天星壩水庫輸水隧洞涌水分析

王廣巍，姚 蒲

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

天星壩水庫樞紐與灌區分屬不同流域，需跨流域輸水至灌區，灌區面積為8.673×103m2，水庫壩址距永善縣蓮峰鄉政府約21km，距昭通—永善公路約4km，交通條件一般。天星壩輸水隧洞長約6853m，圍巖中地下水位，普遍高于輸水洞洞身高程，且隧洞穿越天星壩河、梅家河、大沙壩河、蓮峰斷裂及其分支斷裂，地下水較為豐富，導致圍巖質量降低，施工難度增大，應進行隧洞施工中涌水量預測，提前做好隧洞排水、開挖、支護施工方案，從而保證施工進度、安全，減少工程投資。

1 工程概述

天星壩水庫樞紐位于云南省永善縣天星壩河，枯水期水面高程約2000m，水面寬約5～9m。水庫正常蓄水位2059.90m，相應庫容2376×104m3，死水位2006.0m，相應死庫容22.9×104m3，興利庫容2353×104m3，為多年調節水庫。水庫樞紐由擋水建筑物、泄水建筑物、輸水建筑物組成［1］。擋水建筑物為面板堆石壩，最大壩高約87m；泄水建筑物由右岸溢洪洞、導流洞、放水管道組成；輸水建筑物為穿越分水嶺的輸水隧洞，隧洞取水口位于天星壩水庫壩址左岸上游約200m處，隧洞出口位于老鷹巖，隧洞總長約6853m，在樁號K0＋890.90m附近，隧洞軸線方向由N19°9′E轉為N33°59′W，進口底板高程2001.9m、出口底板高程1995m，斷面呈城門洞形，襯砌后洞寬2.1m，洞高3.0m，設計輸水流量3.2m3／s。輸水隧洞下游與左右干管銜接，長度分別約為24925m、33559m。

2 基本地質條件

輸水隧洞沿線以構造侵蝕地貌為主，屬中山、高中山區，山脈走向與構造線基本一致。隧洞沿線地面高程2000～2500m，垂直埋深80～250m，最大埋深約490m，深埋洞段存在巖爆現象。

輸水隧洞穿越圍巖為二疊系峨嵋山玄武巖組（P2β），宣威組（P2x）砂巖、黏土巖，三疊系飛仙關組（T1f）砂巖、粉砂巖、泥頁巖。

輸水隧洞穿越地質構造，主要為北東向蓮峰斷裂（F1）及其分支（F2），緩傾角錯動帶（Lc）和陡傾角擠壓破碎帶（g）。

（1）F1：蓮峰斷裂主斷裂，分布在K4＋564m～4＋601m，產狀N50°～60°E／NW∠60°～80°，與洞軸線夾角約85°，斷層帶一般寬30～40m，主要由片狀構造巖、碎裂巖、斷層泥組成，兩側影響帶寬20～40m。

（2）F2：蓮峰斷裂分支斷裂，分布在樁號K4＋263m～K4＋317m，產狀N20°～30°E／NW∠60°～80°，斷層帶寬20～30m，主要由片狀構造巖、碎裂巖組成，兩側影響帶寬10～30m。

（3）輸水隧洞穿越地層中發育緩傾角錯動帶（Lc）和陡傾角擠壓破碎帶（g）：帶寬約10～30cm，主要由碎裂巖、角礫巖組成，結構緊密。優勢裂隙發育3組分別為：N45°～60°E／NW∠70°～85°，N5°～25°W／SW∠60°～75°，N20°～40°E／NW∠15°～25°；長度一般1～5m，間距一般5～20cm，裂面多起伏粗糙，充填巖屑。其次隨機裂隙少量發育。

3 水文地質條件

輸水隧洞圍巖主要為二疊系峨眉山玄武巖組（P2β），長度約5072m，占74%；次為二疊系宣威組（P2x）、三疊系飛仙關組（T1f）砂巖、粉砂巖、泥頁巖，長度約1781m，占26%。

輸水隧洞跨分水嶺輸水，穿越了NE向鏡子山，鏡子山最高3005m；以鏡子山為分水嶺，分水嶺SE側，隧洞穿越水庫干流天星壩河，支流梅家河、大沙壩河；分水嶺NW側無較大規模的地表水系分布。基巖裂隙水是輸水隧洞地下水主要類型，節理裂隙系統是隧洞主要富水構造，接受大氣降水、地表水體補給，向天星壩河、金沙江排泄，少量以泉的形式溢出地表。二疊系峨眉山玄武巖組（P2β）風化強烈、裂隙短小、密集，充填情況較差，是輸水隧洞主要富水巖體；二疊系宣威組（P2x）、三疊系飛仙關組（T1f），巖性為砂巖、粉砂巖、泥頁巖，砂巖、粉砂巖受層厚限制，裂隙發育程度、規模有限，且泥頁巖為相對隔水層，該地層富水能力相對較差。

為查明輸水隧洞圍巖透水性，在輸水隧洞沿線天星壩河、大沙壩河處，分別布置TZK01鉆孔、TZK02鉆孔；孔深分別為150m、250m，表部覆蓋層厚度分別為41.5m、15.0m，下部基巖均為玄武巖，基巖部位做鉆孔壓水試驗。成果見表1～2。

表1 TZK01鉆孔壓水試驗成果統計（天星壩河）

表2 TZK02鉆孔壓水試驗成果統計表（大沙壩河）

輸水隧洞過天星壩河段垂直埋深約89m，孔深56.5～110m段滲透率為1.5～3.3Lu。隧洞通過部位圍巖微風化，裂隙新鮮閉合，飽和單軸抗壓彈度（60MPa≥Rb≥30MPa），為中堅硬巖［2］，滲透率為1.7～2.0Lu，根據GB50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》，圍巖為弱透水巖體，發生隧洞大量涌水現象可能性不大［1］。

輸水隧洞過大沙壩河段垂直埋深約187m，孔深56.4～171.5m段，滲透率3.2～3.7Lu；孔深171.4～251m段，滲透率1.0～3.5Lu。隧洞通過部位，圍巖微風化，裂隙新鮮閉合，滲透率2.0～3.5 Lu，根據GB50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》，圍巖為弱透水巖體，發生隧洞大量涌水現象可能性不大。

4 涌水量預測分析

地下洞室工程涌水預測采用方法主要有：水均衡法、地下水動力學法、比擬法、模糊評分法、同位素法、數值模擬法等。輸水隧洞涌水預測采用水均衡法（降水入滲法）、地下水動力學法（柯斯嘉科夫法）。

4.1 水均衡法

水均衡法適用于地下水運動為非滲流型，在難以根據地下水動力學原理進行隧洞涌水量預測的情況時，用其預測涌水量均為穩定流量。采用水均衡法之降水入滲法，預測輸水隧洞掘進過程涌水量?？紤]輸水隧洞為弱透水基巖裂隙含水系統，進行隧洞整體涌水量預測。降水入滲系數法是根據水文地質條件，一定范圍內大氣降水有效入滲補給量部分或全部涌入隧洞，其平均穩定涌水量表達式為：

式中：Qcp為隧洞平均穩定涌水量，m3／d。F為地表補給面積，km2，在匯流型單元為該單元匯流總面積，在散流型單元和碎屑巖區根據地形圈定。R為大氣降水量，mm，采用實測資料，考慮降水高山效應確定。α為大氣降水入滲系數，變化范圍在0～1之間，根據地質條件、巖體結構、擁有資料的情況，不同洞段分別采用計算值或經驗值。η為拆減系數，取值0.2～1.0，取決于洞段所處部位、埋深、巖體富水性、斷裂發育特征等。

預測時大氣降水量R取666mm，地表補給面積F取21.4km2；經預測天星壩水庫輸水隧洞涌水量為901.89m3／（d·km）。

4.2 地下水動力學法

地下水動力學法之柯斯嘉科夫法，預測輸水隧洞掘進過程長期（穩定）涌水量。考慮輸水隧洞為弱透水基巖裂隙含水系統，從保守角度考慮，進行隧洞整體涌水量預測。柯斯嘉科夫法預測隧洞長期（穩定）涌水量的表達式見式（2），柯斯嘉科夫法概化模型見圖1。

圖1 柯斯嘉科夫法概化模型

式中：Qs為隧洞單位長度長期（穩定）涌水量，m3／d；K為巖體滲透系數，m／d；H為靜止水位至洞底距離（含水體厚度），m；R為隧洞涌水影響寬度，m；r為隧洞洞身凈半徑，m；W為隧洞洞身凈寬度，m，r=W／2；α為修正系數。

預測時隧洞涌水影響寬度R取572.9m，隧洞圍巖以微新為主，滲透系數K取0.7m／d，水位至洞底距離（含水體厚度）H平均取103.7m，洞身半徑按設計1.5m計算修正系數為0.0442。經預測天星壩水庫輸水隧洞涌水量1078.50m3／（d·km）。

5 施工處理措施

水均衡法和地下水動力學法兩種方法預測隧洞涌水量分別為901.89m3／（d·km）、1078.50m3／（d·km）。涌水量平均值為990.2m3／（d·km）；預測成果表明，輸水隧洞涌水量總體不大；該預測成果不包括隧洞穿越天星壩河、梅家河、大沙壩河、蓮峰斷裂及其分支斷裂等洞段，圍巖涌水量較大情況。開挖揭示，輸水隧洞圍巖涌水量與預測基本一致；遇到局部洞段圍巖涌水量較大，采取了如下施工處理措施，保證了隧洞施工進度與安全。

（1）施工中打超前鉆探孔，深度一般3～6m，將掌子面前方圍巖中地下水提前釋放，降低水壓［3］。

（2）局部洞段圍巖涌水量較大，圍巖質量較差，采用鋼拱架、噴錨進行支護［4］，鋼拱架采用I16工字鋼，間距1m。

（3）加大隧洞內排水力度，增加水泵抽水功率，預備好備用抽水泵，保證洞內排水暢通，洞內底板積水深不超過20cm。

（4）圍巖表部布置變形監測儀器，加強監測、觀測、發現圍巖較大變形，及時進行支護處理［5］。

6 結 論

（1）輸水隧洞圍巖主要為二疊系峨眉山玄武巖組（P2β），長約5072m，占74%；次為二疊系宣威組（P2x）、三疊系飛仙關組（T1f）砂巖、粉砂巖、泥頁巖，長約1781m，占26%。二疊系峨眉山玄武巖組（P2β）風化強烈、裂隙短小、密集，充填情況較差，是輸水隧洞主要富水巖體；二疊系宣威組（P2x）、三疊系飛仙關組（T1f），巖性為砂巖、粉砂巖、泥頁巖，砂巖、粉砂巖受層厚限制，裂隙發育程度、規模有限，且泥頁巖為相對隔水層，該地層富水能力相對較差。

（2）隧洞沿線TZK01、TZK02鉆孔壓水試驗成果，隧洞通過部位，圍巖滲透率分別為1.7～2.0Lu、2.0～3.5Lu，圍巖均為弱透水巖體，發生隧洞大量涌水現象可能性不大。

（3）根據水均衡法和地下水動力學法兩種方法預測涌水，輸水隧洞涌水量平均值為990.2m3／（d·km）；預測成果表明，輸水隧洞涌水量總體不大；該預測成果不包括隧洞穿越天星壩河、梅家河、大沙壩河、蓮峰斷裂及其分支斷裂等洞段，圍巖涌水量較大情況。

（4）開挖揭示，輸水隧洞圍巖涌水量與預測基本一致；遇到局部洞段圍巖涌水量較大，經采取超前鉆探孔，鋼拱架、噴錨支護，加大洞內排水，加強圍巖監測、觀測等措施處理后，保證了隧洞施工進度與安全。