某電站土洞地下水分析與涌水處理

郭如杰 許小路

【摘 要】地下工程中水文地質(zhì)條件是至關(guān)重要的，地下水對地下工程的破壞力也是巨大的，特別是土洞開挖過程中如果出現(xiàn)大量涌水，土體受到?jīng)_刷，土的強(qiáng)度下降，導(dǎo)致土的穩(wěn)定性變差，洞室安全存在隱患。文章對某電站尾水隧洞土洞的水文地質(zhì)條件進(jìn)行描述，針對開挖過程中揭露的涌水情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合地層分析洞內(nèi)出水原因。結(jié)合現(xiàn)場抽水試驗(yàn)粗略獲得的滲透系數(shù)、降水漏斗等參數(shù)，對初步實(shí)施的地面降水方案和洞內(nèi)降水方案進(jìn)行計(jì)算研究，評估方案的可行性，最終確定最優(yōu)的降水方案，盡快解決洞內(nèi)出水的問題，加快施工進(jìn)度。

【關(guān)鍵詞】地下工程;水文地質(zhì);抽水試驗(yàn);降水方案

【中圖分類號】TV743 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）03-0119-03

0 引言

地下工程是指深入地面以下為開發(fā)利用地下空間資源所建造的地下土木工程，未來將會建造更多的地下工程以滿足人們生產(chǎn)生活的各種需求。水文地質(zhì)條件是指有關(guān)地下水形成、分布和變化規(guī)律等條件的總稱，包括地下水的補(bǔ)給、埋藏、徑流、排泄、水質(zhì)和水量等。一個(gè)地區(qū)的水文地質(zhì)條件是隨自然地理環(huán)境、地質(zhì)條件及人類活動的影響而變化的。開發(fā)利用地下水或防止地下水的危害，必須通過勘察，查明水文地質(zhì)條件[1]。

中東某電站位于約旦河谷西岸，尾水隧洞土洞穿過Lisan組地層和Bira組地層[2]，土層分別為泥灰土層和含礫石黏土地層。

2019年8月18日，土洞掌子面超前排水孔施工過程中大量出水，最大出水量約12 m3/h，混水中含砂、黏土塊，采取封堵措施并進(jìn)行引排水，穩(wěn)定出水量為5～

6 m3/h，清水。為了土洞開挖穩(wěn)定安全，決定先對土采取降排水處理措施，再進(jìn)行土洞開挖。

1 水文地質(zhì)條件

1.1 地層分布

土洞主要由表層的坡積及沖洪積含礫石粉質(zhì)黏土（①層）、湖相沉積的泥灰質(zhì)黏土（②層）和泥灰土（③層）、含礫石黏土（④層）組成，各土層描述如下。

（1）①坡積及沖洪積地層，分布于地表，為新近沉積地層，以含礫石粉質(zhì)黏土為主，褐色，潮濕，硬塑-可塑狀，礫石含量為10%～15%，塊徑為5～10 cm，磨圓度差，分布厚度為5～10 m。

（2）②和③均為湖相沉積地層，屬Lisan組地層，以含碳酸鈣高液限黏土為主，上部3～5 m為淺灰色（第②層），下部為深灰色（第③層），濕-飽和，可塑狀，局部軟塑狀，呈薄層狀分布，層間夾有粉砂或細(xì)砂層，該層近似水平狀分布。

（3）④湖相沉積與沖洪積相混雜地層，屬于Bira組地層，以含礫石黏土為主，礫石含量為20%～30%，局部超過50%，最大塊徑為30 cm，棱角狀，磨圓度差。黏土為高液限黏土，褐色，飽和，硬塑-可塑狀。

1.2 水文地質(zhì)

（1）地下水位。鉆孔揭露地下水位一般在地面以下10～12 m，高于土洞洞頂，分布高程自西向東逐漸降低，表現(xiàn)為靠山側(cè)地下水位高，而約旦河谷一側(cè)地下水位低，呈現(xiàn)出基巖含水層向約旦河谷排泄的特征。

（2）土層滲透系數(shù)。根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)，含礫石黏土層滲透系數(shù)在6.7×10-6～8.9×10-5 cm/s。泥灰土層具有顯著的層狀結(jié)構(gòu)，滲透系數(shù)各向異性特征明顯，鉆孔抽水試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)僅能反映泥灰土層的水平滲透系數(shù)。

1.3 掌子面涌水成因分析

由于過渡區(qū)的交互相沉積，因此尾水土洞掌子面存在多層含礫石黏土質(zhì)砂薄層夾層，而該土層具有較好的水力聯(lián)通性，在開挖或鉆孔過程中，穿透此含水層會出現(xiàn)較大的出水量。

2 地面排水井布置及觀測數(shù)據(jù)

為了查明土層水文地質(zhì)參數(shù)，在土洞開挖掌子面前方兩側(cè)布置4個(gè)排水井，呈梅花形布置，排水井井內(nèi)水位變化如圖1所示。

排水井W1、W2和W4孔地下水位均能降到土洞底板以下，W3孔地下水位維持在土洞底板高程附近。排水井排水能力顯示最大排水能力為W3井，每小時(shí)排水量為3.1 m3/h，日排水能力為74.4 m3。

3 土層滲透系數(shù)計(jì)算

3.1 初始地下水位

根據(jù)地面排水井及前期勘探得到的地下水水位資料，確定排水設(shè)計(jì)和滲透系數(shù)分析中的地下水初始水位：W1井穩(wěn)定水位埋深為26.6 m，W2井的穩(wěn)定水位埋深為23.31 m，其余兩井鉆孔過程中未記錄穩(wěn)定水位。因?yàn)榕潘┕み^程中使用了膨潤土護(hù)壁，所以井內(nèi)記錄的初見水位不能反映真實(shí)的地下水位。

3.2 計(jì)算模型

根據(jù)井的結(jié)構(gòu)及實(shí)際的水文地質(zhì)條件，初步確定W1、W2、W3、W4井屬承壓水非完整井，計(jì)算模型采用“穩(wěn)定流非完整孔單孔（及多孔）抽水試驗(yàn);承壓水;過濾器置于含水層頂板”。

3.3 滲透系數(shù)計(jì)算

3.3.1 單孔抽水試驗(yàn)

（1）計(jì)算模型確定。根據(jù)《水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程》（NB/T 35103—2017）[3]附表D.0.2-1中穩(wěn)定流非完整孔單孔抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算。

計(jì)算公式如下：

公式（1）中：k為滲透系數(shù)（m/d）;Q為滲水量（m3/d）;r為過濾器半徑（m）;l為過濾器長度（m）;s為降深（m）;α為系數(shù)，吉林斯基建議α取1.6，巴布什金建議α取1.32。

（2）適用性分析。該公式適用于過濾器長度l<0.3 M（含水層厚度）。在已安裝的抽水井中，過濾器長度l=10 m，抽水井所在承壓水含水層厚度為含礫石黏土層的厚度，取M=50 m。

（3）計(jì)算結(jié)果。W1井單孔抽水量Q=40.0 m3/d，過濾器長度l=10 m，降深sw=32 m，過濾器半徑rw=0.1 m，由此計(jì)算得到：吉林斯基建議α=1.6時(shí)，滲透系數(shù)k=0.101 m/d，即1.17×10-4cm/s;巴布什金建議α=1.32時(shí)，滲透系數(shù)k=0.97 m/d，即1.12×10-4 cm/s。

W2井單孔抽水量Q=108 m3/d，過濾器長度l=10 m，降深sw=30 m，過濾器半徑rw=0.1 m，由此計(jì)算得到：吉林斯基建議α=1.6時(shí)，滲透系數(shù)k=0.290 m/d，即3.36×10-4 cm/s;巴布什金建議α=1.32時(shí)，滲透系數(shù)k=0.279 m/d，即3.23×10-4 cm/s。

3.3.2 多孔抽水試驗(yàn)

（1）計(jì)算模型確定。根據(jù)《水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程》（NB/T 35103—2017）附表D.0.2-2中穩(wěn)定流非完整孔多孔抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算。

根據(jù)吉林斯基提出的穩(wěn)定流非完整井多孔抽水試驗(yàn)計(jì)算公式：

公式（2）中：k為滲透系數(shù)（m/d）;Q為滲水量（m3/d）;l為過濾器長度（m）;r1、r2為觀測孔與抽水孔的距離（m）;s1、s2為觀測孔中的降深（m）。

（2）適用性分析。？譹？訛過濾器長度l<0.3 M（含水層厚度）。在已安裝的抽水井中，過濾期長度l=10 m，抽水井所在承壓水含水層厚度為含礫石黏土層的厚度，取M=50 m;實(shí)際情況可滿足。？譺？訛r2≤0.3M，r1=0.3r2，抽水試驗(yàn)結(jié)合排水井的生產(chǎn)布置實(shí)施，實(shí)際情況為r1=29 m，r2=68 m，該布置不能滿足上述計(jì)算模型的要求，對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響較小。

（3）計(jì)算結(jié)果。在W1、W2和W3井投入運(yùn)行后進(jìn)行進(jìn)一步抽水試驗(yàn)，將W3作為抽水孔，W1和W2作為觀測孔，連續(xù)抽水48 h后，根據(jù)排水能力，穩(wěn)定水量為59.8 m3/d。抽水過程中對觀測孔內(nèi)水位進(jìn)行觀測，在抽水孔W3中水位穩(wěn)定后降深為17.58 m時(shí)，W2孔降深0.56 m，W1孔降深0.22 m。

采用吉林斯基計(jì)算公式，其中滲水量Q=59.8 m3/d，過濾器長度l=10 m;觀測孔與抽水孔的距離r1=29 m，r2=68m;觀測孔中的降深s1=0.56 m，s2=0.22 m，由此計(jì)算得到的滲透系數(shù)k=0.54 m/d，即6.25×10-4 cm/s。

3.3.3 結(jié)論

根據(jù)單孔抽水試驗(yàn)和多孔抽水試驗(yàn)成果分析，在抽水試驗(yàn)影響范圍內(nèi)土層分布不均，其滲透系數(shù)在1.12×10-4～3.36×10-4 cm/s。考慮以多孔抽水試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)計(jì)算土洞段內(nèi)的滲流量，同時(shí)進(jìn)行排水設(shè)計(jì)時(shí)影響半徑取68 m。

從推測降水漏斗來看，需加大W3井的排水能力，只有將W3井的水位降至隧洞底板高程以下10 m時(shí)，才能滿足影響范圍內(nèi)地下水位降低至土洞底板高程以下。

4 土洞降排水方案

4.1 地面管井降水方案設(shè)計(jì)

管井降水方案設(shè)計(jì)計(jì)算的基本內(nèi)容如下。？譹？訛計(jì)算確定尾水隧洞在含礫石黏土層洞段總的出水量：隧洞進(jìn)行降水后，隧洞頂部及兩側(cè)范圍均在降水漏斗范圍內(nèi)，類似于一個(gè)條狀的基坑降水。隧洞兩側(cè)開挖邊線可作為基坑寬度，隧洞長度可作為基坑長度。因此，隧洞的降水可類似于矩形基坑降水。隧洞出水量將參考基坑出水量計(jì)算方法。？譺？訛計(jì)算單井的出水量：分別按管井出水能力計(jì)算公式、干擾井群公式計(jì)算單井出水量，并同W1、W2、W3、W4排水井實(shí)際出水能力相比較，確定單井出水量。

（1）管井埋置深度計(jì)算公式如下。

公式（3）中，L為井點(diǎn)管總長（m）;H為基坑底板埋深，此處取50 m;h為井管露出底面高度，此處取0，根據(jù)現(xiàn)場井管布置確定;△h為降水后地下水位至基坑底面的安全距離，此處取1 m;i為降水漏斗水力梯度，線狀布置取1/5;r1為井管至基坑軸線的水平距離，此處取15 m（W2、W3井距離隧洞軸線約15 m）;l為過濾器長度。

計(jì)算得出L=56.75+l。取過濾器長度10 m，則L應(yīng)取67 m。

（2）管井計(jì)算。①隧洞出水量預(yù)測。根據(jù)W1、W2、W3井抽水試驗(yàn)，尾水隧洞土層的滲透系數(shù)為4.32×

10-4 cm/s（0.372 m/d），是抽水井整體的滲透系數(shù)，未區(qū)別黏土層和含礫石黏土層。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）[4]，按承壓～潛水非完整井（隧洞進(jìn)入含礫石黏土層，黏土層和含礫石黏土層分別按相對不透水層和含水層考慮）兩類，群井按大井簡化的基坑降水總涌水量進(jìn)行計(jì)算，含礫石黏土層洞段的出水量Q=1 168 m3/d。②單井出水量計(jì)算。按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012），管井的單井出水能力可按下式計(jì)算：

公式（4）中：q0為單井出水能力（m3/d）;rs為過濾器半徑（m）;l為過濾器進(jìn)水部分長度（m），取10 m;k為含水層滲透系數(shù)（m/d），取0.372 m/d。

按公式（4）可得出，W1、W2、W3、W4井的過濾器半徑為0.05 m，則單井出水量為q0=135 m3/d。

W1、W2、W3、W4井的出水能力為28.8～74.4 m3/d，遠(yuǎn)小于計(jì)算值，單井出水量取4個(gè)排水井實(shí)際出水量的平均值54 m3/d，基本為單井出水能力的40%。

4.2 地面管井降水方案比選

（1）管井直徑、數(shù)量比選。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，管井的單井最大允許出水能力按公式（4）計(jì)算。

取不同過濾器直徑進(jìn)行計(jì)算，得出不同過濾器直徑下單井最大允許出水量（見表1）。表1中埋置深度根據(jù)管井布置，按管井到隧道底板最遠(yuǎn)點(diǎn)距離，參考埋置深度公式進(jìn)行計(jì)算。結(jié)合過濾管的埋置深度及含礫石黏土層厚度，考慮單井實(shí)際出水能力比計(jì)算值小，過濾器長度仍統(tǒng)一取10 m。

單井最大允許出水量，未考慮含水層厚度，實(shí)際出水能力達(dá)不到。實(shí)際施工中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗(yàn)資料求得單井出水量值，與上述公式進(jìn)行對比后確定。根據(jù)W1、W2、W3、W4井的類比，單井出水量按40%進(jìn)行折減。實(shí)際配泵的抽水能力應(yīng)大于取用單井出水量的1.2倍。

（2）埋置深度比選。表1中的埋置深度為按對應(yīng)過濾器直徑、井點(diǎn)數(shù)量參數(shù)，根據(jù)降水漏斗估算的最小埋深深度。若埋置深度增加，則單個(gè)井的降水漏斗可涵蓋更廣的范圍。如維持相同的過濾器直徑、井點(diǎn)數(shù)量，降低埋置深度，將減小洞內(nèi)排水的壓力;如從純計(jì)算上考慮，降低埋置深度10 m，管井?dāng)?shù)量可通過加大過濾器直徑至1.25 m而減少至2孔。

此外，從W1、W2、W3、W4排水井的實(shí)際排水效果分析，此處地層水文條件較復(fù)雜，排水井排水效果存在不確定性，在綜合考慮降水計(jì)算、場地布置等各方面因素后，采取排水井?dāng)?shù)量多的方案，整體排水效果更好。

4.3 降水方案初步布置

根據(jù)方案比選及經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，降水方案初步布置4個(gè)孔，井身直徑為100 cm，過濾器直徑不小于0.6 m，間距為55 m，管井埋置深度為70 m，以梅花形布置在尾水隧洞土洞兩側(cè)。

5 結(jié)束語

尾水隧洞即將進(jìn)入含礫石黏土層，根據(jù)抽水試驗(yàn)推測，含礫石黏土層的滲透系數(shù)達(dá)4.32×10-4 cm/s（0.372 m/d），尾水土洞滲漏量較大，其開挖安全風(fēng)險(xiǎn)突出，有必要提前采取工程處理措施?？紤]到本工程尾水隧洞水文地質(zhì)條件的不確定性，建議進(jìn)一步編制詳細(xì)的尾水隧洞土洞突涌水、涌泥應(yīng)急預(yù)案。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張人權(quán)，梁杏，靳孟貴，等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：地質(zhì)出版社，2018.

[2]DR ISRAELKEISSAR.Tailrace tunnel complementary site investigation geotechnical factual report[R].in Israel：G.Y.A. Soil and Foundation Engineering Ltd.，2019.

[3]NB/T 35103—2017.水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程[S].

[4]JGJ 120—2012.建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].