隧洞涌水量预测：水文地质勘察

当隧洞穿越松散含水层,或穿越饱水断层破碎带,或穿越含水的岩溶洞穴时,必须对隧洞进行涌水预测。在涌水预测中,不仅要预报出洞身的涌水量,而且要预报出集中涌水的准确地段、涌出的形式及方式,以便有效地设计排水方式,准备排水设备和选择正确的排水方法。

10.4.3.1 隧道衬砌前涌水量的预测

目前隧道涌水量的预测方法主要有确定性数学模型和随机性数学模型两大类[42]。

1.确定性数学模型方法

隧道涌水量预测的确定性数学模型方法包括水文地质类比法、水均衡法、水力学法、地下水动力学法、数值法等。

(1)水文地质类比法。即通过对水文地质条件已知的地区与隧道所在的未知区对比,估算出隧道涌水量,即为水文地质类比法。常用的有两种:流量比拟法和径流模数法。

1)流量比拟法。当隧道所在的地区水文地质条件变化不大,含水层比较均匀时,涌水量计算采用以下公式[42]:

式中:Q为隧道的涌水量,m3/d;Q0为导坑或已开挖的隧道中的涌水量,m3/d;F为正洞过水断面面积,即洞断面周长乘以洞长,m2;F0为导坑的过水断面面积,m2;S为正洞的地下水水位降低值,m;S0为导坑的地下水水位降低值,m。

2)径流模数法。山区河流的枯水期流量,可作为地下水的补给量。因此隧道的涌水量可用下式计算[42]:

式中:Q为隧道的涌水量,m3/d;Qc为地表水枯水期流量,m3/d;L为隧道通过该汇水面积长度,m;l为地表水干流长度,m;h为干流系数(一般为0.5～0.6);其他符号同前。

(2)地下径流深度法[42-43]:

其中　

及　

式中:Q为隧道通过含水体地段的正常涌水量,m3/d;2.74为换算系数;h为年地下径流深度,mm;A为隧道集水面积,km2;W为年降水量,mm;H为年地表径流深度,mm;E为年蒸发蒸腾量,mm;SS为年地表滞水深度,mm;L为隧道通过含水体地段的长度,m;B为隧道涌水地段L长度内对两侧的影响宽度,m。

(3)地下水动力学法。地下水动力学法估算隧道涌水量的公式很多(可详查文献[42-43]),此仅介绍其中常用的几个经验解析法公式。它们是根据施工前和施工初期的勘测资料来估算裂隙围岩型隧道初期最大涌水量q0、经常涌水量qs、递减涌水量qt的。具体公式如下:

1)初期最大涌水量估算式[43-44]。

大岛洋志公式为:

铁路勘测规范中的经验公式为:

式中:q0为隧道通过含水裂隙岩体单位长度的可能最大涌水量,m2/d;K为岩体的渗透系数,m/d;H为含水层中原始静水位至隧道底板的垂直距离,m;r0为隧道洞身横断面的等价圆半径,m;d为隧道洞身横断面的等价圆直径,m;m为转换系数,一般取0.86。

2)递减涌水量qt的估算。

在施工初期隧道最大涌水量q0随着时间t的延长而逐渐减少,自q0至比较稳定的经常涌水量qs中间的流量过程称为递减涌水量qt。其计算式采用佐藤帮明公式[44]:

式中:为试验系数,一般取12.8;t为t0～ts之间的递减时间,d;λ为岩体裂隙率,一般可用面裂隙率λ=A1/A2表示,其中A1为所测量各裂隙面积之和,m2;A2为所测量的岩体面积,m2;B为衬砌前隧道洞身净宽度,m;其余符号意义同前。

其中,稳定流量出现的时间为:

3)经常涌水量qs的估算[44]。

落合敏郎公式为:

铁路勘测规范中的经验式为:

其中　

式中:qs为隧道洞身单位长度正常涌水量,m2/d;h0为隧道内排水沟假设水深,m;R为隧道涌水影响半径,m,可根据式(11-42)或式(10-56)求得;其余符号意义同前。

(4)同位素氚法。根据含水体的地下水流向,沿水平方向或垂直方向,在较短距离内采取水样测定氚的含量,求出相对时间差,据此算出地下水的实际运动速度和大概的涌水量。当隧道通过潜水含水体或富含裂隙的岩体时,可采取此法。估算式为[43,45]:

其中　

式中:Q为隧道通过含水体地段的正常涌水量,m3/d;L为N0与Nt两样品间的距离,m;n为含水体的孔隙度(裂隙度);A为隧道的集水面积,m2;t为雨水从入渗点渗流到隧道的时间,年;N0为入渗处雨水中氚的含量,TU;Nt为渗入隧道的水样中地下水氚的实测含量,TU;40.727为换算系数。

(5)数值法。在一些复杂的水文地质条件下,当隧道或地下工程无法运用解析法求预测涌水量时,可采用数值模拟法。其模拟的基本原理是,把地下水渗流微分方程的定解问题转化成系列线性方程组的求解问题。利用计算机进行反演计算,求水文地质参数(渗透系数和弹性储水系数),然后进行正演计算,预测突水量、水头压力和涌水时间等。

按数值计算方法,它可分为有限差分法、有限单元法和边界元法。

2.非确定性数学模型方法

在隧道及地下工程涌水量预测中,由于地质和水文地质条件的复杂性和不定性,及施工方式的多样性,在运用确定性数学模型时,因为水文地质条件的一些基本要素难以详尽研究,使定解条件的概化失准,从而影响了计算的精度。但如果把隧道和地下工程的含水围岩视为一个集中参数系统,用系统理论和信息理论的方法,只需考虑该集中参数系数的输入信息(如具有补给关系的降雨量,具有水力联系的河流水位,系统外的地下水补给量等)以及输出信息(如隧道涌水量、泉流量、地下水位等),或仅考虑输出信息(如隧道涌水量、泉流量等)的变化规律,以此来建立隧道涌水量的某种定量关系式,从而预测其涌水量。目前,非确定性数学模型预测隧道涌水量的方法主要有“黑箱”理论、灰色系统理论、时间序列分析、频谱分析等[42]。

3.各种预测方法的特点及适用条件

比拟法是应用类似的隧道水文地质资料来计算,它立足于勘探区与借以比拟的施工区条件一致。因此,这种方法的预测精度取决于试验段和施工段的相似性,两者越相似则精度越高,反之则越差。比拟法适用于已开工的隧道,它通过导坑开挖的实测涌水量来推算主坑涌水量,或用主坑已开挖地段的实测涌水量来推算未开挖地段的涌水量。因此,此法仅适用于地质条件比较均一,与比拟地段的水文地质条件相似,且涌水量与隧道体积成正比的条件。

水均衡法是根据水均衡原理,查明隧道施工期水均衡各收入、支出部分之间的关系,进而获得施工段的涌水量。当施工地段地下水的水文地质条件较简单(如分水岭地段、小型自流盆地等)时,采用水均衡法可取得良好的效果。但是,使用水均衡法计算时,由于天然水均衡场受到隧洞开挖等因素的影响,使渗入系数、均衡期、最大涌水量、起峰期等参数难于确定。这些问题长期妨碍着水均衡法在隧道涌水量预测方面的广泛应用。

解析法在隧道涌水量计算中应用较为普遍,常用稳定流(裘布依公式)或非稳定流理论(泰斯公式等)计算水文地质参数,再以水平集水建筑物的水量计算公式结合隧道的边界条件、含水层的特征等选用认为适合于隧道涌水量计算的公式。

水文地质数值计算法适用性较强,只要建立的定解问题能真实地反映客观地质及水文地质体,往往能取得较好结果。但它对勘探试验的要求高,因而勘探成本也高,此外其计算工作量大,不甚方便基层技术人员广泛采用。

随机性数学模型法适用于因水文地质条件复杂和不确定性致使一些基本要素(如含水层的非均质性、地下水径流特征、补排关系等)难以查清,定解条件又不易准确概化的隧道。所需数据一般较易获取,方便、快捷。它可以大致定量预测涌水量的大小,甚至在岩溶隧道的初测、定测阶段也可用之。

10.4.3.2 防渗后隧洞的涌(渗)水量的估算

如果隧洞在开挖时采用超前钻预注浆开挖方法,后期的应急加固进行了帷幕灌浆,帷幕超过了未来开挖隧洞的范围,隧洞开挖时的洞内渗(涌)水量则取决于帷幕范围内岩体的透水性,此时可选择防渗帷幕范围内岩体的渗透系数来计算隧洞洞内的涌(渗)水量。

图10-21　隧洞渗水量计算示意图(单位:m)(据　张怀军,2002)

H—上覆含水层厚度;h—隧洞埋深;d—隧洞直径;T—含水层的厚度

隧洞涌(渗)水量,取决于围岩所处的地层岩性、构造、地下水的特征等三个主要地质条件。如隧洞埋藏于地下水含水层内,在诸多不利地质条件下隧洞的涌(渗)水难以预测,但如在形成隧洞开挖前做了防渗帷幕,有效限制了外水内渗后,隧洞开挖时的边界条件便如图10-21所示。其涌(渗)水量的计算便可采用水动力学法或水文地质比拟法等方法进行。

1.水动力学法

依据帷幕范围内岩体渗透系数的大值平均值,进行隧洞相应洞段涌(渗)水量计算,选用《水文地质手册》计算公式[39]:

式中:Q为隧洞渗水量,m3/d;B为隧洞计算长度,m;K为岩体渗透系数,m/d,按式(5-9)计算;H为上覆含水层厚度,m;h为隧洞埋深,m;d为隧洞直径,m。

2.水文地质比拟法

依据探洞应急加固后的洞内分段观测的渗水量,计算出单位面积渗水量,然后计算隧洞的不同地段渗水量,其计算公式为[39]:

式中:Q1为隧洞渗水量,m3/d;q0为探洞单位面积渗水量,m3/d;F1为隧洞断面周长乘以隧洞计算长度,m2;Q为探洞应急加固后不同地段的渗水量,m3/d;B为探洞断面周长,m;L为探洞的计算长度,m。

10.4.3.3 岩溶隧洞涌水量的估算

对于岩溶管道比较发育的隧洞,由于其地下水运动已不属于达西流,其涌水量的计算不能再用地下水动力学有关公式进行了。此时,对其涌水量的预测还可采用以下方法:

(1)水文地质类比。其预报的成功率主要取决于技术人员的实践经验。林玉山等(2007)在锦屏二级电站通过试验探洞、辅助洞的开凿,采用水文地质比拟法,类比试验探洞和辅助洞,对引水主隧洞可能的涌水量、涌水部位进行预测,结果证明该方法很有效[46]。

(2)水均衡法。水均衡法能给出任意条件下进入施工地段的总的“可能涌水量”,而不能用来计算单独隧道的涌水量。当施工地段地下水的形成条件较简单时,采用水均衡法有良好的效果,如分水岭地段、小型自流盆地等。水均衡法的关键是均衡式中各均衡要素的测定,而在岩溶山区要解决此问题比较困难,因为在天然条件下水均衡的关系在隧道施工中常常遭受强烈的破坏,如强烈的降压疏干使地下水运动的速度和水力坡降增大等。水均衡法虽然有种种不足,但它有一个最大的优点,就是能在查明有保证的根本补给来源的情况下,确定隧道的极限涌水量值。因此在补给源有限时,它可以作为核对其他方法计算结果的一种补充性计算方法。利用水均衡法预测隧道涌水量也有成功的例子,如:胜竟关隧道采用均衡法预测最大涌水量为95510m3/d,实际涌水量为92000m3/d;平关隧道采用此法预测最大涌水量为113100m3/d,实际涌水量为108600m3/d[36]。

(3)数理统计法。20世纪90年代中期,国电公司华东院和中国地质科学院岩溶所联合组成研究组试用数理统计外推法进行岩溶隧道涌水量预测。其做法是通过2条5km勘探平硐的涌水资料,按涌水点最大涌水量分组,对各组的涌水量和涌水点个数进行回归分析,得出统计曲线,然后把曲线外推预测勘探洞单点的最大涌水量。施工证实,这两条辅助洞(A洞、B洞)的实际涌水量未突破这一预测量[46]。

(4)水文法计算法。欧阳孝忠(2005)认为,水工隧洞的最大岩溶涌水量多发生在连降暴雨之后,暴雨越大,涌水量也越大,这为用水文法计算水工隧洞的岩溶涌水量提供了前提条件。其计算式为[47]:

式中:Qy为隧洞涌水量,m3/s;Qj为最大径流模数,m3/(s·km2),采用当地岩溶泉观测得到,或根据当地中、小河流实测得到,或根据当地常年暴雨量计算得到;I1-1为水工隧洞与岩溶管道水水平面上接触关系的折减系数(表10-2);I1-2为水工隧洞与岩溶管道水铅垂剖面上接触关系的折减系数(表10-2);I1-3为水工隧洞与所处岩溶管道水补给、径流、排泄不同区域的折减系数(表10-2);I2为岩溶管道水补给特征折减系数(表10-2);I3为岩溶管道水出流特征折减系数(表10-2);S为岩溶管道水集雨面积,km2。

表10-2　折减系数表(据　欧阳孝忠,2005)

注　1.外源集中流补给指来自非可溶岩或弱可溶岩区地表的补给,入口为盲谷者,补给畅通;入口为海子者,补给不畅通。
2.向心集中流补给是指通过岩溶洼地或落水洞的垂直补给。洼地排水不畅,产生滞积现象。
3.越流补给是指岩溶管道水与水工隧洞之间有弱可溶岩或非可溶岩间隔,通过裂隙补给。
4.多湖泉的形成,表明岩溶管道具有独立性。

(5)隧道施工期地质超前预报[36]。隧道施工期地质超前预报由来已久,国外如英、法、日、德等国家均将此列为隧道工程建设的重要研究内容。在我国,隧道施工期地质超前预报研究始于20世纪50年代末,但真正应用于隧道工程建设(或其他地下工程)是在20世纪70年代,以我国工程地质界老前辈谷德振教授等根据矿巷施工进度和掌子面地质性状作出的矿巷前方将遇到断层并将引发塌方的成功预报为序,开始了我国隧道施工期地质超前预报的研究和应用,现在已取得了很大的进步。

纵观目前国内外隧道施工期地质超前预报技术,基本上有以下几种方法[36]:

1)地质分析法。主要包括地质素描法和超前平行导洞(坑)法。地质素描法主要是根据施工期掌子面地质条件,来预报隧道掌子面前方存在的断层、不同岩类间的接触界面、隧道前方围岩的稳定性及失稳破坏形式等。超前平行导坑(洞)法主要是利用施工前的平行导坑的地质资料推测隧道将遇到的地质情况从而进行预报。这两种方法都是以地质资料为基础,采用推测、对比等手段对隧道进行地质超前预报。它们的定量水平虽然不高,但其简单易行,且成本低廉、不占用施工时间,是目前隧道施工前期地质超前预报的一种常用方法,尤其是平行导洞法,该法比较直接,成本低,在岩溶发育极不均一的地区如与物探技术结合能收到较好的效果[36]。

2)钻探法。目前常用的钻探方法为水平钻速法。水平钻速法是根据台车水平钻速(一般指每钻进20cm所需的时间)的快慢和钻孔回水的颜色来判断前方掌子面围岩的岩性、构造及岩石的破碎程度。该方法简单可行,快速实用,不占施工时间,但也受到一些因素的影响,诸如钻机钻压的不稳定,钻孔的平行性,钻孔过程中卡钻现象等。

3)物探法。物探法是目前隧道地质超前预报较为先进的方法,主要有声波测井法、声波透射法和声波反射法。目前人们已根据这些方法研究出了许多先进的仪器设备,如声波探测仪、地震仪、红外线探测仪、地质雷达和目前最先进的TSP系统[36]。目前国外常用的系统是TSP—202(203)。TSP地质超前预报系统是目前利用物探方法进行施工地质超前预报诸多系统中较为有效的一种,它由四大部分组成,即人工震源、传感器单元、记录单元和分析处理解译单元。1996年我国首次引进这一系统,它的预报距离为地质雷达的4～12倍,预报费用却仅为超前水平钻探的1/20～1/10。迄今我国已用TSP 202预报系统进行过一次试验性预报和约30次生产性预报,经开挖施工验证,其预报结果与实际地质情况基本吻合[36]。

4)综合方法。综合方法主要是根据隧道的水文地质环境、地形地貌特征、岩溶发育特征等因素而采取多种方法结合对隧道进行地质超前预报的方法,在应用中讲究因地制宜,具体问题具体分析,因此需要作大量详尽的地质调查工作[36]。