化屯隧道涌水量预测与分析研究

化屯隧道涌水量预测与分析研究

王健

中国一冶集团有限公司 湖北武汉 430081

摘要：高速公路隧道尤其是长隧道一般都是建设项目中的控制性工程，开挖过程中如遇到涌水突泥等不良地质现象，必定对工程施工造成不利影响。化屯隧道开挖过程中出现了强烈的涌水。本文以化屯隧道为例，选取受断裂构造带控制涌水的代表性洞段，采用地下径流模数法、降水入渗系数法与地下径流深度法分别对研究段涌水量进行统计计算。结果显示：隧道Zk172+156~Zk172+206段预测最大涌水量为106240.3m³/d，与实际开挖最大涌水量99641m³/d基本吻合。该计算方法所得的涌水量更加贴合工程实际情况，对于该地质条件下的涌水量计算有着更强的适配性。

关键词：涌水量预测；地下径流模数法；降水入渗系数法；地下径流深度法

1引言

隧道涌水预测研究已经有近半个多世纪的历史，根据隧道环境地下水所处地质体性质、水文地质条件、施工方式等因素，国内外学者提出了隧道涌水量预测计算的确定性数学模型和随机性数学模型两大类方法。其中确定性数学模型方法包括水文地质比拟法[1]、径流模数法[2]、简易水均衡法[3-4]和数值模拟法等。其中，王建秀[5]等学者对隧道涌水机制及其涌水量的预测进行了研究，推动了隧道涌水问题的发展，并且丰富了涌水量预测计算的相关方法。

深埋隧道的涌水量预测由于其具有埋深大、地质勘察难度大等特点，在预测上难度较大。本文以化屯隧道为例，在开挖时产生了高压大流量涌水，涌水量预测具有一定的难度。因此，使用合适的涌水预测方法准确预测隧道涌水类型、部位、涌水强度及涌水量对隧道建设而言至关重要。

2隧址区地质条件概述

化屯隧道，位于崇左市大新县榄圩乡岜光村光屯和榄圩乡新球村化屯，隧道进出口附近有村道通路，交通情况一般；进口位于大新县榄圩乡反屯和陇助境内，出口位于大新县榄圩乡化屯境内。化屯隧道设计为小净距+分离式长隧道，左线长1800m，右线长1811m，纵坡为进口端为2.1%，出口端为-0.65%。隧道最大埋深约348m，出口端洞门形式为端墙式，设计时速100km/h。

隧址区分布地层主要为第四系全新冲洪积层红黏土、崩坡积层块石土及泥盆系上统榴江组上段石灰岩。隧址区周边未见断层、褶皱等大的地质构造，隧址区总体属于单斜地层，岩层产状130°∠25°。主要发育两组裂隙：①160°∠75°，裂面微张，间距0.4-1.0m，延伸3-5m，偶有泥质充填；②245°∠70°，裂面微张，间距0.4-1.5m，延伸3-5m，偶有泥质充填。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)，本区地震动峰值加速度0.05g，地震动加速度反应谱特征值为0.35s，地震基本烈度为Ⅵ度，地震分组为第一组。隧道属岩溶峰丛洼地—谷地地貌区。

隧址区地表水不发育，主要为雨季时形成的地表面流，汇集和排泄大气降水，主要由高处向低洼地段汇集排泄，其自然排泄畅通。隧址区地下水可分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水两种类型。

松散孔隙水赋存于残坡积碎石土中，含水层总体厚度较小，分布不稳定，多处于隧道进出口，贮水条件较差，易渗透流失，仅降雨期间有水，非降雨期间多呈干涸状，应注意降雨期间特别是强降雨期间地表面流对洞口附近的冲刷破坏作用，防止发生危岩体崩塌、堆积碎石土的滑移，宜采取截流、疏排，危岩体、堆积碎石土清除或加固措施。

根据区域调查，隧道洞底高程以上无常年水流，在雨期出现暂时性水流，常年性岩溶水等地下水位于洞底高程以下，区域排泄基准面低于洞底高程。

隧道进洞口处斜坡坡角约为35-80°局部地形陡峭；出洞口段位斜坡坡角约25-70°。隧址区最高位于山顶，标高638.9m，最低标高点位于隧道出口外侧，标高242.20m，相对高差达396.70m。隧址区整体植被茂密，局部陡崖处可见较大面积的基岩裸露。

3涌水量预计算

根据工程地质勘察资料及水文地质调查分析，本文拟选取如下三种方法计算隧道涌水量：

（1）地下径流模数法

（1）

式中：Q——隧道通过含水体地段的涌水量(m³/d)；

M——地下径流模数(m³/d.km²)；

A——隧道集水面积(km²)。

（2）降水入渗系数法

_（2）

式中：Q——隧道通过含水体地段的涌水量(m3/d)

a——降水入渗系数；

η——隧道涌水系数；

A——隧道集水面积（Km²）；

X——日降水量(mm)；

（3）地下径流深度法

_（3）

其中： ，A=L·B

式中：Q——隧道通过含水体地段的正常涌水量(m³/d)

2.74——换算系数；

h——年地下径流深度（mm）；

W——年降水量(mm)；

H——年地表径流深度（mm）；

E——年蒸发量（mm）；

S——年地表滞水深度(mm)；

L——隧道通过含水体地段的长度（Km）；

B——隧道涌水地段L长度内对两侧的影响宽度(Km)；

按上式（1）、（2）、（3）计算方法，计算结果见表1、表2、表3。

本文中，式（1）及式（2）中的隧道集水面积A在1:1万地形图上直接圈定计算，根据大坪山隧道通过地区的地形地貌特征，以大坪山最高峰为分水岭将汇水面分为Ⅰ、Ⅱ两部分，其中A_Ⅰ=28.45Km²，A_Ⅱ=15.61Km²。

表1地下径流模数法隧道涌水量计算表

表2大气降水入渗法隧道涌水量计算表

表3地下径流深度法隧道涌水量计算表

4总结

径流模数法反映的是区域性地质条件而得出入渗量，对于水平径流区则具有更强的合理性。若以此作为深埋隧道洞身涌水量，可能存在较大出入。

降水入渗法的难点在于降水入渗系数和涌水折减系数的选取，如果能充分考虑地质条件对上述参数的影响，恰当选取上述参数，计算成果具有一定的可信度。

根据上述计算成果，根据隧址区工程地质和水文地质条件，建议采用大气降水入渗法计算结果，全隧道正常涌水量为12292.01m³/d，最大涌水量106240.3m³/d。

参考文献

[1]陈宏峰，夏日元，梁彬．鄂西齐岳山地区岩溶发育特征及其对隧道涌水的影响[J]．中国岩溶，2003(4):33－37．

[2]潘明明．地下径流模数法参数优化研究[D]．成都:西南交通大学，2011．

[3]徐国锋，杨建锋，陈侃福．台缙高速公路苍岭隧道水文地质勘察与涌水量预测[J]．岩石力学与工程学报，2005(增2):5531－5535．

[4]王媛，秦峰，李冬田．南水北调西线工程区地下径流模数、岩体透水性及隧洞涌水量预测[J]．岩石力学与工程学报，2005(20):75－80．

[5]王振宇，陈银鲁，刘国华，等．隧道涌水量预测计算方法研究[J]水利水电技术，2009，40(7):41－44．