馬鞍山隧道暗河成因及涌水量預(yù)測(cè)

重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶 400000

馬鞍山隧道為鐘多鎮(zhèn)至渤?？焖偻ǖ赖目刂菩怨?jié)點(diǎn)工程，屬于分離式雙向特長(zhǎng)隧道，全長(zhǎng)4844m，最大埋深為555m，設(shè)計(jì)底板標(biāo)高為587～621m。隧道右線開挖至YK2+520處發(fā)現(xiàn)地下暗河，暗河斷面高3～7m、寬2～4m，1—2月份枯水期水深為0.10～0.30m，流量為20～50m3/d，暗河距離隧道底板19m左右，進(jìn)入雨季后暗河出現(xiàn)涌突水將破壞隧道底板，影響道路安全。

1 暗河形成的工程地質(zhì)條件

馬鞍山隧道起點(diǎn)位于酉陽(yáng)向斜東翼近核部，隧道沿向斜的東翼展布，山脈走向與構(gòu)造線方向基本一致，呈東高西低趨勢(shì)。隧道起點(diǎn)位于洞底壩附近，高程約為650m。隧道靠近終點(diǎn)處地勢(shì)最高，地面高程為1000～1100m，最大高程約為1190m。隧道出口位于本水溪深切溝谷西側(cè)、懸崖峭壁底部，地面高程約為592m。本水溪溝谷底部地面高程約為490m，溝底寬約為40m，有常年流水。

隧道穿越段位于壟基槽谷中山區(qū)，為中低山地貌區(qū)，高程多為600～1000m，山頂高程為1000～1100m。地表多為溶蝕峰叢及洼地，峰叢高度為30～50m，峰叢之間多為溶蝕洼地或溝槽。

隧道穿越段地面最高點(diǎn)為上吳家蓋，高程為1190m，最低點(diǎn)為隧道出口處本水溪溝谷底部，高程約為490m。隧道穿越帶地面高差達(dá)710m，隧道最大埋深約為555m，位于K4+220附近。

地層巖性為寒武系中統(tǒng)平井組和高臺(tái)組的白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖。隧道位于酉陽(yáng)向斜的東翼，桐麻嶺背斜的西翼，巖層產(chǎn)狀為265°～290°∠5°～20°，隧道走向垂直于巖層傾向。沿隧道走向，該區(qū)域分布大量橫斷層（平移斷層），斷層的走向垂直于背斜的軸向與暗河的走向基本一致。區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育，地下水豐富，主要地下水類型為碳酸鹽巖巖溶水。

2 可溶性碳酸鹽巖類巖溶化特征及巖溶發(fā)育規(guī)律

（1）巖溶的分布與規(guī)模。根據(jù)地面調(diào)查，在隧道揭示的暗河區(qū)域，分布有9處大型巖溶漏斗、溶蝕洼地和小型溶洞，面積為8×18～45×120m2，與暗河的水平距離為0～95m，豎向距離為0～416m。暗河與地表的巖溶漏斗連通性好，并與多處溶洞貫通。暗河底板標(biāo)高603.62m，主要位于第二巖溶期第二亞期發(fā)育的夷平面。

（2）巖溶發(fā)育的階段性。區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育有明顯的多層性，每一溶洞層、暗河在一定標(biāo)高內(nèi)的分布均代表一個(gè)地殼的相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期，并可與各級(jí)夷平面相對(duì)比。各期巖溶發(fā)育層與夷平面對(duì)比關(guān)系見表1。

表1 隧址區(qū)巖溶發(fā)育的分層性

3 巖溶地下水發(fā)育分布規(guī)律

（1）巖溶發(fā)育及巖溶水與巖性的關(guān)系。巖性是巖溶發(fā)育的先決條件，巖溶水的分布與地層巖性密切相關(guān)。灰?guī)r富水性最好，灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r地表及地下巖溶均很發(fā)育，溶丘、洼地、峰叢、溶溝、溶槽等地表巖溶形態(tài)極為強(qiáng)烈，暗河及溶洞也最為發(fā)育，且規(guī)模較大，白云巖地表巖溶不太發(fā)育，溶洞與暗河雖有規(guī)模較大者，但數(shù)量不多，往往在構(gòu)造的控制下才易產(chǎn)生。

（2）巖溶水富集與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。工程區(qū)穿越酉陽(yáng)向斜和桐麻嶺背斜兩大構(gòu)造。向斜寬緩、背斜緊湊。向斜區(qū)斷層、節(jié)理不發(fā)育，巖體相對(duì)較完整，背斜因受到強(qiáng)烈擠壓作用，而使大型節(jié)理和斷層發(fā)育，桐麻嶺背斜在靠近背斜軸的兩翼分別發(fā)育了壩竹陀和龍?zhí)镀揭茢鄬?，在軸部及兩翼大型節(jié)理密集，一般發(fā)育2～3組節(jié)理，以276°∠61°～290°∠82°和116°∠76°～123°∠83°兩組節(jié)理為主，其次為187°∠81°～217°∠88°的節(jié)理。斷層和大型節(jié)理為巖溶的發(fā)育和地下水運(yùn)移提供了空間。

（3）地貌對(duì)巖溶水發(fā)育的影響。不同地貌形態(tài)及不同的標(biāo)高巖溶發(fā)育規(guī)律、程度及地下水富集程度不同。在高一級(jí)的夷平面上（1000m以上）巖溶極為發(fā)育，特別是垂直形態(tài)中落水洞、天窗、漏斗等最為發(fā)育，為地下水的補(bǔ)給區(qū)，地下水位埋藏深，水點(diǎn)少，流量小。

在兩級(jí)夷平面的過渡地帶（即斜坡地帶）巖溶發(fā)育程度減弱，在夷平面的底部（如山盆期第二亞期的底部，標(biāo)高600m左右）暗河溶洞發(fā)育，地下水豐富。馬鞍山隧道分布的溶洞和暗河分布標(biāo)高為500～635m。

該區(qū)內(nèi)最低級(jí)夷平面是溶洞和暗河最發(fā)育的地帶，是地下水排放最集中的區(qū)域。因此，從標(biāo)高上看，巖溶化程度與地下水的富集程度呈相反的趨勢(shì)，即巖溶化從高位置向低位置逐漸減弱，并且由垂直形態(tài)向水平形態(tài)轉(zhuǎn)化，暗河及大泉出露個(gè)數(shù)隨著標(biāo)高的降低而增加，且流量顯著增大。

不同的地貌形態(tài)因補(bǔ)給滲入條件的不同而影響了巖溶的發(fā)育及其地下水的富集。在測(cè)區(qū)內(nèi)的溶丘洼地、峰叢洼地、峰叢谷地有利于地表水的滲入，而深切峽谷地帶、壟崗地帶地形陡峭，不利于地表水的滲入，故巖溶發(fā)育程度低，富水性亦差。

（4）巖溶水的垂直分帶性。由工程區(qū)溶洞及大泉分布標(biāo)高可知，工程區(qū)巖溶水的垂向變化大致可分為以下三個(gè)帶：①垂直循環(huán)帶（補(bǔ)給通道）：該帶垂直巖溶發(fā)育，地表形態(tài)以巖溶洼地和落水洞為主，接受大氣降水的補(bǔ)給，經(jīng)漏斗、洼地匯集后沿層面向暗河或巖溶管道集中。②水平循環(huán)帶（排泄通道）：指侵蝕基準(zhǔn)面以上含季節(jié)變動(dòng)帶的下限，該帶巖溶形態(tài)以水平管道為主，巖溶水活動(dòng)強(qiáng)烈，經(jīng)局部侵蝕基準(zhǔn)面排泄，地表形態(tài)以大泉和暗河為主，為強(qiáng)透水帶。在馬鞍山隧道進(jìn)口段洞底壩一帶多以暗河的形式排泄，排泄口高程低于660m。馬鞍山隧道出口本水溪一側(cè)多以泉和暗河的形式排泄，排泄口高程略高于溝底高程。③深部循環(huán)帶：水平循環(huán)帶以下均屬此帶，巖溶形態(tài)以溶隙、溶孔為主，標(biāo)高一般在200m以下。垂直循環(huán)帶（補(bǔ)給通道）和水平循環(huán)帶（排泄通道）的水力聯(lián)系。垂直循環(huán)帶的巖溶水接受地表洼地來(lái)水補(bǔ)給成為地下徑流，形成暗河和溶洞。

（5）暗河涌水量計(jì)算。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，暗河枯水季節(jié)主要以基巖裂隙水為主，雨季暗河地下水主要由巖溶漏斗和溶洞中的管道狀巖溶水補(bǔ)給，因此，采用大氣降水滲入量法計(jì)算暗河的涌水量與實(shí)際情況更吻合。計(jì)算公式如下：

式中：Q補(bǔ)為滲入補(bǔ)給量，m3/d；α為入滲系數(shù)，取值0.5；A為多年平均降雨量，根據(jù)氣象資料取值1383.60mm；F為計(jì)算塊段面積，km2。在1∶50000的水文地質(zhì)圖上量得計(jì)算塊段面積為40.2km2。

計(jì)算結(jié)果，大氣降水滲入補(bǔ)給總量為6.85萬(wàn)m3/d，該涌水量為平水期涌水量，根據(jù)對(duì)沿線暗河的調(diào)查，雨季暗河的涌水量可以達(dá)到平水期的20倍左右，預(yù)計(jì)涌水量約為137萬(wàn) m3/d。

2011年10月1日—3日酉陽(yáng)地區(qū)持續(xù)降雨，地下暗河于10月2日出現(xiàn)異常涌突水，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)資料，涌水量峰值達(dá)到每晝夜120萬(wàn)m3/d。

4 治理措施

由于該暗河涌水量巨大，靠隧道修建排水溝已經(jīng)無(wú)法消除水患，因此后來(lái)修建了導(dǎo)流洞對(duì)暗河地下水進(jìn)行引流排放，消除了安全隱患。

5 結(jié)論

（1）馬鞍山隧道暗河于灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r中形成和發(fā)育，暗河地表分布大型巖溶洼地和溶蝕漏斗，并與暗河相通。

（2）暗河位于桐麻嶺背斜的西翼，該背斜伴生大型斷層，斷層為平移斷層，走向與暗河基本一致，為暗河的發(fā)育提供了地下空間。

（3）暗河的標(biāo)高與地文期第二巖溶期第二亞期山盆期的夷平面標(biāo)高比較一致，在該標(biāo)高附近同時(shí)發(fā)育了特大型溶洞。

（4）暗河的涌水量宜采用大氣降水滲入量法進(jìn)行計(jì)算，雨季涌水量與平水期涌水量相差20倍左右。

（5）暗河應(yīng)采用導(dǎo)流洞進(jìn)行疏排，隧道內(nèi)設(shè)計(jì)的排水溝難以消除隱患。