下穿巖溶天坑隧道暴雨期涌水量峰值估算方法

謝 藝 偉,陳 基 武,張 鵬,郭 子 昊,張 翾

(1.中交一公局廈門工程有限公司,福建 廈門 361000; 2.南京工業大學 交通運輸工程學院,江蘇 南京 211816; 3.交通部公路科學研究所,北京 100088)

0 引 言

突涌水是巖溶地區修建隧道面臨的主要地質災害之一[1]。巖溶天坑又稱巖溶漏斗,是巖溶地貌中典型的負地形,為碗碟狀或漏斗狀洼地[1]。天坑壁因塌陷呈陡坎狀,天坑底部堆積碎石和殘余紅土,常發育垂直裂隙或溶腔,溶腔與地下暗河或者地下水相通,其形成過程為地表水流沿垂直裂隙向下滲漏時使裂隙不斷擴大,由隱伏孔洞逐步擴大崩落,形成環形陷落天坑。因此天坑是巖溶地區地表水補給地下水的重要通道[2]。

巖溶地區隧道選線不可避免地會從巖溶天坑下部附近穿越,隧道施工期的擾動襲奪了地下水徑流途徑,尤其在暴雨期,地表徑流補給會在短時間內形成洪峰,造成隧道涌水量急劇加大,引發大規模突涌水災害,造成重大的經濟損失和人員傷亡。防控暴雨期下穿巖溶天坑隧道突涌水災害的前提是需要估計這一特殊地貌和地質環境下隧道突涌水流量的峰值。

目前,隧道涌水量預測方法有大氣降雨入滲法、地下水徑流模數法、地下水疏干靜水量法、泉流量匯總法、地下水動力學法、數值分析法、數據挖掘法等[3-4]。結合隧道工程實踐,眾多學者開展了上述經典經驗預測方法之間的對比研究,總結出各方法的適用工程場景[5-9]。近年來,也有些學者針對經典經驗預測方法的不足,提出了修正方法,拓寬了傳統方法的適用范圍、特殊條件與精度。例如:常威改進了大氣降雨滲入量法的延時時間[10];辛冬冬提出基于疊加原理的海底隧道滲流場與涌水量分析與現場測試方法[11];張智雄提出了基于傳統方法的穿越層狀含水結構隧道涌水量修正[12];陳瑜林開展了巖溶隧道的涌水量統計分析,討論不同涌水量預測方法的適用條件[13];傅鶴林等將反映法與滲流分析勢相疊加提出了隧道掌子面附近涌水量預測方法[14];賀小勇等討論了隧道涌水預測中集水面積的計算方法[15]。隨著水文地質勘探手段的提升與監測資料的積累與豐富,數值分析(GMS、FLAC、Modflow等)[16-18]與數據挖掘(最小二乘法、遺傳算法、粒子群算法等)[19-21]方法被引入,涌水預測精確性大幅提高,然而這類方法嚴重依賴于監測資料的數據量與典型性。上述方法要么過于經驗概化,預測結果誤差較大,無法指導精準施工;要么理論性強,需要大量現場勘探工作與實驗參數,才能進行有效計算,而且無法針對暴雨條件進行小時級涌水預報。

雞冠山隧道位于貴州省六盤水市,該地區屬于典型的天坑巖溶區域,2017年6月至2018年7月在巖溶天坑下的隧道施工時發生過7次涌水事件,同時期資料顯示,降雨強度與隧道涌水有極強的關聯性。本文以下穿巖溶天坑的雞冠山隧道工程為背景,對巖溶天坑的水文、地貌、地質等特征進行調查統計,以降雨條件下巖溶天坑的匯水滲流機制為中心,結合實測數據和統計數據,借助小流域暴雨資料推求地表匯流洪峰形成機制,提出了一種下穿巖溶天坑隧道暴雨期涌水峰值流量估算方法,可以實現暴雨條件的小時級涌水預報;并開展了雞冠山隧道下穿巖溶天坑段案例計算分析,驗證了本文所提方法的可靠性。

1 涌水峰值流量估計方法

下穿巖溶天坑隧道涌水量不僅由巖溶區水文地質控制,而且還受到暴雨期地表徑流補給的影響。在巖溶隧道地下水涌水量估算與實測的基礎上,還需對暴雨期小時級隧道上覆巖溶天坑地表徑流量洪峰予以估算。兩者之和即為暴雨期隧道涌水峰值流量。地表徑流量洪峰估計應包括兩大部分:① 巖溶天坑流域范圍確定與流域參數獲取;② 降雨量與降雨歷時估算,具體實現步驟與流程如圖1所示。

圖1 涌水量峰值估算流程Fig.1 Flow chart for estimation of peak inrush flow

步驟1:巖溶天坑微地形測繪。開展巖溶天坑的微地形無人機攝影測量,獲取天坑區高精度數字高程模型DEM地形數據。

步驟2:確定流域特征參數。根據巖溶天坑區高精度數字高程模型地形數據,采用數字地形分析方法,計算巖溶天坑流域面積F,流域最遠點的流程長度L,最遠流程的平均縱比降J。

步驟5:計算雨力。雨力AP的計算公式為

Ap=H24,P·24n-1

當tc≤24 h時,

當tc>24 h時,

式中:α為降雨歷時為24 h的徑流系數,通過查詢當地水文手冊可以獲得。

步驟8:計算流域匯流歷時與設計洪峰流量。流域匯流歷時τ與推理公式求設計洪峰流量Qm,P計算公式為

式中:m為匯流參數,J為最遠流程的平均縱比降,L為最遠點的流程長度,產流歷時tc。

流域匯流歷時τ按照試算法求解:

(1) 按照步驟6計算tc值。

步驟9:計算地下水匯流參數。開展降雨期隧道涌水流量實測,分別記錄無降雨的日常涌水流量Qn,0、降雨期高峰涌水流量Qn,1、降雨期雨停穩定涌水流量Qn,2以及Qn,1與Qn,2之間的歷時tn(小時計),推求地下水匯流參數Kn:

在降雨實測的選擇上,其應超過該地區雨季多年月降雨量平均值。

步驟10:涌水峰值流量估計。巖溶天坑底部出口斷面洪峰為Qm,P,天坑徑流補給隧道的涌水量Qn,P計算公式為

天坑徑流補給隧道的涌水量峰值Qn,P與日常涌水流量Qn,0之和就是隧道最大涌水量Qn,P,Max,即為Qn,P,Max=Qn,P+Qn,0。

為驗證本文計算方法的準確性,以雞冠山隧道工程實例開展計算,并與實測和傳統方法計算結果進行了對比分析。

2 雞冠山隧道涌水案例分析

2.1 隧道概況

G7611都勻至香格里拉高速公路雞冠山隧道位于貴州省威寧縣爐山鎮,是巖溶地層下的越嶺隧道。隧道洞身主體由北東-南西向呈“S”形展布,其方位角走向為248°。如圖2所示,隧道所在區域屬于構造溶蝕峰叢洼地地貌區,峰叢基座與隧道相連,分布有溶丘與洼地,發育有溶蝕漏斗、落水洞等巖溶地貌。溶蝕洼地、漏斗、落水洞在地表上延邊界線呈現出線排列[23]。虛線表征隧道的左右線,左線隧道長3 772 m,右線隧道長3 800 m。圓點包圍區為巖溶天坑,巖溶天坑處于隧道正上方,中心樁號為K72+280,沿隧道方向范圍為K72+220～K72+340,距離隧道洞頂76 m,天坑常年有地表水匯集,并有落水洞泄水,在歷次涌水過程中發現天坑降雨匯流均通過落水洞向下排泄。

圖2 隧道及巖溶地貌Fig.2 Tunnel and karst landform

2.2 工程概況

2.2.1降雨氣象

隧址區位于亞熱帶季風濕潤氣候區,雨量充沛。根據以往氣象資料顯示(見圖3),威寧縣當地年平均降水量為890 mm,日最大降水量為166 mm,降水集中在5～10月,旱季為11月至次年4月。

圖3 威寧縣多年平均氣象資料統計 (1971～2000年)Fig.3 Statistics of average meteorological data in Weining County for many years (1971～2000)

2.2.2隧址區工程及水文地質條件

(1) 工程地質條件。隧道地處于金鐘背斜中部偏北,北東巖層產狀大致為40°～50°,隧道軸線與地層走向呈大角度傾斜相交,隧道區出露基巖為二疊系下統茅口組(P1m)灰巖、二疊系下統梁山組(P1l)泥巖、石炭系中統黃龍組(C2hn)灰巖等。區內裂隙極為發育,節理走向主要有兩組:①走向NW30°～65°,傾向北東和南西,傾角60°～80°;②走向NE35°～45°,傾向北西和南東。傾角65°～85°。

巖溶天坑位于隧道正上方的圓點周圍,中心樁號為K72+280,沿隧道方向的范圍里程為K72+220～K72+340,距洞頂76 m,在歷次涌水過程中發現天坑降雨匯流均通過落水洞向下排泄。降雨多發季節,坡面易產生臨時片流、漫流,從順坡面的凹溝向洼地、漏斗或落水洞區域匯流形成地下水,沿著溶蝕裂隙或管道排至樂溪與大箐溝。

(2) 水文地質條件。隧道穿越段地形東西低,南北高,洞口兩端的箐溝、樂溪構成該小區流域范圍的侵蝕基準面。就地形上看,隧道南側、東側地勢逐漸抬升,處Ⅱ、Ⅲ級剝夷面過渡區,區內地層總體呈北西走向,溶蝕洼地、落水洞總體沿地層走向呈串珠狀分布,地下巖溶管網發育,構成該區地下水排匯通道。區內地下水總體由東向西、由南向北排泄。

隧道南側發育高家灣地下暗河。該暗河系統主要受東、南側地下水補給,構成隧道水文地質單元南側邊界,該邊界與兩側溪溝及隧道北側近東西向山脊線構成相對獨立的水文地質單元。隧道從該水文地質單元中部斜穿,其中部被梁山組地層碎屑巖夾煤系地層大角度切割,隧道東西兩側被分割成兩個相對獨立的次級水文地質單元。

2.3 歷次典型涌水事件

地表水在隧道穿越的區域不發育,地表漏斗和洼地都無積水,地質調查資料表明地下水位低于隧道線路高程。隧道施工期共發生了7次與強降雨密切相關的涌水事件,在隧道下穿天坑洞段發生了3次涌水事件[23],詳見表1。

表1 隧道施工期涌水事件Tab.1 Events of water inrush during tunnel constrnction

2.4 計算分析

2.4.1巖溶天坑微地形測繪

本次研究測量巖溶天坑匯水區的范圍南北長約1.2 km,東西長約1.3 km,測區面積約為1.58 km2。無人機攝影測量系統由DJI M210四軸航拍無人機、DJI ZENMUSE X5S云臺相機、Pix4d數據采集與處理軟件組成。無人機攝影測量外業工作流程包括:選定測區、設備組裝、控制點標定、航線規劃、航測飛行、數據校驗。

利用Pix4dmapper進行三維精細化建模,經過自動空三、密集匹配等處理,生成了DOM、DSM數據,利用Cloudcompare對點云數據進行修剪與去噪,將點云數據導入ArcGIS,使用ArcGIS生成相應的DEM數據。DOM數據、DSM數據、點云數據和DEM數據如圖4所示。

2.4.2確定流域特征參數

根據巖溶天坑區高精度DEM地形數據,利用ArcGIS的水文分析工具進行匯水分析。采用優先漫水算法進行流向分析,模擬降水,尋找最先被淹沒的地區,然后迭代增加水量,后淹沒的地區流向指向最先被淹沒的地區,如圖5(a)所示。基于流向數據計算開展匯流流量分析,以規則格網表示DEM每點處有一個單位的水量,按照水流從高處流向低處的自然規律,根據流向數據計算每點處所流過的水量數值,如圖5(b)所示。計算區內匯水網絡,匯流量大于臨界閾值的柵格就是水流路徑,由水流路徑構成河網。該微地貌區域匯流閾值經試算最終確定為100,計算成果如圖5(c)所示。流域劃分采用ArcGIS的水文分析模塊,劃分結果如圖5(d)所示,共劃分為12個流域,其中5個為內流區,7個為外流區。最大流域面積為0.191 9 km2,最小流域面積為0.0307 km2。

圖5 研究區匯流分析與流域劃分成果Fig.5 Convergence analysis and watershed division results in the study area

采用以上方法計算巖溶天坑流域面積為F=1.076 1 km2,流域最遠點的流程長度L=0.23 km,最遠流程的平均縱比降J=0.325‰。

2.4.3獲取降雨統計參數

2.4.4計算設計雨量H24,P

2.4.5計算雨力AP

雨力AP=H24,P·24n-1=433.26×240.533-1=98.22 mm。

2.4.6計算損失參數μ與產流歷時tc

根據表2中的涌水事件,2018年7月6日,6 h大暴雨降雨量234 mm,對應實測涌水量為21 294 m3,以此案例為基準。參照地區暴雨徑流相關圖推求H24,P對應的凈雨量Rtc=234-35-3×30-30=79 mm,并初步判斷tc<24 h,R24=Rtc。將Rtc代入μ計算公式,得到μ。將μ,AP,n代入tc計算公式,求出tc。

表2 設計洪峰流量試算Tab.2 Trial calculation of designed flood flow

2.4.7計算匯流參數m

2.4.8計算流域匯流歷時τ與設計洪峰流量Qm,P

按照試算法求解流域匯流歷時τ:

(1) 按照2.4.6節公式計算tc值;

2.4.9計算地下水匯流參數Kn

開展降雨期隧道涌水流量實測,分別記錄無降雨的日常涌水流量Qn,0=8329 m3/6 h、降雨期高峰涌水流量Qn,1=24988 m3/6 h、降雨期雨停穩定涌水流量Qn,2=15133 m3/6 h、以及Qn,1與Qn,2之間的歷時tn(小時計)。地下水匯流參數Kn計算如下:

Kn=3.05

2.4.10突涌水洪峰流量估計

根據巖溶天坑底部出口斷面洪峰為Qm,P,天坑徑流補給隧道的涌水量Qn,P計算如下:

=11867 m3/6 h

天坑徑流補給隧道的涌水量峰值Qn,P與日常涌水流量Qn,0之和就是隧道最大涌水量Qn,P,Max,即

Qn,P,Max=Qn,P+Qn,0=11867+8329

=20196 m3/6 h

3 討 論

采用《鐵路工程地質手冊》(第三版)推薦的降水滲入法、水文地質比擬法以及本文所提方法與實測涌水洪峰做對比。降水滲入法、水文地質比擬法的計算結果摘自《都(勻)至香(格里拉)高速公路六盤水至威寧(黔滇界)段LWTJ-11標段施工圖設計階段雞冠山隧道工程地質勘察報告》[23],其中降水滲入法、水文地質比擬法結果是按照日最大降雨量估計的隧道最大涌水量。由于涌水事件的暴雨期為6 h,故在與涌水事件實測結果比較時,由每日24 h等比例換到6 h。

綜合表3,降水滲入法的計算結果均遠小于實測涌水洪峰;相對而言,水文地質比擬法采用工程類推法,由于缺乏實測基礎數據的支撐,其結果比實測值的偏大。本文所提方法計算結果比較接近實測值,其誤差為5%,誤差產生的主要原因是在匯流分析的過程中,為提取合適的匯流計算區域,匯流閾值經試算最終選取為100,低于閾值的匯流區域尚未納入計算,而在實際情況中這些范圍仍會匯聚小部分水量,本次研究計算所選取的流域參數相對實際情況而言偏小,但在可以接受的范圍內。同時本文所提方法可以實現小時涌水量估計,而傳統方法只能計算日涌水量,日涌水量無法應對搶險度汛最大隧道排水能力計算。

表3 傳統方法、新方法與實測結果對比Tab.3 Comparison of traditional method and new method m3/6 h

4 結 論

天坑洼地是巖溶地區的特殊地貌單元,是聯接巖溶地區地表水與地下水的重要通道,其下穿隧道的涌水量不僅受巖溶區水文地質控制,還受到暴雨期地表徑流補給的影響。針對巖溶隧道下穿天坑洼地區施工期涌水事件,本文提出了一種考慮地表徑流補給的下穿巖溶天坑隧道暴雨期突涌水量峰值估計方法,并結合雞冠山隧道的隧址區地形地貌、水文地質條件與實測涌水資料,開展了案例分析計算并與涌水事件的實測涌水量進行對比。

(1) 傳統涌水預測方法不適用于巖溶隧道下穿天坑洼地區,其預測結果與涌水量實際監測值相比存在巨大差異。相對而言,水文地質比擬法是傳統方法中最為接近實測值的方法,但是水文地質比擬法需要大量周邊已建同類工程的實測資料,而且缺乏理論支撐,僅僅是概念估算。

(2) 傳統涌水預測方法僅能按照年降雨量平均值或日最大降雨量推算日最大涌水量,缺乏針對降雨補給涌水量的準確計算。本文所提方法根據地形實測數據與降雨統計數據可以實現地表徑流補給的精確計算,準確預測地表匯水補給天坑洼地下穿隧道突涌水的小時洪峰。

(3) 以雞冠山隧道為例,本文所提方法計算值與涌水量實測值相差5%,計算結果可為隧道涌水防洪或布置抽排方案提供重要數據支撐,保障了隧道施工與運營安全。