永顺隧道岩溶涌水风险性评价及地下水流量衰减过程分析

万豪杰，赵 骏，张松松，张茹星

(1.中国地质大学(武汉) 教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，湖北 武汉 430074;2.山东正元建设工程有限责任公司，山东 济南 250101)

永顺隧道位于湖南省湘西土家族苗族自治州永顺县芙蓉镇境内，隧道所在工程区属构造溶蚀低山地貌，发育狭长沟谷，多呈“V”字型。该隧道起讫里程为DK56+440.00～DK68+523.27，最大埋深约为450 m，全长12 083.27 m，属长大岩溶隧道。在水文地质勘察中，在永顺隧道多个路段均揭露了不同程度的岩溶发育现象，隧道存在岩溶涌水的隐患。因此，对该隧道不同路段的岩溶涌水风险性进行评价迫在眉睫。

目前，关于隧道涌水量预测与风险性评估的研究既有定性的描述又有定量的计算，涌现了多种计算方法和模型，其中包括地下水动力学方法、水均衡理论指导下的地下水径流模数法和大气降雨入渗系数法、数值模拟法、基于统计学方法的层次分析法和模糊数学法等[1-7]。但隧道涌水量各种评价方法都有其一定的适用条件，因此需要结合隧道的水文地质条件以及勘察精度来选取[8-9]。由于大气降雨入渗法综合考虑了地形地貌、地质构造和地层岩性等因素的影响，因此本文采用大气降雨入渗法对永顺隧道各路段岩溶涌水量进行估算，并在分析研究区地形地貌、地层岩性、地质构造和水文地质条件的基础上，采用隧道岩溶涌水专家评判系统对该隧道不同路段岩溶涌水风险性进行评价及涌水量估算，同时采用地下水流量衰减的指数衰减理论分析了隧道段DK64+630～DK67+930发育的兰花洞地下暗河系统岩溶地下水流量的衰减过程。

1 工程概况

1.1 地形地貌条件

研究区位于湖南省西部，该地区地形起伏较大，地貌单元多，受构造的影响，地势上总体表现为西高东低。研究区地表及地下岩溶极为发育，地表峰丛洼地、峰丛槽谷和峰丛坡立谷十分普遍，地表河流常通过落水洞潜入地下形成暗河，地下暗河呈树枝状发育，最终流向酉水河汇聚排泄。

1.2 区域地质条件

1.2.1 地层岩性

表1 研究区地层岩性概况

1.2.2 地质构造

研究区主体构造为松柏向斜，该向斜为一宽缓开阔的向斜构造。区内发育有张家界-古丈-吉首断裂，该断裂位于研究区东南部，对局部岩溶的发育以及岩溶管道的走向具有一定的控制意义。此外，该地区节理裂隙发育，形成了复杂多变的各种性质的节理、裂隙，其中走向40°～60°的纵张裂隙为本区的主裂隙发育方向，基本控制了区域暗河、沟谷的展布方向。

1.3 气象及水文地质条件

研究区属亚热带季风性气候，四季分明，降雨丰沛且具有季节性、突发性的特点。该地区属酉水河流域，位于酉水河干流左岸，流域内河床天然标高为110～150 m，凤滩水库建成后正常库水位高程为205 m，构成了该地区地表水及地下水的区域排泄基准面。

研究区地下水类型可划分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水、碳酸盐岩类岩溶水和非含水岩层四类。该地区地下水的运动主要受控于地貌和松柏向斜构造，区域排泄基准面为酉水河，其中酉水河以南为潭河岩溶水系统和罗依溪地表水系统，酉水河以北为芙蓉河岩溶水系统、科必洞地下暗河系统和施洛溪河地表水系统，芙蓉河岩溶水系统因靠近隧道工程区，为本研究的重点区域(见图1)。研究区的地下水除了接受降雨入渗补给外，还接受大量来自于岩溶斜坡地带的地表溪沟汇入补给，并经落水洞或暗河伏流灌入式补给下伏地下暗河系统，故该地区地下水极为丰富。

图1 隧道区水文地质图

2 隧道岩溶涌水量估算

2.1 大气降雨入渗系数法

大气降雨落到地面后，只有部分渗入地下，并受大气降水强度、地形地貌特征、植被发育状况和地质构造条件等多种因素的影响[10]。据《铁路工程水文地质勘察规范》(TB 10049—2014)，隧道正常涌水量的计算公式为

Q正常=1 000·α·X·A·η

式中：Q正常为隧道正常涌水量(m3/d)；α为降雨入渗系数；X为中雨日平均降雨量(mm/d)；A为隧道集水面积(km2)；η为滞后补给系数(d)。

根据在孔家湾所设的气象监测站2018年7月23日—10月31日实时在线监测数据，监测期间日最大降雨为98 mm/d，降雨类型主要以中小雨为主，中雨日平均降雨量为15.65 mm/d。永顺隧道区总降雨量为855.4 mm，20年一遇特大暴雨强度为236 mm。本次采用大气降雨入渗系数法对该隧道各路段岩溶涌水量进行计算时，最大涌水量利用日最大降雨量进行计算，正常涌水量采用中雨日平均降雨量进行计算，极端情况下的涌水量采用20年一遇特大日极端暴雨量进行预测，此外，其他各参数取值来源如下：降雨入渗系数α采用水文地质勘察阶段的数据；滞后补给系数η采用对水文地质勘察阶段次降水的地表水、地下水动态特征分析所得到的数据，见表2。

表2 降雨入渗系数法的参数取值表

采用降雨入渗系数法计算得到永顺隧道正常涌水量为24 590 m3/d，最大涌水量为153 981 m3/d，极端降雨情况下的涌水量为344 081 m3/d。

2.2 隧道岩溶涌水风险性等级评价

韩行瑞等[8]以沪蓉西高速公路上的11个大长岩溶隧道为研究对象，按先定性后定量的观点给出了一套定性判断的标准，即“隧道岩溶涌水专家评判系统”。该评判系统针对不同隧道所处的垂直及水平水动力分带位置采用不同的隧道岩溶涌水量估算方法，并给出了隧道建设过程中岩溶涌水量预测预报的原则如下：

(1) 要明确各隧道所遇岩溶段的岩溶发育程度及区域岩溶发育特征，并采用不同的参数。

(2) 要明确各隧道岩溶段所处的垂直及水平水动力分带位置，采用不同的隧道岩溶涌水量评价方法，进而评价隧道不同性质的岩溶涌水量。

(3) 隧道岩溶涌水需考虑水头压力以及不同频率降水引起的瞬间峰值涌水的危害性，这对隧道安全施工运营具有重要的意义。

岩溶发育的不均匀性、连通性导致了岩溶水管道化、河系化，致使隧道岩溶涌水量预测预报显得十分困难，因此隧道岩溶涌水量的预测尤为复杂[11]。永顺隧道除进口1 km段为碎屑岩外，其余路段均为可溶岩段，且隧道最大埋深约为450 m，属长大岩溶隧道，根据工程概况将该隧道分为DK56+440～DK57+460、DK57+460～DK64+630、DK64+630～DK67+930和DK67+930～DK68+522.27 4个路段。工程地质勘察过程中，永顺隧道多个路段均揭露了不同程度的岩溶现象，存在隧道岩溶涌水的风险隐患，适用于“隧道岩溶涌水专家评判系统”，因此本文采用该评判系统对永顺隧道各路段岩溶涌水风险性进行了评价及涌水量估算，见表3。

3 地下暗河系统岩溶地下水流量的衰减过程分析

3.1 岩溶地下水对降雨的动态响应

相较于我国北方地区，西南岩溶地区岩溶发育强烈，岩溶地下水管道化、河系化的特征尤为显著。永顺隧道DK64+630～DK67+930路段发育有兰花洞地下暗河系统，岩溶和地下水强烈发育，地下水丰富，环境水文地质条件较敏感，存在隧道突涌水的可能，会影响隧道施工进度，危害铁路运营安全，为隧道涌水极高风险路段。为了明确隧道开挖对区域水文地质环境的影响已开展了水文监测，到目前水文监测已经历了3个发展阶段:人工观测阶段、自计式监测设备阶段和在线监测系统阶段[12]。本研究采用基于GPRS通讯技术的实时在线监测系统对降雨量-流量-水位进行了监测，并安装了超声波水位计对电压初始值和初始水位(水深H)进行了测量和记录。

表3 永顺隧道各里程段岩溶涌水评判表

注：依据韩行瑞等[8]的“隧道岩溶涌水专家评判系统”分析得到。

根据超声波水位计测得的水深H与电压x之间的近似线性关系，可得到该曲线的斜率、截距，据此可通过实测电压值得到水深H，进而采用矩形堰流量计算公式Q=3.6M×H3/2[式中，Q为流量(m3/h)；M为流量系数，M=1 995.1B-1.295；B为矩形堰宽度(m)；H为水位(m)；x为电压(mV)]。并结合监测点水深H，即可计算其流量Q。在孔家湾槽谷-兰花洞地下暗河建立了流量矩形监测堰(见图2)，对该地下暗河流量进行了实时在线监测，其流量监测数据来源如下：

当x>2 360(即无水流时),Q=0；当2 226≤x≤2 360(水流深度小于20 cm)时，Q=3.6(1 995.1×1.65-1.295)×(3.54-0.001 5x)3/2；当x<2 226(水流深度大于20 cm)时，Q=3.6(1 995.1×1.65-1.295)×(3.54-0.001 5x)3/2+3.6(1 995.1×1.8-1.295)×(3.34-0.001 5x)3/2。超声波式水位计最大使用量程为6 m，输出电压为1～5 V，安装后电压变动1 mV相当于水位变动0.15 cm;超声波式水位计安装时电压初始值为2 293 mV，水位计安装时初始水位值为10 cm。

图2 地下暗河流量矩形监测堰示意图

根据孔家湾槽谷-兰花洞地下暗河上游段岩溶管道流量-降雨量的关系曲线(见图3)可见，孔家湾-兰花洞地下暗河上游段岩溶管道地下水流量在2018-09-22日之前对降雨的反应较弱，分析原因认为自2018-08-02日之后其上游横洞(见图4)发生了几次大规模排水拦截了下游孔家湾槽谷-兰花洞地下暗河的流量；在2018-09-22日之后其流量对降雨的反应较为敏感，呈现出陡涨陡落的变化特征，但该地下暗河流量对降雨的反应存在1～2 d的滞后时间且流量在衰退过程表现出多个峰值，反映该岩溶地下暗河系统调蓄性能较好，具有一定的规模，且降雨入渗补给条件较好、岩溶发育程度较高。另外，由图4可见，永顺隧道横洞流量与降雨量的对应关系不明显，分析原因认为其涌水量主要受到隧道工程施工过程中揭露的岩溶含水层产生的人为涌水的影响所致。

图5为钻孔顺孔3地下水水位与降雨量的关系曲线。

图3 孔家湾漕谷-兰花洞地下暗河上游段岩溶管道流量-降雨量的变化特征

图4 永顺隧道横洞地下水流量-降雨量的变化特征

图5 钻孔顺孔3地下水水位-降雨量的变化特征

由图5可见，从2018-07-23日—2018-09-22日钻孔顺孔3地下水水位呈缓慢下降趋势，其中在2018-07-29日钻孔地下水水位异常升高，2018-08-09日钻孔地下水位异常下降，通过查看降雨量数据，排除了降雨的影响，分析原因认为钻孔顺孔3因靠近隧道工程区，地下水水位异常主要受施工区隧道爆破开挖、邻区抽水引起的地应力及固体潮变化的影响较大；受多次强降雨影响自2018-09-22日—2018-09-27日钻孔地下水水位回升迅速，增幅达3.75 m，表明该段时间钻孔地下水水位受大气降雨的影响显著。

3.2 地下暗河系统含水介质特征的识别

为了进一步分析隧道段DK64+630～DK67+930发育的兰花洞地下暗河岩溶系统含水介质的特征，本次采用布西涅斯克(J.Boussinesq,1904)和梅勒(E.Maillet,1905)提出的地下水流量衰减的指数衰减方程对该地下暗河岩溶系统含水介质的特征进行了识别与分析[13-14]。布西涅斯克和梅勒利用指数函数表达了地下水流量的衰减过程，即：

Qt=Q0×e-α(t-t0)

(1)

式中:t为衰减期任意时刻(h)；t0为衰减初始时刻(h)；Qt为t时刻相应的流量(L/s)；Q0为t0时刻相应的流量(L/s)；α为衰减系数(1/h)。

通过泉流量的衰减动态曲线，可以分析研究岩溶含水介质的水动力特征，确定诸如含水层导水系数、储水系数、有效降雨入渗系数等一系列的水文地质参数，从而进行岩溶水资源评价。其中，衰减系数α表示含水层的给水能力，是含水层导水系数和给水度的函数，是含水层储水特征和水流特征的总响应。各衰减亚期的衰减系数αi的计算公式为[15]

(2)

黄敬熙[16]提出采用一种分段函数的形式来表示具有多亚动态流量衰减过程的“折线式”流量衰减方程，即:

(3)

这一方程是利用各衰减亚期的初始流量Q0i和相应的衰减亚期的衰减系数αi,按照公式(1)建立相应的衰减亚期的流量衰减方程Q0ie-αit。

据上述原理，以2018-09-07日17∶05∶00—2018-09-08日07∶05∶00次降雨过程分析兰花洞地下暗河上游岩溶管道流量衰减曲线，得出的其流量衰减方程大致可分为两段(见图6)：

图6 兰花洞地下暗河上游岩溶管道流量衰减曲线

(4)

由方程(4)可知，第一段曲线的衰减系数α1=0.960，为衰减曲线中第一个亚动态，代表连通性较好的大型岩溶管道或洞穴的迅速排泄;第二段曲线的衰减系数α2=0.157，为衰减曲线中第二个亚动态，代表具有一定程度连通性的张性裂隙、断裂带及溶隙系统的排泄，地下水流量衰减速度较小，能维持相对长的时间。由此可见：兰花洞地下暗河岩溶系统具有双重含水介质的特性。

4 结 论

(1) 本文依据“隧道岩溶涌水专家评判系统”，采取基于均衡法原理的大气降雨入渗系数法对永顺隧道各路段岩溶涌水风险性等级进行了评价及涌水量估算，得出DK64+630～DK67+930路段为隧道涌水高风险路段，涌水量大于1m3/d，DK56+440～DK57+460路段为隧道涌水低风险路段，DK57+460～DK64+630路段为隧道涌水中等风险路段，DK67+930～DK68+522.27路段为隧道涌水中低风险路段。

(2) 通过基于GPRS通讯技术的实时在线监测系统得到的降雨量-流量-水位数据，细致分析了横洞及张潮湾地区岩溶地下水流量的动态变化特征及其原因，结果表明：孔家湾槽谷-兰花洞地下暗河上游段岩溶管道流量对降雨十分敏感，呈现出陡涨陡落的特征，其衰退过程表现出多个峰值。

(3) 通过地下水流量衰减的指数衰减理论分析了兰花洞地下暗河岩溶地下水流量的衰减过程，结果表明：兰花洞地下暗河岩溶系统具有双重含水介质的特性，既有大型的岩溶管道或洞穴，又有一般的岩溶裂隙和层间裂隙。

致谢：在课题调查与研究中得到了中国地质大学(武汉)环境学院万军伟教授课题组的指导，中铁第四勘察设计院集团有限公司提供了诸多宝贵的水文地质工程地质勘察报告，在此一并表示感谢。