巴基斯坦某水電站隧洞涌水量預測分析

尹津航 賈 楨 劉向飛 張學東

滲水和突、涌水是隧洞施工中常見的水文地質現象。大量的突、涌水往往給工程帶來許多困難和危害，甚至造成嚴重事故，大大影響施工進度[1-2]，因此，隧洞涌水量的預測分析是工程設計中非常重要的組成部分。

關于隧洞涌水量預測，工程上應用較多的是傳統理論公式法。許多專家學者在此基礎上，根據工程的具體情況，對傳統公式進行了修正或引入一些新理論方法，取得了一定的成效[3]。此外，尚有涌水量曲線外推法、水文地質比擬法等近似計算方法。但是，由于地下水分布是一個很復雜的系統，單獨一種方法并不能很準確地進行預測，因此，要多種方法相結合，來提高預測精度。

1 工程地質背景

擬建水電站工程位于巴基斯坦北部山區，為引水式電站，設計水頭316 m，引水流量420 m3/s。采用平行雙洞布置，斷面呈圓形，直徑8.5 m，長度17 900 m。隧洞埋深多為300～1 000 m，最大埋深為1 150 m。

隧洞穿越地區地層為第三系中新統Murree 組和Kamlial 組，巖性以砂巖、粉砂巖和泥質粉砂巖及泥巖、劈理化泥巖為主。

隧洞沿線山嶺與河谷盆地相間分布，穿越2 個較大的分水嶺。工程區雨季大氣降水充沛，為地下水提供了豐富的來源。地層受新構造運動的影響，褶皺、斷層及節理裂隙比較發育，為地下水的活動創造了空間條件。

隧洞穿越部位地下水類型主要為淺層基巖裂隙潛水、深層基巖裂隙潛水及承壓水。淺層基巖裂隙潛水以大氣降水滲入補給為主，主要賦存于基巖卸荷帶至弱風化帶上限范圍內。深層基巖裂隙潛水以淺層基巖裂隙水及地表徑流滲入補給為主，多賦存于向斜等大的儲水構造中，可造成深埋隧洞開挖過程中突、涌水等較大的工程危害。經過初步勘察發現隧洞沿線存在著向斜構造承壓水、單斜構造承壓水、斷層帶承壓水及塊狀巖體中的承壓水等，這些承壓水的水頭往往較高，含水層多屬于裂隙含水層。

隧洞穿越2 個較大的分水嶺，沿線分布褶皺帶、喜馬拉雅前緣斷裂帶、多條斷層以及向斜、背斜等，以上構造部位均有利于地下水的賦存，從巖性、構造發育特征及勘探試驗資料等方面判斷，隧洞在構造破碎帶附近、向斜核部地層局部可能發生承壓水和裂隙水集中式涌（突）水。

勘察期間，分別在輸水隧洞首部和中部完成了7 個鉆孔（ZKT1～ZKT7），在鉆孔中進行了壓水試驗，結合前期勘察位于隧洞中部河谷中的BH18 號鉆孔壓水試驗資料，分析得到的巖體透水率隨深度變化的關系曲線如圖1 所示。

圖1 隧洞沿線巖體透水率隨鉆孔深度變化關系曲線

由圖1 可知：

（1）BH18 號孔位于隧洞中部河谷背斜的NE翼，埋深35～80 m 間的巖體為中等-強透水性，透水率為47～210 Lu，平均值為120 Lu。

（2）BH18 號孔埋深80～120 m 間的巖體為中等-強透水性，透水率為6.8～55 Lu，平均值為25 Lu。

（3）埋深120～300 m 間的巖體為弱透水性，透水率為0.78～18 Lu，平均值為3.9 Lu。

ZKT5 和ZKT7 兩個鉆孔埋深350～400 m 間的巖體為弱透水性，透水率為1.3～3.1 Lu，平均值為2.1 Lu。

在ZKT6 號鉆孔的鉆進過程中，揭露到高水頭承壓水。

（1）在孔深184 m 處第一次遇到承壓水。最初，承壓水流量為1.66 L/g。隨著鉆進，流量不斷增大，進到孔深208.5 m 時，流量達到5.71 L/g。

（2）在對137 ～208.5 m 孔段進行灌漿后繼續實施鉆進，進至孔深230 m 時，再次遇到了承壓水，最初的流量為1.5 L/g，隨著鉆進，流量不斷增大，至孔深256.7 m 時，承壓水的流量增加到3.03 L/g。

根據臨近N-J 工程施工過程中揭露地下水情況，隧洞出水點多在砂巖與泥巖接觸面或沿大的節理裂隙出現，且多以滲水、滴水或線狀水流岀露，而在規模較大的節理裂隙密集帶及向斜構造和穿河段有突、涌水現象。

2 隧洞涌水量估算

在不考慮排水防滲措施的前提下，對隧洞開挖時（施工期）最大涌水量進行預測計算時分別采用以下兩種方法[2-3]：

（1）古德曼經驗式：

（2）工程實踐總結的經驗公式：

Qm=L（0.025 5+1.922 4KH）

計算穩定涌水量時分別采用以下兩種方法：

（2）工程實踐總結的經驗公式：

Qs=LKH（0.676-0.06K）

式中 Qm——隧洞最大涌水量，m3/d；

Qs——隧洞穩定涌水量，m3/d；

L——隧洞長度，m；

K——巖體的滲透系數，m/d；

H——洞底以上含水體厚度，m；

d——洞身橫斷面的等價圓直徑，m；

R——隧洞涌水量影響寬度，取R=500 m；

計算中采用的透水率、滲透系數K 為鉆孔中壓水試驗統計平均值，最大涌水量和穩定涌水量的計算結果（以樁號0+000—0+950 為例）見表1。

表1 涌水量計算結果表

通過表1 可知，樁號0+000—0+350 段穩定單位涌水量為0.4～0.5 m3/（d·m），最大單位涌水量為1.2～1.9 m3/（d·m）；樁號0+350—0+950 段穩定單位涌水量為2.8～3.1 m3/（d·m），最大單位涌水量為7.7～8.1 m3/（d·m），最大涌水量為穩定涌水量的2～3倍。而對隧洞整體涌水量估算，一般洞段的穩定單位涌水量6～9 m3/（d·m），隧洞中部河谷段的穩定單位涌水量在50 m3/（d·m）左右。

上述估算僅按單條隧洞考慮，沒有考慮雙隧洞之間的相互影響和洞室開挖過程中預灌漿及支護的影響，且滲透系數采用鉆孔深度范圍內的巖體平均透水率。因此，估算的涌水量要比實際涌水量大。考慮到隧洞圍巖透水層、隔水層相間分布或以夾層形式出現，且總體透水性較弱，均一性極差，所以估算開挖期的涌水量非常困難，因此，在分析、類比臨近N-J 工程（隧洞段距離擬建工程支線距離5～12 km）隧洞開挖揭露地下水情況的基礎上建議一般洞段的涌水量以2～4 m3/（d·m）計。在隧洞穿過斷層帶、向斜核部、斷層破碎帶及中部河谷段時推測涌水量將會較大，甚至會發生突涌水。估計以上部位涌水量20～50 m3/（d·m）。

3 結論與建議

（1）擬建水電站隧洞段穿越地層以砂巖、粉砂巖和泥質粉砂巖及泥巖、劈理化泥巖為主，且隧洞穿越2 個較大的分水嶺，沿線斷層、褶皺帶等發育，工程區范圍內雨季降水充沛，均有利于地下水的賦存，在構造破碎帶附近、向斜核部地層可能發生承壓水和裂隙水集中式涌（突）水。

（2）通過估算一般洞段的穩定單位涌水量、最大涌水量可知，最大涌水量約為穩定涌水量的2～3倍，計算中按單條隧洞考慮，沒有考慮雙隧洞之間的相互影響和洞室開挖過程中預灌漿及支護的影響，且滲透系數采用鉆孔深度范圍內的巖體平均透水率；因此，實際涌水量應小于估算的涌水量。

（3）建議一般洞段的涌水量以2～4 m3/（d·m）計。在隧洞穿過斷層帶、向斜核部、斷層破碎帶及中部河谷段時推測涌水量將會較大，甚至會發生突涌水。估計以上部位涌水量20～50 m3/（d·m）。

（4）施工時應具備對涌水和突水現象的超前探測與處理能力。