大型地下工程岩溶涌突水模式的水文地质分析及其工程应用.pdf

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1、大型地下工程岩溶涌(突)水模式的水文地质分析及其工程应用王建秀1,杨立中1,何静2(11 西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031;21 贵州地质工程勘察院,贵州贵阳 550008)摘 要:大型地下工程中涌(突)水成灾的大部分属于岩溶涌(突)水。岩溶含水介质类型、岩溶蓄水构造与地下工程岩溶涌(突)水形式密切相关。本文首先将岩溶含水介质划分为快速紊流和缓慢渗流两大系统,分析了典型的岩溶蓄水构造及其对地下工程施工运营的影响,然后给出了大型地下工程中岩溶涌(突)水的典型模式,最后对岩溶区大型地下工程防水工作的程式进行了探讨。关键词:大型地下工程(广义);岩溶含水介质;岩溶蓄水构造;岩溶涌(突

2、)水模式;隧道水害防治程式中图分类号:P6411134 文献标识码:A 文章编号:100023665(2001)0420049204Abstract:It is estimated that most of the hazards caused by blow(bursting)in large2scale underground engineering take place in carbon2ate rock distributing area.Karst aquifer styles and hydro2geological storage structure along undergr

3、ound engineerings axis are vital forKarst groundwater blow(burst)s predication.Several typical styles of Karst groundwaters blow(bursting)are summariesd in the pa2per.Finally,the procedure proposed for preventing Karst groundwaters blow(bursting)is also discussed.Key words:large2scale underground en

4、gineering(broad sense);karst carbonate aquifer;karst hydro2geological storage structure;typicalstyles of Karst groundwaters blow(bursting);procedure for preventing Karst groundwaters blow(bursting)收稿日期:2000212225;修订日期:2001203215基金项目:国家自然科学基金资助(No.49872082)作者简介:王建秀(19712),男,博士研究生,研究方向为隧道工程、新型支挡结构与地质灾

5、害防治,已发表论文十余篇。1 概论本文定义为各种目的在地面以下岩土中钻凿形成空间并加以利用的工程为广义上的地下工程,其中有以开发利用地下空间为目的的工程(如地下铁道、水电厂房等),有以开采地下资源为目的的工程(各种矿山井巷工程),有跨越各种自然或人工障碍物的地下工程(铁路、公路的越岭隧道),有以传输物质为目的的地下工程(如水工隧洞中的输水隧洞),有以预防空袭为目的的地下工程(如各种人防工程,军事上的各种地下洞室等)。其中大型的地下工程,包括铁路隧道、公路隧道、水工隧洞及矿山井巷等普遍存在着地下水涌入或突入的问题,而大多数成灾的工程岩体主要为岩溶化岩体。如国内雅砻江二级电站施工探洞发生高达2m3

6、s的岩溶大突水,冲毁了施工设施并废弃了一条施工隧洞,广渝高速公路华蓥山隧道(长4.7km,Qmax=686880m3d)、京广铁路南岭隧道(长6.06km,Qmax=81000m3d)、衡广复线大瑶山隧道(长14.295km,Qmax=15000m3d)等都曾发生严重的岩溶突水涌泥事故,造成了严重的经济损失。抗水压隧道止水失败或岩溶水流场受隧道施工扰动后大量排除,还可能产生一系列环境工程地质问题,如区域岩溶水(渗)流场改变、地表井泉干涸、地下水局部疏干、地面沉降、岩溶塌陷等。正确分析岩溶含水介质类型,岩体所处的蓄水构造部位,概括其共性并从水文地质角度归纳出典型的成因模式是合理选择工程线路,深入

7、研究岩溶水运移规律,认识突水本质进而有针对性地提出预测模型的基础,具有重要意义。2 岩溶含水介质的划分一般而言,岩溶化岩体是由裂隙发育的岩体演化而来,故其结构或多或少残留有裂隙岩体的特征。一般来说,岩溶化岩体为广义上的多重介质,其中既有岩块中的孔隙,分割岩块的裂隙,还有孔隙受岩溶化改造形成的溶孔、溶穴,裂隙溶蚀而成的溶隙,甚至还有宏观巨大的岩溶管道网络、溶潭、地下暗河、大厅等。由942001年第4期水文地质工程地质 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.于岩溶化岩体中不同层次和不同规模的空隙和空

8、间控水能力不同,地下水流态各异,可以对其进行不同层次和规模上的分类。按地下水在其中流态的不同,可以将岩溶化岩体分为快速紊流系统和缓慢流渗流系统。快速紊流系统在岩体中控水能力强,动态变化快,其运动多呈紊流状态,其运动和传输类似于管道流体或地表水体,在岩溶管道网络中运移的地下水可以采用混联管道网络系统中管道水力学理论进行模拟,而在地下暗河及转入地下的伏流中,地下水运动则具有地表水系统的特征。相对于快速紊流控水系统而言,缓慢渗流系统也在岩溶化岩体中广泛存在,由于其中地下水具有层流的特征,符合达西定律,只是渗透性和储水性优于一般裂隙岩体,可以采用一般的地下水渗流理论来描述和解释。E.T.Shuster

9、、W.B.White(1969,1971),Qwinlan Ew2ers(1985),T.C.阿特金森(1985),J.F.quinlan(1990),陈雨孙、边际(1988)、邹成杰(1994)、陈崇希(1995)、何宇彬(1997)等都深入研究过岩溶含水介质的多重性,隧道围岩快速流紊流系统与缓慢流渗流系统及其过渡类型的划分可选用阿特金森的三端元分类(图1)。图1 快速流紊流系统与缓慢流渗流系统含水介质的三端元划分(据阿特金森,1985)Fig.1The classification of turbulentflowand seepage3 岩溶蓄水构造文献1从供水角度论述了岩溶蓄水构造的类

10、型和实例,将岩溶蓄水构造分为裂隙岩溶蓄水构造、断层岩溶蓄水构造、地下河及管道蓄水构造、层间岩溶蓄水构造、侵入体岩溶蓄水构造、膏溶角砾岩蓄水构造、覆盖岩溶蓄水构造和隐伏岩溶蓄水构造。本文以此为依据论述地下工程围岩中几种常见的岩溶蓄水构造类型。3.1 裂隙岩溶蓄水构造裂隙岩溶是指地下水沿可溶岩层面裂隙和节理裂隙流动,由于地下水的溶解作用,扩大了这些裂隙的宽度,使得可溶岩岩层具有比较高的透水性和富水性,其特点是岩溶在岩层中分布比较均匀,岩层中没有大的岩溶管道和溶洞,但岩溶在岩层的某些部位比较发育,在岩层的拗折部位和背斜构造的轴部,裂隙岩溶比较发育1。在褶皱形成过程中岩体中产生了大量具有方向性的破碎构

11、造和层间错动等地下水的储存和运移的空间和通道,地下水后期对上述空间和通道的溶蚀,改造产生了大量大型空间和连通的管道网络,形成局部富水 构 造。如 拟 建 渝 怀 铁 路 圆 梁 山 隧 道(全 长111155km)要通过毛坝向斜段,地下水水头预计高达542m,为一典型裂隙岩溶蓄水构造,过高的水头压力和隧道涌水成为隧道能否成功修建的关键。3.2 断层岩溶蓄水构造断层面两侧岩石破碎,不仅是蓄水的空间,更是汇集附近岩体中孔隙水、裂隙水和岩溶水的通道。断层可分为张性、压性和扭性成因的断层。阻水断层分隔补给源和富水性不同的含水介质,常常形成断层分隔型的蓄水构造1。张性断层的断层带和两侧的影响带是地下水导

12、水的通道和赋集的空间,压性和扭性断层的断层泥和糜棱岩及胶结紧密的影响带属于隔水层或弱透水带,而裂隙密集带则有利于地下水的赋集。我国的京广复线大瑶山隧道通过F9断层,该断层是区域性主干断裂,规模大,岩体破碎,含断层泥,上盘岩体挤压错动强烈,节理裂隙及低序次的断层很发育,岩体破碎,是强富水带,隧道通过此带时多次涌水;下盘为强烈片理化的泥灰岩、灰岩,裂隙多被方解石脉充填、胶结,除局部次级断层较破碎富水外,一般少水。断层带中一层厚约2030m的断层泥构成阻水层,分隔上、下盘,构成富水程度不同的两个体系5,为典型的断层分隔型蓄水构造。3.3 地下河及管道蓄水构造岩层的层面和破碎带在地下水的溶蚀和侵蚀作用

13、下,经过漫长的地质年代可以形成规模巨大的岩溶管道网络和地下河蓄水构造。地下河及岩溶管道蓄水构造富水性往往很不均匀,转入地下的地表水和汇集到岩溶管道及地下河系统中的地下水在管道网络及地下河系统中的运动多呈紊流。如广渝高速公路华蓥山隧道穿越碳酸岩地层的岩溶管道,局部被施工揭露后,蓄水构造中的地下水大量涌入,严重地威胁着隧道的运05水文地质工程地质2001年第4期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.营安全。3.4 层间岩溶蓄水构造层间岩溶溶蚀后形成的蓄水构造称之为层间岩溶蓄水构造。这种构造层间可溶

14、岩的厚度有限,它的顶板及底板一般是隔水的页岩和砂岩,也可能是相对隔水的泥质灰岩、白云质灰岩或硅质灰岩1。层间可溶岩包括顶板和底板岩层,在构造作用下常形成褶皱和单斜构造。类似于断层分隔型蓄水构造,可溶岩与非可溶岩接触部位也是对岩溶地下水具有控制作用的水文地质边界,在此附近常形成地下水富水带。如京通铁路桃山隧道施工期间发生的涌水主要在灰岩与片麻岩、糜棱岩接触带位置和灰岩的溶洞中出现,又如南昆铁路通过岩溶中山区碳酸岩与碎屑岩交接部位常见大量岩溶泉出露,隧道在通过此部位时也应重点预防突水现象的发生。3.5 其它蓄水构造以上四节主要论述的是隧道中常见的岩溶蓄水构造,其它类型的蓄水构造在水工隧洞、矿山井巷

15、等地下工程中也都普遍分布,较为常见。由于矿山井巷不但要象隧道及水工隧洞那样水平掘进,还要随矿体的走向及分布向地下深部开采,可能揭露和遇到的蓄水构造更为多样,具体可参见文献3。4 岩溶突水模式的水文地质分析根据已有的地下工程(广义)岩溶突水现象,可以概化出其发育的一般模式:(1)渗(漏)水型这种模式在各种地下工程中较为常见,即地下工程穿越地层在地下水位影响带内,而隧道围岩为缓慢流渗流系统,且岩溶蓄水构造的水头不高,主要表现为地下水沿地下工程的隧(巷、坑)道壁汇集,成股或成点滴落或流下,一般不会对地下工程造成很大的排水压力,对地下工程的衬砌也不会产生很大的水压力,且大多数为静储量消耗型,排水量呈衰

16、减趋势。可能恶化施工环境,对施工机具设备具有腐蚀作用或造成不良影响,可能对混凝土衬砌具有腐蚀作用等。(2)施工揭露充水岩溶管道网络型这种模式在成灾的地下工程突水中最为常见。当隧道施工揭露了充水的岩溶管道网络时,地下水从揭露的一个或几个溶洞中突出,涌入隧道内。如果突水岩溶管道连通了岩溶管道网络或接近地表浅埋溶洞部位时,还会将大量溶洞充填物(泥砂)和开口溶洞在地表土层中搬运的土体带入洞内,淤塞隧道,掩埋施工机具,甚至会造成人员的伤亡。如华蓥山隧道,隧道70%以上穿越以石灰岩为主的碳酸岩地层,在隧道施工中发生多起涌水和突水灾害,同时局部伴随着大量涌泥。该隧道西段左线ZK32+927洞左侧底板遇溶洞,

17、1997年8月揭露后突水,水量达14400m3/d,涌泥砂463m3,1998年4月30日大雨后大量涌水并伴有泥砂;ZK32+927右侧边墙底板遇溶洞,1997年10月23日揭露后并未大量涌水,1998年4月30日大雨后大量涌水,水柱高达2m6。据四川省煤田地勘局研究证实,该两处突水点受岩溶大泉远程补给,隧道发生大量涌水后,岩溶大泉基本被疏干。(2)施工穿越阻水断层型阻水断层在水文地质学上具有重要控水作用,它的存在可能使断层两盘存在巨大的水头差,一旦隧道施工揭穿断层,连通了两个水文地质单元,在巨大水头差的作用下,可能有大量地下水,甚至携带大量泥砂涌入隧道,威胁施工安全。比较有代表性的如日本的旧

18、丹那隧道1918年开工后曾发生6次大规模突水,其中最大的一次断层突水达3.3m3s,水头压力高达1.44.2MPa,贯通涌水量达1.68 m3s,致使隧道历时16a建成。大瑶山隧道在通过F9断层时曾遇到0.5 m3s的大突水,突水射程达810m。大瑶山隧道全长14.295km,埋深70910m,洞身中部斑古坳地区穿过泥盆系白云质灰岩、石灰岩和泥灰岩发育的可溶岩地层。该岩溶突水集中段主要为岩溶裂隙介质,涌水呈衰减型,主要消耗岩体中静储量,岩溶裂隙水突水占全隧道的60%,发生较大坍方35次6。(4)水力劈裂型一般从理论分析可知,当高水头管道或裂隙网络和施工隧道之间存在着相对弱导水的水力屏障时,在巨

19、大水头压力作用下,可能导致局部岩体变形甚至劈裂破坏,从而使水头压力得到释放。如雅砻江锦屏水电站深埋勘探导洞在大型突水点(PD1平硐2848m和3580m)附近发现水力劈裂扩展的导水裂缝,裂缝的扩展有利于隧道涌水量的增大2。(5)底膨破坏型这种情况在矿山井巷底板突水中比较常见。在巷道施工中,其底板下存在着相对隔水层和隔水层下赋存有承压水时,当承压水突破巷道底板时,在洞底发生膨鼓的同时,地下水可能突入,这种类型和水力劈裂型都与水头压力密切相关,且都伴随着隧道洞壁围岩的破坏,但底膨破坏型岩体破坏的机制和程度与前者略152001年第4期水文地质工程地质 1995-2006 Tsinghua Tongf

20、ang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.有不同,且其多在矿山井巷中存在,故而将其单独划分为一类。底膨破坏型突水在我国岩溶充水矿山中广泛存在,如华北二叠系岩溶煤田矿井,经常发生底板突水和淹井事故,突水前底板一般会出现底膨现象,水沿底膨裂隙处涌入矿井。具体实例可以参见文献3。5 大型地下工程岩溶涌(突)水防治研究程式分析 针对岩溶地区地下水突水防治工程,我们可以概括出一个比较具有共性的工作程式:首先概括已有地形、地貌及地质、水文地质资料,有针对性地布置钻探深孔,由所采深孔岩芯物理力学及水力学试验确定其岩溶含水介质类型,然后根据地表测绘资料及水文地质

21、资料,综合岩体的水力学试验资料确定研究区含水介质类型,分析岩溶蓄水构造和隧道轴线穿越构造的部位,建立起隧道施工排水的水文地质概念模型,最后根据已有工程经验和水文地质推断,给出地下工程不同部位的突水模式,进而指导地下工程的设计和施工,作到防治水患,有的放矢(图2)。资料收集、深孔钻探、地质调查 岩溶含水介质分析已有隧道轴线部位水文地质资料分析,地表测绘、深孔钻探成果、声波试验、抽水试验、压水试验、地应力、地温测试。建立隧道穿越地层的蓄水构造及隧道地下水运动的水文地质概念模型隧道涌(突)水模式分析指导地下工程的设计指导地下工程的施工图2 大型地下工程岩溶涌(突)水防治工程工作程式Fig.2The

22、procedure proposed to prevent K arstgroundw aters blow(bursting)in large2scale underground engineering如某隧道勘测中发现某地段岩体在隧道标高岩溶管道网络发育,有局部和隧道轴线相近或相交,其含水介质为岩溶介质,其蓄水构造为向斜核部,为富水区,则根据以上工作程式可以确定其最可能的突水模式为揭露充水岩溶管道网络型或水力劈裂型,在隧道的设计和施工中就可以确定在接近突水预测部位时应加强水文地质超前预报工作,进入危险区后,可以进行全向预防性注浆加固止水,然后快速施工通过,对于存在着水力劈裂危险性部位,可以

23、根据物探和地质测绘资料进行推断,并进行定向加固,以使隧道顺利通过涌(突)水危险区。6 结束语岩溶涌(突)水灾害由于其出现的难以预见性,很难准确给出隧道涌突水的具体部位,但通过以上岩溶含水介质和蓄水构造的分析,通过分析隧道走向与以上两点的关系,基本可以确定在施工过程中可能出现的涌(突)水模式。在该模式确定后,就可以在设计中有针对性地防治水害,在施工中对重点类型进行超前地质探测和预报,加强物探工作,在施工中对可能出现的突水模式有针对性地准备防水和救灾措施,尽最大可能减小突水灾害造成的损失和对工程的不良影响。参考文献:1 钱学薄.中国蓄水构造类型M.北京:科学出版社,1990,120-230.2 黄

24、润秋,王贤能.深埋隧道工程主要灾害地质问题分析J.北京:水文地质工程地质,1998(4),21-24.3 地质矿产部矿山水文地质工程地质回访调查组.岩溶充水矿山回访报告C.北京:地质出版社,1986.4 何宇彬等.中国喀斯特水研究M.上海:同济大学出版社,1997,5-6.5 铁道部第四勘测设计院.大瑶山隧道设计总结R.1992.6 四川省西南岩土工程公司.华山隧道涌突水与涌泥砂的初步总结R.2000.编辑:高岩松水文地质工程地质 网络版本刊自1999年起全文入编 中国期刊网,属理工A辑。网址为http:.本刊还通过中国万方数据网全文上网。网址为http:.读者亦可通过中国地质环境监测院主页浏览 水文地质工程地质 最新文摘,网址为http:。本刊编辑部25水文地质工程地质2001年第4期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.