柿子园隧道在瞬时强降雨条件下的涌突水灾害分析

王子行，李 晓，郭宏洋

(成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059)

0 引言

位于绵阳市雎水镇的成兰铁路柿子园隧道段在2020年8月遭受瞬时强降雨后，发生了严重的涌突水事故，隧道内最大涌水量达到一百万方以上，直接威胁到隧道的整体安全。近年来，很多学者都对雎水地区的水文地质条件开展了研究。未征、范上海总结了柿子园地区断层褶皱分布及构造，陈英资(2014)对雎水地区的水文地质条件进行了总结分析。前人在研究隧道在暴雨条件下涌突水问题时，从多个角度对其涌突水原因进行阐释，其中包括地形地貌、地层岩性、突水成因和施工扰动等。华蓥山隧道是比较典型的在暴雨的激发下发生涌突水的案例。林云(2017)、贾疏源(1999)、段贵安(2001)、刘建国(2003)和陈绍林等(2002)分别从华蓥山隧道的水化学特征、涌水量变化、涌出物成分探讨了该隧道在瞬时强降雨条件下发生涌突水灾害的来源、过程和机制，并在最后提出了相关的整治措施。种世航(2017)、余洪璋(2019)采用物探遥感和数值模拟等方法对暴雨后发生涌突水的元宝山隧道的隐伏病害源进行了探查，分析发现大量紧靠隧道的溶洞和断层是主要原因，并对强降雨条件下的隧道衬砌进行了受力分析。Li等(2020)通过分析对比大坝隧道周边围岩内岩溶充填物在暴雨前后的变化，提出通过物探技术来监测强降雨条件下隧道潜在涌水点的方法。

目前学者们对隧道涌突水灾害进行了大量的研究，但多集中于隧道施工触发地下水径流通道从而发生涌突水的研究，由于瞬时强降雨条件下隧道涌突水问题表现得更为复杂，尤其体现在强降雨环境下隧道涌突水的诱发因素、灾变特点、演化过程以及流动特征都与正常条件下的隧道涌突水具有较大的差异。为此本文以遭受瞬时强降雨后的柿子园隧道涌突水来源及病害成因为研究分析对象，利用柿子园隧道涌突水，周边泉水沟水，雨水的水化学数据，分析隧道涌突水的补给来源和径流途径，结合实际的水文地质条件和涌突水监测数据确定涌突水灾害的成因机制，以期为柿子园隧道水害整治方案提供科学依据。

1 研究区概况

隧址区位于绵阳市以西约40 km的安州区境内，由雎水镇向北，沿甘河子、柿子园、甘沟村直延伸至高川乡。柿子园隧道是成兰线安县站至高川站区间的一条单洞双线(合修)隧道，全长14 069 m，具体位置见图1。

图1 交通位置图

隧址区在地质上位于龙门山前缘侵蚀溶蚀中山区，属于龙门山褶断印支构造层，东南为成都平原北部边缘，地层连续性较好，地层倾向南，碳酸盐岩与碎屑岩在平面上呈条带状分布。区内侵蚀堆积台地断续沿山前地带分布。在地层上，从泥盆系至三叠系地层均有出露。其中岩溶地貌主要发育在二叠系、三叠系地层的泥岩夹白云质灰岩和灰岩夹白云质灰岩中。隧址区域构造主要发育有彭县一灌县断层(F5-1)、映秀—北川断层(F5-2)、晓坝场断层(F5-3)等，总体走向为N35°～50°E，倾向NW，倾角为60°左右，隧道与活动断裂交叉部位最大错位量为810 mm，断层破碎带出露地表，分布于隧道左线D2K90+140 ～ D2K90+272，右线YD2K90+102 ～ YD2K90+234(见图2)。

地下水主要补给来源为大气降水，从分水岭处沿着山地、丘陵地区沟谷径流，最终以潜水的形式向隧址区高程最低的雎水河排泄。隧址区内地下水以潜水为主，地下水类型主要为孔隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩溶洞裂隙水，碎屑岩层间裂隙水主要赋存于三叠系上统须家河组的层间裂隙之中，部分钻孔能自流。碳酸盐岩裂隙岩溶水赋存于三叠系石灰岩、白云岩裂隙溶洞含水层中的高陡倾充填型岩溶裂隙蓄水构造中，在高水压的作用下容易形成致密的充填介质。柿子园隧道岩溶弱～中等发育，局部强烈发育(D2K83-D2K84)，施工时揭露多处充填型半充填型溶洞。

柿子园隧道曾于2013年发生过突水突泥灾害，工程单位施工至HD1K0 +233.8里程处时，发现掌子面右拱腰部位有水涌出，随后伴有泥石涌出，该次突水突泥是因为施工揭穿了围岩右侧垂直岩溶管道导致的，后通过注浆加固解决了突水突泥问题(樊成，2017)， 2020年8月16日开始，再次出现涌水险情，其间实时监测数据显示进口处最大涌水量到达1.88×106m3/d，在暴雨的影响下，隧道内部分段落衬砌出现了渗漏，拱腰拱顶有线状涌水(图3)。涌水严重的段落主要集中在D3K83+420附近，出水量于17号达到峰值97万 m3。

图2 水文地质图

图3 隧道内涌突水灾害

2 数据采集

本次研究在2020年9月对成兰铁路柿子园隧道隧址区开展了野外地质调查和现场采样工作。

为了准确识别涌突水的来源，采集涌水后隧址区不同位置的水化学样品和氢氧同位素样品。在2020年9月，采集到了隧址区周边共计30组水样，其中有23件水化学简分析样品和7件氢氧同位素样品。水样采用500 ml的无色聚乙烯瓶保存，采样前先使用待采水样润洗三遍，采样完成后即使盖紧瓶口，并进行编号。在简分析后将结果与收集的区域20万地下水化学资料相比无较大出入，符合预期。隧址区水化学简分析数据见表1。

同时收集隧址区涌水前后一周的气象水文要素和隧道不同横洞的涌水量，分析涌水量与降雨量的响应关系。降雨数据来自绵阳市安州区气象局提供，其中采用了雎水镇、天池乡、河清乡、高川甘沟、高川乡、白水湖六个地点从2020年8月15日到8月24日的大气降雨数据，单位为mm/d。隧道物探数据来自施工单位提供。涌水数据来自人工检测，包含隧道进口、一号横洞、二号横洞、三号横洞从8月9日到8月18日的涌水量并对隧道受损情况进行整理，共计有39处渗漏水点。

表1 隧址区地下水水化学简分析表

图4 研究区Piper三线图

3 结果与分析

3.1 涌突水来源识别

3.1.1 水化学类型特征

对水样进行Piper三线图分析，结果表明隧址区内地下水主要阳离子为Ca2+、Mg2+，主要阴离子为HCO3-、SO42-。总体水化学类型可以划分为HCO3-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Ca·Mg型。

比较隧道不同位置涌水的水化学特征，部分段落SO42-浓度比典型岩溶水偏高，SO42-来源是地下水与三叠系膏盐地层发生反应的产物，这表明不同段落水的来源与经历的水岩作用不同。从隧道入口至出口，样品中的浓度最高的阳离子是Ca2+，阴离子是HCO3-。整体符合以灰岩为主的地区岩溶水的水化学特征。

Gibbs图可以反映水中主要离子控制因素。由图5可见，隧道不同段落的地下水化学组成均受岩石风化溶滤作用控制。地下水中的Ca2+、Mg2+主要来源是地表水在下渗补给地下水时的溶滤，混合作用。从各水样点分布来看，不同段落水点分布相对集中，聚集在岩石风化溶滤作用控制区，推测在径流过程中经过岩溶发育地带。

图5 研究区水化学Gibbs图

3.1.2 补给来源

同位素分析法是一种常用的分析地下水补给来源和补给高程的方法，通过相关地下水补给高程计算公式(张贵玲，2015)。

(1)

式中：h为取样点高程(m)；δG为取样点的δ2H或δ18O值，δP为取样点附近大气降水的δ18O值，K为大气降水δ18O值的高程梯度，这里取西南地区大气降水δ18O的梯度值-0.26‰/100m。

我国西南降水的δ值与高程H之间的关系为

δ18O=-0.003 1H-6.2

(2)

式中：H为补给高程(m)。利用两种方法计算得出隧址区取样点的补给高程，取平均值作为最终的计算结果。隧址区同位素测定计算结果如表2。

表2 隧址区不同水点的同位素取样表

根据表2中数据，得出隧址区δD-δ18O关系图(图6)。结果显示，隧址区各水点的同位素值均为与当地大气降水线附近，表明隧道涌水的来源于大气降雨。经过计算补给高程位于1 087～1 575 m之间，其中隧道涌水的平均补给高程(1 358 m)和地表水的平均补给高程(1 334 m)接近，表明二者之间水力联系密切。

图6 隧址区δD-δ18O关系图

研究区内高程最高点为隧道东北侧的夜火槽山，高程约为1 862 m；最低点为隧道入口处雎水河，高程为760 m。由此可知补给范围主要位于四号横洞东侧的老鸦山和三号横洞东侧的天台山之间的洼地。这一区域平均高度比夜火槽山低，发育有倒转向斜，地表出露岩溶洼地和落水洞。

从水化学分析的结果可以说明，涌突水类型是二叠系—三叠系碳酸盐岩类岩溶水，离子组分受岩石矿物风化溶滤影响。涌突水的主要来源为大气降雨，补给范围在三号横洞和四号横洞之间。

图7 隧道围岩风化等级状况

3.2 涌突水径流途径

结合施工单位提供的隧址区地表物探工作的成果和当地的地质条件，查明主要涌水区段D2K83-D2K84段涌水的径流途径，来推测涌突水的径流方向和排泄通道。

3.2.1 物探法

利用地球物理勘探技术探测地层岩性、地质构造、岩溶发育等地质条件的方法已经颇为成熟。在物探资料的基础上绘制了重点涌水段落的围岩等级图(图7)。

其中围岩等级分为五个级别，该区域围岩破碎风化严重，完整岩体较少，只探测到风化较为严重的四个级别(表3)。

表3 围岩等级表

图7中显示隧道的涌水段落均位于岩溶发育段落中和岩层交界处。D2K83+423的涌水量最大，该点附近发育有晓坝场断层(F5-3)、映秀—北川断层(F5-2)、隧道与活动断裂交叉部位最大错位量为810 mm，断层破碎带出露地表，岩层较为破碎，为岩溶水的运移提供了足够的空间。

3.2.2 相关性分析

采用相关性分析隧道涌突水径流路径或致灾因素已经有比较成熟的应用，其通过对两个或多个具备相关性的变量元素进行分析，从而衡量两个变量因素的相关密切程度。结合物探成果将柿子园隧道分为71段，并对每段隧道埋深厚度、岩溶发育情况、断层发育密度、大气降雨强度进行评级，并和隧道涌水量进行相关性比较，通过分析可以得到结果如下(表4)。

通过相关性分析，确定以上四个指标均与隧道涌水量成正相关，其中岩溶发育和涌水量皮尔逊相关性最大，岩溶管道是此次隧道涌突水中的主要径流通道。丰富的岩溶管道发育有利于降雨入渗补给。在强降雨条件下，降水通过破碎岩体对地下水集中补给，形成岩溶强径流带，是隧道涌突水的主要径流途径。

3.3 涌突水激发因素

根据8月14号-20号的隧道涌突水量和大气降雨量分析(图8)，涌水量对降雨的响应敏感，降雨量峰值日比涌水量峰值日相差在6 h以内，涌水过程曲线呈现出暴涨暴落的脉冲特点，符合暴雨激发涌突水的特点，既一般在暴雨峰值滞后快速达到涌水量峰值，随后涌水量呈现出一个快速衰减的过程，直至涌水停止。柿子园隧道涌突水的激发因素是2020年8月16日，17日两天的瞬时强降雨。

3.4 成因模式分析

涌突水灾害严重影响隧道施工进度和结构稳定性，因此研究隧道涌突水的机制和成因十分必要。现结合前文研究成果，确定激发因素，涌突水类型，径流途径，涌水来源等涌突水基本要素的前提下，对隧道涌突水成因模式进行分析。

瞬时强降雨是隧道涌突水的主要激发要素，涌突水类型是二叠系—三叠系碳酸盐岩类岩溶水，并且与地表水水力联系密切。柿子园隧道涌突水的主要来源为大气降雨，补给范围位于四号横洞东侧的老鸦山和三号横洞东侧的天台山之间的洼地。降雨在洼地产生汇流，集中下渗，通过岩溶径流管道向海拔更低的区域汇集，同时柿子园隧道隧址区为岩溶强烈发育地区，是全线极高风险隧道之一，涌突水敏感性脆弱。在柿子园隧道前期施工扰动的前提下，地质条件遭到一定的破坏，使地下水岩溶管道进一步扩大，导致上覆地层渗透系数上升。最后在8月16日，17日两天瞬时强降雨的影响下，大量雨水通过径流管道涌入隧道，造成了隧道涌突水(图9)。

表4 spss相关性分析表

图8 柿子园隧道2020年8月涌突水量过程曲线

图9 柿子园隧道涌突水成因模式图

采用FEFLOW软件对隧道区域渗流场进行二维数值模拟计算，验证成因模式的可靠性。此次模拟结合前文研究结果，对瞬时强降雨后的水文地质参数进行调整。模拟范围约48.5 km2，模型网格按照Tranigsh法进行自动网格剖分并建立渗流场。根据施工单位提供的钻孔数据，对初始渗流场模型进行拟合。模型模拟出的地下水位模拟值与实际钻孔水位测出的实测值相差较小，证明该模型能够反映研究区地下水流动的态势。运用budget rate模块，模拟在瞬时强降雨期间，涌水量的具体数值。对丰水期的水位和水量变化情况进行预测分析，结果为暴雨前涌水量为368 010 m3，暴雨后涌水量为2 428 700 m3。与实测涌水量2 331 590 m3进行对比计算。

相对误差为3.9%，误差较小，与计算结果很接近，验证了涌突水成因模式的可靠性。

图10 隧址区渗流场模拟图

4 结语

本次研究通过现场调查、水文地球化学和数值模拟分析，对成兰铁路柿子园隧道开展了隧道涌突水水成因机制分析研究，得出以下结论：

(1)周边河流与涌突水补给关系较低，涌水量与降雨量具有线性响应关系，强降雨是涌突水的激发原因和主要补给来源；

(2)隧道涌水具有岩溶水化学特征，径流途径多为岩溶管道；这种岩溶管道受到瞬时强降雨的影响，其含水层结构被破坏，致使渗透系数短时间内增大是柿子园隧道涌突水的主要原因；

(3)在确定柿子园隧道发生涌突水灾害主要原因的前提下，对比现场掌握的地质背景数据和涌突水对隧道造成损害的区域可以发现，发生涌突水灾害的地区多为岩溶或者断层发育地区，有利于地下水的富集。对以上重点区域进行处理，能大幅提高隧道所能承受的降雨量上限。