王子行，李 曉，郭宏洋

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

0 引言

位于綿陽市雎水鎮(zhèn)的成蘭鐵路柿子園隧道段在2020年8月遭受瞬時(shí)強(qiáng)降雨后，發(fā)生了嚴(yán)重的涌突水事故，隧道內(nèi)最大涌水量達(dá)到一百萬方以上，直接威脅到隧道的整體安全。近年來，很多學(xué)者都對雎水地區(qū)的水文地質(zhì)條件開展了研究。未征、范上?？偨Y(jié)了柿子園地區(qū)斷層褶皺分布及構(gòu)造，陳英資(2014)對雎水地區(qū)的水文地質(zhì)條件進(jìn)行了總結(jié)分析。前人在研究隧道在暴雨條件下涌突水問題時(shí)，從多個(gè)角度對其涌突水原因進(jìn)行闡釋，其中包括地形地貌、地層巖性、突水成因和施工擾動(dòng)等。華鎣山隧道是比較典型的在暴雨的激發(fā)下發(fā)生涌突水的案例。林云(2017)、賈疏源(1999)、段貴安(2001)、劉建國(2003)和陳紹林等(2002)分別從華鎣山隧道的水化學(xué)特征、涌水量變化、涌出物成分探討了該隧道在瞬時(shí)強(qiáng)降雨條件下發(fā)生涌突水災(zāi)害的來源、過程和機(jī)制，并在最后提出了相關(guān)的整治措施。種世航(2017)、余洪璋(2019)采用物探遙感和數(shù)值模擬等方法對暴雨后發(fā)生涌突水的元寶山隧道的隱伏病害源進(jìn)行了探查，分析發(fā)現(xiàn)大量緊靠隧道的溶洞和斷層是主要原因，并對強(qiáng)降雨條件下的隧道襯砌進(jìn)行了受力分析。Li等(2020)通過分析對比大壩隧道周邊圍巖內(nèi)巖溶充填物在暴雨前后的變化，提出通過物探技術(shù)來監(jiān)測強(qiáng)降雨條件下隧道潛在涌水點(diǎn)的方法。

目前學(xué)者們對隧道涌突水災(zāi)害進(jìn)行了大量的研究，但多集中于隧道施工觸發(fā)地下水徑流通道從而發(fā)生涌突水的研究，由于瞬時(shí)強(qiáng)降雨條件下隧道涌突水問題表現(xiàn)得更為復(fù)雜，尤其體現(xiàn)在強(qiáng)降雨環(huán)境下隧道涌突水的誘發(fā)因素、災(zāi)變特點(diǎn)、演化過程以及流動(dòng)特征都與正常條件下的隧道涌突水具有較大的差異。為此本文以遭受瞬時(shí)強(qiáng)降雨后的柿子園隧道涌突水來源及病害成因?yàn)檠芯糠治鰧ο?，利用柿子園隧道涌突水，周邊泉水溝水，雨水的水化學(xué)數(shù)據(jù)，分析隧道涌突水的補(bǔ)給來源和徑流途徑，結(jié)合實(shí)際的水文地質(zhì)條件和涌突水監(jiān)測數(shù)據(jù)確定涌突水災(zāi)害的成因機(jī)制，以期為柿子園隧道水害整治方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

隧址區(qū)位于綿陽市以西約40 km的安州區(qū)境內(nèi)，由雎水鎮(zhèn)向北，沿甘河子、柿子園、甘溝村直延伸至高川鄉(xiāng)。柿子園隧道是成蘭線安縣站至高川站區(qū)間的一條單洞雙線(合修)隧道，全長14 069 m，具體位置見圖1。

圖1 交通位置圖

隧址區(qū)在地質(zhì)上位于龍門山前緣侵蝕溶蝕中山區(qū)，屬于龍門山褶斷印支構(gòu)造層，東南為成都平原北部邊緣，地層連續(xù)性較好，地層傾向南，碳酸鹽巖與碎屑巖在平面上呈條帶狀分布。區(qū)內(nèi)侵蝕堆積臺(tái)地?cái)嗬m(xù)沿山前地帶分布。在地層上，從泥盆系至三疊系地層均有出露。其中巖溶地貌主要發(fā)育在二疊系、三疊系地層的泥巖夾白云質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r中。隧址區(qū)域構(gòu)造主要發(fā)育有彭縣一灌縣斷層(F5-1)、映秀—北川斷層(F5-2)、曉壩場斷層(F5-3)等，總體走向?yàn)镹35°～50°E，傾向NW，傾角為60°左右，隧道與活動(dòng)斷裂交叉部位最大錯(cuò)位量為810 mm，斷層破碎帶出露地表，分布于隧道左線D2K90+140 ～ D2K90+272，右線YD2K90+102 ～ YD2K90+234(見圖2)。

地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降水，從分水嶺處沿著山地、丘陵地區(qū)溝谷徑流，最終以潛水的形式向隧址區(qū)高程最低的雎水河排泄。隧址區(qū)內(nèi)地下水以潛水為主，地下水類型主要為孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖溶洞裂隙水，碎屑巖層間裂隙水主要賦存于三疊系上統(tǒng)須家河組的層間裂隙之中，部分鉆孔能自流。碳酸鹽巖裂隙巖溶水賦存于三疊系石灰?guī)r、白云巖裂隙溶洞含水層中的高陡傾充填型巖溶裂隙蓄水構(gòu)造中，在高水壓的作用下容易形成致密的充填介質(zhì)。柿子園隧道巖溶弱～中等發(fā)育，局部強(qiáng)烈發(fā)育(D2K83-D2K84)，施工時(shí)揭露多處充填型半充填型溶洞。

柿子園隧道曾于2013年發(fā)生過突水突泥災(zāi)害，工程單位施工至HD1K0 +233.8里程處時(shí)，發(fā)現(xiàn)掌子面右拱腰部位有水涌出，隨后伴有泥石涌出，該次突水突泥是因?yàn)槭┕そ掖┝藝鷰r右側(cè)垂直巖溶管道導(dǎo)致的，后通過注漿加固解決了突水突泥問題(樊成，2017)， 2020年8月16日開始，再次出現(xiàn)涌水險(xiǎn)情，其間實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示進(jìn)口處最大涌水量到達(dá)1.88×106m3/d，在暴雨的影響下，隧道內(nèi)部分段落襯砌出現(xiàn)了滲漏，拱腰拱頂有線狀涌水(圖3)。涌水嚴(yán)重的段落主要集中在D3K83+420附近，出水量于17號(hào)達(dá)到峰值97萬 m3。

圖2 水文地質(zhì)圖

圖3 隧道內(nèi)涌突水災(zāi)害

2 數(shù)據(jù)采集

本次研究在2020年9月對成蘭鐵路柿子園隧道隧址區(qū)開展了野外地質(zhì)調(diào)查和現(xiàn)場采樣工作。

為了準(zhǔn)確識(shí)別涌突水的來源，采集涌水后隧址區(qū)不同位置的水化學(xué)樣品和氫氧同位素樣品。在2020年9月，采集到了隧址區(qū)周邊共計(jì)30組水樣，其中有23件水化學(xué)簡分析樣品和7件氫氧同位素樣品。水樣采用500 ml的無色聚乙烯瓶保存，采樣前先使用待采水樣潤洗三遍，采樣完成后即使蓋緊瓶口，并進(jìn)行編號(hào)。在簡分析后將結(jié)果與收集的區(qū)域20萬地下水化學(xué)資料相比無較大出入，符合預(yù)期。隧址區(qū)水化學(xué)簡分析數(shù)據(jù)見表1。

同時(shí)收集隧址區(qū)涌水前后一周的氣象水文要素和隧道不同橫洞的涌水量，分析涌水量與降雨量的響應(yīng)關(guān)系。降雨數(shù)據(jù)來自綿陽市安州區(qū)氣象局提供，其中采用了雎水鎮(zhèn)、天池鄉(xiāng)、河清鄉(xiāng)、高川甘溝、高川鄉(xiāng)、白水湖六個(gè)地點(diǎn)從2020年8月15日到8月24日的大氣降雨數(shù)據(jù)，單位為mm/d。隧道物探數(shù)據(jù)來自施工單位提供。涌水?dāng)?shù)據(jù)來自人工檢測，包含隧道進(jìn)口、一號(hào)橫洞、二號(hào)橫洞、三號(hào)橫洞從8月9日到8月18日的涌水量并對隧道受損情況進(jìn)行整理，共計(jì)有39處滲漏水點(diǎn)。

表1 隧址區(qū)地下水水化學(xué)簡分析表

圖4 研究區(qū)Piper三線圖

3 結(jié)果與分析

3.1 涌突水來源識(shí)別

3.1.1 水化學(xué)類型特征

對水樣進(jìn)行Piper三線圖分析，結(jié)果表明隧址區(qū)內(nèi)地下水主要陽離子為Ca2+、Mg2+，主要陰離子為HCO3-、SO42-?？傮w水化學(xué)類型可以劃分為HCO3-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Ca·Mg型。

比較隧道不同位置涌水的水化學(xué)特征，部分段落SO42-濃度比典型巖溶水偏高，SO42-來源是地下水與三疊系膏鹽地層發(fā)生反應(yīng)的產(chǎn)物，這表明不同段落水的來源與經(jīng)歷的水巖作用不同。從隧道入口至出口，樣品中的濃度最高的陽離子是Ca2+，陰離子是HCO3-。整體符合以灰?guī)r為主的地區(qū)巖溶水的水化學(xué)特征。

Gibbs圖可以反映水中主要離子控制因素。由圖5可見，隧道不同段落的地下水化學(xué)組成均受巖石風(fēng)化溶濾作用控制。地下水中的Ca2+、Mg2+主要來源是地表水在下滲補(bǔ)給地下水時(shí)的溶濾，混合作用。從各水樣點(diǎn)分布來看，不同段落水點(diǎn)分布相對集中，聚集在巖石風(fēng)化溶濾作用控制區(qū)，推測在徑流過程中經(jīng)過巖溶發(fā)育地帶。

圖5 研究區(qū)水化學(xué)Gibbs圖

3.1.2 補(bǔ)給來源

同位素分析法是一種常用的分析地下水補(bǔ)給來源和補(bǔ)給高程的方法，通過相關(guān)地下水補(bǔ)給高程計(jì)算公式(張貴玲，2015)。

(1)

式中：h為取樣點(diǎn)高程(m)；δG為取樣點(diǎn)的δ2H或δ18O值，δP為取樣點(diǎn)附近大氣降水的δ18O值，K為大氣降水δ18O值的高程梯度，這里取西南地區(qū)大氣降水δ18O的梯度值-0.26‰/100m。

我國西南降水的δ值與高程H之間的關(guān)系為

δ18O=-0.003 1H-6.2

(2)

式中：H為補(bǔ)給高程(m)。利用兩種方法計(jì)算得出隧址區(qū)取樣點(diǎn)的補(bǔ)給高程，取平均值作為最終的計(jì)算結(jié)果。隧址區(qū)同位素測定計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 隧址區(qū)不同水點(diǎn)的同位素取樣表

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)，得出隧址區(qū)δD-δ18O關(guān)系圖(圖6)。結(jié)果顯示，隧址區(qū)各水點(diǎn)的同位素值均為與當(dāng)?shù)卮髿饨邓€附近，表明隧道涌水的來源于大氣降雨。經(jīng)過計(jì)算補(bǔ)給高程位于1 087～1 575 m之間，其中隧道涌水的平均補(bǔ)給高程(1 358 m)和地表水的平均補(bǔ)給高程(1 334 m)接近，表明二者之間水力聯(lián)系密切。

圖6 隧址區(qū)δD-δ18O關(guān)系圖

研究區(qū)內(nèi)高程最高點(diǎn)為隧道東北側(cè)的夜火槽山，高程約為1 862 m；最低點(diǎn)為隧道入口處雎水河，高程為760 m。由此可知補(bǔ)給范圍主要位于四號(hào)橫洞東側(cè)的老鴉山和三號(hào)橫洞東側(cè)的天臺(tái)山之間的洼地。這一區(qū)域平均高度比夜火槽山低，發(fā)育有倒轉(zhuǎn)向斜，地表出露巖溶洼地和落水洞。

從水化學(xué)分析的結(jié)果可以說明，涌突水類型是二疊系—三疊系碳酸鹽巖類巖溶水，離子組分受巖石礦物風(fēng)化溶濾影響。涌突水的主要來源為大氣降雨，補(bǔ)給范圍在三號(hào)橫洞和四號(hào)橫洞之間。

圖7 隧道圍巖風(fēng)化等級狀況

3.2 涌突水徑流途徑

結(jié)合施工單位提供的隧址區(qū)地表物探工作的成果和當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件，查明主要涌水區(qū)段D2K83-D2K84段涌水的徑流途徑，來推測涌突水的徑流方向和排泄通道。

3.2.1 物探法

利用地球物理勘探技術(shù)探測地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶發(fā)育等地質(zhì)條件的方法已經(jīng)頗為成熟。在物探資料的基礎(chǔ)上繪制了重點(diǎn)涌水段落的圍巖等級圖(圖7)。

其中圍巖等級分為五個(gè)級別，該區(qū)域圍巖破碎風(fēng)化嚴(yán)重，完整巖體較少，只探測到風(fēng)化較為嚴(yán)重的四個(gè)級別(表3)。

表3 圍巖等級表

圖7中顯示隧道的涌水段落均位于巖溶發(fā)育段落中和巖層交界處。D2K83+423的涌水量最大，該點(diǎn)附近發(fā)育有曉壩場斷層(F5-3)、映秀—北川斷層(F5-2)、隧道與活動(dòng)斷裂交叉部位最大錯(cuò)位量為810 mm，斷層破碎帶出露地表，巖層較為破碎，為巖溶水的運(yùn)移提供了足夠的空間。

3.2.2 相關(guān)性分析

采用相關(guān)性分析隧道涌突水徑流路徑或致災(zāi)因素已經(jīng)有比較成熟的應(yīng)用，其通過對兩個(gè)或多個(gè)具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，從而衡量兩個(gè)變量因素的相關(guān)密切程度。結(jié)合物探成果將柿子園隧道分為71段，并對每段隧道埋深厚度、巖溶發(fā)育情況、斷層發(fā)育密度、大氣降雨強(qiáng)度進(jìn)行評級，并和隧道涌水量進(jìn)行相關(guān)性比較，通過分析可以得到結(jié)果如下(表4)。

通過相關(guān)性分析，確定以上四個(gè)指標(biāo)均與隧道涌水量成正相關(guān)，其中巖溶發(fā)育和涌水量皮爾遜相關(guān)性最大，巖溶管道是此次隧道涌突水中的主要徑流通道。豐富的巖溶管道發(fā)育有利于降雨入滲補(bǔ)給。在強(qiáng)降雨條件下，降水通過破碎巖體對地下水集中補(bǔ)給，形成巖溶強(qiáng)徑流帶，是隧道涌突水的主要徑流途徑。

3.3 涌突水激發(fā)因素

根據(jù)8月14號(hào)-20號(hào)的隧道涌突水量和大氣降雨量分析(圖8)，涌水量對降雨的響應(yīng)敏感，降雨量峰值日比涌水量峰值日相差在6 h以內(nèi)，涌水過程曲線呈現(xiàn)出暴漲暴落的脈沖特點(diǎn)，符合暴雨激發(fā)涌突水的特點(diǎn)，既一般在暴雨峰值滯后快速達(dá)到涌水量峰值，隨后涌水量呈現(xiàn)出一個(gè)快速衰減的過程，直至涌水停止。柿子園隧道涌突水的激發(fā)因素是2020年8月16日，17日兩天的瞬時(shí)強(qiáng)降雨。

3.4 成因模式分析

涌突水災(zāi)害嚴(yán)重影響隧道施工進(jìn)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此研究隧道涌突水的機(jī)制和成因十分必要?，F(xiàn)結(jié)合前文研究成果，確定激發(fā)因素，涌突水類型，徑流途徑，涌水來源等涌突水基本要素的前提下，對隧道涌突水成因模式進(jìn)行分析。

瞬時(shí)強(qiáng)降雨是隧道涌突水的主要激發(fā)要素，涌突水類型是二疊系—三疊系碳酸鹽巖類巖溶水，并且與地表水水力聯(lián)系密切。柿子園隧道涌突水的主要來源為大氣降雨，補(bǔ)給范圍位于四號(hào)橫洞東側(cè)的老鴉山和三號(hào)橫洞東側(cè)的天臺(tái)山之間的洼地。降雨在洼地產(chǎn)生匯流，集中下滲，通過巖溶徑流管道向海拔更低的區(qū)域匯集，同時(shí)柿子園隧道隧址區(qū)為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地區(qū)，是全線極高風(fēng)險(xiǎn)隧道之一，涌突水敏感性脆弱。在柿子園隧道前期施工擾動(dòng)的前提下，地質(zhì)條件遭到一定的破壞，使地下水巖溶管道進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致上覆地層滲透系數(shù)上升。最后在8月16日，17日兩天瞬時(shí)強(qiáng)降雨的影響下，大量雨水通過徑流管道涌入隧道，造成了隧道涌突水(圖9)。

表4 spss相關(guān)性分析表

圖8 柿子園隧道2020年8月涌突水量過程曲線

圖9 柿子園隧道涌突水成因模式圖

采用FEFLOW軟件對隧道區(qū)域滲流場進(jìn)行二維數(shù)值模擬計(jì)算，驗(yàn)證成因模式的可靠性。此次模擬結(jié)合前文研究結(jié)果，對瞬時(shí)強(qiáng)降雨后的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。模擬范圍約48.5 km2，模型網(wǎng)格按照Tranigsh法進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格剖分并建立滲流場。根據(jù)施工單位提供的鉆孔數(shù)據(jù)，對初始滲流場模型進(jìn)行擬合。模型模擬出的地下水位模擬值與實(shí)際鉆孔水位測出的實(shí)測值相差較小，證明該模型能夠反映研究區(qū)地下水流動(dòng)的態(tài)勢。運(yùn)用budget rate模塊，模擬在瞬時(shí)強(qiáng)降雨期間，涌水量的具體數(shù)值。對豐水期的水位和水量變化情況進(jìn)行預(yù)測分析，結(jié)果為暴雨前涌水量為368 010 m3，暴雨后涌水量為2 428 700 m3。與實(shí)測涌水量2 331 590 m3進(jìn)行對比計(jì)算。

相對誤差為3.9%，誤差較小，與計(jì)算結(jié)果很接近，驗(yàn)證了涌突水成因模式的可靠性。

圖10 隧址區(qū)滲流場模擬圖

4 結(jié)語

本次研究通過現(xiàn)場調(diào)查、水文地球化學(xué)和數(shù)值模擬分析，對成蘭鐵路柿子園隧道開展了隧道涌突水水成因機(jī)制分析研究，得出以下結(jié)論：

(1)周邊河流與涌突水補(bǔ)給關(guān)系較低，涌水量與降雨量具有線性響應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)降雨是涌突水的激發(fā)原因和主要補(bǔ)給來源；

(2)隧道涌水具有巖溶水化學(xué)特征，徑流途徑多為巖溶管道；這種巖溶管道受到瞬時(shí)強(qiáng)降雨的影響，其含水層結(jié)構(gòu)被破壞，致使?jié)B透系數(shù)短時(shí)間內(nèi)增大是柿子園隧道涌突水的主要原因；

(3)在確定柿子園隧道發(fā)生涌突水災(zāi)害主要原因的前提下，對比現(xiàn)場掌握的地質(zhì)背景數(shù)據(jù)和涌突水對隧道造成損害的區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)生涌突水災(zāi)害的地區(qū)多為巖溶或者斷層發(fā)育地區(qū)，有利于地下水的富集。對以上重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行處理，能大幅提高隧道所能承受的降雨量上限。