天山胜利隧道地下水系统划分及涌水量计算方法研究

李善禄，吴永斌

（青海岩土工程勘察院有限公司，青海 西宁 810000）

1 隧道工程概况

随着我国经济的发展，高速公路隧道的建设数量及长度也在增长，近几年超特长高速公路隧道的建设数量也逐渐增加。建设长距离的公路隧道不仅要改变传统的设计思路及勘察方法，而且实施过程中困难重重。“天山胜利隧道”是G0711 乌鲁木齐至尉犁段高速公路建设项目的重要控制性工程，建成后将打通天山南北的交通运输屏障，成为连接北疆、南疆之间的安全、舒适、快捷、高效公路运输通道。隧道设计为分离式，净空11.0m（宽）×5.0m（高），长度约为22.1km。

2 隧道工程地质条件

根据工程地质调绘、钻探成果及相关区域地质资料，隧道通过段地层主要有第四系（Q4）堆积层；泥盆系上统天格尔组灰绿色凝灰质砂岩（D3tb）、中元古代（Pt2）蓟县系卡瓦布拉克群第二组（Jxk2）灰褐色变质砂岩、砂质板岩；中元古代（Pt2）长城系星星峡群（CHx）灰绿色石英片岩、片麻岩及华力西期侵入浅肉红色花岗斑岩（γC2dH）、加里东期侵入灰白色花岗闪长岩（γδS1Q,γδS2Q）、晋宁期青白口纪侵入灰色片麻状闪长岩（tnQbH）。

3 隧道区域地下水系统划分

近年来，工程人员对于隧道水文地质条件的调查和研究越来越重视。隧道水文地质调研，首先要大致确定隧道通过段的水文地质单元，进而查明含水层岩性、地下水类型、补径排条件等水文地质条件。

本隧道通过区域地表水系主要为乌鲁木齐河水系、乌拉斯台河水系及阿拉沟水系，以天格尔山为分水岭，以北为乌鲁木齐河水系，以南为黄水沟河支流乌拉斯台河水系及阿拉沟水系。

由于隧道通过段水文地质条件复杂，地下水系统主要受地貌、构造以及一级地表水系的控制，以一级流域作为划分的基本单元，本次研究将区域划分为三个地下水系统：大西沟地下水系统（Ⅰ），阿拉沟地下水系统（Ⅱ），乌拉斯台地下水系统（Ⅲ）。

3.1 大西沟地下水系统（Ⅰ）

位于隧道进口至天格尔山主梁分水岭以北地带，地下水类型主要为松散岩类孔隙水、基岩风化裂隙水和构造裂隙水。主要接受大气降水、高山雪融水入渗补给。区域内地形切割强烈、地形坡度大，多形成陡崖，基岩大面积裸露。大气降水及冰雪融水顺坡面向地势低洼处运移，集于溪沟，地下水多沿风化节理裂隙、构造线方向往东西两侧的溪沟径流、排泄，最终汇入乌鲁木齐河，排泄基准面为乌鲁木齐河。由于区内断层、褶皱发育、花岗闪长岩体侵入，岩体破碎程度不均，导致隧道穿越各段赋水程度存在差异，致使地下水的分布和富水程度规律性相对较差，故该区水文地质条件较复杂。

3.2 阿拉沟地下水系统（Ⅱ）

位于天格尔山主梁分水岭以南、奎先达坂主梁以东地带，地下水类型主要为松散岩类孔隙水、基岩风化裂隙水和构造裂隙水。主要接受大气降水和高山雪融水入渗补给。区域内地形坡度大，大气降水及高山雪融水顺坡面向地势低洼处运移，集于溪沟，地下水多沿风化节理裂隙、岩体侵入接触面往南北两侧的溪沟进行径流、排泄，最终汇入阿拉希公京沟。由于该区岩体破碎程度不具均一性，导致隧道穿越各段岩体赋水程度存在差异，致使地下水的分布和富水程度规律性相对较差，故该区水文地质条件较复杂。

3.3 乌拉斯台地下水系统（Ⅲ）

位于天格尔山主梁分水岭以南、奎先达坂主梁以西地带，地下水类型主要为松散岩类孔隙水、基岩风化裂隙水和构造裂隙水。主要接受大气降水和高山雪融水入渗补给。区域内地形坡度大，大气降水及高山雪融水顺坡面向地势低洼处运移，集于溪沟，地下水多沿风化节理裂隙、构造线方向及岩体侵入接触面往南北两侧的溪沟进行径流、排泄，最终汇入乌拉斯台河。由于该区岩体破碎程度不具均一性，导致隧道穿越各段岩体赋水程度存在差异，致使地下水的分布和富水程度规律性相对较差，故该区水文地质条件较复杂。

综上所述，三大地下水系统由于地层岩性、地质构造等方面存在一定的差异，表现出地下水类型多样，其补给、径流、排泄位置、方向等均不一致，具有独立的地下水系统，水文地质条件较为复杂。

4 隧道涌水量计算方法

预测隧道涌水量首先需要广泛搜集水文地质资料。本次研究区域的水文地质研究程度很低，因此充分搜集利用有关权威单位的水文地质研究成果非常重要。其次，将理论公式与经验公式相结合。对于隧道涌水量的计算，目前没有完全成熟的理论公式，利用前人总结的经验公式常常可以取得比较准确的结果。最后，正常涌水量和最大涌水量的计算分别采用两种方法。每种方法各有优缺点，利用不同的方法进行计算以便对比分析，充分利用本次调查工作取得的数据，尤其是钻探、水文试验、物探等成果，在此基础上建立符合实际的涌水量计算概念模型。

就新疆所有的基岩山区而言，水文地质的研究程度都很低。常用的隧道涌水量计算方法一般分为理论公式法、模数计算法和经验公式法三大类。

本隧道为越岭隧道，冲沟发育，地下水主要靠大气降水、冲沟河水及高山雪融化入渗补给。本次研究通过钻孔水文试验，采用《铁路工程水文地质勘察规程》（TB 10049—2014）中推荐的地下径流模数法、大气降水入渗法计算出隧道的正常涌水量，采用地下水动力学法中的古德曼经验式、佐藤邦明非稳定流式计算出了隧道的最大涌水量。

4.1 水文地质试验及参数

4.1.1 水文地质试验

依据场地水文地质条件及成井结构，采用降水头注水试验求取水文地质参数。具体试验方法及原则为：

（1）覆盖层钻孔孔径为110mm，基岩层钻孔孔径为77mm，钻至预定深度后，采用清水洗井，经肉眼判别达到水清砂净则洗井结束。

（2）洗井工作结束后，进行孔内地下水位观测，水位观测间隔时间为5min，当连续2 次观测数据变幅小于10cm 时，水位观测即可结束，用最后一次观测值作为地下水位计算值。

（3）开始向孔内下入套管进行试段隔离，确保套管下部与孔壁之间不漏水。

（4）试段隔离后，向套管内注入清水，将套管内水位至孔口部位作为初始水头值，停止供水，并开始记录管内水位随时间变化的情况。

（5）管内水位观测间隔时间按照《水利水电工程钻孔注水试验规程》（SL 345—2007）的要求，开始间隔时间为1min，连续观测5 次；然后间隔时间为10min，观测3 次；以后每隔30min 观测一次。当试验水头下降至初始试验水头的0.3 倍或连续观测点达到10个以上时，即可结束试验。待试验完毕，整理观测数据，并绘制水位降深—时间关系曲线。

4.1.2 水文地质参数

计算滞后时间的公式如下：

式（1）中：T为滞后时间（min）；t1,t2为注水试验某一时刻的试验时间（min）；H1,H2为在试验时间t1,t2时的试验水头（cm）。

基于钻孔降水头注水试验，采用《工程地质手册》（第四版）中的公式计算渗透系数：

式（2）中：K为含水层渗透系数（cm/min）；A为注水管内径截面积 （cm²）；T为滞后时间 （min）；F为形状系数（cm），由钻孔和水流边界条件确定。

钻孔内试段顶部以上下入套管止水，试验段裸露，孔壁与孔底进水，形状系数值按式（3）计算。

式（3）中：视孔内水平、垂直渗透系数相同，m取值为1；l为试验段长度（cm）；r为钻孔半径（cm）。

通过7 个试验孔注水试验资料，计算出来的水文地质参数见表1。SZK02 号孔、SZK07 号孔的水位降深与时间关系曲线分别见图1、图2。

表1 水文地质试验结果

图1 SZK02号孔水位降深与时间关系曲线图

图2 SZK07号孔水位降深与时间关系曲线图

4.2 正常涌水量计算

4.2.1 地下径流模数法

采用地下径流模数法计算隧道通过含水体地段的正常涌水量的公式如下：

式（4）中：Q为隧道通过含水体地段的正常涌水量（m³/d）；M为地下径流模数 （m3（/d·km2））；A为隧道通过含水体地段的集水面积（km2）。

根据相关研究资料，乌鲁木齐河流域山区径流模数M1=7.884×104m3/(a·km2)=216m3/(d·km2)；阿拉沟地下水系统的径流模数M2=52554×104m3/a÷14487km2=3.628×104m3/(a·km2)=99.40m3/(d·km2)；乌拉斯台地下水系统的径流模数M3=238699×104m3/a÷48700km2=4.9×104m3/(a·km2)=134.24m3/(d·km2)。

根据隧道通过的三个水文地质单元的地下水径流模数和各段落集水面积，采用径流模数方法计算的隧道左幅正常涌水量为10 697m3/d，右幅正常涌水量为10 720m3/d。

4.2.2 大气降水入渗法

式（5）～式（6）中：Q为隧道通过含水体地段的正常涌水量（m³/d）；a为降水入渗系数，根据隧道平面投影所在地貌单元、气候分带，a取值为0.15～0.40；W为年降水量，根据中国科学院寒区旱区环境与工程研究所在隧道穿越区建立的五处长期综合气象站点（GS001～GS005）提供的降水量数据，取550mm；A为隧道通过含水体地段的集水面积（km²）；L为隧道通过含水体地段的长度（km）；B为隧道涌水地段L长度内对两侧的影响宽度（km）；影响宽度采用经验公式（式（7））计算；R为隧道一侧涌水影响宽度（m）。

隧道涌水单侧影响宽度的计算采用了《铁路工程水文地质勘察规程》（TB 10049—2014）[3]中推荐的计算误差较小的经验公式：

式（8）中：K为含水体的渗透系数（m/d）。

根据隧道通过段的降水入渗系数、含水体渗透系数、年降水量、积水面积等数据，大气降水入渗方法计算的隧道左幅正常涌水量为24 304m3/d，右幅正常涌水量为24 334m3/d。

4.3 最大涌水量计算

根据场地褶皱、断裂构造、侵入接触及冲沟发育情况，对隧道围岩进行分段，采用地下水动力学法中的古德曼经验式、佐藤邦明非稳定流式计算其最大涌水量。

4.3.1 佐藤邦明非稳定流式

式（9）中：q0为隧道通过含水体地段的单位长度最大涌水量（m³·s-1·m-1）；m为换算系数，一般取0.86；K为含水体渗透系数（m/s）；h2为水头高度（m）；r0为洞身横断面等价圆半径（m），本隧道取r0=5.5m；hc为含水体厚度（m）。

佐藤邦明非稳定流计算结果：隧道左幅最大涌水量为21 511.8m3/d，隧道右幅最大涌水量为21 109.1m3/d。

4.3.2 古德曼经验式

式（10）中：Q0为隧道通过含水体地段的最大涌水量（m³/d）；K为含水体渗透系数（m/d）；各围岩段渗透系数根据该段钻孔或邻近钻孔水文地质试验成果得到；H为水头高度（m）；d为洞身横断面等价圆直径（m）；L为隧道通过含水体的长度（m）。

古德曼经验式计算结果：隧道左幅最大涌水量为41 584.3m3/d，隧道右幅最大涌水量为40 770.3m3/d。

5 隧道涌水量取值确定

大气降水入渗法适用于隧道通过潜水含水体且埋藏深度较浅时的正常涌水量计算。本隧道工程通过区虽然含水体均为潜水含水体，但是隧道的埋藏深度很大，最深达到1 200m左右。含水体埋藏深度越大，含水体的风化越弱，透水性就越差，地下水的循环径流就越慢。本次水文地质试验计算得出的含水体渗透系数K的数量级在10-4～10-3就证明了这一点。因此，利用大气降水入渗法计算的正常涌水量结果偏大。地下水径流模数法中引用的地下水径流模数均引自权威报告，这些数据是通过分析典型河流水文站10年以上的水文资料得出的结论，代表了流域平均的地下水径流模数，数据真实可靠，由此计算的涌水量数据较为准确。

古德曼公式法、佐藤邦明非稳定流式计算最大涌水量的方法和公式是基于地下水动力学理论并结合以往类似隧道工程经验得出，在其适用范围内，取得相关试验数据后，计算简便，能达到一定的预测精度。根据以往工程经验，最大涌水量采用结果较大的古德曼公式计算的隧道最大涌水量。

综上所述，采用地下水径流模数方法计算的隧道正常涌水量相对比较可靠，可以作为隧道正常涌水量使用；最大涌水量采用结果较大的古德曼公式计算的隧道最大涌水量。

6 结语

随着我国“交通强国”战略的实施，山区高速公路迅速发展，隧道建设的规模也越来越大，高寒、高海拔、高烈度区及大埋深超长公路隧道越来越多。据不完全统计，截至2021年4月，我国在建的10公里以上超长公路隧道就有17条。部分高速公路隧道在施工建设期间会遇到较大涌水或突然涌水，给施工造成重大影响。针对这种情况，做出准确的涌水量预测及防突水方案就显得尤为重要。应根据隧道通过段工程及水文地质特征，建立正确的水文地质系统单元，并采用多种计算方法对隧道涌水量进行综合预测计算，对计算结果互相验证，结合研究区水文地质条件得出切实可靠的隧道涌水参数。