岩溶地区隧道施工斜井开挖对某水库渗漏影响分析

何兴,骆波,严克渊,潘长贵

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司,贵阳,550000)

贵州岩溶地貌发育非常典型。喀斯特(出露)面积109084km2,占全省国土总面积的61.9%,境内岩溶分布范围广泛,形态类型齐全,地域分异明显,构成一种特殊的岩溶生态系统[1-3]。工程区为典型的岩溶、侵蚀地貌,为分析隧道施工斜井开挖对水库渗漏影响,探究水库与斜井之间的水力联系,做了相关的分析与调查[4-6]。

1 工程概况

贵州某水库工程为原已建成水库,位于赤水河水系与乌江水系分水岭南侧,水库汇水范围及库区位于乌江水系范围内,以灌溉为主,设计灌溉面积53.33hm2。工程规模为小(2)型,工程等别为Ⅴ等,水库总库容14.15万m3,正常蓄水位以下库容13.16万m3,水库正常蓄水位1250.3m,校核洪水位1252.7m,死水位1248.3m,水库底标高约1240m。

隧道及斜井与该水库平面位置关系见图1。拟建高速公路隧道及斜井位于该水库东侧、东北侧,水库大坝与隧道左幅距离最近,约410m,库尾与高速公路隧道之间的最短距离约700m;水库大坝距离隧道斜井最短水平距离为470m,斜井与隧道交叉口位置底板高程954.53m,交叉口高程(954.53m)比水库的正常蓄水位(1250.3m)低295.77m。

高速公路隧道施工斜井在施工至FZK0+293时发生突发大的涌水现象。与此同时,相邻水库水位逐渐下降直至完全干涸。为分析该水库干涸的原因,评估隧道斜井开挖对水库渗漏影响,进行了相应调查分析,为水库后续的修复处理工作提供必要的水文地质依据。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

工程区地处黔北高原,属乌蒙山与娄山山脉的交汇处,区内山脉走向多呈北东向,与区域性构造线一致。山峦起伏,沟谷纵横,地形破碎,地势总体特征表现为中部高两端低。最高点位于啄子崖垭口,高程1566.3m,最低点位于北部五马河谷底部,高程821.8m,最大相对高差744.5m。隧道进口端为斜坡地形,自然坡度5°～20°;洞身段穿越山脊,最高点海拔1550.8m;出口端为斜坡地形,自然坡度25°～45°。隧道穿越的山体连绵起伏,轴线通过段地面高程在861.9m～1550.7m之间,相对高差688.8m。水库周边汇水范围内最高点海拔1432.5m,坝址岸坡山顶高程1317.5m～1372.5m。

根据地貌形成的内外营力和地表形态,可将区内地貌分为溶蚀地貌、侵蚀地貌两种类型。

2.1.1 溶蚀地貌

为境内较常见地貌类型,分布面积27.7km2,占调查总面积的61.1%,主要分布于区内的碳酸盐岩发育区,整体呈北东向展布。其岩溶组合形态有峰丛谷地、峰丛洼地、溶丘谷地。个体岩溶形态有溶沟、岩溶谷地、岩溶丘陵、落水洞、漏斗、伏流等。

2.1.2 侵蚀地貌

主要为隧道隧址沿线出露,分布面积17.68km2,占调查总面积的38.9%,主要发育于碎屑岩分布区,境内分布在沟头、崖脚一带,呈北东向展布。为带状分布的侵蚀、溶蚀低中山地貌,山体形态有塔状山、单面山、断块山等,地形切割较深,树枝状水系发育。

2.2 地层岩性

根据隧道施工斜井开挖,出露地层岩性主要有:第四系残坡积层(Qel+dl)可塑状粘土、含碎石粉质粘土、块石土,寒武系中、上统娄山关群(∈2-3ls)中厚层状白云岩,层间偶夹泥质白云岩、泥岩,寒武系中统高台组(∈2g)薄-中厚层砂质白云岩,层间夹泥质白云岩、泥岩,斜井基本位于地下水位线以下。隧道施工斜井工程地质剖面如图2所示。

图2 隧道施工斜井工程地质剖面

库区主要出露为寒武系中统高台组(∈2g)薄-中厚层砂质白云岩,层间夹泥质白云岩、泥岩。

2.3 地质构造

工程区位于扬子准台地黔北台隆-遵义断拱-毕节北东向构造变形区。隧道位于岩孔背斜北翼,回龙断裂位于隧道前1.5km。隧道区及库区岩层单斜,地质构造简单,岩层产状333°～40°∠20°～45°。

2.4 水文地质条件

2.4.1 地下水类型及动态特征

隧道隧址区及水库区主要出露寒武系下统至二迭统下统地层,据地层岩性、构造及地下水富水特征,地下水类型主要以碳酸盐岩岩溶水为主,其次为基岩裂隙水,碳酸盐岩与碎屑岩互层(或夹层)溶洞裂隙水再次之,局部存在松散堆积层孔隙水。

(1)第四系松散层孔隙水

主要赋存于山间洼地及斜坡下部沟谷边缘的第四系冲洪积、残坡积层中,表现较分散,具季节性,干旱时不含水,富水性差,水量贫乏。

(2)基岩裂隙水-碎屑岩弱含水岩组

主要分布在∈1n、∈1m、∈1j、O1m、S1l、P1l、P2l泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩、泥岩与局部夹砂岩、灰岩及煤层地带,为风化裂隙和构造裂隙水,顶托作用明显,多具上层滞水特征。由于沟谷发育,切割较深,泉水出露点较多,泉水流量0.1L/s～2.0L/s,个别裂隙密集带可达8.0L/s,地下径流模数1.0L/s·km2～2.8L/s·km2,富水性弱～中等。地下水沿岩层接触面出现,山高水高,常为附近村民重要的饮用水源。

(3)碳酸盐岩岩溶水

碳酸盐岩岩溶水依据含水介质组合及水动力特征又可进一步分为碳酸盐岩溶洞水、碳酸盐岩孔隙水两个亚类。

碳酸盐岩溶洞水-强岩溶含水岩组在场区主要赋存于∈1q、O1t+h、O2+3、P1q+m灰岩、白云质灰岩地层中,岩溶中等～强发育,节理裂隙发育,浅层岩石风化程度较高。含水介质以溶蚀裂隙、溶洞为主,局部有岩溶管道存在,含水性不均一,介质组合多样,变化较大,泉水流量5L/s～30L/s,最大达50L/s,地下水枯季径流模数5L/s·km2～7.8L/s·km2,富水性中等～强。地下水水位埋藏一般较深,地下水水力坡度较大。

碳酸盐岩孔隙水-中等岩溶含水岩组在场区主要赋存于Zbdn、∈2g和∈2-3ls白云岩、泥质白云岩地层中,白云岩、泥质白云岩节理裂隙发育,岩体破碎,完整性较差。含水介质以网状溶蚀裂隙、溶孔、小溶洞为主,含水层富水性均匀,水量较为丰富,地下水枯季径流模数3L/s·km2～4.97L/s·km2,地下水大都组成统一的连续水体。

2.4.2 地下水补给、径流、排泄特征

隧道区位于岩孔背斜北翼部突起山地,补、径、排较为多变,总体上长会土、尖山成、瓦房坡及锅坑山一带为补给区,北面隧道出口端五马河和南侧隧道进口端干河坝河及偏岩河为排泄区,地表水和地下水分别进入赤水河、乌江后均排往长江。

大气降水是区内地下水的主要补给来源,局部地段存在水库、水塘的相互补给,补给方式通过地表裂隙、溶隙、溶槽、落水洞下渗、注入,由于构造作用强烈,普遍发育的网状裂隙、溶隙及部分断裂有利于补给。地下水接受补给后,少量产生上层滞水,大部分以潜水形式赋存于碳酸盐岩、碎屑岩地层中。地下水岩性组合交错分布,具间互性。地下水从分水岭两侧各自向下运移,地下水分水岭与地表水分水岭基本一致。一般说来分水岭北侧,绕折的向斜轴部切出了贯通五马河,地下水多沿层面裂隙向沟谷、河谷径流,主流带清楚,形成有较强渗透水;分水岭南侧,岩孔背斜轴和翼部地形倒转掀斜,并有大量支沟横向相切,较好地揭穿叠置含水层,为重要排泄基面,地下水主要通过纵张裂隙顺层渗流,排往沟谷,其次,部分靠近河谷地下水以二次横张裂隙为导水脉络,直接向干河坝河及偏岩河排泄。

3 水库渗漏现象调查

当隧道斜井施工至FZK0+293时(高程987.8m),斜井左侧底部出现股状涌水,该处集中涌水量约4000m3/d-5000m3/d,水头约1.5m,水质逐渐变浑,呈黄色,但现场沉淀物少,水中混杂极细颗粒的悬浮物。次日,发现水库库水位出现下降,现场人员立刻组织技术人员对水库水位进行监测,根据《水库水位监测记录表》,2022年5月3日-2022年6月28日,水库库水位累计下降244.5cm,水库水位变化曲线如图3所示,水库最终完全干涸。

图3 水库水位变化曲线

根据现场查看、走访当地村民,水库库盆底部为1m～5m黄色淤泥质粘土,库底可见贝壳类残骸。水库干涸后,该层淤泥质土出现明显泥裂现象,裂缝张开5cm～30cm,裂缝可见深度0.5m～1.0m,泥裂现象如图4所示。在库盆内亦可见较明显塌陷坑,据调查,水库出现塌陷坑部位共有9个(见图5),据询问村民,水库水位下降期间,塌陷坑部位可见漩涡现象,据此判断塌陷坑部位基本与库区泉点(渗漏点)部位一致。此外,根据调查,斜井疏排水降落漏斗内的泉点、山塘也基本干枯。

图4 库盆泥裂现象

图5 水库库盆塌陷坑

4 渗漏影响分析

水库底标高约1242m,斜井FZK0+293标高为987.8m,埋深约370m,相对高差254.2m,比降40.7%。

根据地表地质测绘,整个水库库盆正常蓄水位淹没范围内出露均为高台组(∈2g)薄-中厚层砂质白云岩,层间夹泥质白云岩、泥岩,为弱-中等透水层,根据现场调查,水库库盆底部沉积有1m～5m黄色淤泥质粘土,水库干涸后可见明显龟裂现象,结合水库区地层岩性分析,水库建成后整个水库以该层黄色淤泥质粘土作为防渗铺盖,以下伏薄～中厚层砂质白云岩夹的泥岩作为相对隔水层。

库区岩层产状30°～40°∠20°～27°,岩层走向与隧道轴线夹角65°～75°,与斜井涌水段夹角65°～70°,均为大角度交汇。库坝址区岩体节理裂隙发育,受岩体风化及卸荷等影响,库坝址区主要发育两组构造裂隙:①N15°W/SE∠80°,延伸长度5m～8m,多闭合,发育密度5～8条/m;②EW/S∠70°,延伸长度2m～3m,多泥质充填,发育密度3～5条/m。两组裂隙呈大角度交叉共轭发育。在斜井与隧道交叉口下游山塘岸坡亦发育有两组裂隙:③N50°E/SE∠70°,延伸长度8m～10m,多闭合,发育密度5～8条/m;④N10°W/SW∠80°,延伸长度8m～10m,发育密度3～5条/m,强风化带张开0～5cm。其中第①、④组裂隙走向基本一致,第②、③组裂隙由水库向隧道及斜井方向延伸,对水库渗漏起控制作用。

根据地表地质测绘,水库区未发现大的断裂构造发育,项目区距离较近的F1断层位于水库西南侧,距离水库水平距离1.1km～1.5km。为张扭性平移断层,断层走向N15°～20°W,断层两盘地层岩性为寒武系中统高台组(∈2g)薄-中厚层砂质白云岩,层间夹泥质白云岩、泥岩,对水库蓄水影响小。水库区岩溶发育受地层岩性控制较为明显,在高台组(∈2g)薄-中厚层砂质白云岩,层间夹泥质白云岩、泥岩中,受泥岩的相对阻水影响,在岩性接触面附近,砂质白云岩常常出现溶蚀孔洞。

水库位于隧道ZK11+840左410m,距离斜井FZK0+293掌子面距离625.0m,水库底标高约1242m,斜井FZK0+293标高为987.8m,埋深约370m,相对高差254.2m,比降40.7%,根据斜井开挖揭露,斜井FZK0+293掌子面处于高台组(∈2g)薄-中厚层砂质白云岩,层间夹泥质白云岩、泥岩,与清虚洞组(∈2q)灰岩的接触带接近,在接触带附近,两侧岩性差异较大,同时受上述四组裂隙的影响,易于形成渗漏通道。

根据对干涸水库库盆调查及询问当地村民,水库蓄水前,库盆底部不同部位存在6个泉点,泉点基本为上升泉,水库库水来源也与泉点有很大关系,泉水补给库水;斜井FZK0+293发生涌水后,水库水位下降期间,泉点部位可见漩涡现象,漩涡部位与泉点基本一致,随着时间推移,漩涡愈加明显,出现库水位补给地下水情况,水库干涸后,水库库盆底部出现数个明显塌陷坑,塌陷坑部位基本与库区泉点(渗漏点)部位一致。此外,受斜井疏排水的影响,降落漏斗内的泉点、山塘也基本干枯,如斜井与隧道交叉口附近的S9及其下游山塘已完全干枯。

结合上述水库工程及水文地质条件、水库库水位下降监测情况、水库干涸过程情况、水库库盆底部塌陷坑位置分布情况、斜井FZK0+293揭露地质条件及涌水情况综合分析,水库高程高于隧道,水库没有暗河系统与斜井渗水量较大的洞段直接连通,其主要是通过溶蚀裂隙和孔洞产生直接水力联系,正常蓄水期间,库内泉水补给库水;斜井施工形成水力临空面,水库库盆原有的高台组(∈2g)砂质白云岩,层间夹泥质白云岩、泥岩及库盆底部粘土铺盖被击穿,库水沿溶蚀裂隙和孔洞短时间涌入斜井水力临空面;在斜井施工后,隧道斜井疏排水降低了工程区区域地下水位,改变了地下水的渗流路径,形成一定范围的降落漏斗,袭夺了水库的补给泉,造成库水位沿库区内泉点补给地下水,且同期降雨量明显偏少,从而导致隧道斜井西南面的水库干涸,并在库盆底部形成塌陷坑。

5 结论与建议

(1)隧道施工斜井与水库没有暗河系统与斜井渗水量较大的洞段直接连通,其主要是通过溶蚀裂隙和孔洞产生直接水力联系,正常蓄水期间,库内泉水补给库水。

(2)斜井施工形成水力临空面,水库库盆原有的高台组(∈2g)砂质白云岩、泥质白云岩夹的泥岩及库盆粘土防渗铺盖被击穿,库水沿溶蚀裂隙和孔洞短时间涌入斜井水力临空面,在斜井内形成大的涌水;斜井施工后,隧道斜井疏排水降低了工程区区域地下水位,改变了地下水的渗流路径,形成一定范围的降落漏斗,袭夺了水库的补给泉,库水位沿库区内泉点补给地下水,从而导致隧道斜井西南面的水库干涸,斜井施工疏排水是水库干涸的诱因。

(3)建议在隧道及斜井最终完成衬砌和封堵灌浆之后,在一个水文年内通过观察隧道及斜井段地表水源点的恢复情况,检测封堵后的地下水恢复效果。根据封堵后的地下水位恢复情况,对水库、隧道及周边水文地质条件作全面评估后,再研究水库防渗堵漏、补水方案或其他处理措施。