陳先蘭，王宇馳，呂 玲，張勤麗

(1.荊門市民防辦公室，湖北荊門 448124;2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034)

仰頭山隧道巖溶水文地質(zhì)特征及涌突水預(yù)測(cè)

陳先蘭1，王宇馳2，呂 玲2，張勤麗2

(1.荊門市民防辦公室，湖北荊門 448124;2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034)

仰頭山隧道是重慶市黔江—湖北省恩施高速公路重難點(diǎn)和控制性工程之一，需穿越二疊系、三疊系巖溶發(fā)育區(qū)，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。從巖溶發(fā)育特征、含水巖組富水性、地下水系統(tǒng)特征、地下水結(jié)構(gòu)特征等論述隧道巖溶水文地質(zhì)特征，采用降雨入滲法、徑流模數(shù)法、古德曼公式法、裘布依公式法等多種方法進(jìn)行隧道涌水量預(yù)測(cè)，并結(jié)合巖溶管道發(fā)育分布特征，討論可能發(fā)生突水突泥的區(qū)段，為隧道涌突水防治及環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)。

隧道;巖溶;水文地質(zhì)特征;涌水量預(yù)測(cè)

0 引言

仰頭山隧道是重慶市黔江—湖北省恩施高速公路重難點(diǎn)和控制性工程之一［1］，隧道全長(zhǎng)5 385 m，為分離式雙洞隧道，單洞設(shè)計(jì)寬10.25 m，高5 m，最大埋深466 m，線路縱坡1% ～1.52%，隧洞總體呈近東西向展布，橫穿軸向北東—北北東的黔江背斜、龍泉洞向斜，跨越三疊系大冶組、茅口組、棲霞組等碳酸鹽巖含水巖組，水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，可能導(dǎo)致巖溶突水突泥，將對(duì)隧道建設(shè)產(chǎn)生重要影響。本文在綜合分析研究仰頭山隧道水文地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，對(duì)隧道涌突水進(jìn)行初步的分析預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，為隧道涌突水防治及環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)。同時(shí)為類似條件下隧道巖溶涌突水防治提供借鑒。

1 地質(zhì)環(huán)境條件概況

隧道區(qū)屬渝東構(gòu)造侵蝕溶蝕中低山地貌［2］，山體走向與主構(gòu)造線一致，呈北北東—北東向展布，總體地勢(shì)為北西高，南東低，東側(cè)，北東側(cè)及南西側(cè)分別被阿蓬江及其右岸支流段溪河，黔江河圍限，整體呈現(xiàn)三條溪河與巖溶槽谷圍限的河間地塊，北西部撮箕山最高，海拔1 130 m，東部阿蓬江河床高程420～430 m。

仰頭山隧道區(qū)出露地層主要以海相沉積的碳酸鹽巖為主，間少量陸相沉積碎屑巖。黔江復(fù)背斜核部出露志留系碎屑巖，北西翼由泥盆系—二疊系地層組成［3］，地層產(chǎn)狀 290°∠10°～30°;南東翼依次出露泥盆系—三疊系嘉陵江組地層，地層產(chǎn)狀120°∠40°～70°。

2 巖溶水文地質(zhì)特征

2.1 巖溶發(fā)育特征

區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育具有明顯的成層性、不均勻性和垂向分帶性等特征。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，區(qū)內(nèi)落水洞、漏斗(38處)多集中于山盆期第一亞期(高程1 000～1 200 m)、二亞期巖溶臺(tái)面(高程750～1 000 m);溶洞則集中發(fā)育于920～1 030 m、730～750 m、430～660 m高程，具有明顯的成層性分布特點(diǎn)。

巖溶發(fā)育具不均勻性，地形上巖溶集中發(fā)育于剝夷面槽谷洼地中;就構(gòu)造部位而言，巖溶集中發(fā)育于向斜近核部地帶和巖相變化帶附近;地層上大型巖溶形態(tài)則主要發(fā)育于二疊系下統(tǒng)、上統(tǒng)長(zhǎng)興組、三疊系下統(tǒng)地層分布區(qū)。

此外巖溶發(fā)育還具有向深性與垂向分帶性特點(diǎn)，溶蝕溝槽中嵌套洼地，洼地中套置落水洞現(xiàn)象多見，巖溶發(fā)育在垂向上大體可劃分為垂向洞隙帶、水平管道帶、深部孔隙帶，巖溶形態(tài)各具特色?？傮w而言，隧道區(qū)巖溶多具順層、沿構(gòu)造線發(fā)育的特征，隧道工程主要從垂向洞隙帶與水平管道帶之間穿越，巖溶槽谷溶洞等大型巖溶形態(tài)方向多與主構(gòu)造線近于一致(見圖1)。

2.2 含水巖組富水性

(1)強(qiáng)富水 強(qiáng)透水的碳酸鹽巖含水巖組:三疊系嘉陵江組(T1j)、三疊系大冶組下段(T1d1)、二疊系長(zhǎng)興組(P2c)、茅口組(P1m)碳酸鹽巖，質(zhì)純層厚，出露面積大，巖溶發(fā)育，地下暗河流量一般為50～80 L/s。

(2)中等富水 中等富水的碳酸鹽巖含水巖組:二疊系吳家坪組(P2w)泥質(zhì)灰?guī)r夾頁巖、棲霞組(P2q)灰?guī)r泥質(zhì)灰?guī)r夾碳質(zhì)、粉砂質(zhì)頁巖、三疊系大冶組上段(T1d1)泥質(zhì)灰?guī)r夾頁巖，巴東組第三段(T2b3)泥質(zhì)灰?guī)r夾粉砂巖、泥巖。受局部隔水層阻隔，形成接觸巖溶發(fā)育帶，巖溶泉流量一般為1～10 L/s。

圖1 仰頭山隧道地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological section of Yangtoushan tunnel

(3)隔水巖組 二疊系梁山組(P1l)，志留系、泥盆系頁巖，粉細(xì)砂巖，含水透水性微弱，為區(qū)域隔水巖組，僅于局部強(qiáng)風(fēng)化巖體及構(gòu)造發(fā)育地帶賦存少量裂隙水，一般泉流量＜1 L/s。

2.3 隧道巖溶水系統(tǒng)特征

通過對(duì)仰頭山地區(qū)專項(xiàng)水文地質(zhì)調(diào)查研究，隧道區(qū)受地形地貌地質(zhì)構(gòu)造地層巖性及巖溶水動(dòng)力條件等因素綜合作用，可大體劃分為4個(gè)巖溶水系統(tǒng)(見圖2)。主要特征分述如下:

(1)仰頭嶺向斜二疊系棲霞與茅口灰?guī)r巖溶水系統(tǒng) 該巖溶水系統(tǒng)位于隧道K9+350—K10+140段處，近南北向出露，出露寬度為790 m，分布面積15.43 km2，分布高程 790 ～1 113.6 m，隧道近東西向在其下方通過該巖溶水系統(tǒng)(見圖2)，與其距離65～488.6 m，隧道與其不直接發(fā)生水力聯(lián)系，但是，有斷裂與其相連，使其成為隧道工程的突水水源，而斷裂則成為其突水途徑。斷裂部位可能會(huì)成為突水突泥地段。另外，該巖溶水可通過志留系地層中的裂隙向其下方的隧道中下滲，但因志留系地層滲透性差而含水量有限。

(2)黔江背斜二疊系棲霞與茅口灰?guī)r巖溶水系統(tǒng)該巖溶水系統(tǒng)分布于隧道K12+000—K12+750段處，近南北向出露，出露寬度為750 m，分布面積4.90 km2，隧道近東西向從該巖溶水系統(tǒng)含水層中貫穿，隧道與巖溶水系統(tǒng)夾角為60°。該巖溶水系統(tǒng)地下水為潛水，據(jù)ZK3號(hào)孔揭示:該隧址處地下水位埋深19.53 m，水位高程794.94 m。隧址高程635 m左右，該段隧址處于全充水飽水狀態(tài)，且水壓大，水頭壓力差高達(dá)近160 m。

(3)黔江背斜二疊系長(zhǎng)興灰?guī)r和三疊系大冶灰?guī)r巖溶水系統(tǒng) 含水巖組下段二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組(P2c)，分布于隧道K12+800—K13+100段處，近南北向出露，出露寬度為300 m，分布面積2.34 km2，隧道近東西向貫穿該巖溶水系統(tǒng)，隧道與其夾角為61°。含水巖組上段三疊系下統(tǒng)大冶組第二段(T1d2)與第三段(T1d3)，分布于隧道K13+124—K13+490段處，近南北向出露，出露寬度為366 m，分布面積2.72 km2，隧道近東西向貫穿該巖溶水系統(tǒng)，隧道與巖溶水系統(tǒng)夾角為70°。該巖溶水系統(tǒng)地下水為潛水。據(jù)CS16號(hào)鉆孔(孔位位于ZK12+948)揭示:該處的地下水水位埋深48.5 m，水位高程771.1 m，而隧址高程630 m左右，隧址處于全充水飽水狀態(tài)，且水壓差高達(dá)近140 m。

(4)黔江背斜三疊系嘉陵江灰?guī)r巖溶水系統(tǒng) 該巖溶水系統(tǒng)分布于隧道出口段平緩地帶，近南北向出露，出露寬度為198 m，分布面積8.32 km2，隧道近東西向貫穿該巖溶水系統(tǒng)西北局部，隧道與巖溶水系統(tǒng)夾角為66°。該巖溶水系統(tǒng)地下水為潛水。據(jù)CS6號(hào)鉆孔(孔位位于ZK13+541)揭示:該處的地下水水位埋深15.0 m，水位高程631.35 m，而隧址高程622 m左右，隧址出口處，處于半充水飽水狀態(tài)，水壓差不足10 m。

2.4 巖溶水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

受多個(gè)相對(duì)隔水層的阻隔及巖溶發(fā)育的不均一性影響，區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在棲霞組、大冶組地層分布區(qū)，巖溶水多以表層巖溶泉的形式排泄，即使在茅口組、嘉陵江組等純碳酸鹽巖分布區(qū)，受構(gòu)造及地形條件制約，巖溶水也不具有統(tǒng)一的地下水位，深部巖溶水主要以水平巖溶管道的方式徑流，排泄點(diǎn)均接近于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面高程，而此巖性區(qū)泉水出露高程遠(yuǎn)高于暗河出口，二者無水力聯(lián)系，不具統(tǒng)一的地下水面。

圖2 工作區(qū)巖溶水系統(tǒng)圖Fig.2 System diagram of karst water in working area

巖溶水徑流方向總體受構(gòu)造線方向控制，大體以撮箕山一帶地表分水嶺為界，分別向北東、南西徑流。地質(zhì)構(gòu)造對(duì)于巖溶管道的發(fā)育與定型起著主導(dǎo)控制作用，主要體現(xiàn)在與主構(gòu)造線方向一致的張性節(jié)理裂隙或斷裂發(fā)育。黔江復(fù)背斜軸面傾向北西，北東向及北北東向兩組節(jié)理發(fā)育，北西翼巖層緩傾，且受下伏志留系砂頁巖阻隔，僅有表層巖溶泉出露。南東翼巖層產(chǎn)狀較陡，地下水在縱向徑流過程中受橫向或傾向優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面控制，具有自南西向北東徑流的特點(diǎn)，最終于南東翼發(fā)育有多個(gè)地下暗河集中排泄點(diǎn)，形成縱橫交錯(cuò)的巖溶管道系統(tǒng)。

3 隧道涌水量預(yù)測(cè)

3.1 計(jì)算方法與參數(shù)選取

仰頭山隧道多為背斜翼部富水，各隧洞段處于巖溶地下水的飽氣帶、水平循環(huán)帶，水文地質(zhì)條件差異性較大。從目前的勘測(cè)精度來看，適宜于水文分析法中的徑流模數(shù)法和水均衡法中的降水入滲法作總體性概略評(píng)估。此二種方法對(duì)統(tǒng)一含水層強(qiáng)巖溶帶、地下水水平徑流帶的涌水預(yù)測(cè)有較好效果。然后在此基礎(chǔ)上，根據(jù)已有勘察資料，采用水動(dòng)力學(xué)方法中的古德曼公式法、裘布依公式法進(jìn)行驗(yàn)算，以利于分析對(duì)比。本次計(jì)算參數(shù)是在試驗(yàn)取值，區(qū)域與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)類比取值并參考鄰區(qū)同類含水巖組參數(shù)的基礎(chǔ)上綜合分析確定。計(jì)算參數(shù)見表1，計(jì)算結(jié)果見表2。

(1)徑流模數(shù)法:

式中:Q——隧道通過含水地段的正常涌水量(m3/d);M——平均地下徑流模數(shù)(m3/d·km2);F——隧道通過含水體地段的集水面積(km2)。

(2)降雨入滲法:

式中:Xdcp——多年月最大降水量的日均降水量(mm);α——降水入滲系數(shù);η——根據(jù)水文地質(zhì)條件的涌水折減系數(shù)。

(3)古德曼公式法:

式中:Q0——隧道通過含水體地段的最大涌水量(m3/d);K——含水體滲透系數(shù)(m/d);H——靜止水位至洞內(nèi)橫斷面等價(jià)圓中心的距離(m);L——隧道通過含水體得長(zhǎng)度(m)。

(4)裘布依公式法:

式中:Qs——隧道正常涌水量(m3/d);K——含水體的滲透系數(shù)(m/d);H——洞底以上潛水含水體厚度(m);h——洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深(m);Ry——隧道涌水地段的引用補(bǔ)給半徑(m);L——隧道通過含水體的長(zhǎng)度(m)。

表1 涌水量預(yù)測(cè)成果表Table 1 Result table of forcasting of water inflow

表2 涌水量預(yù)測(cè)成果表Table 2 Result table of forcasting of water inflow

3.2 計(jì)算結(jié)果評(píng)述

綜上，表1中徑流模數(shù)法反映的是區(qū)域性巖溶與地質(zhì)條件得出的涌水量，可視為“平均”穩(wěn)定涌水量，對(duì)各洞段條件差異性反映不明顯，尤其是碎屑巖洞段涌水量明顯偏大，降水入滲法反映的是各時(shí)期的涌水量，未充分考慮巖溶發(fā)育差異性，因此在強(qiáng)降雨時(shí)期，涌水量偏大。降雨量取值為多年月最大降水量的日均降水量，計(jì)算結(jié)果與徑流模數(shù)法相近，可視為隧道的最大涌水量;降水量取值分別為當(dāng)?shù)囟嗄昶骄曜畲蠹叭兆畲蠼涤炅?，最大日涌水量達(dá)近50萬m3，此為日降水量182.5 mm，且隧道掘進(jìn)遭遇大型巖溶管道出現(xiàn)的涌水量，由于隧道處于水平管道與深部空隙帶之間，在遇最大降水量時(shí)同時(shí)遭遇大型管道的機(jī)率較小，故該涌水量出現(xiàn)可能性較小，但從安全角度出發(fā)，涌水量預(yù)測(cè)數(shù)值建議豐水期為1 000～40 000 m3/d，豐水期最大值為50×104m3/d。

4 問題討論與建議

(1)仰頭山隧道具有長(zhǎng)度大、埋藏深的特點(diǎn)，由于隧道段大部分處于巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的地下水補(bǔ)給徑流帶與深部循環(huán)帶內(nèi)，因而施工遭受突水突泥的可能性較大，其部位主要是K11+900—K13+600碳酸鹽巖分布區(qū)段。尤其是 ZK12+010—ZK12+865、ZK12+010、ZK12+865洞段的巖相變化接觸帶，地下水富集活動(dòng)強(qiáng)烈，不但易產(chǎn)生突水突泥問題，還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，巖性軟弱的斷層破壞帶、煤層、頁巖產(chǎn)生冒頂災(zāi)害，應(yīng)予密切關(guān)注。

(2)對(duì)隧道區(qū)人口較為集中地區(qū)的水文地質(zhì)條件及可能引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題進(jìn)一步加強(qiáng)水文地質(zhì)調(diào)查研究，尋找新的水源，查明作為當(dāng)?shù)厝罕娭饕a(chǎn)生活用水水源的巖溶裂隙泉與隧道工程的內(nèi)在聯(lián)系，同時(shí)對(duì)隧道施工揭露的集中涌水管道進(jìn)行適當(dāng)堵水封閉引流，以減少涌水量，盡量減少對(duì)地下水環(huán)境的破壞影響。

(3)對(duì)可能存在涌水涌泥的地段進(jìn)一步勘查論證，加強(qiáng)隧洞施工超前預(yù)報(bào)工作，并制定詳細(xì)的應(yīng)急處置預(yù)案，一旦遭遇突水突泥及時(shí)采取適宜措施進(jìn)行防治。遭遇溶洞較小，地下水流量不大時(shí)，可直接進(jìn)行封堵;水壓及水量較大時(shí)則應(yīng)采取引流排導(dǎo)。

［1］ 楚德亮，陳海洋.重慶黔江—恩施高速公路項(xiàng)目仰山頭隧道水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告［R］.武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，2011.

［2］ 吳碧輝.重慶市黔江區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報(bào)告［R］.重慶:地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)總公司，2002.

［3］ 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.仰山頭隧道工程地質(zhì)勘查報(bào)告［R］.武漢:中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，2010.

(責(zé)任編輯:李 雯)

Hydrogeology Characteristics of Karst Water about Yangtoushan Tunnel and Forecast of Water Fathering

CHEN Xianlan1，WANG Yuchi2，LV Ling2，ZHANG Qinli2
(1.Civil Air Defence Office of Jinmen，Jinmen，Hubei448124;2.Hubei Geological Environment Station，Wuhan，Hubei430034)

The paper discusses hydrogeology characteristics from the following aspects:karst development characteristics，water abundance of aquifer，system characteristics of groundwater and structural characteristics of groundwater.The authors make use of rainfall infiltration method，runoff modulus method，Goodman formula method and J.Dupuit formula method to forecast water inflow of tunnel.Combined with distribution characteristics of karst conduit development，the authors discuss these segment may occur inrush of clay and water，provide the basis for prevention of water fathering and environmental protection.

tunnel;karst;hydrogeology characteristics;forecasting of water inflow

P641;U453.6+1

A

1671－1211(2014)02－0172－05

2013－05－08;改回日期:2014－02－17

陳先蘭 (1966－)，女，工程師，安全工程專業(yè)，從事地震地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作。E－mail:272273768@qq.com

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