岩溶隧道勘察阶段涌水量计算方法探讨

２０１１年第５期　・西部探矿工程　１８１　隧道工程・　岩溶隧道勘察阶段涌水量计算方法探讨　王信普　，杨凤根　，吴　振　，拾　峰　（１．河海大学地球科学与工程学院，江苏南京２１００９８；２．山东省第四地质矿产勘查院，山东潍坊２６１０２１）　摘要：勘察阶段岩溶隧道涌水量的预测是隧道涌水量预测工作难点中的难点。从当今岩溶隧道涌　水研究的现状出发，找出勘察阶段岩溶隧道涌水量预测存在的问题，并分析其原因，通过总结以往工　程实例，得出一提高岩溶隧道在勘察阶段预测涌水量精度的方法，并辅以实例阐述。　关键词：工程勘察；岩溶隧道涌水量预测；涌水量计算方法　中图分类号：Ｕ４５６．３文献标识码：Ａ文章编号：１ＯＯ４—５７１６（２Ｏ１１）Ｏ５—０１８１—０４　岩溶隧道涌水量预测问题一直是水文地质学的一　个难点。近些年的研究在一定程度上取得了一些成果。　林传年［１］等人从岩溶水动力分带角度提出了较为合理　的岩溶隧道涌水量预测方法；涌水量反演计算法［２］、隧　道涌水曲线反馈分析法［３］及专家系统法　等也在工程　中得到了验证。但各种方法都有严格的适用条件，不同　工程往往受限于探测技术水平、地质条件和监测资料，　并不能得出合理的结果。至今尚未形成成熟的理论和　计算方法。隧道的建设有勘察阶段和施工阶段之分，勘　察可以指导施工，其重要性不言而喻。查阅近些年的文　献笔者发现，当今岩溶隧道涌水量的研究越来越倾向于　隧道的施工阶段。这对勘察阶段隧道的涌水量预测工　作并无多少改进。其主要原因为：勘察阶段勘探手段和　涌水量计算方法难以有所突破，所得预测结果精度不　高。故本文拟对勘察阶段隧道涌水量的计算方法作一　探讨。　１方法探讨与工程实例　法（包含降水入渗法）、解析法、地下径流模数法等。怎　样在现有的条件下提高勘察阶段岩溶隧道涌水量预测　的准确性是一个亟待解决的问题。　近年来的一些相关文章都是根据不同的地质条件　和岩溶发育状况，选择某种涌水量计算方法进行计算，　再与实际涌水量进行比较来验证该方法的可行性。然　而，对于一个问题最优的选择方法是否只有一个？或者　根本没有最优方法？这时是否可以尝试多种计算方法　并对不同计算结果进行分析，看能否得出较为满意的结　果？文献［１３与文献［１Ｏ］中不同学者采用不同方法对朱　家岩岩溶隧道涌水量进行计算，计算结果都和实际涌水　量相差不大。文献［１１］对中梁山岩溶隧道涌水量预测　采用了三种不同方法所得结果分别为：１２８３７ｍ３／ｄ、　１３０８３ｍ３／ａ、１３１０４ｍ３／ｄ，结果也基本一致。所以，对同　问题可以选择较为适合的几种方法计算，然后对结果　进行分析并导出合理的结论。　一从现阶段探测手段上来讲，因隧道勘察的范围广、　埋深大，一些先进的探测技术受限于探测精度，并不能　有效应用于勘察阶段。新近发展的一些涌水量计算方　法也多依赖于施工时的探测和监测结果。比如数值模　拟计算法，需要后期的地质勘测资料和用水量监测资料　来调整模型提高精度；再如反演法和隧道涌水曲线反馈　分析法的研究是完全建立在隧道涌水长期观测数据及　涌水曲线分析的基础之上；随机数学法［¨　更是离不开　尝试多种计算方法，分析其结果得出合理结论，必　须建立在对地质条件和岩溶发育状况调查尽可能详实，　所选计算方法基本适合的基础之上。为更好地阐述特　举一实际工程为例。　工程概况及地质条件分析：隧道位于重庆市酉阳　县，所建工程为城镇快速通道，为分离式双向隧道，双洞　之间的净距为２５ｍ。隧道进洞里程Ｋ０＋１１０，设计高程　６５８．３５ｍ，出洞口里程Ｋ４＋９４８，设计高程５８５．９ｍ，全　长４８３８ｍ，设计纵坡一１．５　。隧道洞净宽９．７５ｍ，洞高　７．５ｍ。隧道轴线走向为９１。，最大埋深５５５ｍ。　拟建隧道沿线第四系覆盖层分布零星，厚度一般小　涌水量资料。适宜于勘察阶段岩溶隧道涌水量计算的　理论方法仍是一些传统的方法［３，８－９］，如水理法、水均衡　＊收稿日期：２０１￣０６－２３修回日期：２０１０￣７—０１　基金项目：河海大学科技创新基金资助项目（２Ｏ８４／４Ｏ４０ｌ１１５）。　第一作者简介：王信普（１９８４一），男（汉族），山东聊城人，河海大学地球科学与工程学院在读硕士研究生，研究方向：水文地质工程地质。　１８２　西部探矿工程　２０１１年第５期　于５．Ｏｍ，槽谷地带厚度相对较大，最大厚度不大于　２０ｍ。下伏基岩为奥陶系下统分乡组、南津关组　布。拟建隧道所经位置属酉阳向斜的东翼。起点位于　酉阳向斜东翼近核部，隧道沿向斜的东翼展布，山脉走　［（Ｏ　）　＋力，寒武系上统毛田组（∈。　）、耿家店组　（∈。ｇ），寒武系中统平井组（∈ｚ　ｐ）、高台组（∈ｚ　ｇ）。　出露岩性主要有灰岩、白云质灰岩、白云岩、泥质白云岩。　对工程有重大影响的构造为酉阳向斜，近东西向展　向与构造线方向基本一致，地形呈东高西低之势。隧道　穿越地层依次为寒武系上统毛田组、耿家店组，寒武系　中统平井组、高台组。岩层产状为２６５。～２９０。Ｌ５。～　２Ｏ。，向斜中次级褶皱及断层极不发育（见图１）。　菱　ｆ　伽ｌ　灰岩ＤＫＩＯ００　云岩与荻岩互　００白云岩　寒武系毛田组地层Ｅ　０　—一　ＤＫＪＯＯＱ　鏖一臼　质灰岩　．　Ｊ　ＤＫ￣０００　　ｌ０００　ｇ　８００运　６００恒　Ｉ荻岩泥质ｎ云岩与灰质白云岩互　０９０　ＤＫ　匪　三团奥陶系南津关组地层［二三］地层分并线　［　三卫物探推测溶洞［二　［］水块段编号　Ｅ三三三］拟建隧道　叵圃　提号　［司水动力带分界线　［三习寒武系耿家店组地层臣　函较破碎基岩　图１隧道洞身纵断面图　工程区内多年平均降雨量为１２３８．３ｍｍ，丰沛的降　雨量是地下水的主要补给源泉；隧道穿越地层全部为可　溶性碳酸盐岩；工程区段位于垄基槽谷中山区，属中低　地表水体不发育，可采用地下水径流模数法计算。采用　以下计算公式：　Ｑ＝８６．４ＸＭＸＦ　（１）　山地貌区，高程６００　ｌＯ００ｍ，山顶高程ｉ０００￣ｌｌＯＯｍ，　落差较大有利于地表和地下水的流动。　隧址沿线地表岩溶十分发育，地表多为溶蚀峰丛及　洼地，落水洞、岩溶漏斗、洼地等沿构造线方向呈串珠状　排列。汇集在地表岩溶中的地表水大部分沿岩溶垂直　管道下渗，部分赋存在岩溶水平管道及溶蚀裂隙中。接　受补给后地下水一部分顺层流动，一部分受构造和地貌　式中：Ｑ＿＿用径流模数法求得的地下水天然径流量，　ｍ３／ｄ；　Ｍ一地下水径流模数，Ｌ／ｓ・ｋｍ２，采用平均径　流模数进行计算。平水径流模数取２２．７１Ｌ／ｓ・ｋｍ２；　Ｆ＿计算区的面积，ｋｍ２，采用１：５万区域水文　地质单元图相应补给区的面积，本工程取４４．９４ｋｍ２。　经计算，隧址区平均日径流量为８８１７９ｍ３／ｄ。考虑　到地下水通过暗河、泉等途径排泄至隧区范围之外，对　隧道有实际影响的地下水按照总径流量的８０　进行考　虑，即隧址区地下水总径流量为７０５４３ｍ。／ｄ。　２．２降水入渗法　的影响切层横向流动。隧道起点洞底村沿线的漏斗群　（高程：６５０￣６６０ｍ）以及出口本水溪东侧暗河出口（高　程：５００￣５１０ｍ）是地下水沿岩层面向向斜核部横向运　动、受地质构造及地形影响后的集中排泄点；隧址南侧　Ｇ３１９国道沿线大量的悬河或暗河出口（高程：４５Ｏ～　５００ｍ）￣是地下水顺层运动的排泄点。　经调查并结合钻孔、物探资料综合分析距离向斜核　部较远处为补给区，距离向斜核部较近隧道进洞口一带　６９０ｍ以下为饱水带。因此可得出：拟建隧道基本位于　岩溶发育垂直分带的浅饱水带和压力饱水带。９７０ｍ　以下为饱水带（见图１）。　青藏线关角隧道采用此法预测涌水量准确率达　８５％［引。本区属岩溶地区，岩溶地下水的补给来源主要　系大气降雨直接渗入，另外尚有大气降雨汇集成河水，　河水又渗漏补给地下水（间接渗人）。本水文地质单元　内没有大型河流（可忽略不计），因此可采用降水人渗法　来计算：　Ｑ＝２．７３２ＸｈＸＦ　（２）　２计算方法及计算结果的讨论　２．１地下水径流模数法　地下水径流模数法是岩溶隧道涌水量计算常用的　式中：　——渗入系数，取０．５２；　——Ｆ＿多年平均降雨量，ｍｍ，取１３８３．６ｍｍ；　含水层分布面积，ｋｍ。，实际量得　方法，中梁山隧道等用其计算取得了比较理想的结果。　根据其使用条件，本隧道属于山岭隧道，所通过岩溶区，　４４．９４ｋｍ。。　经计算，隧区大气降水渗入补给量为８８２６９ｍ３／ｄ。　２０１１年第５期　西部探矿工程　采用水平坑道疏干法计算。　１８３　．考虑到地下水通过暗河、泉等途径排泄至隧区范围之　外，对隧道有实际影响的地下水按照总径流量、补给量　的８０　进行考虑。经计算，隧道双洞平水期涌水量为　２．３．１计算块段的划分　隧区含水层主要为寒武系上统毛田组（∈。ｍ）和耿　家店组（∈。ｇ）白云岩及寒武系中统平井组（∈　）白云　质灰岩夹灰岩、白云岩。地下水为岩溶水，以潜水为主，　７０６１５ｍ３／ｄ。丰水期涌水量按平水期涌水量的３倍进　行考虑，即丰水期隧道涌水量为２１１８４５ｍ３／ａ。　２．３地下水动力学水平坑道疏干法　微承压。根据钻孔及抽水实验资料，含水层水位变化　大，其渗透能力差异较大。将隧道围岩按不同地层及岩　性划分为三个含水层组，各含水层组所处里程和渗透系　数（以现场抽水和压水试验结果为基础，结合隧址区岩　地下水动力学法属于传统方法中的解析法，历年来　该方法不断运用于工程，秦岭隧道涌水量的成功预测就　是运用此法。本区地质构造简单，岩性差别不大均为可　溶性碳酸盐岩，可采用地下水动力学方法来计算。在此　体完整程度、地区经验综合取值）如表１所示。　表１重庆市酉阳县某隧道含水块段划分表　２．３．２计算公式的选择　隧道穿越岩溶水地层，岩溶水赋存于层间错动带和　层间溶蚀裂隙带中，地下水受岩溶裂隙及管道控制，水　力性质介于承压水及潜水之间，计算公式采用承压一潜　水完整式坑道公式：　Ｑ—ＢＫ（２Ｓ一＾ＤＡ　Ｒ　（３）　．Ｂ——水平坑道长度，ｍ；　Ｓ——水平坑道疏干降深，ｍ；　Ｍ。＿一含水层厚度，ｍ；　Ｒ——水平坑道影响范围；　Ｋ——渗透系数，ｍ／ａ。　采用地下水动力学水平坑道疏干法计算隧道涌水　量成果如表２所示。　式中：Ｑ一水平坑道涌水量，ｍ３／ｄ；　表２重庆市酉阳县某隧道坑道涌水量疏干表　计算结果：隧道左洞涌水量３５１６２．６ｍ３／ａ，隧道右　洞涌水量３４５４４．０ｍ３／ｄ。　２．４涌水量计算结果分析与讨论　平均值作为预测值，故得出平水期隧道涌水量为　７０５７９ｍ３／ｄ。同区的渝怀线圆梁山隧道所穿越的岩溶　区，尤其主要涌水地段桐麻岭背斜处，地层岩性与本隧　分析上述三种方法计算的涌水量，采用地下水径流　模数法和降水人渗法计算结果差异较小。采用地下水　动力学水平坑道疏干法计算隧道涌水量时，由于岩溶水　分布不均匀、含水层的渗透性差别较大，计算结果与另　外两结果相比偏小，且总结运用地下水动力学方法计算　的不成功例子，与实际涌水量相比都偏小。鉴于用地下　道相同，而且在构造上同为褶皱的一翼。于本工程来讲　有较高的参考类比价值。为检验预测精度，特与同区渝　怀线圆梁山隧道相关资料做对比［１　］（见表３），结果显示　预测结果较为合理。　据调查统计，隧址区泉点动态变化雨季为枯季的　２～１Ｏ倍。本工程取平水期的３倍作为隧道丰水期的　涌水量，为２１１７３７ｍ３／ｄ。　３结论　水动力学计算结果与上述两种方法计算结果差别较大，　可尝试取地下水径流模数法和降水入渗法计算结果的　１８４　表３隧道涌水量对比　西部探矿工程　析口］．路基工程，２００８（２）：１４－１５．　２０１１年第５期　［８］蒙彦，雷明堂．岩溶区隧道涌水研究现状及建议［Ｊ］．中国　岩溶，２００３，２２（４）：２８７—２９２．　［９］张雷，赵剑，张和平．隧道涌水量预测的计算方法研究［Ｊ］．　公路交通技术，２００７（１）：１２１—１２３．　［１Ｏ］叶志华，韩行瑞，张高朝，李光辉．隧道岩溶涌水专家评判　勘察阶段岩溶隧道涌水量预测精度的提高，一方面　系统在朱家岩隧道涌水预报中的应用［Ｊ］．中国岩溶，　２００６，２５（２）：１３９－１４５．　有赖于先进的的探测手段，另一方面就是计算方法的突　破，这就需要继续加大研究力度。总结看来，做好岩溶　［１１］付开隆．渝遂高速公路中梁山隧道岩溶塌陷及涌水量分　析［Ｊ］．水文地质工程地质，２００５（２）：１０７－１１０．　［１２］刘招伟，何满潮，王树仁．圆梁山隧道岩溶突水机理及防　隧道涌水量的预测工作的前题是熟悉地质背景和查明　岩溶发育状况。在此基础上，要想提高涌水量预测的精　度，合理地选用多种计算方法，对结果进行对比分析，进　一治对策研究［Ｊ］．岩土力学，２００６，２７（２）：２２８—２３２．　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　Ｏｎ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　Ｒａｔｅ　ｏｆ　Ｋａｒｓｔ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｇｕｓｈｉｎｇ　ｉｎ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　Ｓｔａｇｅ　步减小误差，是一有效的方法。一些工程的实际运用　取得了比较理想的结果，证实了这一方法的可行性。本　文运用该方法对重庆市酉阳县某岩溶隧道涌水量进行　了计算。对用地下水径流模数法、降水入渗法和地下水　动力学坑道疏干法计算结果进行分析，得出：隧道平水　期涌水量为７０５７９ｒｎ３／ｄ，丰水期建议取平水期的３倍为　ＷＡＮＧＸｉｎ－ｐｕ　，ＹＡＮＧＦｅｎｇ－ｇｅｎ￣，ｗＵＺｈｅｎ２，ＳＨＩＦｅｎ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅａｒｔｈ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｏｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉ—　ｔｙ，ＮａｎｊｉｎｇＪａｎｇｓｕ　２１００９８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｎｏ．４　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　Ｉｎｓｔｉ—　２１１７３７ｒｎ３／ｄ。参照同区渝怀线圆梁山隧道相关资料分　析，表明预测结果较合理。　ｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｇｅｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍｉｎｅｒａｌ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｗｅｉｆａｎｇ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２６１０２１，Ｃｈｉａ）ｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｋａｒｓｔ　ｔｕｎｎｅ１　参考文献：　ｇｕｓｈｉｎｇ　ｉｎ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｓｔａｇｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｇｕｓｈｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　［１］林传年，李利平，韩行瑞．复杂岩溶地区隧道涌水预测方法　研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００８，２７（７）：１４６９—１４７６．　［２］王建秀，朱合华，叶为民．隧道涌水量的预测及其工程应用　［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００４，２３（７）：１１５０—１１５３．　ｓｔａｒｔｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｔａｔｅ　ａｂｏｕｔ　ｋａｒｓｔ　ｔｕｎｎｅｌ　ｇｕｓｈｉｎｇ，ｉｎ　ｒｅ—　ｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，ｔｈｅｎ，ｆｉｎｄｓ　ｏｕｔ　ｓｏｍｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｋａｒｓｔ　ｔｕｎｎｅｌ　ｇｕｓｈｉｎｇ　ｉｎ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｓｔａｇｅ，　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｔｈｅｉｒ　ｃａｕｓａｔｉｏｎｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｕｍｍａｒｉｚｉｎｇ　ｓｏｍｅ　ｅｎｇｉ－　［３］吴治生．不同地质边界条件岩溶隧道涌水量预测及展望　［Ｊ］．铁道工程学报，２００７（１１）：４８—６４．　［４］徐则民，黄润秋，罗杏春．特长岩溶隧道涌水预测的系统辨　识方法［Ｊ］．水文地质工程地质，２００２（４）：５０—５４．　［５］韩行瑞．岩溶隧道涌水及其专家评判系统口］．中国岩溶，　２００４，２３（３）：２１３－２１８．　ｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘａｍｐｌｅｓ，ａｑｕｉｒｅｓ　ａ　ｍａｔｈｅｄ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｉｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｋａｒｓｔ　ｔｕｎｎｅｌ＋ｇｕｓｈｉｎｇ　ｉｎ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｓｔａｇｅ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔＯ　ｅｘｐｌａｉｎ　ｉｔ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｉｃｋｓ　ｕｐ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｓｐｅｃｉａｌｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ；ｔｈｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓ—　［６］王东．灰色控制理论在隧道涌水中的应用［Ｊ］．路基工程，　２００８（６）：１４８—１４９．　ｃｈａｒｇｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｋａｒｓｔ　ｔｕｎｎｅｌ　ｇｕｓｈｉｇ；ｃａｌｎｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｄｉｓ—　ｃｈａｒｇｅ　ｒａｔｅ　［７］姜汶泉，张运良，安永林．灰色理论预测隧道涌水与实例分　（上接第１７８页）　ＣＺ１１—７异常由磁铁矿化条带状大理岩引起，具有　较好找矿潜力，该异常长轴可达１．８ｋｍ，短轴可达　１．０ｋｍ，虽然施工一钻孔未见矿，但见厚大的磁铁矿化　矽卡岩化条带状大理岩，ＴＦｅ的平均品位在９．１４　，经　参考文献：　［１］王根厚，王训练，余心起．综合地质学［Ｍ］．地质出版社，　２００８．　［２］古凤宝，吴向龙，姜常义．东昆仑华力西一印支期花岗岩组　合及构造环境口］．青海地质，１９９６（２）．　［３］张德全，等．东昆仑地区综合找矿预测及突破［Ｍ］．地质出　版社，２００２．　分析认为可能是深部岩浆热液上升过程中在远离岩浆　处形成了磁铁矿化矽卡岩化的条带状大理岩，在大理岩　［４］韩生福，章午生，田生玉，宋恩玉，等．青海省第三轮成矿远　与岩浆接触的部位可能存在厚大的磁铁矿体，具有找大　型铁矿床的前景。　景区划及找矿靶区预测报告［Ｒ］．２００６．