谢 艺 伟,陈 基 武,张 鹏,郭 子 昊,张 翾

(1.中交一公局厦门工程有限公司,福建 厦门 361000; 2.南京工业大学 交通运输工程学院,江苏 南京 211816; 3.交通部公路科学研究所,北京 100088)

0 引 言

突涌水是岩溶地区修建隧道面临的主要地质灾害之一[1]。岩溶天坑又称岩溶漏斗,是岩溶地貌中典型的负地形,为碗碟状或漏斗状洼地[1]。天坑壁因塌陷呈陡坎状,天坑底部堆积碎石和残余红土,常发育垂直裂隙或溶腔,溶腔与地下暗河或者地下水相通,其形成过程为地表水流沿垂直裂隙向下渗漏时使裂隙不断扩大,由隐伏孔洞逐步扩大崩落,形成环形陷落天坑。因此天坑是岩溶地区地表水补给地下水的重要通道[2]。

岩溶地区隧道选线不可避免地会从岩溶天坑下部附近穿越,隧道施工期的扰动袭夺了地下水径流途径,尤其在暴雨期,地表径流补给会在短时间内形成洪峰,造成隧道涌水量急剧加大,引发大规模突涌水灾害,造成重大的经济损失和人员伤亡。防控暴雨期下穿岩溶天坑隧道突涌水灾害的前提是需要估计这一特殊地貌和地质环境下隧道突涌水流量的峰值。

目前,隧道涌水量预测方法有大气降雨入渗法、地下水径流模数法、地下水疏干静水量法、泉流量汇总法、地下水动力学法、数值分析法、数据挖掘法等[3-4]。结合隧道工程实践,众多学者开展了上述经典经验预测方法之间的对比研究,总结出各方法的适用工程场景[5-9]。近年来,也有些学者针对经典经验预测方法的不足,提出了修正方法,拓宽了传统方法的适用范围、特殊条件与精度。例如:常威改进了大气降雨渗入量法的延时时间[10];辛冬冬提出基于叠加原理的海底隧道渗流场与涌水量分析与现场测试方法[11];张智雄提出了基于传统方法的穿越层状含水结构隧道涌水量修正[12];陈瑜林开展了岩溶隧道的涌水量统计分析,讨论不同涌水量预测方法的适用条件[13];傅鹤林等将反映法与渗流分析势相叠加提出了隧道掌子面附近涌水量预测方法[14];贺小勇等讨论了隧道涌水预测中集水面积的计算方法[15]。随着水文地质勘探手段的提升与监测资料的积累与丰富,数值分析(GMS、FLAC、Modflow等)[16-18]与数据挖掘(最小二乘法、遗传算法、粒子群算法等)[19-21]方法被引入,涌水预测精确性大幅提高,然而这类方法严重依赖于监测资料的数据量与典型性。上述方法要么过于经验概化,预测结果误差较大,无法指导精准施工;要么理论性强,需要大量现场勘探工作与实验参数,才能进行有效计算,而且无法针对暴雨条件进行小时级涌水预报。

鸡冠山隧道位于贵州省六盘水市,该地区属于典型的天坑岩溶区域,2017年6月至2018年7月在岩溶天坑下的隧道施工时发生过7次涌水事件,同时期资料显示,降雨强度与隧道涌水有极强的关联性。本文以下穿岩溶天坑的鸡冠山隧道工程为背景,对岩溶天坑的水文、地貌、地质等特征进行调查统计,以降雨条件下岩溶天坑的汇水渗流机制为中心,结合实测数据和统计数据,借助小流域暴雨资料推求地表汇流洪峰形成机制,提出了一种下穿岩溶天坑隧道暴雨期涌水峰值流量估算方法,可以实现暴雨条件的小时级涌水预报;并开展了鸡冠山隧道下穿岩溶天坑段案例计算分析,验证了本文所提方法的可靠性。

1 涌水峰值流量估计方法

下穿岩溶天坑隧道涌水量不仅由岩溶区水文地质控制,而且还受到暴雨期地表径流补给的影响。在岩溶隧道地下水涌水量估算与实测的基础上,还需对暴雨期小时级隧道上覆岩溶天坑地表径流量洪峰予以估算。两者之和即为暴雨期隧道涌水峰值流量。地表径流量洪峰估计应包括两大部分:① 岩溶天坑流域范围确定与流域参数获取;② 降雨量与降雨历时估算,具体实现步骤与流程如图1所示。

图1 涌水量峰值估算流程Fig.1 Flow chart for estimation of peak inrush flow

步骤1:岩溶天坑微地形测绘。开展岩溶天坑的微地形无人机摄影测量,获取天坑区高精度数字高程模型DEM地形数据。

步骤2:确定流域特征参数。根据岩溶天坑区高精度数字高程模型地形数据,采用数字地形分析方法,计算岩溶天坑流域面积F,流域最远点的流程长度L,最远流程的平均纵比降J。

步骤5:计算雨力。雨力AP的计算公式为

Ap=H24,P·24n-1

当tc≤24 h时,

当tc>24 h时,

式中:α为降雨历时为24 h的径流系数,通过查询当地水文手册可以获得。

步骤8:计算流域汇流历时与设计洪峰流量。流域汇流历时τ与推理公式求设计洪峰流量Qm,P计算公式为

式中:m为汇流参数,J为最远流程的平均纵比降,L为最远点的流程长度,产流历时tc。

流域汇流历时τ按照试算法求解:

(1) 按照步骤6计算tc值。

步骤9:计算地下水汇流参数。开展降雨期隧道涌水流量实测,分别记录无降雨的日常涌水流量Qn,0、降雨期高峰涌水流量Qn,1、降雨期雨停稳定涌水流量Qn,2以及Qn,1与Qn,2之间的历时tn(小时计),推求地下水汇流参数Kn:

在降雨实测的选择上,其应超过该地区雨季多年月降雨量平均值。

步骤10:涌水峰值流量估计。岩溶天坑底部出口断面洪峰为Qm,P,天坑径流补给隧道的涌水量Qn,P计算公式为

天坑径流补给隧道的涌水量峰值Qn,P与日常涌水流量Qn,0之和就是隧道最大涌水量Qn,P,Max,即为Qn,P,Max=Qn,P+Qn,0。

为验证本文计算方法的准确性,以鸡冠山隧道工程实例开展计算,并与实测和传统方法计算结果进行了对比分析。

2 鸡冠山隧道涌水案例分析

2.1 隧道概况

G7611都匀至香格里拉高速公路鸡冠山隧道位于贵州省威宁县炉山镇,是岩溶地层下的越岭隧道。隧道洞身主体由北东-南西向呈“S”形展布,其方位角走向为248°。如图2所示,隧道所在区域属于构造溶蚀峰丛洼地地貌区,峰丛基座与隧道相连,分布有溶丘与洼地,发育有溶蚀漏斗、落水洞等岩溶地貌。溶蚀洼地、漏斗、落水洞在地表上延边界线呈现出线排列[23]。虚线表征隧道的左右线,左线隧道长3 772 m,右线隧道长3 800 m。圆点包围区为岩溶天坑,岩溶天坑处于隧道正上方,中心桩号为K72+280,沿隧道方向范围为K72+220～K72+340,距离隧道洞顶76 m,天坑常年有地表水汇集,并有落水洞泄水,在历次涌水过程中发现天坑降雨汇流均通过落水洞向下排泄。

图2 隧道及岩溶地貌Fig.2 Tunnel and karst landform

2.2 工程概况

2.2.1降雨气象

隧址区位于亚热带季风湿润气候区,雨量充沛。根据以往气象资料显示(见图3),威宁县当地年平均降水量为890 mm,日最大降水量为166 mm,降水集中在5～10月,旱季为11月至次年4月。

图3 威宁县多年平均气象资料统计 (1971～2000年)Fig.3 Statistics of average meteorological data in Weining County for many years (1971～2000)

2.2.2隧址区工程及水文地质条件

(1) 工程地质条件。隧道地处于金钟背斜中部偏北,北东岩层产状大致为40°～50°,隧道轴线与地层走向呈大角度倾斜相交,隧道区出露基岩为二叠系下统茅口组(P1m)灰岩、二叠系下统梁山组(P1l)泥岩、石炭系中统黄龙组(C2hn)灰岩等。区内裂隙极为发育,节理走向主要有两组:①走向NW30°～65°,倾向北东和南西,倾角60°～80°;②走向NE35°～45°,倾向北西和南东。倾角65°～85°。

岩溶天坑位于隧道正上方的圆点周围,中心桩号为K72+280,沿隧道方向的范围里程为K72+220～K72+340,距洞顶76 m,在历次涌水过程中发现天坑降雨汇流均通过落水洞向下排泄。降雨多发季节,坡面易产生临时片流、漫流,从顺坡面的凹沟向洼地、漏斗或落水洞区域汇流形成地下水,沿着溶蚀裂隙或管道排至乐溪与大箐沟。

(2) 水文地质条件。隧道穿越段地形东西低,南北高,洞口两端的箐沟、乐溪构成该小区流域范围的侵蚀基准面。就地形上看,隧道南侧、东侧地势逐渐抬升,处Ⅱ、Ⅲ级剥夷面过渡区,区内地层总体呈北西走向,溶蚀洼地、落水洞总体沿地层走向呈串珠状分布,地下岩溶管网发育,构成该区地下水排汇通道。区内地下水总体由东向西、由南向北排泄。

隧道南侧发育高家湾地下暗河。该暗河系统主要受东、南侧地下水补给,构成隧道水文地质单元南侧边界,该边界与两侧溪沟及隧道北侧近东西向山脊线构成相对独立的水文地质单元。隧道从该水文地质单元中部斜穿,其中部被梁山组地层碎屑岩夹煤系地层大角度切割,隧道东西两侧被分割成两个相对独立的次级水文地质单元。

2.3 历次典型涌水事件

地表水在隧道穿越的区域不发育,地表漏斗和洼地都无积水,地质调查资料表明地下水位低于隧道线路高程。隧道施工期共发生了7次与强降雨密切相关的涌水事件,在隧道下穿天坑洞段发生了3次涌水事件[23],详见表1。

表1 隧道施工期涌水事件Tab.1 Events of water inrush during tunnel constrnction

2.4 计算分析

2.4.1岩溶天坑微地形测绘

本次研究测量岩溶天坑汇水区的范围南北长约1.2 km,东西长约1.3 km,测区面积约为1.58 km2。无人机摄影测量系统由DJI M210四轴航拍无人机、DJI ZENMUSE X5S云台相机、Pix4d数据采集与处理软件组成。无人机摄影测量外业工作流程包括:选定测区、设备组装、控制点标定、航线规划、航测飞行、数据校验。

利用Pix4dmapper进行三维精细化建模,经过自动空三、密集匹配等处理,生成了DOM、DSM数据,利用Cloudcompare对点云数据进行修剪与去噪,将点云数据导入ArcGIS,使用ArcGIS生成相应的DEM数据。DOM数据、DSM数据、点云数据和DEM数据如图4所示。

2.4.2确定流域特征参数

根据岩溶天坑区高精度DEM地形数据,利用ArcGIS的水文分析工具进行汇水分析。采用优先漫水算法进行流向分析,模拟降水,寻找最先被淹没的地区,然后迭代增加水量,后淹没的地区流向指向最先被淹没的地区,如图5(a)所示。基于流向数据计算开展汇流流量分析,以规则格网表示DEM每点处有一个单位的水量,按照水流从高处流向低处的自然规律,根据流向数据计算每点处所流过的水量数值,如图5(b)所示。计算区内汇水网络,汇流量大于临界阈值的栅格就是水流路径,由水流路径构成河网。该微地貌区域汇流阈值经试算最终确定为100,计算成果如图5(c)所示。流域划分采用ArcGIS的水文分析模块,划分结果如图5(d)所示,共划分为12个流域,其中5个为内流区,7个为外流区。最大流域面积为0.191 9 km2,最小流域面积为0.0307 km2。

图5 研究区汇流分析与流域划分成果Fig.5 Convergence analysis and watershed division results in the study area

采用以上方法计算岩溶天坑流域面积为F=1.076 1 km2,流域最远点的流程长度L=0.23 km,最远流程的平均纵比降J=0.325‰。

2.4.3获取降雨统计参数

2.4.4计算设计雨量H24,P

2.4.5计算雨力AP

雨力AP=H24,P·24n-1=433.26×240.533-1=98.22 mm。

2.4.6计算损失参数μ与产流历时tc

根据表2中的涌水事件,2018年7月6日,6 h大暴雨降雨量234 mm,对应实测涌水量为21 294 m3,以此案例为基准。参照地区暴雨径流相关图推求H24,P对应的净雨量Rtc=234-35-3×30-30=79 mm,并初步判断tc<24 h,R24=Rtc。将Rtc代入μ计算公式,得到μ。将μ,AP,n代入tc计算公式,求出tc。

表2 设计洪峰流量试算Tab.2 Trial calculation of designed flood flow

2.4.7计算汇流参数m

2.4.8计算流域汇流历时τ与设计洪峰流量Qm,P

按照试算法求解流域汇流历时τ:

(1) 按照2.4.6节公式计算tc值;

2.4.9计算地下水汇流参数Kn

开展降雨期隧道涌水流量实测,分别记录无降雨的日常涌水流量Qn,0=8329 m3/6 h、降雨期高峰涌水流量Qn,1=24988 m3/6 h、降雨期雨停稳定涌水流量Qn,2=15133 m3/6 h、以及Qn,1与Qn,2之间的历时tn(小时计)。地下水汇流参数Kn计算如下:

Kn=3.05

2.4.10突涌水洪峰流量估计

根据岩溶天坑底部出口断面洪峰为Qm,P,天坑径流补给隧道的涌水量Qn,P计算如下:

=11867 m3/6 h

天坑径流补给隧道的涌水量峰值Qn,P与日常涌水流量Qn,0之和就是隧道最大涌水量Qn,P,Max,即

Qn,P,Max=Qn,P+Qn,0=11867+8329

=20196 m3/6 h

3 讨 论

采用《铁路工程地质手册》(第三版)推荐的降水渗入法、水文地质比拟法以及本文所提方法与实测涌水洪峰做对比。降水渗入法、水文地质比拟法的计算结果摘自《都(匀)至香(格里拉)高速公路六盘水至威宁(黔滇界)段LWTJ-11标段施工图设计阶段鸡冠山隧道工程地质勘察报告》[23],其中降水渗入法、水文地质比拟法结果是按照日最大降雨量估计的隧道最大涌水量。由于涌水事件的暴雨期为6 h,故在与涌水事件实测结果比较时,由每日24 h等比例换到6 h。

综合表3,降水渗入法的计算结果均远小于实测涌水洪峰;相对而言,水文地质比拟法采用工程类推法,由于缺乏实测基础数据的支撑,其结果比实测值的偏大。本文所提方法计算结果比较接近实测值,其误差为5%,误差产生的主要原因是在汇流分析的过程中,为提取合适的汇流计算区域,汇流阈值经试算最终选取为100,低于阈值的汇流区域尚未纳入计算,而在实际情况中这些范围仍会汇聚小部分水量,本次研究计算所选取的流域参数相对实际情况而言偏小,但在可以接受的范围内。同时本文所提方法可以实现小时涌水量估计,而传统方法只能计算日涌水量,日涌水量无法应对抢险度汛最大隧道排水能力计算。

表3 传统方法、新方法与实测结果对比Tab.3 Comparison of traditional method and new method m3/6 h

4 结 论

天坑洼地是岩溶地区的特殊地貌单元,是联接岩溶地区地表水与地下水的重要通道,其下穿隧道的涌水量不仅受岩溶区水文地质控制,还受到暴雨期地表径流补给的影响。针对岩溶隧道下穿天坑洼地区施工期涌水事件,本文提出了一种考虑地表径流补给的下穿岩溶天坑隧道暴雨期突涌水量峰值估计方法,并结合鸡冠山隧道的隧址区地形地貌、水文地质条件与实测涌水资料,开展了案例分析计算并与涌水事件的实测涌水量进行对比。

(1) 传统涌水预测方法不适用于岩溶隧道下穿天坑洼地区,其预测结果与涌水量实际监测值相比存在巨大差异。相对而言,水文地质比拟法是传统方法中最为接近实测值的方法,但是水文地质比拟法需要大量周边已建同类工程的实测资料,而且缺乏理论支撑,仅仅是概念估算。

(2) 传统涌水预测方法仅能按照年降雨量平均值或日最大降雨量推算日最大涌水量,缺乏针对降雨补给涌水量的准确计算。本文所提方法根据地形实测数据与降雨统计数据可以实现地表径流补给的精确计算,准确预测地表汇水补给天坑洼地下穿隧道突涌水的小时洪峰。

(3) 以鸡冠山隧道为例,本文所提方法计算值与涌水量实测值相差5%,计算结果可为隧道涌水防洪或布置抽排方案提供重要数据支撑,保障了隧道施工与运营安全。