侯立柱

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述

新疆某引水工程以已建的山區(qū)水庫(kù)為水源工程，通過(guò)修建長(zhǎng)距離輸水隧洞及管線，將河水引調(diào)至某經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)帶，以滿足生活及新型工業(yè)化發(fā)展的需水要求。該方案線路總長(zhǎng)106.7km，隧洞長(zhǎng)92.35km，設(shè)計(jì)洞徑5.26～7.1m，縱坡1/5000，在隧洞出口修建一水庫(kù)進(jìn)行調(diào)蓄。在修建調(diào)蓄水庫(kù)尾水采取管道引水至目的地。因此，引水隧洞和埋涵管線為該工程主要建筑物。

引水隧洞主要穿越山區(qū)和低矮丘陵，埋深一般在150～320m，平均埋深約230m，最大埋深350m。經(jīng)統(tǒng)計(jì)穿過(guò)隧洞處在地表上有明顯構(gòu)造形跡的區(qū)域性斷裂有2條，斷裂破碎帶一般寬度90～100m，最大破碎帶寬800m。其次隧洞中上段分別還發(fā)育多條次級(jí)斷層，破碎帶一般寬度10～30m，少數(shù)達(dá)60～80m。由洞線上每2.0～3.0km一個(gè)勘探鉆孔所揭露的巖芯、物探波速、井下電視測(cè)試來(lái)看，洞身段基本均處于新鮮巖體內(nèi)。巖體以塊狀和厚層狀為主，洞身僅在穿越斷層附近巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖完整性較差[1]。隧洞穿越一河床底部石炭系凝灰質(zhì)砂巖內(nèi)通過(guò)外，其它洞段地表徑流不發(fā)育，但隧洞均處于基巖裂隙水以下。

在隧洞開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程中，與地下水環(huán)境有著密切聯(lián)系。隧洞穿越含有少量地下水滲流段落，影響不大，但是如果在富含地下水段落，遇到涌水，股狀突水將對(duì)隧洞建設(shè)造成嚴(yán)重影響，甚至淹沒(méi)作業(yè)面，對(duì)洞內(nèi)設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)造成嚴(yán)重影響。因此，對(duì)隧洞區(qū)域水文、地下水類型及賦存條件、補(bǔ)給排泄和涌水量等進(jìn)行分析預(yù)測(cè)和計(jì)算，為正確處理和應(yīng)對(duì)隧洞中地下水問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)。

2 區(qū)域水文宏觀分析

工程區(qū)主要處于低山丘陵區(qū)和一盆地東部邊緣，氣候干燥、多風(fēng)，年降水量少，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，低洼排泄區(qū)的地表水及淺埋地下水礦化度較高。地表水對(duì)基巖裂隙和斷層破碎帶補(bǔ)給量有限。

(1)地表溝谷：工程區(qū)內(nèi)主要有2條較大的溝谷分布。溝谷主要接受高山區(qū)的冰雪融水和大氣降水補(bǔ)給，地下水徑流方向總體上由北向南，最終流向盆地中心。工程區(qū)內(nèi)部分低洼的山間小盆地也往往成為區(qū)域地下水的排泄區(qū)。

(2)基巖裂隙水：工程區(qū)沿線主要為低山丘陵地貌，巖性以古生代和華力西期侵入巖的堅(jiān)硬層狀、塊狀巖石為主，地下水除河谷潛水和丘陵夷平面上高地沼澤潛水呈狹長(zhǎng)狀和小片狀存在外，主要是賦存在斷層、構(gòu)造裂隙和上部基巖風(fēng)化裂隙中的基巖裂隙水[2]。

由于基巖裂隙水含水巖類的不同，可分為殼狀基巖裂隙水和構(gòu)造破碎脈狀基巖裂隙水：①殼狀基巖裂隙水：主要賦存于表層風(fēng)化巖體內(nèi)，表部風(fēng)化卸荷帶裂隙較發(fā)育，多呈網(wǎng)狀相互切割，為地下水提供了較好的賦存空間。主要接收大氣降水的補(bǔ)給，一般隨風(fēng)化卸荷帶呈殼狀分布，往往以下降泉形式向溝谷排泄，在溝底及岸坡處多有泉水出露點(diǎn)，富水性較強(qiáng)，其水量隨降雨入滲補(bǔ)給量的變化呈季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化。殼狀基巖裂隙水沿風(fēng)化卸荷裂隙隨地形從高處逐漸向較低的谷地處滲流匯集，一般在裂隙相對(duì)發(fā)育的部位以下降泉的型式排泄到溝谷或洼地中。大多數(shù)泉水流量一般在0.01～0.1L/s，個(gè)別流量為2.0～3.3L/s。表層風(fēng)化巖體基巖裂隙水下部，巖體完整，屬微透水性，基巖裂隙水極為貧乏。②構(gòu)造裂隙水：主要受構(gòu)造控制，沿構(gòu)造呈線狀分布，分布在構(gòu)造破碎帶或裂隙密集帶內(nèi)，其富水性相對(duì)較強(qiáng)，但分布范圍相對(duì)較小，靜態(tài)貯水量相對(duì)較小。構(gòu)造裂隙水主要接收大氣降水的補(bǔ)給，以下降泉形式向河谷排泄，在溝底及岸坡處多有泉水出露點(diǎn)，泉水流量一般在2.7～3.3L/s。

3 隧洞沿線地下水類型與賦存條件[3- 4]

工程區(qū)沿線主要為低山丘陵地貌，地下水主要是基巖裂隙水。其次是分布在巖體復(fù)背斜、復(fù)向斜和短軸背、向斜等褶皺和斷裂構(gòu)造中的地下水。尤其是區(qū)域性的主干斷裂橫貫低山丘陵區(qū)，擠壓破碎帶寬度達(dá)90～150m，斷裂帶及破碎帶中賦存的脈狀地下水。根據(jù)地下水賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征，可劃分為以下2種基本類型：

(1)古生代泥盆系(D)、石炭系(C)、華力西期花崗巖基巖裂隙水(包括斷裂脈狀水)和碎屑孔隙微承壓水。

碎屑巖類孔隙水主要分布于中生代碎屑巖及斷層破碎帶內(nèi)，它一般處于地勢(shì)低洼、封閉性較好的環(huán)境內(nèi)。碎屑巖類孔隙水多具微承壓性，局部自流，礦化度略高，但當(dāng)其位于隧洞洞身附近時(shí)對(duì)隧洞施工影響較大。基巖裂隙水分布于區(qū)內(nèi)古生代基巖裂隙中，分布范圍廣，由大氣降水入滲補(bǔ)給。古生代巖石一般堅(jiān)硬，裂隙不發(fā)育，貫通性差，它在一些溝谷中以泉水的形式溢出。裂隙水水量大多較小，沒(méi)有統(tǒng)一的地下水位，水質(zhì)均較差。

(2)新生代第四系松散層孔隙潛水。

孔隙潛水主要分布于區(qū)內(nèi)第四系松散堆積物中，由于區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層厚度分布小，且補(bǔ)給水量有限，區(qū)內(nèi)孔隙潛水分布少，且其厚度較薄，儲(chǔ)量很小，加之其埋深一般不大，受強(qiáng)烈蒸發(fā)的影響。一般在靠近河流的孔隙潛水，水質(zhì)較好，遠(yuǎn)離河流的孔隙潛水質(zhì)較差。

由上述可知，現(xiàn)場(chǎng)的斷裂脈狀水是一種特殊的基巖裂隙水，主要賦存于斷層破碎帶中，具有集中、量大、連通性差等特點(diǎn)；碎屑孔隙裂隙地下水均屬層間微承壓水，無(wú)潛水，賦存于裂隙和斷層影響帶中；而第四系地下水只有潛水而無(wú)承壓水賦存條件。

4 隧洞沿線巖體透水性分析

為了解和分析該引水隧洞段的水文地質(zhì)條件，定量評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)地下水在施工中的涌水災(zāi)害。因此，對(duì)沿線巖體的透水性分析至關(guān)重要。主要采用地表斷裂帶泉水測(cè)流試驗(yàn)進(jìn)行反推初判巖體透水性能、斷層破碎帶大口徑井深孔專門水文地質(zhì)抽水試驗(yàn)、隧洞沿線勘探小口徑深孔抽(掏)水與壓水試驗(yàn)等多種方法，綜合估算隧洞沿線巖體的透水性。

(1)泉水溢出量測(cè)流試驗(yàn)初判透水性

通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀調(diào)查，工程區(qū)引水隧洞段沿線附近共分布有20處泉水點(diǎn)，均屬斷裂構(gòu)造破碎帶或節(jié)理裂隙密集帶，泉水溢出點(diǎn)附近地表大多呈濕地、生長(zhǎng)低矮雜草植被?，F(xiàn)場(chǎng)結(jié)合泉水出露點(diǎn)位置和特性，分別對(duì)各泉水點(diǎn)采用三角堰法和簡(jiǎn)易抽水試驗(yàn)進(jìn)行流量測(cè)試。結(jié)合SL629—2014《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中按泉水流量對(duì)本工程區(qū)沿線斷裂帶泉水、基巖裂隙水進(jìn)行富水性等級(jí)劃分，見(jiàn)表1。

表1 工程區(qū)沿線泉水富水性等級(jí)劃分對(duì)比表

工程區(qū)沿線斷裂構(gòu)造帶的泉水流量[5]一般處于0.01～0.9L/s之間，占實(shí)測(cè)泉水點(diǎn)總數(shù)的85%；個(gè)別流量為1.0～3.33L/s，占實(shí)測(cè)泉水總點(diǎn)數(shù)量的15%。表明工程區(qū)沿線受斷裂或節(jié)理裂隙影響的巖體內(nèi)地下水量不豐富，大多屬于貧水區(qū)(段)，局部屬弱富水區(qū)(段)，斷裂帶泉水點(diǎn)估算最大涌水量約Q=12m3/h，斷層破碎帶、節(jié)理裂隙帶巖體內(nèi)總體涌水量不大，初判巖體透水性能較弱。

(2)斷層破碎帶大口徑井深孔水文地質(zhì)抽水試驗(yàn)及參數(shù)[5]

經(jīng)驗(yàn)表明，基巖區(qū)內(nèi)的斷層破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶往往是地下水相對(duì)富集的地段。因此，在工程區(qū)隧洞段沿線附近，分別對(duì)部分區(qū)域性斷裂和次級(jí)斷裂共布置大口徑水文地質(zhì)勘探孔，并進(jìn)行了專門水文地質(zhì)抽水試驗(yàn)。

斷層破碎帶含水巖體滲透系數(shù)計(jì)算選用承壓水完整井兩側(cè)為隔水邊界的帶狀含水層計(jì)算公式：

(1)

(2)

式中，K—含水層滲透系數(shù)，m/d；Q—抽水井出水量，m3/d；S—抽水井水位降深值，m；M—含水層有效厚度，m；r—抽水井過(guò)濾器的半徑，m；b—帶狀含水層中心至隔水邊界距離，m；R—抽水井至供水方向的抽水影響距離，m。

式中參數(shù)取值和各水井抽水試驗(yàn)成果及滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

工程區(qū)內(nèi)區(qū)域性斷層破碎帶巖體，滲透系數(shù)K介于4.87～7.52×10-4m之間，屬中等透水性；次級(jí)斷層破碎帶巖體，滲透系數(shù)K介于3.36～3.59×10-5m之間，屬弱透水性。

(3)隧洞沿線勘探小口徑深孔抽(掏)水試驗(yàn)及參數(shù)

在隧洞段沿線每2～3km布置完成的鉆孔抽(掏)水試驗(yàn)，其水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算采用裘布依潛水完整井計(jì)算公式進(jìn)行巖體滲透系數(shù)計(jì)算，采用裘布依潛水完整井計(jì)算公式[6]：

式中，Q—抽水井出水量，m3/d；k—含水體滲透系數(shù)，m/d；H—含水體厚度，m；R—影響半徑，m；S—水位降深，m；r—抽水井半徑，m。

從表3(鉆孔抽水試驗(yàn))可以看出：隧洞段深度40m以下至洞底巖體的滲透系數(shù)平均值K為1.1×10-6～1.65×10-8cm/s，大多屬微～極微透水性，局部屬弱透水性。

為得到確切實(shí)際的巖體透水性等地質(zhì)參數(shù)，在個(gè)別鉆孔中進(jìn)行壓水試驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)巖體透水性進(jìn)行復(fù)核。其水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算采用SL 25—92《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行巖體滲透系數(shù)計(jì)算。通過(guò)鉆孔壓水試驗(yàn)可以看出：隧洞段在洞底線以上50m范圍內(nèi)，巖體的透水率平均值q為0.47～1.83Lu，滲透系數(shù)平均值K=5.92×10-6cm/s，大多屬微～極微透水性，局部屬弱透水性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和鉆孔抽水試驗(yàn)基本相同，數(shù)值準(zhǔn)確可靠。

5 隧洞涌水量估算[7- 8]

計(jì)算隧洞段涌水量時(shí)，既要考慮隨引水洞線掘進(jìn)涌水量的累加，也要重點(diǎn)考慮裂隙水隨時(shí)間推移的衰減，因此通過(guò)各種科學(xué)手段進(jìn)行估算和復(fù)判?，F(xiàn)主要采取裘布依理論公式、水文地質(zhì)比擬法、工程類比法和試驗(yàn)洞實(shí)測(cè)法進(jìn)行綜合估算和判定。

5.1 按照裘布依理論公式，估算隧洞段單位涌水量[9]

式中，Qs—隧洞正常涌水量，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(一般考慮水躍值，取值h=0.5H)；Ry—隧洞涌水地段的引用補(bǔ)給半徑，m；L—隧洞通過(guò)含水體的長(zhǎng)度，m；r0—洞身橫斷面等價(jià)圓半徑(取值4.0m)。

表2 斷層破碎帶內(nèi)大口徑鉆孔抽水試驗(yàn)成果表

(1)對(duì)工程區(qū)內(nèi)主要斷層和次級(jí)斷裂進(jìn)行計(jì)算(參數(shù)取值見(jiàn)表4)

采用水文鉆孔抽水試驗(yàn)對(duì)隧洞各斷層破碎帶涌水量估算。公式數(shù)值選取見(jiàn)表4，經(jīng)計(jì)算可知，在隧洞通過(guò)區(qū)域性斷層的破碎帶巖體時(shí)，隧洞單位涌水量平均值Qs=92.44m3/h·km；在隧洞通過(guò)次級(jí)斷層的破碎帶巖體時(shí)，隧洞單位涌水量平均值Qs=62.64m3/h·km。各級(jí)斷裂破碎帶隧洞單位涌水量合計(jì)平均值Qs=74.56m3/h·km。

(2)采用工程勘探孔抽水試驗(yàn)對(duì)隧洞段涌水量估算(參數(shù)取值見(jiàn)表5)

由表5中可以看出：隧洞段根據(jù)各鉆孔抽水試驗(yàn)，一般巖體單位涌水量最大值2.22m3/h·km，平均值Qs=1.31m3/h·km，屬貧水區(qū)(段)，總體隧洞涌水量不大。

同理，在個(gè)別鉆孔內(nèi)根據(jù)各鉆孔壓水試驗(yàn)提供參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算可知在一般巖體單位涌水量平均值Qs=14m3/h·km，屬貧水區(qū)(段)，總體隧洞涌水量不大。

5.2 按照水文地質(zhì)比擬法[10]，估算隧洞段單位涌水量

式中，QS、QS′—新建、既有隧洞通過(guò)含水體地段的正常涌水量，m3/d；F、F′—新建、既有隧洞通過(guò)含水體地段的涌水面積，m2；S、S′—新建、既有隧洞通過(guò)含水體中自靜止水位起的水位降深，m；B、B′—新建、既有隧洞洞身橫斷面的周長(zhǎng)，m；L、L′—新建、既有隧洞通過(guò)含水體地段的長(zhǎng)度，m。

表3 隧洞段鉆孔抽(掏)水試驗(yàn)成果計(jì)算表

表4 斷層破碎帶內(nèi)水文鉆孔隧洞涌水量估算表

表5 隧洞段單位涌水量估算表

在進(jìn)行水文地質(zhì)比擬法時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)在不同地貌單元、不同巖石巖性布設(shè)的勘探試驗(yàn)洞的實(shí)測(cè)涌水量，并盡量在同樣埋深情況下進(jìn)行比擬估算。布設(shè)探洞即為“既有隧洞”，預(yù)測(cè)主洞為新建，二者洞徑橫斷面等價(jià)圓半徑4.0m和洞身橫斷面周長(zhǎng)21.98m均相同。

選取具有代表性強(qiáng)的各勘探試驗(yàn)洞實(shí)測(cè)涌水量及新建隧洞涌水量，估算結(jié)果見(jiàn)表6。

由表中可以看出：隧洞段根據(jù)T0—T2勘探試驗(yàn)洞開(kāi)挖洞段實(shí)測(cè)涌水量，估算擬建隧洞涌一般巖體單位涌水量平均值Qs=13.95m3/h·km，屬貧水區(qū)(段)，總體隧洞涌水量不大。

5.3 工程類比法

引水隧洞具有軸線長(zhǎng)、點(diǎn)多面廣的特點(diǎn)，穿過(guò)不同區(qū)域，因此對(duì)臨近已進(jìn)行地下洞室作業(yè)的項(xiàng)目可以參考和借鑒。

(1)根據(jù)隧洞樁號(hào)15+000以西25km處的已建的銅鉬礦業(yè)“1#采礦井”調(diào)查資料分析：該礦井為緩斜井，井徑3.5m，縱坡23%，垂直井深90m，斜洞總長(zhǎng)401m，初見(jiàn)基巖裂隙水位埋深40m，施工和運(yùn)行期緩斜井井壁以滲水、滴水為主，水量貧乏微弱，在前期采礦運(yùn)行過(guò)程中緩斜井豎井疏干總涌水量為120m3/d，估算緩斜井巖體單位涌水量為12.5m3/h·km。

(2)隧洞樁號(hào)65+000以東12km處已建的銅鉬礦業(yè)調(diào)查資料分析：“1#采礦主副豎井”井徑6.0～6.5m，井深700m，且在井深300m處又增加了一條1200m長(zhǎng)的水平巷洞，洞徑3.5m，施工和運(yùn)行期豎井井壁以滲水為主，采礦運(yùn)行過(guò)程中該豎井疏干總涌水量為960m3/d，估算豎井巖體單位涌水量為21.1m3/h·km?！?#采礦通風(fēng)豎井”位置靠近斷裂帶附近，井徑5.0m，井深700m，采礦運(yùn)行過(guò)程中該豎井疏干總涌水量為1600m3/d，估算豎井?dāng)嗔褞扑閹r體單位涌水量為95.2m3/h·km。

5.4 各勘探試驗(yàn)洞實(shí)測(cè)涌水量[11]

現(xiàn)場(chǎng)采取布設(shè)勘探洞和施工支洞相結(jié)合的方式，對(duì)洞室做到最大的利用效果，以此減少資金投入。

各勘探試驗(yàn)洞實(shí)際開(kāi)挖深度、洞頂埋深、洞徑(6.9～7.0m)、分布巖性、圍巖類別、洞壁裂隙水出露表觀特征均有所不同，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)已開(kāi)挖洞段總涌水量彼此相異。實(shí)測(cè)隧洞段3.0～40.0m3/h，推算單位涌水量1.2～26.5m3/h·km。見(jiàn)表7。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件和以上地表斷層帶泉水測(cè)流試驗(yàn)、斷層破碎帶深孔專門水文地質(zhì)抽水試驗(yàn)、隧洞沿線勘探深孔抽(掏水)壓水試驗(yàn)、工程類比和各勘探試驗(yàn)洞實(shí)測(cè)水量等方法，結(jié)合鉆孔中巖體透水率、滲透系數(shù)、單位涌水量等參數(shù)綜合分析。

隧洞在通過(guò)區(qū)域性斷裂帶或局部較大的次級(jí)斷裂帶地段時(shí)，單位涌水量q取值為80～800m3/h·km；隧洞通過(guò)河流或地表水體附近地段時(shí)，單位涌水量q取值為25～100m3/h·km；隧洞通過(guò)其它地段時(shí)，單位涌水量q取值為10～50m3/h·km。

表6 試驗(yàn)洞實(shí)測(cè)涌水量及新建隧洞涌水量估算表

表7 試驗(yàn)洞實(shí)測(cè)單位涌水量匯總統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)語(yǔ)

(1)工程區(qū)引水隧洞段、處于盆地沙漠東部邊緣，溝谷分布，氣候干燥、多風(fēng)，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于年降水量，地表水對(duì)基巖裂隙和斷層破碎帶補(bǔ)給量甚微。

(2)工程區(qū)隧洞沿線，表層的基巖裂隙水(與大氣補(bǔ)給相對(duì)密切的基巖強(qiáng)、弱、微風(fēng)化層)與下部基巖裂隙水(深埋隧洞附近完整、較完整巖體段)水力聯(lián)系微弱，隧洞洞身巖體富水性屬貧水區(qū)(段)，為微～極微透水性，施工中隧洞段總體涌水量不大。

(3)由于地質(zhì)鉆孔代表的段落有一定的局限性，隧洞在施工時(shí)不排除局部地段有大的斷層、節(jié)理裂隙、層理與地表水有一定的水力聯(lián)系，所以施工時(shí)仍需要注意加強(qiáng)排水和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。