅通，尤其是在20mm 以上的降雨情况下，都会出现类似洪峰一样的瞬间流量剧增；

②隧道涌水量剧增但维持的时间并不长，往往几个小时流量就快速下降，这说明岩溶管道很畅通，同时也说明其补给区的范围不大、主要补给点离隧道比较近的特点；

③花桥隧道在强降雨条件下峰值流量非常大，在小时降雨强度25mm 的暴雨情况下，隧道峰值流量已经超过500l/s，最大达 789l/s；

④隧道峰值涌水量虽然较大，但总水量和平均流量并不大，原因是隧道峰值流量的持续时间较短，根据监测资料从洪峰持续时间一般在几十~一百小时，但是峰值（>500l/s）持续时间往往仅几个小时；

⑤在暴雨情况下，隧道涌水十分浑浊，说明掌子面前方岩溶溶腔内应该淤积有较多泥沙，未来掌子面打开时容易同时发生突水突泥，因此，建议首先在拱顶再多实施几个超长炮孔，利用超长炮孔尽可能将溶腔内的水先基本排到无压状态，然后再爆开章子面，让泥流出。应避免暴雨期高水压情况下实施掌子面爆破。

4.5.4 Ⅰ号岩溶大洼地地表径流特征

目前监测Ⅰ号岩溶大洼地在小于和中雨情况下不会产生地表径流，降雨除了包气带截流和蒸发外，全部通过碳酸盐岩中的裂隙和溶蚀裂隙面状就地下渗，补给下伏岩溶含水层中。当降雨强度达到25mm/h 时该洼地才会产生地表径流。2019 年5 月19 日降雨量86.2mm（最大降雨强度33.2mm/h）情况下监测到地表径流时间持续4 小时，最大流量1435l/s，监测到洼地地表径流与降雨量关系如图1、隧道涌水与降雨量关系如图2 及表1 所示。

表1 花桥隧道降雨量~流量响应特征

图1 Ⅰ号岩溶大洼地地表径流量-降雨量动态曲线

图2 花桥隧道涌水量~降雨量动态曲线

4.6 隧道最大涌水量预测

花桥隧道右洞自2019 年9 月隧道涌水以来，隧道掌子面超前探孔始终处在长期涌水状态，涌水量随降雨呈现陡涨陡落的特点，强降雨以后隧道涌水流量迅速增大至峰值然后快速下降，下降速度稍慢于上涨速度，反映该岩溶地下水系统具有一定的蓄水和调节能力。由隧道涌水量高分辨率监测情况可见，在中雨以下降雨条件下，隧道涌水量一般小于300l/s，小于隧道设计排水能力，但是极端强降雨条件下隧道最大涌水量是否会大于隧道极限排水能力，将是隧道未来施工和运营亟待回答的关键问题，故本研究将根据不同的方法针对隧道最大涌水量进行预测评价，为隧道设计和水害防治提供水文地质依据。

花桥隧道区属于黔东北暴雨集中区，历史最大日降雨量可达250mm，根据《贵州省暴雨参数SP=1%等值线图》，花桥隧道区百年一遇（Sp=1%）暴雨强度约为93mm/h，本次隧道最大涌水量预测以该百年一遇小时极端降雨强度为依据进行隧道最大涌水量的预测。

本次隧道最大涌水量预测将分别依据：施工实测资料、降雨入渗系数法和本次开展的隧道降雨~涌水量高分辨率监测统计方法来进行隧道最大涌水量的预测。

4.6.1 据施工涌水简易监测推算

根据花桥隧道施工单位开展的隧道涌水量简易监测资料，结合花桥雨量站的降雨量资料，2019 年9 月25 日~26 日花桥地区普降大雨，降雨量为50mm，此次降雨过程引起的隧道峰值涌水量为1070m3/h，洪峰持续时间为5天，据此按等降雨比例推算花桥地区特大暴雨（日降雨量250mm），花桥隧道极端强降雨的最大涌水量约5350m3/h。

4.6.2 降雨入渗系数法

根据宜万铁路岩溶隧道的研究，岩溶隧道最大涌水量的计算公式如下

式中：Q：隧道涌水量（m3/h）；a：降雨入渗系数；P：时段降雨量（mm/h）；A：汇水面积（km2）；T：洪峰持续时间（h）。

地下水示踪试验试验表明，花桥隧道突涌水主要来源于隧道上方Ⅰ号岩溶大洼地及南侧岩溶槽谷，监测期间（2019.1-2019.5）最大降雨量为86mm，Ⅰ号岩溶大洼地过水涵洞有地表水流过的迹象，说明梁家屯岩溶地下水系统在降雨强度小于25mm/h 的情况下大部分降雨依旧通过面上岩溶裂隙就地入渗为主，但是当降雨大于25mm/h 的情况下超出地下水入渗强度部分的降雨就会产生地面坡流，汇集于岩溶槽谷和洼地中，经洼地底部的落水洞直接灌入地下。根据花桥隧道区的水文地质条件，在强降雨条件下Ⅰ号岩溶大洼地汇水区降雨入渗系数取0.8，洪峰持续时间取10h，汇水面积为0.81km2；其它汇水区降雨入渗系数取0.5，汇水面积为4.085km2，洪峰持续时间取100h，极限流量按照花桥地区百年一遇（Sp=1%）的极端暴雨取93mm/h，计算得到隧道最大涌水量约为7965m3/h。

4.6.3 高分辨率降雨~隧道涌水量监测统计预测

根据开展的高分辨率降雨~隧道涌水量监测结果的分析，可以得到不同降雨强度条件下隧道涌水对降雨的响应特征。通过分析花桥隧道峰值涌水量与小时降雨量的关系得知隧道峰值涌水量与降雨量近似满足线性关系，即隧道峰值涌水量Qmax随降雨量的增大而线性增长，并近似满足下列关系式：Qmax=23.73·P-12.687

式中：Qmax：为花桥隧道进口段峰值涌水量（l/s）；P：为隧道区单次降雨量（mm）。

根据式可以预测得到花桥隧道未来在出现百年一遇（Sp=1%）极端强降雨（P=93mm/h）情况下，隧道峰值涌水量为 7944（m3/h）。

综合上述三种方法预测结果，本次研究推荐未来百年一遇极端强降雨（Sp=1%，P=93mm/h）条件下花桥隧道最大峰值流量为：8000（m3/h）。

5 结论

确认涌水隧道最大涌水量对涌水治理方案和防排水设计的选择起到至关重要的作用，我们通过统计分析隧道涌水及降雨量关系、布置降雨-水文监测点、建立薄壁矩形堰和圆形过水涵洞流量模型、贵州省暴雨数据查询、施工最大涌水量简易检测推算法、降雨入渗系数计算法、高分辨率降雨~隧道涌水量监测统计预测法，成功预测了横穿向斜含水层的花桥隧道右洞最大涌水量，为下一步涌水治理和防排水系统的选择打下了坚实的基础。