深埋岩溶隧道涌水最大水头压力评估.pdf

第19卷增刊2004 年6月地球科学进展 ADVANCE IN EARTH SCIENCES Vol.19 Suppl.J un.，2004 文章编号：1001-8166 （2004 ）增-0363-05 深埋岩溶隧道涌水最大水头压力评估徐则民1，黄润秋2，范柱国1，吴培关1（1.昆明理工大学土木工程系，云南昆明650224 ；2.成都理工大学工程地质研究所，四川成都610059 ）摘要：深埋隧道涌水最大水头压力的预测具有重要的实际意义。提出了充水水源为地下暗河、充水通道为管状、板状及裂隙网络3种条件下深埋岩溶隧道涌水水头压力的近似计算公式。关键词：深埋隧道；涌水；水头压力中图分类号：P642文献标识码：A近年来，我国铁路、公路系统为了有效地缩短线路里程、改善运营条件，相继建成了一大批深埋特长隧道；水电行业也在跨流域调水及大型水电工程中，兴建了许多特长引水隧洞。今后，随着施工技术的发展，这些特长隧道将会越来越多，长度也将越来越大1，2。深埋特长隧道所遇到的最主要的灾害问题之一是（涌）突水，而在各类隧道中，以碳酸盐岩中的岩溶隧道的涌水问题最为突出，如广渝高速公路华莹山隧道、川藏公路二郎山隧道等。涌水包括2个方面的问题，第一是涌水量，第二是涌水的水头压力。过高的水头压力不仅直接威胁施工人员及设备的安全，而且将严重影响衬砌施工。这种现象在岩溶隧道特别是深埋岩溶隧道中表现得尤为突出。主要原因在于岩溶含水层中不仅水量丰富而且分布很不均匀，隧道的大埋深往往使得地下水位高出洞顶几百米。台湾双线高速公路隧道全长12.9 km ，地下水位高出隧道中线300 m ；渝怀线某特长隧道，地下暗河水位高出隧道顶板近400 500 m ；山西引黄工程南干线7号水工隧洞全长47 km ，最高地下水位高于岩溶隧道300 m 。到目前为止，隧道涌水压力还没有象涌水量那样受到人们的普遍关注，一般是用下式对其进行大致的估算pH（1）式中p为水头压力，H为地下水位与隧道标高之间的高差，为水的容重。工程实践表明，用（1）式估计的涌水压力过于粗糙。长9.95 km 的天生桥二级水电站引水隧洞，岩溶管道水水位高出隧洞底板400 m ，没有发生大规模涌水，涌水的水头压力也 很低；长16.88 18.82 km 的锦屏二级水电站引水隧洞的最大埋深达2 500 m ，岩溶管道水位比隧洞标高至少高出400 m ，勘探平洞3 948 m 处突水，喷水距为35 37 m ，实测水头压力达到6.5 MPa 。也就是说，p与 H之间并非是简单的线性关系，用（1）式来计算水头压力往往是不可靠的。图1多级排泄基准面控制的多序次岩溶水系统 Fig.1 Multi-class Karstw ater system contro lled by multi-classdischarge datum planes 岩溶洞穴（管道）发育深度的准确判定是水头压力预测的基础。一般地说，岩溶洞穴发育深度和岩溶水水平循环带的下限基本上是一致的，该深度收稿日期：2004-04-10*基金项目：教育部科学技术研究重点项目（地方02140 ）资助 作者简介：徐则民（1963-），男，教授，博士生导师，主要从事斜坡稳定及长大隧道施工地质灾害研究 E-m ail ：zeminxu vip.km ）以下，由于地下水径流缓慢甚至停滞，岩溶不发育；岩溶洞穴发育深度受控于岩溶水排泄基准面的高程，但在某些情况下，由于多级径流系统（图1）的存在，使得岩溶洞穴发育深度问题变得较为复杂。如果，岩溶洞穴发育深度判断准确的话，用（1）式来估计水头压力所产生的误差主要是由于它忽略了地下水运移过程中的各类水头损失而产生的。1水的运移与沿程水头损失任何形式的水流，无论是地下水、地表水还是管路水，它们的运动都是在一定的介质中进行的。由于水是一种粘滞性液体，它在运动过程中必然和介质之间产生摩擦，从而消耗其能量。由于水头是描述水流能量的最常见的方式，因此，水的运动必然伴随水头损失3。图2沿程水头损失与介质摩擦阻力4 Fig.2 W ater head loss and frictionalforce fr om medium 4在某非稳定三维渗流区内，引入渗流的概念，即，假设水流充满了整个过水断面，介质对水流的阻力全部来自管壁，且水流通过任一断面的流量、任一点的水头均和实际水流相同。在渗流场内，取一截面积A和长度l均为无限小的流管，流管周长为c，作用于流管2个断面上的压强分别为p1和p2；2个断面的位置高度为z1和z2（图2）。在无限小的时间段 t内，可以把流管内的水流看做均匀流。沿流动方向的作用力有：压力：（p1p2）A。p2的方向与流动方向相反，故取负值。重力沿水流方向的分力：G cos 。G为流管内水的重力；为重力与流动方向的夹角。G cos AL（z1z2）lA（z1z2）式中 为水的容重。摩擦阻力：lc。为单位面积流管对水流的摩擦阻力，因为 对称于管轴线，故在流管表面均匀分布。因为流管内的水流为均匀流，水流作匀速直线运动，沿水流方向上各个力相平衡。（P1P2）A G cos lc 0（P1P2）AA（z1z2）lc 0对上式除以 A，得cAlz1P1z2P2对于均匀流，流速沿程不变，故流速水头相等，所以，从断面1到断面2的水头损失（h）为hz1P1z2P2所以，有hclA设流管半径为R，引入常数 C210 4m3/Pa ，则有hCRl（2）（2）式表明，径流途径上两点之间的水头损失与路径长度和空隙（管）壁的摩擦系数成正比。从（2）式可以写出隧道涌水水头压力的表达式P HCRl（3）PH1CR sin （4）式中，a为导水通道的倾角。对于非弯曲、等直径且材质相同的人工输水管道，从（3）、（4）式可以肯定地得出H0越大，则p越大的结论。但是，对于隧道的充水通道而言，一般并不存在这种关系，第一，H0越大，则l也越大，即，水头损失也越大；第二，随着深度的增加，充水通道的空隙性越来越差，介质对水流的阻滞作用（）越来越强。除以上的沿程水头损失外，随着深度越大，径流途径加长，通道突然变大、变小或拐弯的机率增大，而在所有这些管道几何形状突然变化的地方均会引起明显的局部水头损失。因此，隧道涌水的水头压力可以表示为P H（hyhj）（5）式中hy、hj分别为沿程水头损失和局部水头损失。2不同充水通道条件下的涌水水头压力评估（3）、（4）式表明，涌水水头压力预测的关键是463 地球科学进展第19卷确定水流从充水水源流向隧道过程中的水头损失，而水头损失与充水管道的形式密切相关。2.1管状充水通道这种充水通道的横断面呈近似的圆形或等轴形，通常见于2条结构面（断层、节理、层间滑动面等）的交汇部位。管道的倾斜状态取决于2条结构面的产状（图3）。在纵向上，横断面直径可能是相等的，也可能是逐渐减小的，这时可以将其概化为彼此相连的一系列直径不同直径的变径圆形通道。图3管状充水通道 Fig.3 Pipe-shape gushing pssage 上面给出了水头压力的基本关系式（3）和（4）。但是用它来计算水头压力是困难，因为其中的 是很难确定的。将充水通道概化为一直径为d的圆管，并引入渗流理论。当地下水运动处于层流状态时，运移途径上任意两点之间的水头差（hy）可以表示为hy32 g Re ldv2（6）式中Re和v分别为水流的 Reynolds 数和流速。假定流速在管径方向上是均匀分布的，则流速可以近似表示为Vd232hyl（7）式中J和 分别为水力梯度和水的动力粘滞系数。充水通道的实际流速（V）和渗透系数（K）为Vvnd232nhyl（8）Kd232n（9）式中n为空隙度。将（8）、（9）式代入（6）式，得hy g Red 32lK2（10）由于大多数地下水的运动都满足 Darcy 定律，Re取平均值5，上式可以简化为hy1.53dlK2（11）式中，d、l、K的单位分别为m、m和 m /s 。（11）式表明，一定直径的圆柱形水流途径上，水头损失与路径成正比，与渗透系数的平方成反比。由于渗透系数不仅是一个水力学参数，它也反映了介质对水流的力学效应，因此，作为水流能量指标的水头对其反应十分敏感。（11）式可以用来估计地下水在断面为近似的等径圆形的直充水通道内一维运动时的沿程水头损失。当充水通道的直径在纵向上有明显变化时，可以将其概化为图3的形式。如果总水头损失以沿程水头损失为主，局部水头损失在总水头损失中所占的比例很小，则有hy6ni1hyi1.536ni1diliK2i（12）式中，i为不同直径的管段数目；hyi为i管段的沿程水头损失。图4充水管道的直径变化 Fig.4 Thediam eter change of water gushing pas sage 如果相邻管段的直径变化较大，变径处的局部水头损失就应该被考虑。根据水力学原理及地下水渗流理论，当管道直径由小变大（图4A）时，变径出的水头损失（hj）为hjK21J212g1A1A22（13）式中K1和J1分别为细径段的渗透系数和水力梯度；A1、A2为相邻断面的面积。当充水通道直径由大变小（图4B）时，变径处的水头损失为hjK22J224g1A2A1（14）（13）、（14）式表明，变径出的水头损失主要与断面的放大或收缩程度有关。将上述各类水头损失代入（5）式，即可计算出隧道涌水的水头压力。563 增刊徐则民等：深埋岩溶隧道涌水最大水头压力评估2.2板状充水通道图5板状导水通道平面图 Fig.5 Planesketch ofboard -shape W ater gushing passage 当隧道与单一导水结构面呈不同角度相交时，导水通道呈板状，其断面形式与管状充水通道类似（图2）；有时导水水通道为一定范围的产状相近的有限条结构面，对于水头压力预测而言，只要对其中一条或几条进行研究就够了（图5）。这种充水通道是十分常见的，具体形式有层间滑动带、大的节理、断层等。地下水沿板状充水通道向隧道的运动可以概化为2个平行边界内的一维流。结合水力学及地下水渗流理论，渗流途径上两点之间的水头损失可以表示为hy12nqb3l（15）hyqblK（16）式中b、q分别为板状通道的道宽度和单宽流量。在对板状充水通道的涌水量进行计算后，可以方便地确定单宽流量b，这样就可以用（15）式对水头压力进行评估。当几条倾角不同的结构面，在垂向上彼此相连时，往往形成断面呈“S”型的充水通道（图6）。图6“S”型的充水通道 Fig.6 S shape water gushing passage 这种情况下，可以对充水通道上的水头损失进行分段处理。对于平直地段，直接用（16）式计算。弯曲地段可以用下式近似计算hj0.131 0.163 bir i3.5oi90q2 gnb i式中hji、bi、ri、oi、n分别为拐弯处的水头损失、充水通道宽度、曲率半径、转角和空隙度；q为通道的单宽流量。整个“S”型充水通道的总水头损失（h）可以表示为h6ni1qBiliKi6mi1hji（17）式中n、m分别为平直段和弯曲段的数目；Bi、li和Ki为第i个平直段的厚度、长度和渗透系数。2.3裂隙网络型通道当岩体中裂隙比较密集而且规模不大时，水流往往是通过裂隙网络向隧道汇集，最后在隧道排泄（图7）。如果已知根据抽水或压水试验获得的标量渗透系数，而且裂隙的密度较高，可以将这种裂隙介质概化为等效多孔介质，隧道与暗河之间的流网如图8所示。图7裂隙网络构成的导水通道 Fig.7 W ater gushing passage m ade offissure web 图8暗河于隧道之间的流网 Fig.8 The flow nets between underground rive r and tunnel 663 地球科学进展第19卷从图8可以看出，隧道正上方流线最短，向两侧，径流途径逐渐加长，隧道顶板的水头压力应该是最高的，由顶板向两壁逐渐降低，底板的水头压力应该是最低的。因此，只要预测隧道正上方的水头压力就可以了。由于隧道正上方的流线近似呈直线，因此，可以将隧道宽度区域内的水流概化为2个虚拟的平行边界内的一维流，虚拟边界为隧道两壁向上延伸至暗河构成。因此，隧道上方的水头压力可以用（16）式进行估算，即hyqBlK（18）式中，q、B分别为单位长度隧道的涌水量和隧道宽度，其余符号同前。如果无法通过抽水或注水试验获得标量渗透系数，可以通过地表裂隙统计及遥感解译，首先确定近地表附近的渗透张量；根据渗透张量与应力张量的耦合关系，确定隧道与暗河之间的渗透张量。如果剖面上的2个渗透张量主值Kxx和KZZ的大小基本（同一数量级内），可以用下式求得剖面上的标量渗透系数KpKxxK槡yy然后用（17）式来计算水头损失。如果，两者相差很大，计算采用较大的一个主值，根据主轴方位和倾角，利用（15）式计算水头损失。3结语（1）对于以暗河为充水水源的深埋岩溶隧道，准确确定岩溶管道的发育深度是预测涌水水头压力的基础。（2）地下水在从充水水源向隧道运移的过程中，由于存在沿程水头损失和局部水头损失，因此，用文中的（1）式来估计水头压力过于粗糙。（3）本文提出了管状、板状及裂隙网络3种充水通道条件下的涌水水头压力的近似计算公式。它们的计算精度取决于对充水通道的形式、产状、规模、渗透性等的了解程度及涌水量的预测精度等。参考文献（References ）：1张有天.浅论承受高外压混凝土管片式衬砌 A.中国土木工程学会隧道及地下工程分会第十届年会论文集 C.铁道工程学报，1998 ，（增刊）：537-542.2杨立中.论铁路隧道突水的预测及其新方法 A.见：铁路工程建设科技动态报告文集 C.成都：西 南交通大学 出版社，1995202-211.3清华大学水力学教研组编.水力学 M.北京：人民教育出版社，1979.4薛禹群主编.地下水动力学 M.北京：地质出版社，1986.HYDRAULIC HEAD PRESSUREFORECASTIN G OF WATER GUSHIN G FORTUNNEL WIT H THIC K OVERBURDEN XU Ze-min 1，HUANG Run-qiu 2，FAN Zhu-guo 1，W UPei-guan 1（1.Departmentof Civil Engineering ，Kunming Universityof Science and Technology ，Kunming 650224 ，China ；2.Engineering Geology Institute ，Chengdu Universityof Technology ，Chengdu 610059 ，China ）Abstract ：Hydraulic head pressureforecasting ofwater gushing fordeep-lying Karst tunnelisofimpo rtance in engineering practice and the formerevaluati ng methodsistoo rough.The evaluation formul as forthree situationsare putforwardthatwatergushing source is under ground riverand watergushing passage ispipe -shape ，plate-plateand fissure web respectively.Key words ：Tunnelwith thick overburden ；Water gushing ；Hydraulic head pressure.763 增刊徐则民等：深埋岩溶隧道涌水最大水头压力评估