關于水利工程隧道突涌量測算分析研究

(江西省余干縣水利局，江西 余干 335100)

1 水工隧道突涌量測算方式述要

1.1 常水頭計算

Harr鏡像模型法是孔隙水壓均勻分布和各向均質同性圍巖體隧道突涌量測算常用的方法。水工隧道及鏡像部位在開挖之前距離起始地下水位的距離基本相同，兩條水工隧道間的流動能夠在無限邊界情況下給與評估，將起始地下水位線視為等水位線，而不是分析相對復雜的半無限邊界問題。在兩個水工隧道間的穩(wěn)定滲流下構成流網(見圖1)。

Harr鏡像模型的下半部分基本代表了起始地下水位與水工隧道間的流網狀態(tài)。水工隧道圍巖體突涌量計算公式如下：

圖1 Harr鏡像模型

(1)

式中q0——基于單位長度的突涌量，m3/s；

Km——水工隧道圍巖體滲透系數,m/s；

r——水工隧道半徑，m；

H——水工隧道高于拱頂線的水頭高程,m。

1.2 參考突涌量動態(tài)演變的計算

隧道突涌水的主要方式為早期突涌水、衰減突涌水和穩(wěn)定狀態(tài)突涌水。擴大開挖面，隧道涌水截面隨之擴大，同時，也造成突涌量的加大，最后完全沖破導流通道中的阻擋物，到達突涌量的最大值。此突涌叫作起始突涌，此過流最大量叫作最大起始突涌量(q0)。到達最大起始突涌量后，突涌量會漸漸降低，此間的突涌稱作衰減突涌，此間過流量稱作衰減突涌量(qt)。最終達到基本平衡狀態(tài)，處于基本平衡狀態(tài)的突涌水叫作穩(wěn)態(tài)突涌水，其過流量稱作穩(wěn)態(tài)過水量(qs)。突涌曲線(見圖2)的形狀和穩(wěn)態(tài)突涌量因補充水的有無和補充量而定。

圖2 突涌量歷時曲線

1.2.1 施工早期的最大突涌量計算

當含水層揭露時，地下水呈漏斗降落狀，此時突涌量處于衰減突涌量和穩(wěn)態(tài)突涌量之間。隨著時間演進，突涌水衰減期結束，其漏斗降落構成階段的突涌量變作穩(wěn)態(tài)突涌量。

大島洋志公式：

(2)

式中q0——基于單位長度的突涌最大量,m2/d；

H——隧道底板至含水層初始靜水位的距離,m；

d——隧道橫截面的等價圓直徑,m；

r——隧道橫截面的等價圓半徑,m；

K——圍巖體的滲透系數,m/d；

m——轉換常數，通常取值0.86。

Goodman公式：

(3)

式中符號意義同上。

M.EI.Tani公式：

(4)

非穩(wěn)定狀態(tài)流佐藤邦明公式：

(5)

式中hc——高于隧道底板的含水層厚度,m；

m——換算常數，通常取0.86；

其他符號意義同前公式。

鐵路勘測規(guī)范公式：

q0=0.0255+1.9224KH

(6)

式中各符號意義同上。

1.2.2 衰減突涌量計算

q0是施工早期的最大突涌量，其值一般隨時間t的增加而漸次降低，衰減突涌量qt的計算通常選用佐藤邦明公式：

(7)

式中B——襯砌前隧身寬度；

λ——裂縫巖體的裂縫率；

其他符號意義同上。

1.2.3 慣常突涌量計算

鐵路系統(tǒng)勘測規(guī)范公式：

qs=KH(0.676-0.06K)

(8)

式中H——隧道底板至含水層初始靜水位的距離,m;

qs——隧道單位長度的正常突涌量，m2/d。

裘布依計算公式：

(9)

式中Rv——隧道突涌段的補充引用半徑,m；

H——高于隧道底板的含水層厚度,m；

H0——隧內排水溝的理論水深，通?？紤]水躍值，H0=(0.5～0.75H),m。

落合敏郎公式：

(10)

式中y=0.7734+0.0386K2；

其他符號意義同上。

1.3 多水斷層帶突涌量測算方法

隧道圍巖體地質環(huán)境復雜，通常經過裂縫發(fā)育、巖體破碎的多水大型斷層帶。在高水力梯度及高水壓的作用下，富水斷裂層影響區(qū)域開挖后極易出現突涌災害，尤其是在斷裂層破碎帶及影響帶內，通常會發(fā)生高速非達西流問題。學者Jin-HungHwang提出了一種隧道突涌水測算方法。該方法系利用圖像法及疊加機理，把有限域問題轉變?yōu)闊o限域問題，以卷積和反卷積方法，把時變入流問題轉變?yōu)楹愣ㄈ肓鲉栴}。其隧道穿越多水斷層帶的突涌量測算公式如下：

(11)

式中Q(t)——t時刻的隧壁或者拱頂的突涌量,m3/d；

F——隨水頭降低的基本函數；

H——拱頂至圍巖體地下水位線的距離,m；

P——包括儲水常數、滲透系數、含水邊界至掌子面距離以及含水體厚度等的水文地質參數符號；

t——從初始滲流以來的時程間隔(t>0)；

r——隧道開挖等效水力半徑,m。

2 案例工程簡介

圖3 案例工程區(qū)水系分布

秦嶺隧道是引漢濟渭工程的重要組成部分，位于秦嶺西部，穿越秦嶺山脈，工程全長81.78km(見圖3)。區(qū)內溝壑縱橫，山峰高聳，最高海拔在2705m。隧道經過的椒溪河段位于中低嶺南山區(qū)，相對地形起伏高差600～700m。地域多年的年平均氣溫約13℃。地域水系靠降水補充，夏季經常有山洪暴發(fā)。椒溪河系子午河支流，不僅常年流水，而且水量及其季節(jié)性周期變化均較大。隧道經過的椒溪河流域，在K2+629.5處、K2+706.9處和K2+738處，突涌水問題突出。

椒溪河工程段的地層巖性屬下古生界志留系的中統(tǒng)，大量分布斑鳩關組大理巖和石英片巖。椒溪河位于秦嶺造山帶蜂腰位置，在大地結構單元上，為勉略巴山弧形裂斷帶及商丹裂斷帶所夾持的秦嶺南結構帶。多次地質事件的塑造及疊加，形成了現今復雜的結構格局。案例隧道椒溪河段斷裂層特點見表1。

表1 案例隧道椒溪河段斷裂層特點

該段地下水屬中等富水性狀態(tài)，包括結構裂隙水、基巖裂隙水及溶巖裂隙水。在志留系中統(tǒng)的斑鳩關組石英片巖中，大量賦存基巖裂隙水。在志留系中統(tǒng)下的鳩斑關組大理巖圍巖系統(tǒng)中，裂隙溶巖水相對發(fā)育旺盛。在斷裂破碎帶及其影響帶中，大量賦存結構裂隙水。因為異性各向含水介質的差異，地下水的徑流、泄排及補充條件十分復雜，基本受裂斷結構、地形地貌和地層巖性控制。地下水徑流近南北向，泄排形式除借助谷溪、河流以線狀泄排外，也有泉點泄排。

3 基于案例的隧道突涌量計算分析

案例工程突涌水多集中發(fā)生于K2+629.5、K2+706.9、K2+738處，計算參數見表2。

表2 案例突涌量計算參數

3.1 突涌量測算值隨圍巖體滲透系數的演變

滲透系數是隧道突涌量測算的重點參數，一般在施工現場借助鉆孔抽水實驗獲取。圍巖體滲透系數與突涌量間一般均成正比關系。在洞室規(guī)格和地下水水位不變的條件下，繪制突涌量測算值隨圍巖體滲透常數的演變曲線(見圖4)。

圖4 突涌量測算值隨圍巖體滲透系數的演變曲線

在等同滲透系數的條件下，基于佐藤邦明公式測算的突涌量最小，其次是基于大島洋志公式的計算結果?；贛.EI.Tani公式及基于Goodman公式測算的突涌量幾乎相等，基于鐵路規(guī)范公式的測算值相對最大。大島洋志公式基于Goodman公式進行了m=0.86折減轉換。佐藤邦明公式考慮了含水層厚度影響，故測算值最小。

3.2 突涌量與地下水位的關系

M.EI.Tani公式、Goodman公式及鐵路規(guī)范公式的突涌量測算值隨地下水埋深加大而加大，而大島洋志公式及佐藤邦明公式演變態(tài)勢則是先降低后加大。顯然測算突涌量能夠為確定隧道注漿和襯砌的深厚度，提供技術和參數依據。突涌量測算值與地下水位關系曲線見圖5。

圖5 突涌量與地水高程的關系曲線

3.3 單寬突涌量比對分析

對早期最大單寬突涌量借助不同的五種計算公式進行測算，并比對實測突涌量(見表3)。

表3 案例截面最大早期單寬突涌比對 單位：m3/(s·m)

對常態(tài)單寬突涌量借助不同的四種公式進行測算(見表4)。與實測突涌量相比，每種突涌量計算與都存在一定程度的誤差，這與地下水位估算誤差、富水裂斷帶的漏判和圍巖體的滲透性估算誤差有一定關系。

表4 案例截面常態(tài)單寬突涌比對 單位：m3/(s·m)

3.4 多水層突涌量計算研究

隧道設計突涌量與實際突涌量存在明顯的偏差。因此，對案例多水斷層帶最大突涌量以半解析解法測算。圖6顯示多水斷層帶不同滲透系數的突涌量隨時間梯次減小。

圖6 基于滲透系數差異的突涌量時程關系曲線

很明顯，突涌水量與滲透系數成正相關。滲透系數的估算誤差將導致突涌量的計算誤差，因此滲透系數是突涌量測算中重點的影響參數之一。此外，圖7也揭示，突涌量在前1.4h內是瞬時的，此后，突涌量幾乎一直處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 基于厚度差異的多水帶突涌量時程關系曲線

圖7表明：計算的最大起始突涌量隨著多水斷層帶厚度的加增而加增。對15～50m多水斷層帶厚度，計算的最大起始突涌量相同。但是，隨著厚度加增，突涌量時程加增的梯次降低率變小。這表明當多水斷層帶厚度較厚時，地層儲水也更豐厚，則需要相對更多的時間以逐漸消散。

4 結 語

本文參考工程案例實用數據，對水工隧道突涌量測算開展了專題探究。梳理了隧道突涌量測算典型方法；對隧道突涌量進行了模擬測算；將模擬測算結果與實測突涌量進行比對，驗證了各種測算方法的測算誤差的存在，指出地下水位估算誤差、富水裂斷帶的漏判和圍巖體的滲透性估算等是造成測算誤差的重點要素；經計算和比對驗證，突涌量大小與滲透系數成正比，因此，滲透系數的準確估算，對突涌量準確預測影響重大。?