中梁山某隧道工程巖溶發(fā)育規(guī)律及涌水量預(yù)測(cè)

朱永珠　賀梓宸

摘要：中梁山位于觀音峽背斜南部，地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶發(fā)育。文章結(jié)合某隧道工程，根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查、鉆孔試驗(yàn)等，查明隧址區(qū)巖溶發(fā)育現(xiàn)狀，分析巖溶發(fā)育的規(guī)律及其控制性因素。分別采用水均衡法和地下水動(dòng)力學(xué)法對(duì)隧道可溶巖段涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)結(jié)果表明正常涌水量為79816m3/d，最大涌水量為123101m3/d。

關(guān)鍵詞：巖溶發(fā)育；隧道涌水量；水均衡法；地下水動(dòng)力學(xué)法

1. 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)背景

隧道橫穿中梁山，區(qū)內(nèi)地形受地質(zhì)構(gòu)造及地層巖性控制。中梁山位于川東褶皺帶重慶弧形構(gòu)造的觀音峽背斜南延部[1]，該區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造主要以隔檔式構(gòu)造為主，即由一系列平行的背斜和向斜相間組成。地層主要為一套海相與淺海相碳酸巖鹽、碎屑巖和內(nèi)陸相碎屑巖沉積，出露的地層除白堊系、第三系缺失外，自二疊系至第四系均有不同程度的發(fā)育。區(qū)內(nèi)地形由窄條狀山脈和丘陵谷地組成，沿NNE方向展布，背斜成山，向斜成谷，山高谷深，嶺谷相間，地形受巖性控制，背斜軸部的石灰?guī)r、白云巖形成巖溶槽谷，堅(jiān)硬的須家河砂巖組成單面山，侏羅系紅層組成丘陵，形成本區(qū)多樣化的地貌景觀。隧道橫剖面見(jiàn)圖1。

1.2 水文地質(zhì)條件

隧道所在的中梁山脈橫向上受地形切割，縱向上被長(zhǎng)江、嘉陵江及其支流切割，受觀音峽背斜的影響，在白市驛鎮(zhèn)、獅子巖、重慶東站一帶地下水向南北兩端徑流。根據(jù)含水介質(zhì)巖性、地下水動(dòng)力特征等的差異性，隧址區(qū)可劃分為碳酸鹽巖類含水層和碎屑巖類含水層及泥巖隔水層。

1.2.1 碳酸鹽巖類含水層

主要由嘉陵江組（T1j）、雷口坡組（T2l）、飛仙關(guān)組（T1f）、長(zhǎng)興組（P2c）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖夾角礫狀灰?guī)r等組成，分布于觀音峽背斜軸部，屬中等富水性弱透水性巖溶裂隙含水層。

1.2.2 碎屑巖類含水層

由須家河組（T3xj）中～厚層砂巖組成，呈條帶狀展布于陡崖及陡傾的斜坡地帶。其含水性和裂隙發(fā)育成正比，隨著深度的增加，裂隙發(fā)育減弱含水性減弱。主要分布在陡峻的斜坡地帶，地表排泄良好，入滲較差，但出露面積廣泛，巖層的張裂隙發(fā)育，也有助大氣降雨的入滲，總體含水性中等。

1.2.3 隔水層

隧址區(qū)隔水層包括侏羅系紫紅色泥巖、須家河組頁(yè)泥巖及飛仙關(guān)組泥巖，詳細(xì)概述如下：

（1）侏羅系各組地層：以紫紅色泥巖為主，夾薄層砂巖，滲透性小，富水性貧乏，為相對(duì)隔水層。

（2）須家河組隔水層：為該組一、三段，以頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、泥巖為主夾薄層、粉砂巖，隔水性能良好。

（3）飛仙關(guān)組隔水層：為該組二、四段，以泥巖為主，夾泥質(zhì)灰?guī)r、鈣質(zhì)頁(yè)巖，隔水性能良好。

2. 巖溶發(fā)育規(guī)律

2.1 巖溶發(fā)育現(xiàn)狀

隧道穿越可溶巖有三疊系雷口坡組（T2l）、嘉陵江組（T1j）、飛仙關(guān)組（T1f）、二疊系長(zhǎng)興組（P2c）地層，巖溶發(fā)育形態(tài)有巖溶洼地、巖溶漏斗、落水洞、溶洞、溶蝕裂隙等。遂址區(qū)巖溶發(fā)育極不均勻，最大的有數(shù)十米高的溶洞，小至數(shù)毫米的溶隙和溶孔。巖溶槽谷地面深度200m以上巖溶較發(fā)育，以下巖溶有隨深度增加而減弱的規(guī)律。巖溶發(fā)育受地

質(zhì)構(gòu)造控制，以順層發(fā)育為主，并且集中在可溶巖與相對(duì)不溶巖接觸帶附近，巖溶水主要順巖溶管道順縱向流動(dòng)，排泄于橫向溝谷，局部順穿層裂隙發(fā)育，巖溶水順裂隙面排泄于縱向溝谷中。根據(jù)野外調(diào)查和鉆孔揭露，在不同的可溶巖地層中，巖溶的發(fā)育程度不盡相同。

2.2 巖溶發(fā)育規(guī)律及控制性因素

2.2.1 巖溶發(fā)育規(guī)律

根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查和鉆孔資料，隧址區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律如下：

（1）分水嶺距隧道線路約4.5km，從分水嶺到西翼槽谷線路、東翼槽谷線路以南1.4Km區(qū)域內(nèi)巖溶水順裂隙面排泄于橫向溝谷中；

（2）在順裂隙面排泄的巖溶水集中處往往出現(xiàn)落水洞（或巖溶洼地），巖溶水一部分下滲，一部分排泄于橫向溝谷中；

（3）穿層的巖溶水順裂隙面排泄于橫向溝谷的現(xiàn)象越發(fā)育，則其下滲或沿巖層走向作縱向流動(dòng)的現(xiàn)象就越弱；

（4）落水洞主要集中分布于飛仙關(guān)三段、嘉陵江組地層。

2.2.2 巖溶發(fā)育控制性因素

隧道區(qū)內(nèi)可見(jiàn)的巖溶形態(tài)有漏斗、落水洞、溶洞洼地、溶孔、溶隙等。區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育主要受控于如下因素：

（1）可溶巖和隔水層的分布決定了巖溶發(fā)育的邊界，在可溶巖與非可溶巖的界面上多發(fā)育溶蝕現(xiàn)象。

（2）巖溶發(fā)育受可溶巖純度控制，嘉陵江組的中上部、飛仙關(guān)組地三段巖性較純，洼地、落水洞、暗河、溶洞等分布最多。

（3）巖溶發(fā)育受構(gòu)造控制，線路區(qū)東西各發(fā)育有高位巖溶槽谷，主要由嘉陵江組及飛仙關(guān)第三段組成，褶皺頂部主要發(fā)育縱張裂隙及陡傾的巖層面，有利于地下水及地表水的集中循環(huán)，利于巖溶發(fā)育。

（4）巖溶發(fā)育受地形地貌控制，地形的切割和溝谷的發(fā)育影響水循環(huán)的路徑及巖溶的發(fā)育強(qiáng)度。調(diào)查顯示，槽谷區(qū)的大氣降雨經(jīng)落水洞向坡腳的水平溶洞排泄；線路區(qū)的深部地下水做縱向運(yùn)動(dòng)向長(zhǎng)江排泄，在東翼沖溝地帶也有巖溶大泉越流補(bǔ)給，經(jīng)須家河組砂巖排泄。

2.3 巖溶發(fā)育強(qiáng)度垂直分帶

地下水運(yùn)動(dòng)是巖溶發(fā)育的重要條件，從地表向地下，地下水的運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，巖溶發(fā)育強(qiáng)度也逐漸減弱[2]。根據(jù)巖溶發(fā)育強(qiáng)弱，將巖溶發(fā)育強(qiáng)度相似的劃分為同一個(gè)巖溶發(fā)育帶，將巖溶發(fā)育強(qiáng)度差異較大的部分劃分為不同巖溶發(fā)育帶。根據(jù)隧道所在區(qū)域巖溶水的水動(dòng)力的特征，將區(qū)內(nèi)巖溶分為4個(gè)帶，見(jiàn)表1。

3. 隧道涌水量預(yù)測(cè)

3.1 隧道涌水量計(jì)算方法

隧道涌水量常用非均質(zhì)紊流方法進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)不同的邊界條件進(jìn)行選擇，目前常用涌水量計(jì)算方法為比擬法、水均衡法和地下水動(dòng)力學(xué)法[3]。

（1）比擬法

比擬法是通過(guò)類比相似水文地質(zhì)條件的隧道工程，以既有隧道工程涌水量計(jì)算擬建隧道工程的涌水量，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于兩隧道工程的相似性，相似性越高則結(jié)果越準(zhǔn)確。

（2）水均衡法

水均衡法是在查明隧道施工期各收入、支出部分之間的關(guān)系，根據(jù)水平衡原理計(jì)算施工階段涌水量，水均衡法包括地下水徑流模數(shù)法和降雨入滲法。

①地下水徑流模數(shù)法：Q=M·F式中：Q——地下水逕流量（m3/d）：F——含水層出露面積（km2）；M——地下水逕流模數(shù)（L/s·km2）

②降雨入滲法：Q=2.73·λ·h·F式中：Q——地下水逕流量（m3/d）；h——多年平均降雨量，本區(qū)為1213.5mm；F——含水層出露面積，km2；λ——滲入系數(shù)。

（3）地下水動(dòng)力學(xué)法

地下水動(dòng)力學(xué)法是根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)的基本理論并建立方程，通過(guò)數(shù)學(xué)解析求解方程而獲得給定邊界和初始條件下的涌水量。常見(jiàn)的地下水動(dòng)力學(xué)法包括裘布依理論公