冉渡滩水库输水隧洞复杂岩溶地质问题与灾害防治措施研究_陈亚林.pdf

：冉冉渡渡滩滩水水库库输输水水隧隧洞洞复复杂杂岩岩溶溶地地质质问问题题与与灾灾害害防防治治措措施施研研究究陈亚林（遵义市水利水电勘测设计研究院有限责任公司，贵州 遵义）摘要在黔北岩溶地区由于地形地貌影响需修建大量的输水隧洞来满足供水输水需求，掌握复杂岩溶隧洞勘察技术方法以及解决工程中出现的岩溶工程问题显得十分重要，通过对冉渡滩水库工程大量复杂岩溶输水隧洞的勘察，以及针对施工中出现的岩溶灾害进行分析后提出处理措施，结果显示：隧洞开挖揭露，长的隧洞（可溶岩段 ）揭露大小溶洞 个，遇洞率达 个；隧洞开挖过程中遇到的主要问题是隧洞涌水、涌泥、岩溶地面塌陷和溶洞失稳等岩溶工程地质问题；岩溶涌水、涌泥处治措施一般宜以疏导为主；岩溶地面塌陷一般处置方式为地表截排水回填和洞内支护、排水；而岩溶失稳是揭露溶洞溶腔时局部的塌方、涌水、涌泥、底板承载力问题，应根据溶洞发育大小、充填情况、与隧洞的相对位置及现场施工条件，制定相应的处置措施。研究结果为岩溶隧洞的建设提供参考。关键词岩溶隧洞；综合地质勘察；岩溶灾害防治中图分类号 ；文献标识码 文章编号 （）收稿日期 作者简介陈亚林（），男，湖北江陵人，工程师，主要从事水利水电工程地质勘察工作。概况冉渡滩水库坐落在务川县境内的乌江一级支流洪渡河上，正常蓄水位 ，总库容 万。务川输水主管一期（冉渡滩水库大坝至务川县城段）包括输水隧洞 座，开挖成城门洞型，一般尺寸为 ，为有压洞，隧洞总长约 ，单个隧洞长一般 ，最长达 ，一般埋深 ，最大埋深 。输水隧洞位于务川县南部，区内山峦起伏，中间受到南北向发育的洪渡河深切，为切割强烈的溶蚀、侵蚀中低山 低中山地形。工程区位于务川复向斜，以一系列北北东向发育的背、向斜及伴生断层为特征。输水隧洞整体走向近南北向分布，与岩层走向小角度相交，隧洞沿线可溶岩占比 ，穿越可溶岩地层二迭系栖霞茅口组、吴家坪、长兴组、三迭系茅草铺组、夜郎组玉龙山段，岩性主要为灰岩、泥灰岩组成。地表岩溶强发育，分布有溶沟、溶槽、溶洞、落水洞、岩溶洼地等岩溶形态；岩溶水为本区最主要的地下水类型，岩溶发育主要受到构造、岩性、侵蚀基准面、水动力条件等控制。复杂岩溶输水隧洞综合勘察由于工程区岩溶地质条件复杂，在勘察过程中采用了“循序渐进，逐步深入”原则，在前期勘察阶段主要采用地表地质测绘手段，重点对工程区地形、岩溶地貌、地层及岩性特征，构造形态与特征、透水岩组的空间分布、地下水补径排关系等基本地质条件进行详细的调查，对整个工程区地质情况有了系统了解。然后根据地表基本地质情况，通过钻探直接验证洞身地层岩性和地质构造、测量地下水水位与水质、了解洞身垂直岩溶分带特征等基本地质条件，通过对岩芯观察及取样试验获得隧洞穿越岩体物理力学参数等。通过物探手段（高密度电阻率法），根据勘探目标体与围岩之间的明显电性差异，结合基本地质条件解译，可以对隧洞沿线可能分布的溶洞、溶蚀破碎带以及溶洞填充情况进行分辨识别，并划分风险段有助于围岩分类。在施工过程中，结合风钻钻孔情况或水平钻探情况，对每个开挖循环后及时记录掌子面的地质情况，对揭露的地层岩组、构造发育情况、围岩完整性及出水情况进行描述统计，并结合前期勘察对掌子面可能出现的情况进行预判和处理措施准备。虽然在前期阶段的勘察不能完全查明隧洞沿线的工程地质条件，但通过施工阶段的超前水平钻探等超前预报手段与掌子面地质素描多方法的补充验证，结合本区岩溶发育的总体特征进行潜在灾害推断、识别，及时调整施工工艺方法，做好预防措施，确保隧洞安全施工。岩溶灾害防治根据隧洞开挖揭露，长的隧洞（可溶岩段 ）揭露大大小小溶洞 个，遇洞率达 个；在隧洞开挖过程中遇到了隧洞涌水、涌泥、岩溶地面塌陷、溶洞失稳等突出岩溶工程地质问题，并对岩溶灾害的防治措施进行了总结。岩溶涌水、涌泥岩溶区隧道的开挖及岩溶涌水，改变其所在地区地下水原有的运移、排泄条件，开挖的隧道成为地下水新的排泄通道。涌水主要有以下规律：（）隧道施工期岩溶涌水主要是揭穿型和突破型，运营期主要是常年型和雨季突破型；（）岩溶涌水补给来源为已存在的地下水及当年大气降雨，故涌水主要以混合水的形式出现；（）时间特性：突发性、滞后性、阵 年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.发性；（）空间特性：隧道所处岩溶地下水动力剖面分带位置决定隧道岩溶涌水在空间上的分布，垂直渗流带中的隧道涌水，施工阶段主要是雨季施工揭穿垂直岩溶致使垂直岩溶下渗雨水向隧道倾泄，旱季主要以拱顶或边墙渗水为主。根据岩溶发育规律，涌水位置易发生在溶沟经过或溶洼所在区段、构造破碎带、可溶岩与非可溶岩接触带。一般来说，溶洞体积越大，出现的突水突泥的几率和规模就越大；溶腔内充填物越密实、透水性越差，突水突泥灾害发生概率越小。岩溶涌泥在时间上和涌水一样，具有突发和阵发性，空间分布上主要与隧道涌水岩溶管道、充填饱和泥砂物质的封闭岩溶洞穴相关。岩溶涌水、涌泥处治一般宜以疏导为主，尽量恢复或维持既有排泄通道；当下游排泄能力不足时宜设泄水洞引排；排水对生态环境或居民生产生活用水有较大影响时，宜以堵为主、限量排放；隧道处于垂直渗流带，雨季会有大量地表水入渗危及隧道施工乃至运营安全，在溶隙、溶腔发育段设置导流管引排；隧道处于水平流动带，宜设泄水洞降低水位。随着岩溶管道的水位及水量逐步下降，隧道发生涌水突泥的风险逐渐降低，施工安全风险可控。工程实例（涌水）：在楠木园隧洞桩号 位置，掌子面超前钻孔出现突水（图），刚开始压力较大，呈喷射状（约 远），流量达到 ，且水质浑浊，隧洞上部地表出现两个宽约 的竖直塌坑，塌坑内水位高出隧洞顶近，经过 释放后突水变为自流，流量变小约 ，上部塌坑内水位下降明显。该部位未发现大的断层构造，且在地表分布范围小、汇水面积小，由于隧洞埋深较大，地下水位高于隧洞高程，初期水头较大，随着地下水的排泄释放，涌水经历由大到小而后趋于稳定，再经过超前水平钻探探明掌子面前方岩溶及地下水的情况确保前方围岩稳定后安装钢拱架超前锚杆支护后进行爆破施工，将安全施工风险降到最低。工程实例（涌泥）：楠木园隧洞在 掌子面拱顶发育有垂直型溶洞，洞径 ，局部粘土充填，施工采取了钢拱架支撑处理，受雨季涌水影响，洞内产生涌泥（图），钢拱架被压垮。处理措施：（）先对涌泥堵体钻孔（套管）进行放水后清除底板淤泥（）采取钢拱架 锚杆 小导管超前支护，利用小导管注浆使突泥体固结增加强度，挂钢筋网喷射 厚 混凝土方式进行封闭加固，在涌水顶拱或侧墙设置排水、排泥管后逐段进行清挖。图 楠木园隧洞 桩号涌水 图 楠木园隧洞 桩号涌泥 岩溶地面塌陷岩溶地面失稳主要有两类：一类是岩溶的自然演化，空洞顶部的厚度逐渐变薄，最终通过塌陷的形式完成地下形态向地表的转化过程。另一类是前一过程受到人为干扰，如抽排水、爆破、加载、振动等，客观上加速了上述过程的发展。隧洞开挖导致的岩溶地面塌陷一般属于第二类，是开挖爆破振动叠加抽排水导致溶洞内充填物坍塌在地表形成塌陷坑。一般处置方式分为地表截排水回填和洞内支护、排水。表 溶洞失稳处置措施表溶洞规模充填情况与隧洞相对位置关系处置措施小型溶洞大型溶洞无充填或半充填型充填型无充填充填黏土型溶洞处治充填块石型溶洞处治拱顶上方边墙一侧底板下方的拱项上方和边墙一侧底板下方拱顶上方边墙一侧底板如溶洞内有少量淤积物先清除，立钢拱架支撑或喷锚挂网并预埋排水管，采用 喷射砼回填封堵拱顶溶洞。如溶洞内有少量淤积物先清除，预埋排水管，采用 喷射砼回填封堵。经钻探探明底板以下溶洞规模较小后，用洞渣回填夯实，底板设钢筋混凝土板。若溶腔内充填物已滑落到隧道内，先清除充填物，用钢拱架支撑或喷锚挂网并预埋排水管，再采用 混凝土回填；若溶洞内的充填物较密实而未滑落，应在溶洞位置用钢拱架支撑或喷锚挂网并预埋排水管。经钻探查明溶洞下方填充密实的，应在清除溶腔上部的充填物之后，采用混凝土回填密实。像藕塘隧洞 层内，地下水位远低于隧洞位置，处于岩溶垂直渗流带，隧道拱顶上方常发育竖直无充填溶洞，但围岩稳定性较高，发生大规模坍塌落石可能性小，首先加强该段衬砌支护，拱顶处搭设竹条板并采用 砼回填，保证初期支护外的厚度至少为 ；若溶洞空腔高出拱顶 米以上，应在 砼顶部吹填细砂缓冲层，防止拱顶上洞壁掉落石块，砸穿初期支护；同时应在缓冲层内埋设盲沟或排水管，使排水系统与原过水通道相连，或能引入隧道排水沟。对于发育在隧道边墙处的大型溶洞，可采用“回填法”加固边墙；若溶洞侵入隧道底板范围大或横穿底板，必须对该侧的边拱基础加强，适用“护墙支顶法”。措施如下：加强该段衬砌支护，关模浇筑筑 砼加固，用干砌片石再回填至初始支护外 ；侵入底板的还要采用工字钢托梁或者钢筋混凝土盖板通过边墙悬空处，并设盲沟、暗沟或排水管，使排水系统与原过水通道相连，或能引入隧道排水沟。（）溶洞发育在隧道底板处，若纵向跨度、深度 或纵向跨度 、深度 ，先用开挖弃渣回填至底板高度，等到沉降稳定后，铺设钢筋混凝土盖板，保证底板承载力能满足施工期和运营期的要求。（）溶洞发育在隧道底板处，跨度和深度均超过 时，可根据实际地质情况，采用桥梁跨越方式或者处理时间较长成本较高可考虑局部改线绕避。像黄泥垭过洼地段，隧洞掌子面全为粘土充填，在天气较好没有外部水流影响下，黏土层自稳能力较好，结合隧道钢拱架 超前锚杆 小导管超前支护，利用超前小导管注浆，对掌子面前方拱部和边墙土体加固，并采用分步开挖方式施工，在开挖后及时径向注浆加固。掌子面前方存在大型充填块石型溶洞时，应及时喷砼封闭掌子面，采用超前管棚支护，对隧道断面轮廓线外 范围采用超前预注浆加固，确保隧道施工安全，并采用台阶法开挖，必要时用 钢筋混凝土作二次衬砌，开挖完后及时补充注浆，再次对溶洞内充填物进行加固。工程实例（岩溶地面塌陷）：楠木园隧洞桩号 掌子面涌水后在上部地表产生 宽的两个竖直塌陷坑，经调查，塌陷坑沿着层面竖直向下发育，坑底可见地下水，高于第 卷第 期地下水 年 月隧洞顶近 ，随着洞内涌水变小以及爆破震动影响小后，未发现塌陷坑继续扩大，塌陷坑内可见光滑岩壁。处理措施：（）塌陷坑周边地表设置截排水沟并安设安全围栏及警示标志，待洞内支护完毕后回填洞渣至密实；（）地下隧洞中采用钢拱架 锚杆 刚钢筋混凝土衬砌支护，做好排水系统。溶洞失稳防治穿越岩溶区施工过程中主要产生的岩溶失稳是揭露溶洞溶腔时局部的塌方、涌水、涌泥、底板承载力问题，根据溶洞发育大小、充填情况、与隧洞的相对位置及现场施工条件，制定相应的处置措施见表。结语由于岩溶发育具有不均一性、随机性等特点，掌握隧洞沿线岩溶发育规律显得特别重要，通过采用常规的地质测绘、钻孔勘探以及结合物探手段从点 线 面系统的掌握工程区的岩溶水文地质条件，结合开挖中揭露的地质现象和超前地质预报等综合手段可以对不良岩溶问题进行预判，针对岩溶隧洞施工中常遇到的岩溶涌水、涌泥、岩溶地表塌陷、溶洞失稳等灾害，提前做好处理预案，施工中牢牢把握“弱爆破、短进尺、强支护”开挖支护方式，可以大大减少施工中出现的施工事故，冉渡滩水库岩溶隧洞施工中出现的一些岩溶工程地质问题的应对措施也能给其他工程提供借鉴。参考文献何发亮，李苍松，陈成宗 岩溶地区长大隧道涌水灾害预测预报技术 水文地质工程地质（）杜宇本，蒋良文，胡卸文，等 高速铁路复杂岩溶地质勘察及灾害防治 铁道工程学报（）程星，黄润秋 岩溶塌陷的地质概化模型 水文地质工程地质（）（上接第 页）部环境规划院编制的陆地生态系统生产总值（）核算技术指南，基于山西省汾河流域土地利用分布，采用当量因子法，并将 个标准生态系统生态服务价值当量因子定义为单位面积农田每年自然粮食产量的经济价值，以此量化计算区域生态系统生产总值。计算结果表明，年山西省汾河流域生态系统生产总值为 亿元，其中森林、草地生态系统生产总值较高，分别为 亿元、亿元；旱地、水系、水田生态系统生产总值分别为 亿元、亿元、亿元。汾河流域地下水超采区面积 ，占汾河流域总面积的 。考虑到地下水超采对区域各类下垫面土地利用和植被覆盖均有直接或间接影响，同时参考咨询了相关专家意见，按照地下水超采引起的生态系统服务价值降低 计算，估算汾河流域地下水超采造成的生态服务价值损失 亿 亿元。分析与讨论根据前述计算结果，汾河流域地下水超采造成的生态服务价值损失最高可达 亿元，而汾河流域地下水超采的经济效益贡献 亿元、直接经济社会损失 亿元、间接经济社会损失 亿元（此处仅考虑了地表饮水替代工程的成本，因此暂取高限值作为比较依据）。因此，汾河流域地下水超采造成的生态服务价值损失是表面经济效益的 倍以上。综合考虑生态环境损失和经济社会效益时，汾河流域地下水超采的净效益为 亿元，是地下水超采带来的表观经济效益（亿元）的 倍；平均每超采 地下水带来的损失为 元。上述结果是按地下水超采造成区域生态系统服务价值降低 计算，即使按照降低 计算，地下水超采的生态和经济综合净损失仍高达 亿元，单方损失达 元。在进入新发展阶段、贯彻新发展理念、构建新发展格局的大背景下，不能仅关注于地下水超采带来的净经济效益（亿元），而应将汾河流域地下水超采造成的生态服务价值损失（亿 亿元）纳入重点考虑。在绿水青山就是金山银山的理念下，开展地下水超采综合治理是长远受益的。结语（）地下水超采的经济学博弈逻辑分为三个阶段，初期仅关注直接经济效益，直至超采严重后不得不考虑由此造成的经济社会损失，再到新发展阶段下将生态环境价值纳入考虑。（）山西省汾河流域地下水超采的直接经济效益 亿元，直接经济社会损失 亿元、间接经济社会损失 亿 亿元，生态服务价值损失 亿 亿元。仅考虑经济效益时，地下水超采的经济净效益超过 亿元；但是考虑生态影响之后，地下水超采的单方损失达 元。（）地下水治理具有长期性和艰巨性，在黄河流域生态保护和高质量发展国家战略要求下，山西省地下水超采治理仍面临较为严峻的形势，应从行政和市场两手发力，理清经济学博弈逻辑，支撑构建地下水保护治理长效机制。参考文献山西省水利厅 山西省地下水超采综合治理实践成效 中国水利（）：甘泓，汪林，倪红珍，等 水经济价值计算方法评价研究 水利学报 （）：张志霞，秦昌波，贾仰文，等 缺水地区水资源经济价值的异同辨析以北京市和陕西省为例 中国人口资源与环境（）：李晓凯，石海峰 地下水超采的经济损失计算方法及其在典型地区的应用 水利水电科技进展 （）：杨立疆，尹明万，侯丽娜 中部引黄工程供水成本及水价问题初步研究 水利科技与经济 （）：，o o，o o o o o （）：谢高地，张彩霞，张雷明，等 基于单位面积价值当量因子的生态系统服务价值化方法改进 自然资源学报 （）：第 卷第 期地下水 年 月