引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞突涌水原因及涌水量預(yù)測(cè)

郭熹 柴軍瑞

摘要：針對(duì)隧洞開挖施工中常見的隧洞突涌水等地質(zhì)災(zāi)害問題，在分析隧洞涌水區(qū)域水文地質(zhì)條件、有限元滲流計(jì)算和達(dá)西定律的基礎(chǔ)上，研究秦嶺隧洞椒溪河段開挖涌水原因并預(yù)測(cè)涌水量。研究表明：在涌水發(fā)生的初期，涌水集中滲漏通道由斷層泥及斷層角礫填充，發(fā)生的流動(dòng)為滲流，通過有限差分軟件數(shù)值計(jì)算求得的隧洞開挖初期涌水量與實(shí)際隧洞開挖涌水初始階段的涌水量非常接近;在涌水穩(wěn)定階段，涌水集中滲流通道發(fā)生類管涌的水力破壞，通過集中滲漏通道流入隧洞內(nèi)的流量為1 671.55 m3/h，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)隧洞涌水穩(wěn)定時(shí)的最大涌水量1 700 m3/h接近。研究成果可應(yīng)用于水文地質(zhì)條件類似的隧洞工程涌水量計(jì)算。

關(guān)?鍵?詞：涌水原因; 涌水量; 集中滲漏通道; 管道流; 有限元滲流計(jì)算; 秦嶺隧洞; 引漢濟(jì)渭

中圖法分類號(hào)：P642?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.021

我國水資源分布極不均衡，除正在建設(shè)的南水北調(diào)東、中線工程外，國家還將啟動(dòng)一批調(diào)水工程。引水隧道修建過程中所遇到的地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，具有“洞線長、大埋深、高應(yīng)力、高水壓、強(qiáng)巖溶” 等特點(diǎn)，使得在施工過程中容易發(fā)生突涌水事故，嚴(yán)重威脅著施工安全[1-2]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)涌水量計(jì)算進(jìn)行了大量研究并且提出了很多理論與方法，其中，Goodman、大島洋志和Tani等公式得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。基于工程經(jīng)驗(yàn)，諸如落合敏郎、科斯嘉科夫、佐藤邦明、我國鐵路勘測(cè)規(guī)范等經(jīng)驗(yàn)方法也被提出并得到了應(yīng)用[3-5]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬法[6]、回歸分析法、模糊數(shù)學(xué)模型法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[7]和時(shí)間序列分析等也相繼提出[8]，但是由于涌水量和地形地貌、地質(zhì)巖性、 地層構(gòu)造、水文氣象、施工擾動(dòng)等諸多因素影響，至今尚無成熟的理論和公認(rèn)的準(zhǔn)確計(jì)算方法[9-10]。

本文以引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞椒溪河段為例，通過隧洞涌水區(qū)域水文地質(zhì)條件調(diào)查和有限元滲流分析，研究秦嶺隧洞椒溪河段開挖涌水原因并預(yù)測(cè)涌水量。

1?工程概況

1.1?隧洞工程概況

引漢濟(jì)渭工程是陜西省省內(nèi)跨流域調(diào)水工程，是針對(duì)關(guān)中地區(qū)缺水問題提出的省內(nèi)南水北調(diào)工程的骨干調(diào)水線路，是減輕關(guān)中地區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害問題的重點(diǎn)支撐工程。調(diào)水工程首部黃金峽水利樞紐位于漢江上游陜西省洋縣黃金峽，尾部秦嶺輸水隧洞的出口位于西安市周至縣馬召鎮(zhèn)的黃池溝內(nèi)（見圖1），并規(guī)劃向關(guān)中地區(qū)多年平均調(diào)水15. 0億m3。

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞椒溪河段為秦嶺輸水隧洞先期開挖的勘探試驗(yàn)洞，采用鉆爆法施工，現(xiàn)澆混凝土襯砌，其中主洞長為6 592 m，支洞長為324 m，且主洞進(jìn)口方向是2 529 m，出口方向是4 063 m。椒溪河段隧洞支洞洞口位于椒溪河右岸黃泥嘴，主洞與支洞交匯里程為K2+575，采用無軌雙車道施工支洞，平距為324 m，斜長為325.88 m，綜合坡比為10.44%。

1.2?水文地質(zhì)條件

椒溪河段隧洞地表水較發(fā)育，主要為浦家溝、木耳溝、椒溪河、埡子溝，為常年流水溝，水量較大且隨季節(jié)性變化較大，夏季有山洪爆發(fā)，主要受大氣降水補(bǔ)給。地下水為基巖裂隙水及巖溶水，水量較豐富，受大氣降水補(bǔ)給，水質(zhì)良好，對(duì)混凝土無侵蝕性。施工工區(qū)屬于中等富水區(qū)（Ⅱ），分布于f?s1?、f?s2?斷層破碎帶及影響帶。斷裂構(gòu)造縱橫交錯(cuò)，裂隙發(fā)育，同時(shí)原生層理也發(fā)育，各種成因的節(jié)理、裂隙相互切割成網(wǎng)絡(luò)狀，構(gòu)造作用強(qiáng)烈。巖體較破碎、節(jié)理裂隙貫通性強(qiáng)。

1.3?涌水情況

（1） 2012年10月，引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞椒溪河段的勘探試驗(yàn)洞正式開始建設(shè)。

（2） 2013年2月20日，掌子面開挖至K2+692.5處正中央上部發(fā)生突然較大涌水，預(yù)估初期涌水量約11 000 m3/d，隨后有一定衰減，涌水量最小約4 800 m3/d（見圖2）。在4月19日，受到大氣降水汛期的影響，巖石節(jié)理裂隙中的充填物被疏通，最大涌水量約?9 600m3/d。2013年2月22日至5月13日的平均排水量約6 900 m3/d。

（3） 2013年6月15日，掌子面開挖至K2+?706.9?處左側(cè)邊墻底部和掌子面底部時(shí)發(fā)生突然涌水，初期涌水量約9 800 m3/d。在7月21日，由于大氣降水汛期影響，涌水量最大增至約23 600 m3/d。

（4） 2013年9月17日凌晨，掌子面開挖至K2+738處掌子面左側(cè)邊墻下部由少量滲水變?yōu)樯倭考谐鏊恐饾u增大（出水量約為45 m3/h）局部沖刷;9月17日晚完成噴護(hù);至9月18日凌晨沖刷范圍擴(kuò)大形成涌水通道，04∶10分涌水量約為850 m3/h，涌水量最大增至約1 000 m3/h（相當(dāng)于24 000 m3/d）。

（5） 2014年3月1日才順利完成該段395 m洞挖施工任務(wù)，用時(shí)14個(gè)月。

2?涌水原因分析

2.1?涌水水源

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察分析，秦嶺隧洞椒溪河段涌水量補(bǔ)給來源為巖溶地下水和地表椒溪河河水滲漏。秦嶺隧洞椒溪河段通過區(qū)地下水以潛水為主，局部具有弱承壓性，且該段處于巖溶地下水位以下的淺飽水帶中;另外，椒溪河段隧洞建設(shè)地處陜南山區(qū)，年平均降雨較多。通過分析3次大涌水的實(shí)際情況可知，隧洞涌水量的大小，同椒溪河河道水位有非常密切的關(guān)系，在第3次發(fā)生涌水時(shí)，隧洞內(nèi)有十幾厘米長的小魚被沖出。

2.2?涌水通道的形成

從椒溪河段區(qū)隧洞的工程地質(zhì)來看，隧洞圍巖的巖體較破碎—破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，這種地質(zhì)條件為涌水通道的形成提供了必要的條件[11]。施工擾動(dòng)也是形成涌水通道一個(gè)重要因素。當(dāng)隧道工程施工過程中直接連通富水優(yōu)勢(shì)斷裂時(shí)[12]，突水事故在所難免（見圖3）。

椒溪河段隧洞涌水通道的形成和發(fā)展，同隧洞圍巖的巖性、地質(zhì)構(gòu)造以及人為施工擾動(dòng)是密切相關(guān)的[13]。正是上述因素的共同作用，為涌水的發(fā)生提供了通道（見圖4）。由于涌水的水源主要來自于椒溪河河水，當(dāng)隧洞開挖后發(fā)生涌水，必然存在貫通于河道和隧洞之間的集中滲漏通道。

3?涌水量計(jì)算

大多數(shù)突涌水災(zāi)害的發(fā)生與地質(zhì)缺陷有關(guān)[14]，在涌水發(fā)生的初期，涌水集中滲漏通道由斷層泥以及斷層角礫填充，發(fā)生的流動(dòng)為滲流。之后經(jīng)過流固耦合作用達(dá)到穩(wěn)定階段，涌水集中滲流通道發(fā)生類管涌的水力破壞，通道內(nèi)的填充物質(zhì)隨水流被帶出，形成一個(gè)連通河道和隧洞洞室的通道，發(fā)生管道流。

3.1?滲流計(jì)算

本文應(yīng)用有限差分軟件FLAC?3D?對(duì)隧道開挖前后隧洞圍巖滲流場(chǎng)分布特性及隧洞涌水量大小進(jìn)行分析。選取隧洞里程樁號(hào)K2+735～K2+855段為研究對(duì)象，分別對(duì)河道水位為570，573，576，579 m和582 m時(shí)隧洞開挖前后滲流場(chǎng)及涌水量開展數(shù)值模擬計(jì)算。

椒溪河段隧洞主洞標(biāo)準(zhǔn)斷面為馬蹄形，數(shù)值求解區(qū)域的長寬范圍取為120 m×50 m。圍巖材料以Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ類為主，將計(jì)算模型分為下、中、上等3層，中層部分范圍以隧洞中心水平面算起，向上向下各取10 m（見圖5）。下層為弱風(fēng)化大理巖夾石英片巖地層，中層為微風(fēng)化大理巖夾石英片巖地層，上層為強(qiáng)風(fēng)化大理巖夾石英片巖地層。

在數(shù)值計(jì)算中材料的力學(xué)模型采用Mohr-Coulomb彈塑性理論模型。計(jì)算模型采用位移邊界條件，底部邊界采用約束豎向位移，上部邊界為自由邊界，隧道長度方向和寬度方向左右兩端邊界處采用水平位移約束。隧道圍巖計(jì)算參數(shù)見表1。

隧洞開挖前，孔隙水壓力從上到下呈層狀分布，孔隙水壓力逐漸增大。隧洞圍巖孔隙水壓力的分布同靜水壓力的分布情況是一致的（見圖6（a））。隧洞開挖后，隧洞周邊圍巖孔隙水壓力開始下降，地下水向洞內(nèi)臨空面滲透。由于在隧洞開挖邊界四周存在水壓力差，所以造成隧洞圍巖滲流場(chǎng)的改變，最終形成一個(gè)類似滲水漏斗的形狀（見圖6（b））。

通過對(duì)隧洞開挖前后，各個(gè)水位之間的最大孔隙水壓力的計(jì)算可知，最大孔隙水壓力與河道水位高度近似成正比關(guān)系。但是，最大孔隙水壓力與河道水位高度的變化率不是很大（見圖7）。

通過有限元軟件數(shù)值計(jì)算求得的隧洞開挖涌水量與實(shí)際隧道開挖涌水初始階段的涌水量45 m3/h非常接近。隨著水位高度的增加，涌水量是成正比增大的。但是，涌水量隨水位高度的增長率不是很大（見圖8）。

3.2?涌水集中滲流通道的管道流計(jì)算

對(duì)于管道流過程，假設(shè)由于涌水集中滲漏通道發(fā)生了類管涌的水力破壞，滲漏通道內(nèi)的填充物質(zhì)隨水流全部帶出，于是涌水集中滲漏通道變成了涌水管道（見圖9）。

通道內(nèi)的流動(dòng)可以認(rèn)為是有壓的管道流，根據(jù)有壓管中的恒定流計(jì)算公式可以推求集中滲漏管道中的涌水量。假定該管道為簡單管道，通過集中滲漏通道的水流流入隧洞時(shí)為自由出流。該計(jì)算過程涉及的計(jì)算公式為

Q=vA= 11+λ ld+ζA2gH=μcA2gH（1）

Q= 11+λ ld+ζA2gH（2）

Q=μcA2gH （3）

式中，A為管道的過水?dāng)嗝婷娣e，m2 ;μc為管道系統(tǒng)的流量系數(shù)， μc= 11+λ 1d+ζ;H為河道水位與管道出口斷面中心的高差，m;λ為管道沿程阻力系數(shù)，由謝才公式λ= 8gC2和曼寧公式C= 1nR16?，可推求管道的沿程阻力系數(shù)，n取為0.025;ζ為管道的局部水頭損失系數(shù)，取為0.45。

由式（1）～（3）可求得，通過集中滲漏通道流入隧道內(nèi)的流量為1 671.55 m3/h，如圖10所示。計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)隧洞涌水穩(wěn)定時(shí)的最大涌水量1 700 m3/h接近。

計(jì)算求得的初期涌水量和穩(wěn)定期的涌水量同現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的涌水量非常接近，進(jìn)一步說明隧道開挖發(fā)生涌水是由于存在連接河道和隧洞的集中滲漏通道在滲透力的作用下發(fā)生了類管涌的水力破壞。

4?結(jié) 論

通過對(duì)引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞椒溪河段隧道發(fā)生涌水的原因進(jìn)行分析，并通過數(shù)值模擬和管道流計(jì)算涌水量，得到以下結(jié)論。

（1） 椒溪河段隧洞涌水的水源來自于椒溪河的河水，而涌水的通道是貫通于椒溪河河道和隧道之間的集中滲漏通道，該滲漏通道是在隧道圍巖的巖性、圍巖的地質(zhì)構(gòu)造、巖溶作用及隧洞的施工擾動(dòng)等因素的共同作用下形成的。

（2） 在涌水發(fā)生的初期，涌水集中滲漏通道由斷層泥及斷層角礫填充，發(fā)生的流動(dòng)為滲流，通過有限差分軟件數(shù)值計(jì)算求得的隧洞開挖涌水量與實(shí)際隧道開挖涌水初始階段的涌水量非常接近。隨著水位高度的增加，涌水量是成正比增大的。但是，涌水量隨水位高度的增長率不是很大。

（3） 在涌水穩(wěn)定階段，隧道開挖發(fā)生的涌水是由于存在連接河道和隧洞的集中滲漏通道在滲透力的作用下發(fā)生類管涌的水力破壞。計(jì)算的經(jīng)由集中滲漏通道流入隧洞內(nèi)的流量同現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)隧洞涌水穩(wěn)定時(shí)的最大涌水量接近。

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引用本文：郭?熹，柴軍瑞.引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞突涌水原因及涌水量預(yù)測(cè)[J].人民長江，2019，50（1）：113-117.

Causes analysis on water gushing and prediction of water inflowin Qinling Tunnel， Water Diversion Project from Hanjiang River to Weihe River

GUO Xi，CHAI Junrui

（Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering ， Xi' an University of Technology， Xi' an 710048， China）

Abstract：Aiming at the problems of geological hazards such as water gushing caused by tunnel

excavation in water-rich area， on the basis of hydro-geological condition investigation， finite element seepage calculation and Darcy's law， we analyzed the water gushing causes and predicted water inflow of Jiaoxi river section of Qinling Tunnel， Water Diversion Project from Hanjiang River to Weihe River. The results showed that in the water gushing initial period， the concentrated leakage passage was filled with fault mud and fault breccia， and the flow was seepage. The initial water inflow amount obtained by finite element numerical calculation was very close to the actual water inflow amount. In the steady period， for the piping failure occurred in the concentrated water leakage passage， the simulated water inflow was 1671.55m3/h， closing to the actual maximum water inflow of 1700m3/h. The research results can be applied to the water inflow calculation in tunnel engineering with similar hydro-geological conditions.

Key words：?water gushing cause; water inflow; concentrated leakage channel; conduit flow; finite element seepage calculation; Qinling Tunnel; Water Diversion Project from Hanjiang River to Weihe River