盧莉莉
(運城市水文水資源勘測分局,山西 運城 044000)
運三鐵路線中條山隧道涌水量計算分析
盧莉莉
(運城市水文水資源勘測分局,山西 運城 044000)
通過對隧道區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)條件的分析,根據(jù)各隧道段不同的水文地質(zhì)特征,采用大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法和穩(wěn)定流公式法等多種方法進行隧道涌水量的計算分析,為隧道施工設(shè)計提供可靠的技術(shù)支撐。
中條山;隧道;涌水量;計算分析
中條山隧道是擬建運三鐵路線的一部分,橫穿中條山,隧道全長約18.4km,進口位于中條山北端運城市鹽湖區(qū)解州鎮(zhèn)社東村南約1.5km,出口位于平陸縣常樂鎮(zhèn)劉家莊村南東小溝里,計算隧址區(qū)里程樁號DK50+900~DK61+380。隧址區(qū)北以郝家咀村、后蘇家溝、郝口村至杜馬、賢良、上牛一線起,南至黃河北岸的何家灘村、張峪村、關(guān)口村至平陸老城一帶,整體呈北西—南東向展布,地理坐標(biāo):東經(jīng) 110°96′~111°08′,北緯 34°45′~34°58′。
隧址區(qū)北高南低,呈緩坡狀,且地形切割十分強烈,西北—東南向溝谷十分發(fā)育,構(gòu)造單元為豫皖板塊—芮城平陸隆陷,區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造主要受燕山運動及喜馬拉雅運動的控制和影響。該區(qū)出露的地層復(fù)雜,主要為第三系、第四系松散巖類,其中第三系地層有以河、湖相沉積為主,濱湖、湖相沉積為輔;第四系地層巖土類型與其成因有直接關(guān)系,此區(qū)出露第四系巖土成因多種,類型非常復(fù)雜。
2.1 地下水賦存類型與分布規(guī)律
(1)基巖山區(qū):位于北邊中條山南麓,由東到西條形分布,相對高差在400~700m。由變質(zhì)巖和灰質(zhì)巖構(gòu)成,接受大氣降雨在風(fēng)化殼儲存,屬基巖裂隙水及巖溶水,季節(jié)性比較明顯,水量大小不一。
(2)洪積扇、裙區(qū):分布于張村、留史、洪池、賢良、上牛等村落一帶。區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)肓,整體由北向南傾斜,且呈緩坡狀下降高程450~900m。區(qū)內(nèi)承壓含水地層主要為第三系保德組鈣 質(zhì)膠結(jié)半膠結(jié)礫巖、礫、卵石及細砂、中粗砂及含鈣質(zhì)結(jié)核粘土等,單層厚度約10~30m,礫、卵石及砂層堆積較厚,據(jù)鉆孔及機井資料揭露,該地層夾有多層礫、卵石及細砂、中細砂及粗砂,累計厚度達60~150m,洪積扇裙帶水文地質(zhì)條件基本穩(wěn)定,變化不大,總體趨勢為西高東低成緩坡狀下降,其間溝谷多為南北向發(fā)育,地下水多為承壓水,埋深較大,水量中等。
(3)黃土臺塬區(qū):分布于張村、留史、常樂、西侯、洪池、馬村、張村等村落一帶,區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)肓,把整個臺塬分割成小面積的黃土垣。地層主要由上第三系上新統(tǒng)靜樂組中更新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沉積物組成。含水層主要為中更新統(tǒng)紅鈣質(zhì)結(jié)核層的色含粉質(zhì)粘土、土黃色粘土一般成層分布,局部夾含薄層卵礫石,厚度30~60m,黃土臺塬區(qū)在東西向水文地質(zhì)條件基本穩(wěn)定,變化不大,由西向東含水層有減薄趨勢,水位高程 542~390m,隨地勢變化水位埋深較大,深層水水量中等,具承壓性。
(4)黃河高階地區(qū):分布于擬建隧道出口段,主要為一套黃紅色粉質(zhì)黏土及砂層、砂石層和卵石層,具水平及交錯層理,為河湖相沉積,上部一般以泥砂質(zhì)膠結(jié)為主,局部為鈣質(zhì)膠結(jié),下部為泥砂質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)。主要含水層為 Q2底部和Q1的砂礫石、卵石層,為當(dāng)?shù)孛窬_采的主要含水層,水質(zhì)比較好,該層厚度不均,其流量在200~1920m3/d。降深在25~35m之間,水量中等 ~豐富。
(5)黃河低階地(一級階地、二級階地)及河漫灘區(qū):主要分布于擬建隧道出口以外及沿黃一帶,為一套黃紅色粉質(zhì)黏土及砂層、砂石層和卵石層,具水平及交錯層理,為河湖相沉積,一般厚度120~150m,含水層位水量豐富,水質(zhì)比較好。
2.2 地下水補、徑、排條件
(1)基巖山區(qū)裂隙水主要受大氣降水垂直入滲的補給,地下水一般沿裂隙向河谷運動,一部分轉(zhuǎn)化為河川徑流排向谷地,一部分以地下徑流方式側(cè)向補給谷地。
(2)洪積扇、裙區(qū):主要接受北部中條山的裂隙側(cè)向徑流補給,大氣降水垂向入滲補給次之,地下水徑流特點是由北向南運動,地下水的排泄主要為徑流和潛水蒸發(fā)及少量人工開采。
(3)黃土臺塬區(qū):主要接受大氣降水入滲補給和洪積扇、裙區(qū)孔隙水的側(cè)向補給,另外尚有提黃灌溉入滲補給及引水(或泉)灌溉用水入滲補給。地下水在臺地范圍由北向南向黃河運動,徑流條件比較好,排泄方式主要為側(cè)向經(jīng)流排泄及人工開采。
(4)黃河階地區(qū):主要受大氣降水入滲補給,另黃土臺塬區(qū)孔隙水的側(cè)向補給及黃河水的側(cè)向補給及灌溉入滲補給也占很大比例。地下水由北向南向黃河運動,河流階地范圍從西沿黃河向下游經(jīng)流。排泄方式主要為側(cè)向徑流排泄,一部分轉(zhuǎn)化為河川徑流入黃河,另一部分以地下徑流方式入黃河,此外人工開采地占一定比例。
3.1 計算模型
經(jīng)對隧址區(qū)水文地質(zhì)條件及區(qū)域水文地質(zhì)數(shù)據(jù)的綜合分析可知,大氣降水、地表水的直接入滲是地下水的主要補給來源。根據(jù)各隧道段不同的水文地質(zhì)條件,擬采用大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法和穩(wěn)定流公式法 3種方法進行隧道涌水量的分析和預(yù)測。其中,基巖地段采用大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法計算,穩(wěn)定流法用于山前堆積段(洪積扇、裙,黃土臺塬,黃河階地段)計算,其中DK56+355~DK59+555段采用承壓水非完整式穩(wěn)定流公式法,DK59+555~DK61+000段采用潛水非完整式穩(wěn)定流公式法。
(1)大氣降水入滲系數(shù)法。
計算公式:Q=2.74A·W·α
式中:Q—隧道正常涌水量 m3/d;A—匯水面積,由 1∶1萬平面圖量測,km2;W—多年平均降雨量,mm;α—入滲系 數(shù),根 據(jù)區(qū)域數(shù) 據(jù)采 用規(guī) 范經(jīng)驗值。
計算過程及參數(shù)選取見表 1,預(yù)測隧道正常涌水量Q為3405m3/d。
表1 大氣降水入滲系數(shù)法計算參數(shù)及計算結(jié)果表
(2)地下徑流模數(shù)法。
計算公式:Q=MA
式中:M—平均徑流模數(shù),采用枯水期流量與相當(dāng)?shù)牧饔蛎娣e計算;A—隧道通過含水體地段的面積。
計算過程及參數(shù)選取見表 2,如表統(tǒng)計,預(yù)測隧道正常涌水量 Q為 3063m3/d。
表2 地下徑流模數(shù)法計算參數(shù)及計算結(jié)果表
(3)穩(wěn)定流法。
1)承壓水非完整式穩(wěn)定流公式法。
Q—隧道兩側(cè)進水時的隧道正常涌水量(m3/d);K—滲透系數(shù)(m/d);B—隧道通過含水層中的長度(m);H1—靜止水位至隧道底深度(m);H—含水層厚度(m);R—隧道涌水影響半徑(m),采用經(jīng)驗公式計算;h—水位下降曲線在隧道邊墻上的高度;M′—隧道底以上承壓含水層厚度(m);qr—引用流量。
計算過程、參數(shù)選取及計算結(jié)果見表3、表4。
表3 DK56+355~DK 57+215段穩(wěn)定流公式法計算參數(shù)及計算結(jié)果表
表4 DK 57+215~DK 57+215段穩(wěn)定流公式法計算參數(shù)及計算結(jié)果表
2)潛水非完整式穩(wěn)定流公式法。
Q—隧道兩側(cè)進水時的隧道正常涌水量(m3/d);K—滲透系數(shù)(m/d);B—隧道通過含水層中的長度(m);H1—靜止水位至隧道底深度(m);R—隧道涌水影響半徑(m),采用經(jīng)驗公式計算;r—隧道寬度的一半(m);a—換算系數(shù)。
計算過程、參數(shù)選取及計算結(jié)果見表 5。
表5 DK 59+555~DK 61+000段穩(wěn)定流公式法計算參數(shù)及計算結(jié)果表
3.2 涌水量計算結(jié)果分析
徑流模數(shù)法計算結(jié)果反映的是區(qū)域性地質(zhì)條件下的入滲量,對于水平徑流區(qū)較適合。大氣降水入滲系數(shù)法比較適用于埋藏深度較淺的越嶺隧道,其難點在于降水入滲系數(shù)的選取,它與隧道洞身周圍及其上方所覆巖層的巖性及結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系?;鶐r地段巖層則多為緩傾巖層,含水巖組與隔水巖組相隔成層分布,不同巖性的降水入滲系數(shù)有較大差異,故采用徑流模數(shù)法更具有合理性;隧道出口段,即DK56+355~DK61+000主要穿越第三、四系地層,水位比較穩(wěn)定,故采用穩(wěn)定流公式法計算較為合適。DK61+000~DK61+380隧道位于地下水位以上,因此不計算該段涌水量。DK50+900~DK56+355段涌水量則采用地下徑流模數(shù)法計算結(jié)果,DK57+000~DK61+000段涌水量則采用穩(wěn)定流公式法計算結(jié)果。根據(jù)計算隧道總涌水量為15836m3/d,計算成果如表6。
隧址區(qū)地下水主要補給源為大氣降水及中條山的地下水側(cè)向徑流補給,地下水基本以山高水高的形式存在于區(qū)內(nèi),排泄方式主要以泉水、人工開采及側(cè)向徑流的方式排泄。根據(jù)各隧道段不同的水文地質(zhì)條件,采用大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法和穩(wěn)定流公式法3種方法進行隧道涌水量的分析計算,預(yù)測隧道總涌水量為15836m3/d,有關(guān)單位可依據(jù)此水量進行施工設(shè)計。
表6 隧道涌水量計算成果表
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U25
:A
:1008-1305(2015)05-0067-03
10.3969/j.issn.1008-1305.2015.05.024
盧莉莉(1977年—),女,工程師。