陈沛，余蜀予，向波，雷学军，何云勇, 3

电站库区对高速公路隧道工程的影响分析

陈沛1，余蜀予1，向波1，雷学军2，何云勇1, 3

（1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610041；2. 四川省地质工程勘察院集团有限公司，成都 610072；3.西南交通大学土木工程学院，成都 610031）

水库水会导致库岸隧道水文地质环境改变，影响隧道的建设运营安全。针对狮子坪水电站库区对汶川至马尔康高速公路隧道工程的影响进行分析，根据隧道水文地质条件，采用径流模数法和大气降雨入渗系数法计算各方案线隧道的涌水量，结合运用达西定律计算的水库蓄水对隧道的渗漏水量，比选出最佳的方案线路，可供类似地区高速公路隧道工程参考。

高速公路；隧道工程；涌水量；渗漏水量；线路比选

随着我国交通及水利工程的发展，山区修建了大量水库（李建伟，2011；彭文波等，2017；孔繁越，2017）。高速公路建设受地形、环境等因素限制，隧道工程必须穿过水库所在山区，水库蓄水会对隧道结构稳定性产生影响（尚海敏等，2019；冉万云，2015；杜鹏等，2010；彭文波等，2017）。相关学者就水库蓄水对隧道安全影响展开研究，分析水库蓄水对麻石山隧道安全性影响，总结水库蓄水前后隧道二次衬砌内力、安全系数变化规律（赵东平和王明年，2005）。运用GEO-SLOPE渗流分析模块SEEP/W，分析隧道西侧拟建李家河水库在2 054m水头差作用下水库水对隧道的渗流影响（侯伟等，2006）。从水库与隧址区地层岩性、地质构造及渗水特征等方面出发，评价水库蓄水后对隧道工程的影响（段青龙，2010）。

汶川至马尔康高速公路线路经过理县古尔沟镇地形狭窄杂谷脑河谷地区，可选路线宽度不足，高速公路的建设要在狮子坪水电站库区附近通过，公路建设与水电站之间的水力影响，是公路选线和工程型式选择关键。本文根据各隧道区水文地质条件，通过各方案线隧道涌水量计算以及水库蓄水对隧道渗漏水量，对狮子坪电站库区对隧道工程影响进行评价。

1 库区高速公路隧道工程概况

该公路隧道工程区位于四川省理县境内的狮子坪水电站库区左右两岸，右岸I5线路线和左岸I2线、左岸K线路线（图1），分布于杂谷脑河两侧地带，海拔高程3 200～3 800m，相对高差800～1 200m，河谷呈狭窄“V”与“U”字型。

右岸I5线经过大沟村隧道、狮子坪1～6号隧道，全长22.215km。狮子坪库区3隧道起于I5K135+745（进口标高2510m），止于I5K147+495（6号隧道出口标高2 589m）全长12km，属于右岸水文地质单元。通过小丘地沟、九架棚沟水文地质单元。左岸I2线隧道起于古尔沟隧道，经库区狮子坪1号，止于K147+680（狮子坪2号出口标高2 585.8m），全长15.9 k m，属左岸水文地质单元。1号、2号隧道通过人字沟、牌坊沟及丘地沟水文地质单元。左岸K线起于大沟村隧道，狮子坪库区隧道起于K137+075（狮子坪1号进口标高2 493m），止于K151+295（狮子坪2号出口标高2 607.9m），全长20.115 km，属于左岸水文地质单元。沿线通过人字沟、牌坊沟及丘地沟地表水文地质单元。

图1 高速公路路线平面图

根据隧道勘察资料，隧道区发育有F1、F2两条断层破碎带，从I2线狮子坪1号隧道及K线狮子坪1号隧道通过，断层走向350°（F1）和近南北向（F2）。隧道围岩完整性较差，岩体裂隙发育，含水层渗透性较强，利于大气降雨和地表水入渗补给和储集。

2 工程地质及水文地质条件

2.1 工程地质条件

地层主要为中生界三叠系及第四系全新统地层。三叠系包括中统杂谷脑组（T2）、上统侏倭组（T3）、三叠系上统新都桥组（T3）。第四系全新统地层根据成因、物质组成、结构特征，由老到新可分为五层：含砂漂(块)卵砾石层(Ｑ3gl+fgl)、质粘土与粉细砂互层(Ｑ3l)、砂漂(块)卵砾石层(Ｑ4al)、碎砾石土层(Ｑ4col+dl+al)、碎砾石砂层、粉质壤土层(Ｑ4al)、漂卵砾石层(Ｑ4al)。

隧道区位于米亚罗压扭性断层南西侧，以线状弧形褶皱为主，隧道区位于北西—南东向展布线状族郎帚状构造群区，卷入地层有杂谷脑组上段、侏倭组及新都桥组。隧道区主要褶皱：小夹壁倒转向斜、泸杆桥背斜、大石包倒转背斜、加拉沟向斜、古尔沟背斜。

按照中华人民共和国国家标准《中国地震动参数区划图(GB18306-2015)》，研究区地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期0.40s，抗震设防烈度为VII度。

2.2 水文地质条件

研究区域属亚热带气候，海拔高差悬殊，地形复杂，气候差异显著，具有山地立体型气候特征。

气温年较差小，日较差大，多年平均气温11.4℃，变幅在10.5～12℃。多年气温日较差平均值为10.7℃，最大日较差为26.8℃。降水分布差异显著，降水量由东向西随海拔增高面增多；降水量集中在5～9月为420.6mm，占全年降水量69%，10月—次年4月降雨量仅189.0mm，占全年降水量31%。全年降雨呈双峰型分布，5、6、9月是降水高峰期，每年雨季开始和临近结束有两次大降水过程。

河流属于岷江水系上游一级支流——杂谷脑河流域，水量丰富，水系发育，呈树枝状，干流全长168km，流域面积4 632km2，河道平均坡降18.4‰。杂谷脑河径流主要由降水形成，地下水和融雪水次之。杂谷脑河径流年际变化较小，洪水年际变化亦不大。

地下水类型有松散岩类孔隙水、变质岩裂隙水两类。地下水运动特征是，以降水渗入补给为主，地下水迳流途径短，以泉水及渗流方式排泄并转化为地表水，补给区、迳流区和排泄区基本一致，水力坡度大，水交替活动强烈。

3 隧道涌水量预测

3.1 隧道涌水量预测原则及方法

3.1.1 预测原理

隧道涌水量预测主要根据隧道区水文地质条件，包括不同含水岩组的特征、水文地质参数、洞室揭露的长度等具体划定。拟定预测的隧道正常涌水量包括隧道地下水迳流量。

根据隧道勘察所查明的水文地质条件，充分利用所取得的各种水文地质参数，对划分的主要隧道涌水洞段进行不同方法的水文地质计算。

3.1.2 地下水正常涌水量计算方法

采用大气降雨入渗系数法、迳流模数法进行涌水量预算（任佳等，2007；寇正中等，2019）。

（1）大气降水入渗系数法

（2）迳流模数法

式中：Q为隧道正常涌水量（m3/d）；M为地下水迳流模数（M（L/s·km2））；F为汇水面积（km2），同大气降水入渗系数法；86.4为单位换算系数。

由于雨季施工时隧道涌水量可能有较大变幅。根据多年降雨量资料分析和经验，一般选取1.6～3.0的经验系数与枯水季节涌水量相乘作为丰水期涌水量，文中经验系数取2.0。其它参数取值见表1。狮子坪隧道计算成果见表2。

表1 参数取值统计表

表2 各段隧道各方法预算的正常涌水量及最大涌水量统计表

3.2 预测结果及评述

以上计算结果中，两种计算的隧道正常涌水量看，枯季径流模数略大，按枯丰期转换系数计算的丰水期最大涌水量较大，根据各线隧道水文地质条件，结合狮子坪水库区在建隧道、大坝地下廊道地下水出水状况调查分析，将大气降雨入渗系数法计算正常涌水量作为推荐值，各隧道正常涌水量见表2。I5线隧道推荐正常涌水量为4 792.05m3/d（未包括水库蓄水对隧道的渗漏补给量），I2线隧道推荐正常涌水量为2 052.40m3/d（未包括水库蓄水对隧道的渗漏补给量），K线隧道推荐正常涌水量为2 699.38m3/d（水库对隧道无影响）。

表3 渗透系数取值列表

上面计算未包括水库蓄水对隧道的渗漏补给量，在水库区两岸各方案隧道设计高程低于水库设计蓄水水位2 540m的正常涌水量还包括水库水渗漏（侧向）补给量，从计算结果看，基本与各隧道水文地质条件相符，各隧道涌水量不大。

4 水库对隧道工程的影响

水库水对隧道渗漏形式主要通过裂隙或断层破碎带渗漏。计算水库蓄水引起隧道渗流量，设计高程低于狮子坪水库水位的路段有：I5线狮子坪1号隧道、2号隧道、3号隧道；I2线狮子坪1号隧道。

岩体的渗流（漏）量大小因含水介质与水动力条件不同差异很大，渗漏量的计算精度取决于合理选择边界条件、计算参数与计算方法（张朕铭，2014）。根据狮子坪水库两岸隧道围岩水文地质结构、渗流特性及渗漏型式（属裂隙性），分析渗漏边界条件，确定渗漏影响宽度，根据区域水文地质和收集到水电站勘察水文地质试验渗透参数，采用达西定律计算水库蓄水（设计水位）对隧道的渗漏水量：

Q=KFh/L （3）

式中：Q为单位时间渗流量；F为过水断面；h为总水头损失；L为渗流路径长度；I=h/L为水力坡度；K为渗透系数。

关系式表明，水在单位时间内通过多孔介质的渗流量与渗流路径长度成反比，与过水断面面积和总水头损失成正比。渗透系数取值见表1、3（具有多层透水层的渗透系数采用综合加权平均值）。按照理论公式计算库水位2 540m以下路段水库侧向补给量见表4：

水库水侧向渗漏影响宽度根据铁路工程水文地质勘察规范经验公式R=215.5+510.5k进行估算，隧道一侧影响宽度在290～420m（不同含水岩层渗透性不同）。隧道开挖地应力释放发生改变，加之放炮、机械振动，岩体产生卸荷松动，导致裂隙扩展加大，会增加岩层的渗透性，其影响范围将扩大。考虑到水库水位与隧道位置形成的水头差大者达41.0～99.2m（I2线），隧道开挖水库水通过裂隙渗流补给隧道，具有一定的动水压力，但动水压力的大小主要取决于地下水的水力梯度，一般规律是离水库越远（即渗径越长），则渗漏量会越小，到一定距离后渗漏量可以忽略了。为此，为保证隧道工程建设和狮子坪水库蓄水和发电站的正常营运的安全，根据前面经验公式计算的影响半径和不同岩组不同水头差下每100m长隧道渗水量500 m3/d的水平距离（表6）及工程地质、水文地质条件综合分析，计算水库对隧道渗流（漏）影响宽度按1 000m考虑，大于1 000m的则不考虑渗漏影响。

表4 水库对隧道侧向补给水量

表5 设计线路隧道涌水量统计表

表6 不同岩组渗水量500 m3/d的水平距离

从表4计算结果可知，狮子坪水库蓄水对I2线狮子坪1号隧道水库蓄水影隧道长度3 930m，水平距离在19.0～740.0m，受水库蓄水影响产生的渗流量估算为7 383.99m3/d。从计算的水库蓄水对隧道地下水补给量看，大大增加了隧道正常涌水量，该段岩层走向与隧道轴线夹角小于10°，隧道开挖，水库水易顺岩层层面裂隙渗漏，出口段隧道埋深浅，岩石风化强烈，浅表层千枚状板岩呈强风化，又有F1、F2断层通过该路段，岩层渗透性强，F2断层会明显增加该段渗水量，将可能成为涌水点（F1与该路段交汇处位于K139+200，F2与该路段交汇于K141+300），顺断层及层面一旦出现渗流后，断层破碎带、千枚岩等易软化会发生塑性变形，对隧道围岩岩体强度和稳定性有较大影响，有较大的安全风险，如施工中不及时衬砌和采取防渗处理，可能发生中～大型坍塌，并且一旦形成渗流通道，其防渗处理实施技术难度大，极有可能对隧道建设造成毁灭性影响；一旦发生涌水，大量水库水向隧道中排泄，则会影响到水库正常蓄水，若防渗支撑不及时或不得力，隧道建设也会对水库蓄水将造成严重影响。故建议不采用此路线方案。

K线狮子坪1号隧道高程位于水库蓄水位以下，其水文地质纵剖面见图2，其离库区水平距离为2 169～4 457m，且水头差小，超出水库水渗漏影响范围，因此水库蓄水对该方案线无影响。

I5线狮子坪1号隧道在水库蓄水位以下隧道长度7 565m，水平距离在3 188～10 368m；狮子坪2号隧道在水库蓄水位以下隧道长度685m，水平距离在2 506～3 486 m；狮子坪3号隧道在水库蓄水位以下隧道长度1 067m，水平距离在1 060～2 000m，且均位于水库大坝以下右岸，因此狮子坪水库蓄水渗漏对I5线1～3号隧道建设及运营基本无影响，隧道建设对水库基本无影响。

基于以上计算结果及分析评价，狮子坪库区两岸各方案线估算隧道正常总涌水量（大气降雨入渗系数法计算正常涌水量+水库设计水位2 540m以下侧向渗漏补给量）如表5，其中K线1号隧道，I5线1～3号隧道超出水库蓄水渗漏影响范围，不考虑。

计算库区各单一岩层和组合岩层在不同水头差下每100m长隧道渗水量500 m3/d的水平距离，计算成果见表6。

图2 K线隧道水文地质纵剖面图

5 路线方案比较与建议

三条方案线路的工程地质及水文地质条件相差不大，主要从各方案隧道涌水量、隧道工程建设对狮子坪水库蓄水的影响、水库渗流对隧道工程的影响，水库渗漏对隧道的影响长度等进行比较，见表7。

从表7对比条件看，I2线1号隧道位于水库设计蓄水位以下长度达3 930m，隧道与水库水平平距离最短仅19 m，且水头差为41～99.2m，水库渗流对隧道工程建设影响大，隧道施工若不及时采取防渗措施，可能发生大的集中涌水，引发洞室坍塌，对水库影响大、危害性大，建议不宜选取该方案线，如要采用该方案线，建议1号隧道距水库水平距离应至少大于500m为宜；I5线1～3号隧道、K线1号隧道高程低于2 540m，距水库距离大于1 000m，超出水库渗漏影响范围，但相比较而言，I5线距离库区的平面距离更近一些（I5线最近为1 060m，K线为2 169m），隧道建设对水库蓄水基本无影响。因此，从水文地质角度推荐采用K线，其次为I5线。

表7 线路方案比较表

6 结论

（1）各隧道涌水量预测采用径流模数法和大气降雨入渗系数法计算，将大气降雨入渗系数法计算的正常涌水量作为推荐值。估算I5线隧道推荐正常涌水量为4 792.05m3/d，I2线隧道推荐正常涌水量约为9436.39m3/d（包括1号隧道水库侧向补给量），K线隧道推荐正常涌水量约为2 699.38m3/d。

（2）分析了水库设计蓄水水位对2 540m水位以下各拟建隧道的影响。其中I2线狮子坪1号隧道开挖时水库水易顺岩层面的渗漏，对隧道围岩岩体强度和稳定性有较大影响。I5线狮子坪1～3号隧道距水库距离大于1 000m，基本不在水库渗漏影响范围，隧道建设对水库蓄水基本无影响。K线狮子坪1号隧道距离库区远（2 169～4 457m），且水头差小，已经超出影响范围，水库渗流对该隧道工程建设无影响。

（3）根据隧道水文地质条件，通过各方案线隧道涌水量计算以及水库蓄水对隧道的渗漏影响分析比较认为：I2线1号隧道位于水设计蓄水位以下长度达3 930m，隧道与水库水平平距离最短仅19 m，且水头差为41～99.2m，水库渗流对隧道工程建设影响大，建议不宜选取该方案线。I5线1～3号隧道、K线1号隧道超出水库渗漏影响范围。考虑I5线距离库区的平面距离更近，从水文地质角度推荐采用K线，其次为I5线，不建议采用I2线。

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On the Influence of Power Station Reservoir Area on Expressway Tunnel Engineering

CHEN Pei1YU Shu-yu1XIANG Bo1LEI Xue-jun2HE Yun-yong1,3

(1.Sichuan Highway Planning Survey Design and Research Institute Co. , Ltd., Chengdu 610041；2.Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation,Chengdu,Sichan,610072；3.School of Civil Engineering, SWJTU,Chengdu 610031 )

The reservoir impoundment will change the hydrogeological environment of the tunnel along the reservoir bank and affect the safety of tunnel construction and operation. This paper makes an approach to the influence of the Shiziping hydropower station reservoir impoundment on the safety of tunnel construction and operation of the Wenchun-Barkam Expressway. Water yield in the tunnel based on the hydrogeological condition is calculated by the use of runoff modulus method and atmospheric rainfall infiltration coefficient method and the leakage of the tunnel under the condition of reservoir impoundment is calculated by the use of Darcy's law based on which the best tunnel route scheme is selected.

Wenchun-Barkam Expressway; tunnel engineering; water yield; leakage; line selection

U458

A

1006-0995（2021）03-0461-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.03.022

2021-07-02

陈沛（1969— ），男，四川成都人，高级工程师，从事公路工程设计研究工作

余蜀予（1971—），男，四川成都人，高级工程师，从事公路工程设计研究工作