某水利枢纽交通洞涌水模式地质分析

时间：2024-07-28

李今朝，郭卫新，张党立，杨继华

(黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003)

0 引言

据统计，中国1988年前已建成隧道中的80%在施工中遭遇到涌水、突水灾害，总涌水量达到1 000 m3/d以上的有31座［1］。涌水问题是最常见的隧洞地质灾害，受岩性、构造、岩溶、水文、气候环境等多方面因素影响，涌水形成机制复杂多变，只有正确认识了隧洞涌水现象背后的地质成因机制，才能制定出经济合理的施工方案［2］。实践证明准确的超前地质预报可以有效减少涌水地质灾害的发生［3］。本文以某水利枢纽交通洞涌水为例，探讨分析了涌水的三种成因模式，突出了地质分析的重要作用，同时指出综合应用各种技术手段才能提高超前地质预报的准确性。

1 工程概况

交通洞工程区位于柴达木盆地东北缘的宗务隆山区，海拔3 300 m以上，地表切割强烈，地貌属于构造剥蚀山地。工程区气候寒冷干燥，日照强、降雨少，属于干旱、半干旱区。大地构造上处于东昆仑褶皱带与祁连褶皱系、秦岭褶皱带交接部位，历经多次构造运动，地质构造、节理裂隙极为发育。隧洞穿越地层为石炭系上统宗务隆山群(C3zh)，岩性以薄层状砂质板岩、泥质板岩互层为主，局部夹中厚层状大理岩、极薄层炭质板岩，岩层产状170°～350°∠75°～85°，受多期构造运动影响，岩层中节理裂隙发育，岩层中一般发育3～4组节理，风化卸荷垂直影响深度最大可超过100 m，围岩较破碎;地下水一般为线状滴水，过沟段出现股状涌水，围岩多为互层结构或碎裂镶嵌结构，总体以Ⅲ－Ⅳ围岩为主，前期勘察结论是局部存在涌水问题。

进场交通洞，起点桩号K1+707，终点桩号K3+461，总长1 754 m，纵坡降2%;交通洞断面为城门洞型，开挖洞径9．2 m，高约7 m，洞轴向由56°，转为近南北向351°，隧洞埋深20～400 m，设计标准是矿山Ⅲ级。2011年7月28日开始采用钻爆法施工，历时17个月，于2013年1月7日实现贯通。

2 涌水过程及施工方案

2．1 交通洞涌水过程

2012年11月21日，交通洞开挖至桩号K2+806，掌子面突然出现坍塌，并出现大量涌水，涌水量远超出了地质预报的结果，初步测算的涌水量约100 L/s;11月23日，掌子面开挖至K2+809，出现了更大的涌水，涌水量高达300 L/s以上，钻爆开挖只得停工。干旱山区存在如此丰富的地下水突破了前期勘测资料的认识。隧洞涌水引起了建设各方的高度关注。为查明隧洞涌水地质原因，施工单位在掌子面右下方布置了1个直径110 mm的超前地质钻孔，水平钻孔深16 m，孔口涌水最大水平喷射距离达12 m，显示隧洞附近存在强大的外水压力，掌子面前方存在着规模巨大的富水带。

为保证施工安全，施工单位首先对掌子面进行排水减压。在掌子面下方增加4个排水孔后，外水压力显著减小，钻孔水平喷射距离很快减小至4～5 m，但总的涌水量有所增加。随着排水孔的增加，排水孔水平喷射距离、涌水量逐渐减小，至12月7日，单孔涌水量显著减小至10～20 L/s，总涌水量减小为100 L/s左右，排水减压效果明显。12月27日，隧洞开挖至桩号K2+842，隧洞涌水仅出现在掌子面右侧边墙，洞内总涌水恢复到20～30 L/s的正常状态，最终确认强烈涌水段宽度为36 m。

2．2 涌水量观测

隧洞出现涌水后，在洞口位置设置观测标志，加强了流量观测，连续记录了37 d的观测数据。根据记录，可以做出洞口涌水流量随时间变化曲线(图1)，初步测算37 d内总的涌水量达到了54．45万m3。

图1 K2+806～K2+842隧洞涌水量随时间变化曲线Fig.1 Change curve of water inflow with time

2．3 涌水段施工方案

参与交通洞建设的四方经过充分的讨论，于2012年11月26日提出了涌水段的施工方案:①首先采用超前排水孔(管径110 mm)对掌子面充分排水，洞侧壁增加排水管，以保持围岩稳定;②加强初期支护，108 mm工字钢间距，由150 cm调整为80～100 cm;③沿顶拱部位布置一排超前小导管，间距30 cm，导管长4．5 m，斜上15°，并注浆封孔;④严格遵守短进尺、弱爆破、勤支护的原则;⑤加密涌水量观测、围岩收敛变形监测。施工单位耗时38 d穿越了强烈涌水段。

3 涌水模式地质分析

3．1 三种涌水模式的成因机制

通常情况下砂质板岩、泥质板岩、碳质板岩是隔水层，即使作为裂隙含水层，其富水性也是较差的。工程区属于干旱、少雨区，隧洞出现大规模涌水是异常的，一定有其独特的的成因机制，基于以上认识，现场地质工程师构建了断层富水带、连通地表沟水、向斜富水带3种涌水模式，以探讨涌水成因机制。

第一种涌水模式是将涌水成因归结于区域断层富水带。掌子面的有类似于断层带的特征，根据区域断层地质特征及已有素描成果，推测隧洞有可能遇到较大规模的断层带;断层带宽度20～30 m，补给源长达几千米，甚至更远，富水带通过断层带与临谷相连，即地下隧洞涌水有持续的远程补给。第一个超前地质钻孔探16 m，探测结果基本否定了断层富水带的存在。钻孔岩芯并未出现断层角砾岩、构造岩、断层泥等断层物质及其它断层迹象;孔口喷出水清澈、无异味、水质良好;围岩层面相当稳定，未见扭曲、变形现象，因而初步排除了区域断层富水带造成的涌水模式。

第二种涌水模式归结于与地表沟水相连通。交通洞出口上游有一常年流水支沟，支沟上游与洞向接近平行，地表沟水有可能与地下含水层存在密切水力联系。涌水段埋深大约140 m，前段素描资料显示垂直卸荷裂隙影响深度可达100 m以上，地表沟水完全有可能通过卸荷裂隙、构造裂隙、层面溶隙等与地表沟水相联系，把地表水直接导入洞内，造成隧洞持续涌水的现象。地质人员沿支沟进行了水文地质调查，在支沟上游发现一向斜构造，岩层倾向由北转向了南，上游支沟断流，没入地下，但浅层地下水依然有可能补给涌水段含水层。

第三种模式是向斜构造富水带模式。地表水通过风化、卸荷裂隙、构造裂隙下渗入向斜构造核部，经长年的聚集，形成了一定规模的富水带。隧洞桩号K2+773～K2+852之间为一向斜构造，上游产状倾向S:190°∠85°，下游岩层倾向 N:产状10°∠80°，向斜波长约90 m，向斜核部即为涌水段。地表调查显示涌水段位于一背斜构造的南翼，结合隧洞素描图的验证，绘出了复式向斜构造示意图2。

图2 K2+806～K2+842涌水段向斜构造示意图Fig.2 The synclinorium sketch of gushing area1．石炭系上统砂质板岩夹泥质板岩;2．石炭系上统炭质板岩夹大理岩;3．裂隙密集带;4．地下潜水位。

因该向斜为紧闭线性褶皱，推测其延伸长度为1 000 m。尽管向斜两翼由薄层状板岩夹大理岩组成，但由于其褶曲发育，岩层中卸荷裂隙、溶隙、裂隙密集带发育，由相对隔水层变成了含水层，证实了隔水层与含水层是相对的观点［4］。从掌握的资料来看，用向斜构造富水带模式解释隧洞涌水是最合理的。

通过涌水模式的地质分析，作者得出结论:隧洞涌水的根源主要是向斜富水带，是近源补给，富水带净储水量是有限的，涌水量会逐步减小，没有必要增加永久性排水工程措施，原排水沟设计可以满足运行要求。

3．2 估算涌水量

为了验证向斜涌水模式的合理性，又根据向斜富水带模型进行了涌水量估算。向斜富水带可以归为蓄水池简单管道自由出流模型。依据直径110 mm的水平排水孔(距洞底1．2 m)最大水平喷射距离为12 m，计算出排水孔口水流速度V=24 m/s。再根据管嘴自由出流流量计算公式［5］计算作用水头H。

式中:Q为管嘴流量(m3/s) ;μ0为流量系数取0．60;A为排水孔面积(m2);g为重力加速度9．8(m/s2);H为含水层厚度(m)。计算出隧洞上方含水层厚度H=81．6 m。

理想条件下向斜裂隙密集带的给水度的值接近岩体的裂隙率，向斜富水带的给水度μ≈0．1(含有溶隙率)。向斜岩层倾角按80°计算，储水带呈一梯形槽，梯形的横截面积S≈4 000 m2，根据调查结果推测向斜槽的长度为L=1 000 m，则其储水量Q1=μ·S·L，计算得富水带裂隙释出水量为40×104m3。根据洞口实际观测的流量，37 d的总排水量为54×104m3，估算涌水量小于实际涌水量，说明了向斜富水带实际集水面积要大于计算条件。