新建郑万铁路小三峡隧道水文地质条件分析及涌水量预测

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　　摘  要：小三峡隧道地处高中山区，为郑州至万州铁路关键性控制工程之一，全长18.13 km，工程地质及水文地质条件均较为复杂，特别是会遇到石灰岩溶地区的大断面隧道工程建设。该文在野外勘察的基础上，采用地下水径流模数法及地下水动力学法对隧道涌水量进行了计算预测，为隧道设计和施工提供依据。
　　关键词：小三峡隧道;岩溶;水文地质特征;涌水量预测
　　中图分类号：U452                文献标志码：A
　　1 概况
　　1.1 工程概况
　　新建郑万铁路小三峡隧道隧址区以奉节与巫山县界山脊为地表分水岭，巫山县境为大宁河流域，奉节县境为草堂河流域，隧道起止里程为DK665+870～DK684+000，总长18.13 km。隧道进口位于巫山县北东约6.5 km处，处于长江支流大宁河右岸，隧道出口位于奉节县北东约27.3 km处，隶属于奉节县双潭乡新房村境内。隧道最高标高位于隧道中部齐耀山背斜轴部山脊，标高约1 770 m，最低处为隧道进口大宁河沿线，标高165 m，相对高差约1 605 m。
　　1.2 气象
　　隧址区位于奉节县东部与巫山县接壤地带，该地段属温湿的中亚热带气候，气候受地形影响十分显著，冬季温和，夏季炎热，雨量充沛，四季分明。年平均气温18.4 ℃，最冷的1月份平均气温为7.1 ℃，最热的7月份平均气温为29.3 ℃;年平均降雨量在1 026.7 mm～1 423.7 mm，月最大降雨量343.8 mm～453.1 mm，日最大降雨量94.3 mm～141.4 mm。
　　2 隧道地质特征
　　2.1 地层岩性
　　隧道工程范围涉及主要岩性为第四系全新统（Q4）土层，主要为冲、洪、坡积块、碎石土、漂（卵）石土及粉质黏土等，三叠系上统须家河组（T3xj）砂岩、泥岩及页岩，三叠系中统巴东组（T2b）泥岩、泥灰岩及灰岩，三叠系下统嘉陵江组（T1j）灰岩、白云质灰岩及角砾状灰岩，三叠系中统大冶组（T1d）页岩、泥灰岩及灰岩，其中可溶性岩层为三叠系中统巴东组三段（T2b3）、一段（T2b1）、下统嘉陵江组（T1j）和大冶组（T1d）地层灰岩、泥质灰岩、白云质灰岩等组成。
　　2.2 地质构造
　　测区跨越新华夏系第三隆起带和第三沉降带之接合部位，齐耀山基底大断裂通过该区，在该区域形成齐耀山背斜，在背斜两侧形成“人”字形构造体系，齐耀山背斜南东侧形成北东向构造，齐耀山背斜北西侧形成弧形构造，其构造形式以褶皱变形为主，而断裂较少见，区域一级褶皱构造均呈北北东向展布，背斜形态以箱形为主，相间狭窄的向斜，组成隔槽式褶皱。
　　3 隧道水文地质特征
　　3.1 地下水的类型及分布特征
　　3.1.1 地下水类型
　　根据岩性、地下水分布形式和水理性质和水动力特征，将区内的地下水分类型划分为：松散堆积层孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和碳酸岩类岩溶水等3种类型，对隧道工程有影响的为后2种。
　　3.1.1.1 碎屑岩类孔隙裂隙水
　　主要赋存于测区须家河组、巴东组二段和四段的砂岩、粉砂岩中，该类地下水多赋存于节理裂隙、层理间隙和岩体孔隙中，该类地下水多以散流形式进行排泄，调查发现该类地下水泉点15个，流量一般为0.015 L/s～0.72 L/s，分布标高一般为400 m～1150 m，该类岩组的大气降水入渗系数约0.07，地下水枯季径流模数为0.1 L/s.km2～0.50 L/s.km2。
　　3.1.1.2 碳酸巖类岩溶水
　　主要赋存于三叠系中统巴东组三段（T2b3）、一段（T2b1）、下统嘉陵江组（T1j ）和大冶组（T1d）地层灰岩、泥质灰岩、白云质灰岩中，为区内的相对含水层，对隧道影响显著。该地区溶蚀现象发育，在地表以岩溶槽谷和溶蚀洼地、落水洞等垂直溶蚀地貌景观产出，据调查，区内共发现该类地下水排泄点152个，其中暗河出口12个，地下水流量介于0.03 L/s～175 L/s，流量总值约为457.53 L/s;岩溶泉点140个，流量介于0.005 L/s～157.19 L/s，流量总值约为1 162.27 L/s。区内该类岩组的大气降水入渗系数约为0.25～0.58，其中，巴东组三段和一段泥质灰岩出露条件好，枯季径流模数为3 L/S.km2～6 L/S.km2;而嘉陵江组和大冶组岩溶发育强烈，枯季径流模数大于6 L/S.km2。
　　3.1.2 含水岩组
　　将三叠系中统巴东组三段（T2b3）划分为Ⅰ号含水层，三叠系中统巴东组一段（T2b1）、三叠系下统嘉陵江组（T1j）和大冶组（T1d）划分为Ⅱ含水层。
　　3.1.2.1 Ⅰ号含水层
　　含水层厚280 m～370 m，出露面积约为45.98 km2，地表多以溶沟、溶孔和溶穴等岩溶现象为主，据调查，该含水层泉点共27个，出露标高224～1180 m，流量介于0.017 L/s～25 L/s，流量总值166.13 L/s，其中大于1 L/S的有15个。地表水汇集溪沟流流量约为19.45 L/s。地下水枯季径流模数为4.81 L/S.km2，富水性中等，该含水层入渗系数约为0.25。
　　3.1.2.2 Ⅱ含水层
　　为隧址区内主要含水层，含水层厚900 m～1 900 m，主要分布于隧道进口至DK672+870一带，出露面积约为194.33 km2，岩溶化程度极高，地表常发育溶蚀洼地、暗河、落水洞、槽谷和溶洞等大型岩溶形态，据调查，该含水层共出露地下暗河11条，流量介于0.03 L/s～157 L/s，流量总值为233.53 L/s。出露泉点103个，流量介于0.005 L/s～80 L/s，流量总值为487.608  L/s，其中大于20 L/s的有8个，1 L/s～20 L/s的7个。地表水汇集溪沟流流量约为745.027 L/s。地下水枯季径流模数为7.58 L/s.km2，富水性强，该含水层入渗系数约为0.44～0.58。 　　3.2 地下水补径排条件
　　区内地下水主要以大气降水补给为主，其径流、排泄方向受地层岩性、构造、地形切割的控制，主要向2个方向排泄。具体表现为：Ⅰ水文地质单元主要是在以巫山与奉节县交界山岭以东，地下水主要是顺构造迹线由西向西排泄至大宁河;而Ⅱ水文地质单元则主要是在以巫山与奉节县交界山岭以西，地下水主要是顺构造迹线由东向西排泄至石马河与长江。
　　3.3 隧道涌水量预测
　　该次对拟设小三峡隧道采用大气降水入渗法、泉流量法和地下径流模数法进行预测，并进行对比，选出最佳涌水量。
　　3.3.1 大气降水入渗法
　　计算公式：Q=2.74 A·W·α
　　式中，Q—隧道正常涌水量，较大涌水量（Qmax）按正常涌水量的3倍计（m3/d）。
　　A—汇水面积，由1︰1万平面图量测，km2;A=L·B
　　L—分段含水体的长度，km。
　　B—影响分段含水体的宽度，km。
　　W—多年平均降雨量，mm。
　　α—入渗系数，根据1︰20万奉节幅《区域水文地质普查报告》和该次野外调查以及经验综合分析取值。
　　经计算可以看出，隧道一般季节涌水量为108 759 m3/d，雨季涌水量Q大=158 080 m3/d。
　　3.3.2 泉流量法
　　计算公式。
　　式中，Q—隧道涌水量（m3/d）。
　　—隧址区水点流量总和（L/s）。
　　86.4—由L/s换算为t/d的常数。
　　经计算，隧道枯季总涌水量Q+86.4×619.05=53 486 m3/d。
　　由于该次调查时间为当地枯季时间，故计算结果为隧道的枯季涌水量，雨季涌水量取正常涌水量Q的3倍，即为160 458 m3/d。
　　3.3.3 地下径流模数法
　　计算公式：Q=86.4·M·A
　　式中：Q—隧道正常涌水量。
　　M—地层岩性地下径流模数，m3/d·km2。
　　A—隧道通过含水体的集水面积，km2;A=L·B
　　L—分段含水体的长度，km。
　　B—影响分段含水体的宽度，km。
　　经计算可以看出，正常涌水量Q=47 615 m3/d，较大涌水量Q大=142 845 m3/d（按正常涌水量的5倍计算）。
　　通过上述3种预测方法对隧道涌水量进行预测，从预测结果看，3种方法计算结果差别相差不大，故建议隧道枯季涌水量采用值为47 615 m3/d～53 486 m3/d，较大涌水量采用值为142845 m3/d～160 458 m3/d。
　　3.4 水文地质条件评价
　　（1）高压水对工程的影响评价：根据现场调查分析，区内隧道开挖最大地下水水头高度约为460 m，其最大地下水压力可达4.5 MPa，其初始压力将可能导致隧道拱顶发生坍塌，导致施工的人员和设备发生危险。
　　（2）岩溶水突水、突泥对工程影响评价：拟建隧道穿越可溶性岩长度约为14 715 m，占总隧道长度的81.16%，受岩溶、构造裂隙的影响，易发生岩溶突水、突泥、岩溶坍塌等，此外是在背斜轴部、非可溶岩可溶岩的接触部位，也亦发生。施工中围岩的坍塌、突水、突泥等是面临的突出问题。其中在雨季施工时，遭遇突水、突泥的概率最大。
　　4 结论
　　根据小三峡隧道的水文地质特征分析和涌水量预测，隧址区岩溶发育，岩溶是影响隧道施工的主要问题之一，岩溶发育特征也在很大程度上决定了本区地下水的特征，因此，在设计和施工中需要注意。
　　（1）该文涌水量仅考虑在单线情况下的预测值，该次对隧道涌水量的计算部分参数为区域资料或经验值，故推荐的涌水量值只为预测值，涌水量预测结果仍需在施工中加以验证和动态修正。
　　（2）对易发生突涌水、坍塌变形的断层破碎带、褶皱核部、岩性接触带、长大密集节理带及部分隧道浅埋地段，设计及施工应做好地质超前预报工作，做好超前支付且及时衬砌，提高防排水意识。
　　（3）隧道设计应合理选用堵水结构和材料，施工废水应处理达标后才能排放，防治工程施工而产生新的环境影响问题。
　　参考文献
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