典型花岗岩隧道涌水量预测研究

朱 霞，李 晓

(成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059)

0 引言

隧道涌突水一直是国内外隧道施工中的重大难题，极易给施工过程带来巨大的安全隐患和严重的经济损失，所以隧道涌水量的预测计算对减少涌突水灾害的发生及预防有及其重要的作用[1]。由于目前对于隧道涌突水的研究主要集中在可溶岩领域，如锦屏二级水电站、圆梁山深埋特长隧道、日本青函隧道涌突水事故等[2-4]；对非可溶岩地区的涌突水灾害缺乏深入的研究。但非可溶岩隧道发生涌突水时，由于其突发性及难以预测性，造成的损失更大，如台湾雪山隧道、日本黑部4号花岗岩地层隧道均对工程造成了严重损失[5-6]。因此，对非可溶地区进行涌水量预测及危险性预测评价方面的研究具有重要意义，本文主要探讨构造复杂地区的花岗岩裂隙水涌突水问题，探讨易发生涌突水部位及对隧道涌水量进行预测[7]，为类似非可溶岩隧道的涌突水易发部位分析及涌突水水量预测提供一定参考。

1 研究区概况

宝灵山隧道位于泸定县大渡河以西，隧道进口接大渡河特大桥，位于泸定县白日坝，里程DK221+537，出口接瓦斯沟特大桥，里程D1K247+910，位于康定县炉城镇升航村。隧道全长26 449.5 m，隧道最大埋深约2 023 m。地势总体上表现为西高东低，为典型的高山峡谷地貌。研究区岩性以花岗闪长岩及奥长花岗岩为主，隧道总共穿越7条断层破碎带，断层岩性破碎，含水丰富(见图1)。

区内地下水补给主要为大气降水的补给，融雪水主要补给松散岩类孔隙水，相邻地下水越流补给主要补给断层破碎带孔隙裂隙水。大气降水及融雪水垂直下渗至地下水位后，入渗进入基岩裂隙、断层破碎带或水平径流后就近排泄于溪沟。地下水越流补给进入断层破碎带，顺地形向坡下溪沟和远处地势更低的河流排泄。研究区地下水集中富集并储存在断层及断层破碎带中，沿基岩裂隙、断层破碎带运移，径流后就近排泄于河流、溪沟。研究区地下水类型主要为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，断层破碎带主要为断层破碎带孔隙裂隙水。

图1 研究区概况图

2 花岗岩地区高压涌突水特征

在隧道深埋条件下，特殊的储水构造如断裂带储水构造、中-缓倾角单斜地层储水构造以及向斜储水构造，易于造成较严重的隧道高压突水等事故[8]。

宝灵山隧道全长26 449.5 m，最大埋深2 023 m，属于深埋长大隧道，隧道全程穿越花岗岩地层，主要岩性为奥长花岗岩和花岗闪长岩，隧道区构造复杂，穿越7条断层破碎带，有较大的涌突水风险，且具有涌水量大，水头压力高的特点。

花岗岩地区发生涌突水灾害部位在地层接触带、风化深槽及构造破碎带。研究高压涌突水主要分析隧道外水压力及断裂带特征。

2.1 外水压力

水压力折减系数法是最常用的计算水压力的方法。隧洞外水压力的作用系数的方法大多是经验或半经验性的。外水压力折减系数取值参考《水工隧洞设计规范》(SD134-84)。计算方法采用下式：

P=βγwH

(1)

式中：P为外水压力，β为外水压力修正系数，γw为地下水重度，H为地下水水头。

断裂带外水压力结果见表1。

宝灵山隧道为长大深埋隧道，花岗岩长大裂隙发育，为良好的储水空间和导水通道，地下水径流畅通，易形成稳定的高压水流，根据计算，隧道外水压力最大达3.56 MPa，有较大的高压涌突水风险。

表1 断裂带外水压力

2.2 花岗岩涌突水

通常情况下，花岗岩地段构造不发育、岩体完整坚硬，在水文地质分区上一般划分为贫水区，花岗岩赋存的地下水来源一般是大气降水，以渗入的方式汇入构造裂隙或风化裂隙中，宝灵山隧道地下水赋存在裂隙密集带，多以裂隙水存在。但由于隧道深埋，洞室标高低于当地侵蚀基准面，受构造影响明显，局部地段构造结构面发育，地下水富集、水力循环复杂，易发涌突水灾害。

断层破碎带岩石松散破碎，便于地下水的运移和储存，构成富水段落，存在形成突水的大量水体，断层埋深较深时，富水带具有高外水压力，隧道在开挖中揭穿断层后，隧道在断层处易发生突发性高压涌突水。

图2 构造纲要图

2.3 断裂带特征

在构造上，隧道区隶属于松潘—甘孜造山带西北缘，区内褶皱、断裂比较发育，经旋回构造运动等，最终形成以北北东向为主，南北、北北西向次之的构造线。隧址区在一级构造上所在区域地处扬子准地台西缘与松潘-甘孜褶皱带的川滇复向斜、康滇复背斜、龙门山褶皱带的结合部，其西紧靠康滇地轴，北邻龙门山构造带，东邻四川台坳之川西台陷，南接凉山陷褶束。在二级构造上处于鲜水河构造带、龙门山构造带、川滇南北向构造带三大构造体系交汇部位，偏于龙门山构造带一侧。隧址区主要构造形迹走向为N30°E左右，与龙门山构造带走向相一致(见图2)。

宝灵山隧道周围断层发育，受泸定断裂影响大，泸定断裂西边界在隧道进口端附近，隧道进口端岩石挤压破碎严重，岩石碎裂岩化明显，节理发育。隧址区以南北走向断裂为主，其次发育近东西向，北东向断层，部分为遥感解译断层。

宝灵山隧道穿越断层带7条，包括解译断层1条，断层为压性断裂，破碎带较宽，破裂岩发育，具有良好的储水条件，各断层性质、规模及特征见表2。

表2 断裂带特征表

宝灵山隧道穿越7条断层破碎带，岩石破碎，透水性及富水性好，断裂带高压涌突水是隧道可能面临的重要问题。

3 涌水量预测及易发涌水段分析

3.1 涌水量预测

3.1.1 方法的选取

目前，深埋长大隧道涌水量预测方法主要有确定性数学模型方法、随机性数学模型方法和非线性理论方法。确定性数学模型方法主要有水文地质比拟法和径流模数法、水均衡法、解析法和数值计算法；随机性数学模型方法主要有“黑箱”理论、灰色系统理论、模糊数学方法、时间序列分析和频谱分析等；非线性理论方法主要有神经网络方法、系统辨识法和专家评判系统方法。

根据宝灵山隧道工程地质条件，选取确定性数学模型中的径流模数法、降雨入渗系数法和解析法中的佐藤邦明公式、科斯加可夫法计算预测宝灵山隧道的正常涌水量，采用降雨入渗系数法和佐藤邦明非稳定流式计算预测隧道最大涌水量，通过多方法对比计算，减小涌水量计算结果误差。

3.1.2 正常涌水量预测方法

1)径流模数法

Q=86.4·M·A

(2)

式中：Q为地下水涌水量(m3/d)；M为流域地下径流模数(L/s·km2)；A为拟建隧道的集水面积(km2)。

2)降雨入渗系数法

Q=2.74α·W·A

(3)

式中：Q为隧道计算涌水量(m3/d)；α为降水入渗系数；W为年降水量(mm)；A为隧道涌水点的集水面积(km2)。

3)佐藤邦明公式

(4)

Qs=Qmax-0.584ε·K·r

(5)

式中：Qmax为预测隧道通过含水体可能最大涌水量(m3/d)；Qs为预测隧道通过含水体稳定涌水量(m3/d)；K为岩体的渗透系数(m/d)；H0为原始静水位至洞身横截面等效圆中心的距离(m)；L为隧道通过含水层的长度(m)；r为隧道洞身横断面的等价圆半径(m)；(单隧经验取值3.5 m，双隧经验取值7 m)；hc为含水体厚度(m)；ε为试验系数，一般取12.8。

4)科斯加可夫法

(6)

(7)

式中：Qs为预测隧道通过含水体稳定涌水量(m3/d)；K为岩体的渗透系数(m/d)；H0为原始静水位至洞身横截面等效圆中心的距离(m)；s为地下水位降深(m)；L为隧道通过含水层的长度(m)；R为隧道涌水影响半径(m)；r为隧道洞身横断面的等价圆半径(m)；(单隧经验取值3.5 m，双隧经验取值7 m)。

3.1.3 最大涌水量预测方法

1)降雨入渗系数法

Q=2.74α·W·A·1.5

(8)

式中：Q为隧道计算涌水量(m3/d)；α为降水入渗系数；W为年降水量(mm)；A为隧道涌水点的集水面积(km2)。

(2)佐藤邦明非稳定流式

(9)

式中：Qmax为预测隧道通过含水体可能最大涌水量(m3/d)；K为岩体的渗透系数(m/d)；H0为原始静水位至洞身横截面等效圆中心的距离(m)；hc为含水体厚度(m)；h0为隧底至下伏隔水层的距离(m)；r0为为隧道洞身横断面的等价圆半径(m)；(单隧经验取值3.5 m，双隧经验取值7 m)；m为转换系数，一般取0.86。

3.1.4 水文地质参数

为了了解隧道不同段落水文地质特征，评价含水层的富水性，预测钻孔最大涌水量及正常涌水量，查明含水层水文地质参数，共布置钻孔12个水文地质钻孔进行水文地质实验，钻孔分布如图3所示。

图3 钻孔取样点分布图

根据水文地质钻孔，逐段进行抽水试验、压水试验及注水试验，测得隧道区域不同段落的水文地质参数。渗透系数对涌水量预测结果影响较大，通过多次试验取用平均渗透系数值，结果见表3。

表3 水文地质试验结果表

根据水文地质实验，断裂带渗透系数选取附近钻孔渗透系数值，计算其涌水量，附近无钻孔的，断层渗透系数取0.2 m/d，基岩部分渗透系数根据经验值，岩性为花岗岩时渗透系数取2.59×10-3～2.59×10-2m/d，根据宝灵山隧道水文地质条件，取4.0×10-2m/d。

3.1.5 涌水量预测

根据隧道水文地质特征将宝灵山隧道分为16段，分段预测计算宝灵山隧道正常涌水量及最大涌水量。

根据隧道水文地质条件，正常涌水量主要采用径流模数法、降雨入渗系数法、佐藤邦明经验式、科斯加可夫法进行预测计算；最大涌水量主要采用降雨入渗系数法和佐藤邦明非稳定流式预测计算。

涌水量计算结果见表4。

表4 涌水量预测计算结果表

根据计算结果，正常涌水量径流系数法和降雨入渗法计算结果基本一致，动力学法佐藤邦明公式和科斯加可夫法计算结果基本一致；最大涌水量按正常涌水量1.5倍计算，结果基本一致。分别计算隧道基岩涌水量和断裂带涌水量，根据表4计算结果，断层涌水量明显大于基岩涌水量，说明隧道在断层处更易发高压涌突水。

3.2 易发涌水段分析

3.2.1 易发涌水段分析

针对降雨入渗系数法，根据分段涌水量计算结果，分析单宽流量，分段涌水量计算结果及单宽流量结果见表5。

根据降雨入渗系数法的单宽流量计算结果表，可以看到单宽流量较大的地区为隧道穿越的7条断层破碎带，单宽流量均大于9.1 m2/d，说明隧道在穿越断层带时易发高压涌突水，而F103水井湾断层、F100咱里断层、F92断裂带和F88断裂带段落的单宽流量均大于15.0 m2/d，由此可说明隧道易发涌水段为DK224+795-DK224+845，发育F103水井湾断裂；DK226+679-DK226+732，发育有F100咱里断层；DK234+860-DK234+956，发育F92断层；DK238+562-DK238+627，发育F88断层。

3.2.2 物探解译

利用物探手段对宝灵山隧道进行探测，预测隧道易发涌突水段落。

根据物探解译剖面示意图可见，隧道DK224+424-DK225+993在为低阻带，该低阻段出露花岗岩和闪长岩，发育F103水井湾断层，在岩性交界带上围岩较为破碎，形成地下水径流通道，故出现低阻情况；隧道在DK226+289-DK228+587为低阻带，岩性为花岗岩，发育有F100咱里断层，岩体破碎，此处地形上位于沟谷地段，地下水汇集出露，埋深较浅；隧道在DK234+368-DK236+137为低阻带，岩性为花岗岩和角闪岩，发育有F92断层，在岩性交界带上围岩相对破碎，易形成富水段，因此形成低阻段；隧道在DK238+441-DK240+179为低阻带，岩性为花岗岩，发育有F88断层，在地形上位于沟谷地带，地下水汇集向河流排泄，因此形成低阻段。

综合上述物探解译结果以及地质剖面中的地层、构造发育情况，预测宝灵山隧道在F103水井湾断层、F100咱里断层、F92断裂和F88断裂易发生高压涌突水。与上述预测结果吻合。

表5 单宽流量计算结果表

图4 电磁法三维联合反演电阻率断面图

4 结语

宝灵山花岗岩隧道属于典型的非可溶岩隧道，在隧道开挖穿过断层破碎带时，极易发生高压涌突水。通过对隧道的分析研究与计算，得出以下结论：

(1)宝灵山隧道穿越花岗岩地层，为典型的非可溶岩隧道，隧道穿过七条断层破碎带，分别为F103水井湾断裂、F100咱里断层、F98、F92、F88、F89及一条解译断层。隧道全长26 449.5 m，最大埋深为2 023 m，属深埋长大隧道，开挖过程中影响隧道断层破碎带，易发生高压涌突水。

(2)花岗岩地区高压涌突水易发部位为地层接触带、风化深槽及构造破碎带，宝灵山隧道构造复杂，断层发育，外水压力高达3.56MPa，有较大的高压涌突水风险。

(3)根据隧道水文地质条件将其分为16段，分段计算预测隧道正常涌水量及最大涌水量，计算结果为隧道正常涌水量分别为64 560 m3/d、62 813 m3/d、80 961 m3/d和78 474 m3/d；隧道最大涌水量分别为94 220 m3/d和81 026 m3/d。

(4)通过降雨入渗法计算不同段落单宽流量，预测易发高压涌突水段落为F103水井湾断层、F100咱里断层、F92断裂和F88断裂，并通过物探解译结果进行验证，两种方法预测结果一致。