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      巴基斯坦某水電站隧洞涌水量預(yù)測分析

      2019-05-20 06:49:54尹津航劉向飛張學(xué)東
      水利水電工程設(shè)計 2019年1期
      關(guān)鍵詞:承壓水涌水量隧洞

      尹津航 賈 楨 劉向飛 張學(xué)東

      滲水和突、涌水是隧洞施工中常見的水文地質(zhì)現(xiàn)象。大量的突、涌水往往給工程帶來許多困難和危害,甚至造成嚴(yán)重事故,大大影響施工進(jìn)度[1-2],因此,隧洞涌水量的預(yù)測分析是工程設(shè)計中非常重要的組成部分。

      關(guān)于隧洞涌水量預(yù)測,工程上應(yīng)用較多的是傳統(tǒng)理論公式法。許多專家學(xué)者在此基礎(chǔ)上,根據(jù)工程的具體情況,對傳統(tǒng)公式進(jìn)行了修正或引入一些新理論方法,取得了一定的成效[3]。此外,尚有涌水量曲線外推法、水文地質(zhì)比擬法等近似計算方法。但是,由于地下水分布是一個很復(fù)雜的系統(tǒng),單獨一種方法并不能很準(zhǔn)確地進(jìn)行預(yù)測,因此,要多種方法相結(jié)合,來提高預(yù)測精度。

      1 工程地質(zhì)背景

      擬建水電站工程位于巴基斯坦北部山區(qū),為引水式電站,設(shè)計水頭316 m,引水流量420 m3/s。采用平行雙洞布置,斷面呈圓形,直徑8.5 m,長度17 900 m。隧洞埋深多為300~1 000 m,最大埋深為1 150 m。

      隧洞穿越地區(qū)地層為第三系中新統(tǒng)Murree 組和Kamlial 組,巖性以砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖及泥巖、劈理化泥巖為主。

      隧洞沿線山嶺與河谷盆地相間分布,穿越2 個較大的分水嶺。工程區(qū)雨季大氣降水充沛,為地下水提供了豐富的來源。地層受新構(gòu)造運動的影響,褶皺、斷層及節(jié)理裂隙比較發(fā)育,為地下水的活動創(chuàng)造了空間條件。

      隧洞穿越部位地下水類型主要為淺層基巖裂隙潛水、深層基巖裂隙潛水及承壓水。淺層基巖裂隙潛水以大氣降水滲入補給為主,主要賦存于基巖卸荷帶至弱風(fēng)化帶上限范圍內(nèi)。深層基巖裂隙潛水以淺層基巖裂隙水及地表徑流滲入補給為主,多賦存于向斜等大的儲水構(gòu)造中,可造成深埋隧洞開挖過程中突、涌水等較大的工程危害。經(jīng)過初步勘察發(fā)現(xiàn)隧洞沿線存在著向斜構(gòu)造承壓水、單斜構(gòu)造承壓水、斷層帶承壓水及塊狀巖體中的承壓水等,這些承壓水的水頭往往較高,含水層多屬于裂隙含水層。

      隧洞穿越2 個較大的分水嶺,沿線分布褶皺帶、喜馬拉雅前緣斷裂帶、多條斷層以及向斜、背斜等,以上構(gòu)造部位均有利于地下水的賦存,從巖性、構(gòu)造發(fā)育特征及勘探試驗資料等方面判斷,隧洞在構(gòu)造破碎帶附近、向斜核部地層局部可能發(fā)生承壓水和裂隙水集中式涌(突)水。

      勘察期間,分別在輸水隧洞首部和中部完成了7 個鉆孔(ZKT1~ZKT7),在鉆孔中進(jìn)行了壓水試驗,結(jié)合前期勘察位于隧洞中部河谷中的BH18 號鉆孔壓水試驗資料,分析得到的巖體透水率隨深度變化的關(guān)系曲線如圖1 所示。

      圖1 隧洞沿線巖體透水率隨鉆孔深度變化關(guān)系曲線

      由圖1 可知:

      (1)BH18 號孔位于隧洞中部河谷背斜的NE翼,埋深35~80 m 間的巖體為中等-強透水性,透水率為47~210 Lu,平均值為120 Lu。

      (2)BH18 號孔埋深80~120 m 間的巖體為中等-強透水性,透水率為6.8~55 Lu,平均值為25 Lu。

      (3)埋深120~300 m 間的巖體為弱透水性,透水率為0.78~18 Lu,平均值為3.9 Lu。

      ZKT5 和ZKT7 兩個鉆孔埋深350~400 m 間的巖體為弱透水性,透水率為1.3~3.1 Lu,平均值為2.1 Lu。

      在ZKT6 號鉆孔的鉆進(jìn)過程中,揭露到高水頭承壓水。

      (1)在孔深184 m 處第一次遇到承壓水。最初,承壓水流量為1.66 L/g。隨著鉆進(jìn),流量不斷增大,進(jìn)到孔深208.5 m 時,流量達(dá)到5.71 L/g。

      (2)在對137 ~208.5 m 孔段進(jìn)行灌漿后繼續(xù)實施鉆進(jìn),進(jìn)至孔深230 m 時,再次遇到了承壓水,最初的流量為1.5 L/g,隨著鉆進(jìn),流量不斷增大,至孔深256.7 m 時,承壓水的流量增加到3.03 L/g。

      根據(jù)臨近N-J 工程施工過程中揭露地下水情況,隧洞出水點多在砂巖與泥巖接觸面或沿大的節(jié)理裂隙出現(xiàn),且多以滲水、滴水或線狀水流岀露,而在規(guī)模較大的節(jié)理裂隙密集帶及向斜構(gòu)造和穿河段有突、涌水現(xiàn)象。

      2 隧洞涌水量估算

      在不考慮排水防滲措施的前提下,對隧洞開挖時(施工期)最大涌水量進(jìn)行預(yù)測計算時分別采用以下兩種方法[2-3]:

      (1)古德曼經(jīng)驗式:

      (2)工程實踐總結(jié)的經(jīng)驗公式:

      Qm=L(0.025 5+1.922 4KH)

      計算穩(wěn)定涌水量時分別采用以下兩種方法:

      (2)工程實踐總結(jié)的經(jīng)驗公式:

      Qs=LKH(0.676-0.06K)

      式中 Qm——隧洞最大涌水量,m3/d;

      Qs——隧洞穩(wěn)定涌水量,m3/d;

      L——隧洞長度,m;

      K——巖體的滲透系數(shù),m/d;

      H——洞底以上含水體厚度,m;

      d——洞身橫斷面的等價圓直徑,m;

      R——隧洞涌水量影響寬度,取R=500 m;

      計算中采用的透水率、滲透系數(shù)K 為鉆孔中壓水試驗統(tǒng)計平均值,最大涌水量和穩(wěn)定涌水量的計算結(jié)果(以樁號0+000—0+950 為例)見表1。

      表1 涌水量計算結(jié)果表

      通過表1 可知,樁號0+000—0+350 段穩(wěn)定單位涌水量為0.4~0.5 m3/(d·m),最大單位涌水量為1.2~1.9 m3/(d·m);樁號0+350—0+950 段穩(wěn)定單位涌水量為2.8~3.1 m3/(d·m),最大單位涌水量為7.7~8.1 m3/(d·m),最大涌水量為穩(wěn)定涌水量的2~3倍。而對隧洞整體涌水量估算,一般洞段的穩(wěn)定單位涌水量6~9 m3/(d·m),隧洞中部河谷段的穩(wěn)定單位涌水量在50 m3/(d·m)左右。

      上述估算僅按單條隧洞考慮,沒有考慮雙隧洞之間的相互影響和洞室開挖過程中預(yù)灌漿及支護(hù)的影響,且滲透系數(shù)采用鉆孔深度范圍內(nèi)的巖體平均透水率。因此,估算的涌水量要比實際涌水量大。考慮到隧洞圍巖透水層、隔水層相間分布或以夾層形式出現(xiàn),且總體透水性較弱,均一性極差,所以估算開挖期的涌水量非常困難,因此,在分析、類比臨近N-J 工程(隧洞段距離擬建工程支線距離5~12 km)隧洞開挖揭露地下水情況的基礎(chǔ)上建議一般洞段的涌水量以2~4 m3/(d·m)計。在隧洞穿過斷層帶、向斜核部、斷層破碎帶及中部河谷段時推測涌水量將會較大,甚至?xí)l(fā)生突涌水。估計以上部位涌水量20~50 m3/(d·m)。

      3 結(jié)論與建議

      (1)擬建水電站隧洞段穿越地層以砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖及泥巖、劈理化泥巖為主,且隧洞穿越2 個較大的分水嶺,沿線斷層、褶皺帶等發(fā)育,工程區(qū)范圍內(nèi)雨季降水充沛,均有利于地下水的賦存,在構(gòu)造破碎帶附近、向斜核部地層可能發(fā)生承壓水和裂隙水集中式涌(突)水。

      (2)通過估算一般洞段的穩(wěn)定單位涌水量、最大涌水量可知,最大涌水量約為穩(wěn)定涌水量的2~3倍,計算中按單條隧洞考慮,沒有考慮雙隧洞之間的相互影響和洞室開挖過程中預(yù)灌漿及支護(hù)的影響,且滲透系數(shù)采用鉆孔深度范圍內(nèi)的巖體平均透水率;因此,實際涌水量應(yīng)小于估算的涌水量。

      (3)建議一般洞段的涌水量以2~4 m3/(d·m)計。在隧洞穿過斷層帶、向斜核部、斷層破碎帶及中部河谷段時推測涌水量將會較大,甚至?xí)l(fā)生突涌水。估計以上部位涌水量20~50 m3/(d·m)。

      (4)施工時應(yīng)具備對涌水和突水現(xiàn)象的超前探測與處理能力。

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