深埋引水隧洞围岩透水性和涌水量水文地质分析与计算

侯立柱

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概述

新疆某引水工程以已建的山区水库为水源工程，通过修建长距离输水隧洞及管线，将河水引调至某经济开发带，以满足生活及新型工业化发展的需水要求。该方案线路总长106.7km，隧洞长92.35km，设计洞径5.26～7.1m，纵坡1/5000，在隧洞出口修建一水库进行调蓄。在修建调蓄水库尾水采取管道引水至目的地。因此，引水隧洞和埋涵管线为该工程主要建筑物。

引水隧洞主要穿越山区和低矮丘陵，埋深一般在150～320m，平均埋深约230m，最大埋深350m。经统计穿过隧洞处在地表上有明显构造形迹的区域性断裂有2条，断裂破碎带一般宽度90～100m，最大破碎带宽800m。其次隧洞中上段分别还发育多条次级断层，破碎带一般宽度10～30m，少数达60～80m。由洞线上每2.0～3.0km一个勘探钻孔所揭露的岩芯、物探波速、井下电视测试来看，洞身段基本均处于新鲜岩体内。岩体以块状和厚层状为主，洞身仅在穿越断层附近岩体破碎、节理裂隙发育，围岩完整性较差[1]。隧洞穿越一河床底部石炭系凝灰质砂岩内通过外，其它洞段地表径流不发育，但隧洞均处于基岩裂隙水以下。

在隧洞开挖掘进过程中，与地下水环境有着密切联系。隧洞穿越含有少量地下水渗流段落，影响不大，但是如果在富含地下水段落，遇到涌水，股状突水将对隧洞建设造成严重影响，甚至淹没作业面，对洞内设施运转造成严重影响。因此，对隧洞区域水文、地下水类型及赋存条件、补给排泄和涌水量等进行分析预测和计算，为正确处理和应对隧洞中地下水问题提供科学依据。

2 区域水文宏观分析

工程区主要处于低山丘陵区和一盆地东部边缘，气候干燥、多风，年降水量少，蒸发量远大于降水量，低洼排泄区的地表水及浅埋地下水矿化度较高。地表水对基岩裂隙和断层破碎带补给量有限。

(1)地表沟谷：工程区内主要有2条较大的沟谷分布。沟谷主要接受高山区的冰雪融水和大气降水补给，地下水径流方向总体上由北向南，最终流向盆地中心。工程区内部分低洼的山间小盆地也往往成为区域地下水的排泄区。

(2)基岩裂隙水：工程区沿线主要为低山丘陵地貌，岩性以古生代和华力西期侵入岩的坚硬层状、块状岩石为主，地下水除河谷潜水和丘陵夷平面上高地沼泽潜水呈狭长状和小片状存在外，主要是赋存在断层、构造裂隙和上部基岩风化裂隙中的基岩裂隙水[2]。

由于基岩裂隙水含水岩类的不同，可分为壳状基岩裂隙水和构造破碎脉状基岩裂隙水：①壳状基岩裂隙水：主要赋存于表层风化岩体内，表部风化卸荷带裂隙较发育，多呈网状相互切割，为地下水提供了较好的赋存空间。主要接收大气降水的补给，一般随风化卸荷带呈壳状分布，往往以下降泉形式向沟谷排泄，在沟底及岸坡处多有泉水出露点，富水性较强，其水量随降雨入渗补给量的变化呈季节性动态变化。壳状基岩裂隙水沿风化卸荷裂隙随地形从高处逐渐向较低的谷地处渗流汇集，一般在裂隙相对发育的部位以下降泉的型式排泄到沟谷或洼地中。大多数泉水流量一般在0.01～0.1L/s，个别流量为2.0～3.3L/s。表层风化岩体基岩裂隙水下部，岩体完整，属微透水性，基岩裂隙水极为贫乏。②构造裂隙水：主要受构造控制，沿构造呈线状分布，分布在构造破碎带或裂隙密集带内，其富水性相对较强，但分布范围相对较小，静态贮水量相对较小。构造裂隙水主要接收大气降水的补给，以下降泉形式向河谷排泄，在沟底及岸坡处多有泉水出露点，泉水流量一般在2.7～3.3L/s。

3 隧洞沿线地下水类型与赋存条件[3- 4]

工程区沿线主要为低山丘陵地貌，地下水主要是基岩裂隙水。其次是分布在岩体复背斜、复向斜和短轴背、向斜等褶皱和断裂构造中的地下水。尤其是区域性的主干断裂横贯低山丘陵区，挤压破碎带宽度达90～150m，断裂带及破碎带中赋存的脉状地下水。根据地下水赋存条件、水理性质和水力特征，可划分为以下2种基本类型：

(1)古生代泥盆系(D)、石炭系(C)、华力西期花岗岩基岩裂隙水(包括断裂脉状水)和碎屑孔隙微承压水。

碎屑岩类孔隙水主要分布于中生代碎屑岩及断层破碎带内，它一般处于地势低洼、封闭性较好的环境内。碎屑岩类孔隙水多具微承压性，局部自流，矿化度略高，但当其位于隧洞洞身附近时对隧洞施工影响较大。基岩裂隙水分布于区内古生代基岩裂隙中，分布范围广，由大气降水入渗补给。古生代岩石一般坚硬，裂隙不发育，贯通性差，它在一些沟谷中以泉水的形式溢出。裂隙水水量大多较小，没有统一的地下水位，水质均较差。

(2)新生代第四系松散层孔隙潜水。

孔隙潜水主要分布于区内第四系松散堆积物中，由于区内第四系覆盖层厚度分布小，且补给水量有限，区内孔隙潜水分布少，且其厚度较薄，储量很小，加之其埋深一般不大，受强烈蒸发的影响。一般在靠近河流的孔隙潜水，水质较好，远离河流的孔隙潜水质较差。

由上述可知，现场的断裂脉状水是一种特殊的基岩裂隙水，主要赋存于断层破碎带中，具有集中、量大、连通性差等特点；碎屑孔隙裂隙地下水均属层间微承压水，无潜水，赋存于裂隙和断层影响带中；而第四系地下水只有潜水而无承压水赋存条件。

4 隧洞沿线岩体透水性分析

为了解和分析该引水隧洞段的水文地质条件，定量评价和预测地下水在施工中的涌水灾害。因此，对沿线岩体的透水性分析至关重要。主要采用地表断裂带泉水测流试验进行反推初判岩体透水性能、断层破碎带大口径井深孔专门水文地质抽水试验、隧洞沿线勘探小口径深孔抽(掏)水与压水试验等多种方法，综合估算隧洞沿线岩体的透水性。

(1)泉水溢出量测流试验初判透水性

通过对现状调查，工程区引水隧洞段沿线附近共分布有20处泉水点，均属断裂构造破碎带或节理裂隙密集带，泉水溢出点附近地表大多呈湿地、生长低矮杂草植被。现场结合泉水出露点位置和特性，分别对各泉水点采用三角堰法和简易抽水试验进行流量测试。结合SL629—2014《引调水线路工程地质勘察规范》中按泉水流量对本工程区沿线断裂带泉水、基岩裂隙水进行富水性等级划分，见表1。

表1 工程区沿线泉水富水性等级划分对比表

工程区沿线断裂构造带的泉水流量[5]一般处于0.01～0.9L/s之间，占实测泉水点总数的85%；个别流量为1.0～3.33L/s，占实测泉水总点数量的15%。表明工程区沿线受断裂或节理裂隙影响的岩体内地下水量不丰富，大多属于贫水区(段)，局部属弱富水区(段)，断裂带泉水点估算最大涌水量约Q=12m3/h，断层破碎带、节理裂隙带岩体内总体涌水量不大，初判岩体透水性能较弱。

(2)断层破碎带大口径井深孔水文地质抽水试验及参数[5]

经验表明，基岩区内的断层破碎带、节理裂隙密集带往往是地下水相对富集的地段。因此，在工程区隧洞段沿线附近，分别对部分区域性断裂和次级断裂共布置大口径水文地质勘探孔，并进行了专门水文地质抽水试验。

断层破碎带含水岩体渗透系数计算选用承压水完整井两侧为隔水边界的带状含水层计算公式：

(1)

(2)

式中，K—含水层渗透系数，m/d；Q—抽水井出水量，m3/d；S—抽水井水位降深值，m；M—含水层有效厚度，m；r—抽水井过滤器的半径，m；b—带状含水层中心至隔水边界距离，m；R—抽水井至供水方向的抽水影响距离，m。

式中参数取值和各水井抽水试验成果及渗透系数计算结果见表2。

工程区内区域性断层破碎带岩体，渗透系数K介于4.87～7.52×10-4m之间，属中等透水性；次级断层破碎带岩体，渗透系数K介于3.36～3.59×10-5m之间，属弱透水性。

(3)隧洞沿线勘探小口径深孔抽(掏)水试验及参数

在隧洞段沿线每2～3km布置完成的钻孔抽(掏)水试验，其水文地质参数计算采用裘布依潜水完整井计算公式进行岩体渗透系数计算，采用裘布依潜水完整井计算公式[6]：

式中，Q—抽水井出水量，m3/d；k—含水体渗透系数，m/d；H—含水体厚度，m；R—影响半径，m；S—水位降深，m；r—抽水井半径，m。

从表3(钻孔抽水试验)可以看出：隧洞段深度40m以下至洞底岩体的渗透系数平均值K为1.1×10-6～1.65×10-8cm/s，大多属微～极微透水性，局部属弱透水性。

为得到确切实际的岩体透水性等地质参数，在个别钻孔中进行压水试验，进而对岩体透水性进行复核。其水文地质参数计算采用SL 25—92《水利水电工程钻孔压水试验规程》进行岩体渗透系数计算。通过钻孔压水试验可以看出：隧洞段在洞底线以上50m范围内，岩体的透水率平均值q为0.47～1.83Lu，渗透系数平均值K=5.92×10-6cm/s，大多属微～极微透水性，局部属弱透水性。试验数据和钻孔抽水试验基本相同，数值准确可靠。

5 隧洞涌水量估算[7- 8]

计算隧洞段涌水量时，既要考虑随引水洞线掘进涌水量的累加，也要重点考虑裂隙水随时间推移的衰减，因此通过各种科学手段进行估算和复判。现主要采取裘布依理论公式、水文地质比拟法、工程类比法和试验洞实测法进行综合估算和判定。

5.1 按照裘布依理论公式，估算隧洞段单位涌水量[9]

式中，Qs—隧洞正常涌水量，m3/d；K—含水体的渗透系数，m/d；H—洞底以上潜水含水体厚度，m；h—洞内排水沟假设水深(一般考虑水跃值，取值h=0.5H)；Ry—隧洞涌水地段的引用补给半径，m；L—隧洞通过含水体的长度，m；r0—洞身横断面等价圆半径(取值4.0m)。

表2 断层破碎带内大口径钻孔抽水试验成果表

(1)对工程区内主要断层和次级断裂进行计算(参数取值见表4)

采用水文钻孔抽水试验对隧洞各断层破碎带涌水量估算。公式数值选取见表4，经计算可知，在隧洞通过区域性断层的破碎带岩体时，隧洞单位涌水量平均值Qs=92.44m3/h·km；在隧洞通过次级断层的破碎带岩体时，隧洞单位涌水量平均值Qs=62.64m3/h·km。各级断裂破碎带隧洞单位涌水量合计平均值Qs=74.56m3/h·km。

(2)采用工程勘探孔抽水试验对隧洞段涌水量估算(参数取值见表5)

由表5中可以看出：隧洞段根据各钻孔抽水试验，一般岩体单位涌水量最大值2.22m3/h·km，平均值Qs=1.31m3/h·km，属贫水区(段)，总体隧洞涌水量不大。

同理，在个别钻孔内根据各钻孔压水试验提供参数，进行计算可知在一般岩体单位涌水量平均值Qs=14m3/h·km，属贫水区(段)，总体隧洞涌水量不大。

5.2 按照水文地质比拟法[10]，估算隧洞段单位涌水量

式中，QS、QS′—新建、既有隧洞通过含水体地段的正常涌水量，m3/d；F、F′—新建、既有隧洞通过含水体地段的涌水面积，m2；S、S′—新建、既有隧洞通过含水体中自静止水位起的水位降深，m；B、B′—新建、既有隧洞洞身横断面的周长，m；L、L′—新建、既有隧洞通过含水体地段的长度，m。

表3 隧洞段钻孔抽(掏)水试验成果计算表

表4 断层破碎带内水文钻孔隧洞涌水量估算表

表5 隧洞段单位涌水量估算表

在进行水文地质比拟法时，根据现场在不同地貌单元、不同岩石岩性布设的勘探试验洞的实测涌水量，并尽量在同样埋深情况下进行比拟估算。布设探洞即为“既有隧洞”，预测主洞为新建，二者洞径横断面等价圆半径4.0m和洞身横断面周长21.98m均相同。

选取具有代表性强的各勘探试验洞实测涌水量及新建隧洞涌水量，估算结果见表6。

由表中可以看出：隧洞段根据T0—T2勘探试验洞开挖洞段实测涌水量，估算拟建隧洞涌一般岩体单位涌水量平均值Qs=13.95m3/h·km，属贫水区(段)，总体隧洞涌水量不大。

5.3 工程类比法

引水隧洞具有轴线长、点多面广的特点，穿过不同区域，因此对临近已进行地下洞室作业的项目可以参考和借鉴。

(1)根据隧洞桩号15+000以西25km处的已建的铜钼矿业“1#采矿井”调查资料分析：该矿井为缓斜井，井径3.5m，纵坡23%，垂直井深90m，斜洞总长401m，初见基岩裂隙水位埋深40m，施工和运行期缓斜井井壁以渗水、滴水为主，水量贫乏微弱，在前期采矿运行过程中缓斜井竖井疏干总涌水量为120m3/d，估算缓斜井岩体单位涌水量为12.5m3/h·km。

(2)隧洞桩号65+000以东12km处已建的铜钼矿业调查资料分析：“1#采矿主副竖井”井径6.0～6.5m，井深700m，且在井深300m处又增加了一条1200m长的水平巷洞，洞径3.5m，施工和运行期竖井井壁以渗水为主，采矿运行过程中该竖井疏干总涌水量为960m3/d，估算竖井岩体单位涌水量为21.1m3/h·km。“2#采矿通风竖井”位置靠近断裂带附近，井径5.0m，井深700m，采矿运行过程中该竖井疏干总涌水量为1600m3/d，估算竖井断裂带破碎岩体单位涌水量为95.2m3/h·km。

5.4 各勘探试验洞实测涌水量[11]

现场采取布设勘探洞和施工支洞相结合的方式，对洞室做到最大的利用效果，以此减少资金投入。

各勘探试验洞实际开挖深度、洞顶埋深、洞径(6.9～7.0m)、分布岩性、围岩类别、洞壁裂隙水出露表观特征均有所不同，现场实测已开挖洞段总涌水量彼此相异。实测隧洞段3.0～40.0m3/h，推算单位涌水量1.2～26.5m3/h·km。见表7。

根据区域水文地质条件和以上地表断层带泉水测流试验、断层破碎带深孔专门水文地质抽水试验、隧洞沿线勘探深孔抽(掏水)压水试验、工程类比和各勘探试验洞实测水量等方法，结合钻孔中岩体透水率、渗透系数、单位涌水量等参数综合分析。

隧洞在通过区域性断裂带或局部较大的次级断裂带地段时，单位涌水量q取值为80～800m3/h·km；隧洞通过河流或地表水体附近地段时，单位涌水量q取值为25～100m3/h·km；隧洞通过其它地段时，单位涌水量q取值为10～50m3/h·km。

表6 试验洞实测涌水量及新建隧洞涌水量估算表

表7 试验洞实测单位涌水量汇总统计表

6 结语

(1)工程区引水隧洞段、处于盆地沙漠东部边缘，沟谷分布，气候干燥、多风，蒸发量远大于年降水量，地表水对基岩裂隙和断层破碎带补给量甚微。

(2)工程区隧洞沿线，表层的基岩裂隙水(与大气补给相对密切的基岩强、弱、微风化层)与下部基岩裂隙水(深埋隧洞附近完整、较完整岩体段)水力联系微弱，隧洞洞身岩体富水性属贫水区(段)，为微～极微透水性，施工中隧洞段总体涌水量不大。

(3)由于地质钻孔代表的段落有一定的局限性，隧洞在施工时不排除局部地段有大的断层、节理裂隙、层理与地表水有一定的水力联系，所以施工时仍需要注意加强排水和超前地质预报。