秦嶺輸水隧洞施工對黑河金盆水庫的影響

李立民

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安　710043)

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秦嶺輸水隧洞施工對黑河金盆水庫的影響

李立民

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安710043)

摘要：秦嶺輸水隧洞出口端鄰近黑河金盆水庫，為縮短洞線長度，減小工程投資，在勘察設計階段對下穿黑河金盆水庫區的地質條件進行認真研究。在對地面大量調查基礎上，采用鉆探、物探、取樣試驗等綜合勘察手段，運用定性分析與定量計算相結合的評價研究方法，詳細分析秦嶺輸水隧洞通過區的工程地質、水文地質特征及隧洞施工對水庫滲漏的影響程度。根據影響分析結果，研究提出相應的防止庫水滲漏的隧洞施工建議。經施工實踐證明，秦嶺輸水隧洞洞線方案選擇經濟合理、對庫區及地下水環境的影響小，達到了預期的效果。

關鍵詞：秦嶺輸水隧洞； 水庫； 水文地質特征； 水量預測； 滲漏

0引言

在隧道(洞)施工建設中，將會遇到各種各樣的工程地質問題，如突涌水、圍巖失穩、軟巖變形等問題，其中突涌水預測與防治一直是隧道(洞)安全施工必須解決的重大難題之一，應該引起高度關注和深入研究。近年來，國內隧道(洞)突涌水預測、防治等方面研究已經取得了許多有意義的研究成果與經驗。如： 應偉[1]研究了公路隧道滲漏水成因及治理措施；吳培榮[2]研究了隧道深埋富水陡傾軟弱帶突水涌泥機制及旋噴技術；李治國[3]對高水壓富水隧道地下水控制技術進行了探討；華福才[4]基于地下水動力學的地鐵隧道裂隙水進行了預測分析；魏文杰[5]對隧道超高水壓富水破碎帶施工方法進行了研究；章方政[6]研究了隧道涌水綜合治理技術；段青龍[7]研究了水庫對鐵路隧道的影響評價；孫健[8]研究了隧道施工中涌水突泥處理技術；杜欣等[9]對隧道建設與水環境關系進行了分析研究；廖書志[10]研究了秦嶼隧道涌泥段的處理；雷升祥等[11]研究了海底隧道的地下水預測與處理措施。上述文獻均結合不同工程提出了有效的預測與處理措施，但針對隧洞下穿水庫的施工案例研究成果不多。

本文在詳細分析秦嶺輸水隧洞工程地質特征基礎上，結合黑河金盆水庫區的水文地質環境，對可能產生滲漏水洞段施工時提出超前預報為先導、進行超前預注漿、對洞室采取全包防水、提高結構配筋率及襯砌厚度的綜合治理方法。

1工程概況

秦嶺輸水隧洞長81.779 km，橫穿秦嶺山脈，進口位于陜西省佛坪縣大河壩鎮三河口下游1.5 km處的子午河右岸斜坡，出口位于周至縣黑河金盆水庫下游東側2 km處黃池溝內(見圖1)。出口端K79+000～K81+779段位于秦嶺北麓，穿越大韓峪溝流域和黃池溝流域，西臨黑河金盆水庫。

圖1　秦嶺輸水隧洞金盆水庫區平面位置圖

Fig. 1Plan layout of Qinling Water Diversion Tunnel in area of Jinpen Dam

秦嶺輸水隧洞出口端從黑河金盆水庫東側下穿通過，水庫常水位與隧洞的高差約48 m，洞身圍巖主要為云母片巖夾石英片巖、綠泥片巖等，受區域性斷裂構造控制，巖體軟弱、破碎，水文地質及工程地質條件極差，圍巖類別以Ⅳ類、Ⅴ類為主，施工難度大、風險高，施工處理不當極易引發坍方掉塊及涌水突泥等地質災害。

2工程地質特征

2.1地形地貌

秦嶺輸水隧洞出口端位于秦嶺嶺北中低山區，地形起伏。高程為700～1 000 m，洞室最大埋深約400 m。

2.2地層巖性

隧洞通過黑河金盆水庫區出露地層巖性主要為中元古界寬坪群四岔口巖組云母片巖夾石英片巖、綠泥片巖等。隧洞穿越區工程地質剖面示意圖見圖2。

2.3地質構造

秦嶺輸水隧洞通過區地質條件復雜，斷裂及褶皺構造發育。在金盆水庫庫區K79+000～K81+779段無大的斷裂構造通過，但秦嶺北麓區域性斷裂(東西—北西走向)和岐山—馬召區域性斷裂(北西走向)均在隧洞出口外側黃池溝右岸通過，巖體受構造作用影響嚴重，小揉皺及褶曲發育。

3水文地質特征及水量預測

3.1地表水

隧洞位于黑河金盆水庫東側，對隧洞有影響的流域有大韓峪溝與黃池溝2個流域，主要河流有大韓峪溝及黃池溝。大韓峪溝為常年流水溝谷，季節性變化較大，河水直接匯入黑河金盆水庫。黃池溝位于大韓峪溝東側，距離大韓峪溝所在的金盆水庫庫邊約2 km，為常年流水溝谷，走向與大韓峪溝近平行，溝水匯入黑河下游。

3.2地下水分布特征

隧洞巖質軟硬相間，巖石孔隙率均較小，含水性及導水性均很差，由于其受風化和構造應力作用形成大量不同形式的風化網狀節理裂隙及構造節理裂隙，是地下水的主要儲存和運移空間及通道。地下水分布形式主要有風化裂隙水及構造裂隙水，風化裂隙水主要儲存于風化帶中，地下水埋藏較淺；構造裂隙水主要儲存于構造裂隙或節理密集帶中，分布具有非均質各向異性，分布規律性較差，地下水位埋深變化大。風化裂隙水一般埋深于30 m以上，30 m以下主要為構造裂隙水，以潛水形式存在為主，局部以承壓水形式存在。

3.3地下水補給徑流排泄條件

庫區主要溝谷支流發育，未見有泉水出露，地下水徑流主要為相對獨立的流域內徑流，各流域之間無直接的水力聯系，除風化裂隙潛水外基本無統一的地下水面。地下水以接受大氣降水的垂直入滲為主要補給來源。區域徑流方向與地表水流方向基本一致，受局部地形地貌的影響，地下水主要以補給地表溝水的形式進行天然排泄。

3.4水化學測試

對隧洞通過庫區的大韓峪溝地表水、鉆孔水取水樣進行化驗。大韓峪溝地表水水化學類型為SO4·HCO3—Ca·Na型水，pH值為8.23，礦化度為0.347 g/L。鉆孔(DZK-1)水水化學類型為HCO3—Na·Mg·Ca型水，pH值為7.77，礦化度為0.370 g/L。經采取黑河金盆水庫水和深鉆孔水進行同位素氚對比分析表明，金盆水庫水與洞身部位鉆孔水同位素氚分析水年齡相差2～3年，即庫水與地下水水流循環體系間無明顯直接的水力聯系。

3.5隧洞通過庫區段涌水量計算

綜合分析隧洞與庫區有影響的主要段落K79+000～K80+500，長度為1 500 m，隧洞距離庫區200～500 m，不考慮庫水滲漏補給隧洞水的可能性，結合庫區不同巖性、構造、裂隙和節理的密集程度、富水程度等特征，劃分為中等富水區。主要采用大氣降水入滲法、地下徑流模數法及地下水動力學法[12]對隧洞通過段涌水量進行計算(見表1)。

圖2　隧洞穿越區工程地質剖面示意圖

選用的預測方法采用公式正常涌水量/(m3/d)最大涌水量/(m3/d)大氣降水入滲法Q=2.74·α·W·AA=L·B9121824地下徑流模數法Q=M·AM=Q’/FA=L·B16473289地下水動力學法Q=K·LH2-h2R-rQ0=L2πKHln4H/d12712647建議值16473289

4隧洞施工對黑河金盆水庫滲漏影響分析

4.1水文地質條件分析

庫區巖性主要為云母片巖夾石英片巖、綠泥片巖，調查中未發現斷層、褶皺及節理密集帶等儲水、導水構造，地下水出露以局部滲水和小股狀水為主要形式，不存在大的儲水帶與庫水連通造成庫水大量漏失的情況。

勘察期間在隧洞左側(K79+833左32 m)的水庫岸邊，布置了1個深鉆孔(孔深140 m)，對鉆孔進行了抽水及壓水試驗，成果資料見表2和表3。

4.2隧洞施工與庫區水水力聯系分析

黑河金盆水庫位于秦嶺輸水隧洞出口端(K79+000～K81+779)西側，是西安市的主要水源地，蓄水量大，有效庫容約1.8億m3，蓄水水位高程在520～594 m。秦嶺輸水隧洞洞線平面距離水庫庫岸最近處不足200 m，從基巖裂隙水影響半徑分析，與洞線橫向及向大韓峪溝上游500 m以內，即K79+000～K80+500段，長1 500 m，隧洞施工對庫水存在一定影響。隧洞在該段洞底最低高程為510.7 m，庫水位與隧洞相對高差為10～84 m。經調查，水庫壩址下游兩側岸坡在目前蓄水高程的巖壁上未見地下水，水庫右岸邊坡無泉水出露；水庫壅水后，黃池溝溝心低于最低庫水位約20 m，黃池溝溝水水量也無明顯變化，說明在目前狀態下，庫水在側向(鄰谷)未發生滲漏。分析認為，庫水(或地下水)在順溝方向及切溝方向無明顯水力聯系。綜上所述，可以確定現有條件下庫區水與隧洞不會有強烈的水力聯系。

表2　鉆孔DZK-1抽水試驗成果資料一覽表

隧洞施工引起的水文地質條件變化，集中表現在地下水流場的明顯變化。隧洞的開挖，改變了局部地下水流場的方向和規模，局部地下水由原先向下游的天然排泄轉為向隧洞匯集，還誘發了部分淺層水的補給，使隧洞成為新的地下水排泄通道。由于區內以二云母石英片巖為主的地層巖質軟硬相間，形成了相對隔水層，節理、裂隙的延伸長度短、貫通性差，導致地下水的循環通道不暢。從地下水的補-徑-排條件角度分析認為，隧洞施工可能發生突涌水問題，但涌水量不會太大。隧洞穿越區水文地質橫剖面示意見圖3。

表3　鉆孔DZK-1壓水試驗成果資料一覽表

4.3隧洞施工對庫水滲漏影響分析

根據地表調查、鉆探、水質同位素氚分析及綜合物探等資料分析認為，洞室通過黑河金盆水庫地段巖性為云母片巖夾石英片巖、綠泥片巖，巖質軟硬相間，受構造作用影響較嚴重，構造節理、裂隙、揉皺及褶曲等發育，水文地質條件十分復雜，但地下水類型屬較為單一的含水體結構類型。隧洞通過段物探測試顯示主要有3段物探低阻異常區，推測巖體破碎，含水的可能性較大，加之異常帶走向與巖層走向近一致，與洞軸線大角度相交，隧洞施工時有利于庫水的滲入。因此，隧洞通過庫區段雖沒有大的儲水、導水通道，但不排除庫水會通過節理裂隙補給隧洞地下水的可能性，設計時應予以充分考慮。

圖3　隧洞穿越區水文地質橫剖面示意圖

4.4庫水滲漏量估算

隧洞開挖后形成新的排水通道，局部改變了地下水流場，以隧洞作為鄰谷，水庫可能存在補給隧洞水的可能性(見圖4)。計算中將含水體概化為均質巖體，假定水庫最高水位為84 m，含水層底板位于隧洞下部20 m，實測壓水試驗透水率為5.14 Lu，實測抽水試驗滲透系數為0.010 5 m/d，采用水庫滲漏量計算(解析法)公式如下。

式中：q為分水嶺單寬剖面的滲漏量，m3/(d·m)；K為巖體的滲透系數，m/d；H1為水庫水位，m；H2為臨谷水位，m；L為平均滲徑，m。

根據抽水、壓水試驗資料，將通過庫區段分為2段進行計算，水庫滲漏量計算結果見表4。

從計算成果分析，庫水滲漏量不大，隧洞施工時，采取必要的防滲處理措施，后期隧洞建成運營后不會影響水庫的正常蓄水。

圖4　庫水滲漏量計算模型示意圖

4.5防止庫水滲漏的隧洞施工建議

隧洞穿越黑河金盆水庫區巖性主要為云母片巖夾石英片巖、綠泥片巖，巖質軟硬相間，施工過程中嚴禁放大炮掘進，盡量減小對圍巖的擾動，及時襯砌、支護；對洞室采取全包防水，提高結構配筋率及襯砌厚度，以抵御隧洞正常涌水和水庫滲漏水所產生的外水壓力；對施工中遇到的節理密集帶進行預注漿處理，用以封堵將來庫水升高后可能會發生的入滲，避免隧洞修建后影響水庫蓄水和地表徑流，盡量減小對地下水環境的影響；施工中應做好超前地質預報工作，對重點地段進行地下水流量監測、統計涌水段落及涌水量的衰減變化工作。

表4　水庫滲漏量計算表

5結論與討論

1)秦嶺輸水隧洞通過黑河金盆水庫區，埋深較小，巖性軟硬相間，受構造作用影響嚴重，節理裂隙發育，但節理、裂隙的貫通性差，隧洞施工可能會引起庫水滲漏，滲漏量不會太大。

2)目前秦嶺輸水隧洞下穿黑河金盆水庫區掘進已順利通過，根據施工期量測，出口段施工階段總涌水量小于設計估算總涌水量，施工總涌水量在設計可控范圍內，施工水文地質條件明顯好于設計水文地質條件。

3)施工期間，采用了多種超前地質預報手段進行地質預報指導施工，加密了重點段落的進洞頻次，并針對具體問題及時進行了分析、處理。

4)本工程施工期間水庫蓄水未處于最大庫容狀態，應加強后期施工監測，具體實施效果有待驗證。

5)水庫滲漏問題情況復雜，滲漏量計算方法各有優缺點，本工程評價方法可供類似工程借鑒。

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Influence of Construction of Qinling Water Diversion Tunnel on Jinpen Dam at Heihe Valley

LI Limin

(ChinaRailwayFirstSurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Xi’an710043,Shaanxi,China)

Abstract:The exit of Qinling Water Diversion Tunnel is located nearby Jinpen Dam at Heihe Valley in Xi’an, China. In order to shorten the length of the tunnel line and reduce the engineering investment, the geological condtions of the tunnel section crossing underneath Jinpen Dam are studied. The influences of engineering geological conditions, hydrogeological conditions and the construction of the tunnel section of Qinling Water Diversion Tunnel on seepage of Jinpen Dam are analyzed in detail by means of comprehensive investigation method and qualitative analysis and quantitative calculation method. Finally, some suggestions are given. The construction practice shows that the tunnel construction scheme is rational and effective,and just has a liltle impact on the environment of Jinpen Dam and grouandwater.

Keywords:Qinling Water Diversion Tunnel; Jinpen Dam; hydrogeological characteristic; water volume prediction; seepage

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)04-0379-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.002

作者簡介：李立民(1969—)，男，陜西蒲城人，1993年畢業于西安礦業學院，水文地質與工程地質專業，本科，教授級高級工程師，主要從事工程地質、水文地質、環境地質及巖土工程設計工作。E-mail: llm185@163.com。

基金項目：陜西省科技統籌創新工程計劃項目(2013KTZB03-01-01)； 陜西省引漢濟渭工程建設有限公司科研項目(引漢建函[2014]93號)

收稿日期：2015-11-27; 修回日期: 2016-01-15