復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道涌水量預(yù)測中集水面積的研究

賀小勇， 漆繼紅,*， 許 模， 張 強， 張世殊， 王能峰， 魏博文

(1. 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室， 四川 成都 610059；2. 中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610072； 3. 四川省地質(zhì)工程集團(tuán)公司， 重慶 401120)

復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道涌水量預(yù)測中集水面積的研究

賀小勇1， 漆繼紅1,*， 許 模1， 張 強1， 張世殊2， 王能峰2， 魏博文3

(1. 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室， 四川 成都 610059；2. 中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610072； 3. 四川省地質(zhì)工程集團(tuán)公司， 重慶 401120)

在復(fù)雜地質(zhì)區(qū)，為了科學(xué)地確定不同隧道穿越方式下的集水面積，本文以地形、巖性、地質(zhì)構(gòu)造3因素為基礎(chǔ)構(gòu)建不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)合隧道空間展布的變化對集水面積進(jìn)行研究。歸納、總結(jié)了3類主要匯水地形、4類地質(zhì)結(jié)構(gòu)和2類隧道穿越方式。綜合上述因素，總結(jié)出埋藏-向斜式、埋藏-背斜式、埋藏-單斜式和裸露-單斜式4種集水面積變化模式，同時得出不同模式中集水面積的確定方法。以渝利鐵路箭沱灣隧道為例進(jìn)行分析研究，得出隧道涌水量計算中集水面積屬于第Ⅱ類模式，隧道穿越埋藏式地層，判斷隧道集水面積時容易忽略部分面積，應(yīng)加以重視。

隧道； 涌水量預(yù)測； 集水面積； 復(fù)雜地質(zhì)； 地質(zhì)結(jié)構(gòu)

0 引言

我國隧道穿越的山區(qū)大多地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道涌水事件屢見不鮮，隧道涌水量預(yù)測對隧道建設(shè)至關(guān)重要。目前，大氣降雨入滲法(水均衡法)在隧道涌水量預(yù)測中應(yīng)用較為廣泛[1-5]，主要原因是大氣降雨入滲法運用簡單，預(yù)測的涌水量值比較宏觀。大氣降雨入滲法是其他方法的基礎(chǔ)，多應(yīng)用在可行性研究或初測階段[6-7]。由于山區(qū)地下水排泄量大致等于其補給量[8]，因此，采用大氣降雨入滲法是較為科學(xué)可行的。

運用大氣降雨入滲法計算涌水量

Q=2.74α·w·A[7]。

式中： Q為隧道通過含水體地段的涌水量，m3/d； α為降雨入滲系數(shù)； w為年降雨量，mm； A為隧道通過含水體的集水面積，km2。

由上式可以看出，運用大氣降雨入滲法計算涌水量的關(guān)鍵在于降雨入滲系數(shù)與集水面積的有效確定，因此，本文主要研究集水面積。

在實際運用過程中，集水面積主要依據(jù)隧址區(qū)含水層平面分布面積和地表分水嶺圈閉區(qū)域來確定，而很少綜合隧道與地質(zhì)條件的空間展布和地下匯水構(gòu)造形態(tài)來進(jìn)行考慮[1,3,4,9]，因此，由于隧址區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，集水面積的選取一直存在模糊性，并且常常遺漏部分面積。目前還沒有學(xué)者對集水面積的選取進(jìn)行過系統(tǒng)研究。

基于水均衡原理，集水面積的確定主要取決于地下水補給區(qū)與徑流上游區(qū)的地質(zhì)條件[6]。鑒于此，本文依據(jù)隧址區(qū)不同地質(zhì)條件特征和相應(yīng)集水面積的取值規(guī)律，分析、歸納和總結(jié)不同隧道穿越方式下集水面積的有效確定方法，為今后運用大氣降雨入滲法計算隧道涌水量提供一定參考。

1 集水面積確定的影響因素

針對不同的隧道穿越區(qū)域，從根本上影響集水面積確定的因素主要是隧址區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和隧道的穿越方式。不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)了不同的地質(zhì)形態(tài)、地層空間組合形式和不同的改造作用方式等，上述因素之間不同的組合方式影響著相應(yīng)地質(zhì)模式的水文地質(zhì)條件[10]；而不同的隧道穿越方式影響著地下水單元(或系統(tǒng))的排泄邊界[11]，具體表現(xiàn)為針對不同的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造與隧道穿越方式的空間組合模式確定對應(yīng)的集水面積。

1.1 地形地貌

隧址區(qū)地形地貌多為山區(qū)或丘陵，因此，本文研究對象均為山嶺隧道。復(fù)雜多變的山區(qū)地形由眾多微地貌單元構(gòu)成[12]，受風(fēng)化、侵蝕和剝蝕等因素影響，山丘區(qū)集水面積在隧道穿越不同微地形地貌部位時存在差異，總結(jié)出3種典型匯水地形，分別為雙峰單槽(谷)型、單峰雙槽(谷)型和斜坡鄰河單槽(谷)型，如表1所示。

1.2 地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造

地層巖性在一定程度上影響著集水面積的確定?？偨Y(jié)易發(fā)生隧道涌水災(zāi)害地區(qū)的含水層主要有可溶巖和斷層、裂隙發(fā)育的黏土巖與碎屑巖，而純泥頁巖、砂泥巖等巖體通常被視為隔水層或相對隔水層； 因此，含水層與隔水層的空間組合方式影響降雨入滲并形成隧道涌水。若含水層直接出露地表，匯聚降水面積大，相應(yīng)地集水面積也大； 若隔水層上覆于含水層，便形成了埋藏式地層，此種模式若在斷層或褶皺等構(gòu)造運動作用下可使含水層部分出露地表，形成匯水區(qū)。

表1 隧址區(qū)典型匯水地形示意圖

注： 3種匯水地形均為封閉式槽谷，圖示區(qū)域為橫剖面圖，只作示意，不能展示集水區(qū)邊界。

地質(zhì)構(gòu)造對集水面積的形成起著重要作用。本文主要歸納、分析4類構(gòu)造，分別為背斜、向斜、斷層和單斜構(gòu)造。其中，背斜頂部受拉張力作用易形成拉裂縫[13]，在后期地表風(fēng)化、剝蝕等外地質(zhì)應(yīng)力作用下，利于“背斜成谷”的形成，從而便于降水匯聚，增加集水面積； 若后期內(nèi)、外地質(zhì)應(yīng)力作用較弱，則向斜本身屬于儲水構(gòu)造，相對應(yīng)地質(zhì)模式下的集水面積為天然存在的；若后期內(nèi)、外地質(zhì)應(yīng)力作用較強，則利于“向斜成山”的形成，而同時向斜兩翼也易形成槽谷，產(chǎn)生集水面積；如前文地層巖性所述，斷層在與單斜構(gòu)造組合后容易形成負(fù)地形，進(jìn)而形成集水面積。

綜合地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造對集水面積的影響[14-15]，總結(jié)出4種典型組合模式,如表2所示。

表2 典型地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造組合模式

1.3 隧道穿越方式

如前文地形地貌所述，隧道穿越地區(qū)可能存在2個或以上的負(fù)地形，因此,可能存在多個為隧道提供涌水來源的富水構(gòu)造。結(jié)合工程實例，將隧道穿越方式歸納為2大類： 垂直負(fù)地形走向式(簡稱垂向式),平行負(fù)地形走向式(簡稱順向式)。垂向式(e)隧道可穿越多個富水構(gòu)造，且均應(yīng)計算在集水面積中。根據(jù)負(fù)地形分布高程和隧道穿越高程之間的關(guān)系，將順向式分為3類： f1類隧道埋深處于負(fù)地形分布高程之間； f2類隧道穿越高程低于所有負(fù)地形分布高程； f3類隧道埋深低于負(fù)地形和臨近排泄基準(zhǔn)面。在隧道排水作用下，地下水流場發(fā)生改變，形成新的排泄邊界，進(jìn)而影響地下分水嶺展布，地下匯水構(gòu)造(區(qū)域)形態(tài)發(fā)生變化，使得在不同隧道穿越方式下，相應(yīng)集水面積存在多種取值可能。隧道典型穿越類型如表3所示。

表3 隧道典型穿越類型

Table 3 Typical tunnel crossing modes

類型 圖示垂向式(e)順向式(f1)順向式(f2)順向式(f3)

2 隧道穿越地質(zhì)模式及集水面積確定

2.1 隧道穿越地質(zhì)模式

基于水均衡原理，明確參數(shù)歸根結(jié)底是分析隧道涌水的根本補給來源，而在現(xiàn)實工程中，一些隧道穿越埋藏式地層，加之地形和地下水位線形態(tài)不一致，導(dǎo)致集水面積容易被誤判。通過分析、歸納集水面積確定的影響因素，可以明確幾種典型的地形地貌模式和地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造組合模式、隧道穿越模式。筆者結(jié)合工程實例，總結(jié)了4種隧道穿越地質(zhì)模式，如表4所示。

2.2 集水面積確定

在表4的4種模式中，模式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為埋藏式地層，其中模式Ⅱ地下水位線與地形不一致。從平面上看，部分隧道穿越隔水層，若只從平面上對集水面積進(jìn)行劃分，容易遺漏隔水層面積，忽略地下水位線形態(tài)對集水面積圈定的影響。模式Ⅰ中，從平面上看f1、f2隧道處于隔水層中，e隧道穿越含水層與隔水層，易誤判各類隧道穿越方式下的集水面積： e為AⅠ-1+AⅠ-4，f1為AⅠ-1(或0)，f2為AⅠ-1+AⅠ-4(或0)； 同理，模式Ⅱ中，誤判集水面積： e為AⅡ-5，f2為0；模式Ⅲ中，誤判集水面積f3為0； 因此，為了得到準(zhǔn)確的參數(shù)，應(yīng)從空間上進(jìn)行分析。

基于對隧道涌水有貢獻(xiàn)的地表匯水區(qū)域均應(yīng)算作集水面積的考慮，綜合4種地質(zhì)模式隧道涌水的補徑排條件，探討相應(yīng)地質(zhì)模式的集水面積，具體模式特征見表4。

模式Ⅰ中，f1、f2和e類隧道均穿越含水層且含水層出露地表形成負(fù)地形。f1隧道穿越高程位于負(fù)地形之間，隧道排水，在隧道與匯水區(qū)軸部之間形成局部分水嶺，與隧道另一側(cè)地表分水嶺構(gòu)成地下匯水區(qū)，因此，集水面積應(yīng)以地下匯水區(qū)域面積為準(zhǔn)，為AⅠ-1+AⅠ-2； 而f2隧道穿越高程低于兩側(cè)地表負(fù)地形，同時隧道位于地下匯水區(qū)，隧道涌水來源于兩匯水地形降雨入滲補給，因此，集水面積為高、低匯水區(qū)域面積之和，為AⅠ-1+AⅠ-2+AⅠ-3+AⅠ-4； e隧道穿越高程低于相應(yīng)兩側(cè)地表負(fù)地形，同時接受兩匯水負(fù)地形降雨入滲補給，集水面積與f2相同，為AⅠ-1+AⅠ-2+AⅠ-3+AⅠ-4。

模式Ⅱ中，f2和e類隧道均全部穿越含水層，地表負(fù)地形切割上覆隔水層，使含水層出露地表。e隧道穿越高程低于地表匯水地形，集水面積為AⅡ-4+AⅡ-5+AⅡ-6。f2隧道排水，使原始地下分水嶺向遠(yuǎn)離隧道方向偏移，同時隧道另一側(cè)形成臨時分水嶺并遠(yuǎn)離隧道，最終兩側(cè)分水嶺穩(wěn)定，其間地下匯水區(qū)域面積為f2隧道集水面積; 因此，當(dāng)兩地下分水嶺均位于兩地表分水嶺之間，則集水面積為AⅡ-2； 當(dāng)兩地下分水嶺位于兩地表分水嶺以外時，則集水面積為AⅡ-1+AⅡ-2+AⅡ-3；當(dāng)其中一個地下分水嶺位于地表分水嶺之間而另一個位于地表分水嶺之外時，集水面積為AⅡ-1+AⅡ-2； 當(dāng)兩地下分水嶺與地表分水嶺近似重合時，集水面積為AⅡ-4+AⅡ-5+AⅡ-6。

模式Ⅲ中，f1和f3類隧道穿越含水層且出露地表形成負(fù)地形。f1隧道穿越高程高于地表匯水地形，隧道涌水主要來源于地下水徑流上游區(qū)的補給，補給區(qū)超出地質(zhì)模式Ⅲ的范圍，而地表匯水區(qū)匯聚降雨、入滲形成地下水后直接順巖層徑流并排泄至河流，對f1隧道涌水貢獻(xiàn)甚微，因此，該地表匯水區(qū)域不應(yīng)算作f1隧道的集水面積；f3隧道穿越高程低于負(fù)地形和鄰近侵蝕基準(zhǔn)面，地表匯水入滲后更易通過隧道排泄，形成涌水，因此,匯水區(qū)域面積應(yīng)為集水面積，為AⅢ-1+AⅢ-2+AⅢ-3。

模式Ⅳ中，f2和e類隧道穿越含水層，且穿越高程均低于地表匯水區(qū)，隧道直接通過地表負(fù)地形接受大氣降雨入滲補給，形成涌水，因此，隧道集水面積為地表匯水區(qū)域面積，為AⅣ。

表4 隧址區(qū)典型集水面積變化模式

3 工程實例

本文選擇箭沱灣隧道作為Ⅱ類地質(zhì)模式的工程實例。箭沱灣隧道是重慶—利川鐵路線的重要越嶺隧道(DK29+740～DK34+985)，全長5.245 km。隧道位于重慶市渝北區(qū)御臨鎮(zhèn)，御臨河在隧道以南分布。隧址區(qū)地形總體呈“兩山一槽”的地貌形態(tài)，區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造以明月山背斜為主，走向為北東—南西，核部為三疊系嘉陵江組灰?guī)r，兩翼由老到新依次為三疊系雷口坡組白云巖、灰?guī)r，三疊系須家河組砂巖和侏羅系砂泥巖，其中，雷口坡組與嘉陵江組地層為含水層，須家河組與侏羅系地層為隔水層，隧道斜穿背斜及槽谷，槽谷巖溶洼地發(fā)育。隧道地質(zhì)平面如圖1所示。

圖1 箭沱灣隧道地質(zhì)平面圖

隧址區(qū)“兩山一槽”地形使背斜構(gòu)造核部地層出露于槽谷，隧道近似垂直穿越背斜，該隧道穿越條件屬于模式Ⅱ，穿越方式為e類。從平面圖上看，槽谷核部分布含水層，兩側(cè)分布隔水層，因此，含水層區(qū)域即為模式Ⅱ中AⅡ-5；在圈定集水面積時，容易只考慮槽谷核部含水層，漏算兩側(cè)易忽略集水區(qū)(隔水層)面積，為AⅡ-4+AⅡ-6。

圖2為隧道縱剖面圖。由圖2可知，由于埋藏式地層特點，隧道在空間上穿越含水層段大于地表出露含水層寬度； 同時，隧道涌水來源主要為地表槽谷匯聚降雨入滲所得； 因此，該段隧道涌水集水面積為地表分水嶺間槽谷面積(含水層與易忽略集水區(qū)面積之和)，該結(jié)果也驗證了地質(zhì)模式Ⅱ中e類隧道集水面積所確定的結(jié)論。

4 結(jié)論與討論

1)集水面積確定的前提是對隧道穿越含水層的空間展布、地下水徑流特征的正確認(rèn)識。歸根結(jié)底是明確隧道涌水的根本補給來源。

2)總結(jié)了4種對集水面積選取有影響的地質(zhì)模式，分別為埋藏-向斜式(Ⅰ)、埋藏-背斜式(Ⅱ)、埋藏-單斜式(Ⅲ)和裸露-單斜式(Ⅳ)。

3)模式Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ中e隧道、模式Ⅳ中f2隧道和模式Ⅲ中f3隧道穿越高程均低于負(fù)地形，集水面積均為地表匯水區(qū)域面積。模式Ⅰ中，f1隧道一側(cè)形成局部地下分水嶺，集水面積為地下匯水區(qū)面積，為AⅠ-1+AⅠ-2；在f2隧道位于地下匯水區(qū)，集水面積為兩地表匯水區(qū)面積之和，為AⅠ-1+AⅠ-2+AⅠ-3+AⅠ-4。模式Ⅱ中，f2隧道排水作用下，將地下分水嶺分布情況概括為4種： 兩地下分水嶺均位于兩地表分水嶺之間、分別位于地表分水嶺兩側(cè)、一個位于兩地表分水嶺之間而另一個位于地表分水嶺之外、與地表分水嶺近似重合，集水面積分別為AⅡ-2、AⅡ-1+AⅡ-2+AⅡ-3、AⅡ-1+AⅡ-2、AⅡ-4+AⅡ-5+AⅡ-6。模式Ⅲ中，f1隧道穿越高程高于地表含水層，出露負(fù)地形，隧道涌水主要來源于地下水徑流上游區(qū)的補給，而地表匯水區(qū)對涌水貢獻(xiàn)甚微。

4)例舉的渝利鐵路箭沱灣隧道屬于模式Ⅱ，隧道以e類方式穿越，集水面積應(yīng)為兩地表分水嶺間的區(qū)域面積而非出露含水層面積，望在今后實際運用中加以重視。

對于如何科學(xué)、有效地確定地下分水嶺的位置需要做進(jìn)一步研究。

圖2 箭沱灣隧道縱剖面圖

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Study of Catchment Area of Water Inrush Volume Forecast of Tunnel in Complex Geological Conditions

HE Xiaoyong1, QI Jihong1,*, XU Mo1, ZHANG Qiang1, ZHANG Shishu2, WANG Nengfeng2, WEI Bowen3

(1.StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，Sichuan，China; 2.ChengduEngineeringCorporationLimited，PowerChina,Chengdu610072，Sichuan，China; 3.SichuanProvinceGeologicalEngineeringComplex,Chongqing401120,China)

The different geological structures are established in terms of topography, lithology and geological structure; the catchment area is studied based on the variation of the spatial distribution of tunnel; and the kinds of main catchment topographies, geological structures and tunnel crossing modes are summarized. The varying modes of catchment area, including burial-syncline type, burial-anticline type, burial-monoclinic type and nudity-single inclined type, are introduced; and then the determination methods for catchment area in different modes are obtained. A case study is made on Jiantuowan Tunnel on Chongqing-Lichuan Railway. The catchment area of water inrush volume forecast of Jiantuowan Tunnel is regarded as burial-anticline type. As a result, the determination of the catchment area of Jiantuowan Tunnel should be paid more attentions to.

tunnel; water inrush volume forecast; catchment area; complex geology; geological structure

2016-03-03;

2016-06-27

地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室自主研究課題(SKLGP2015Z013)

賀小勇(1991—)，男，四川華鎣人，成都理工大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)在讀碩士，主要從事水文地質(zhì)研究工作。E-mail： 197270779@qq.com。*通訊作者： 漆繼紅， E-mail： qijihong@cdut.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.009

U 456.3+2

A

1672-741X(2017)01-0056-06