隧洞涌突水分析与防治

受 强 烈 挤 压 、切 割 , 岩 溶 发 育 、富 水 , 涌 水 量 达 0. 324 m3·s - 1. 在 DK1994 + 698～776 为断层泥带 , 其 中部分地段围岩呈土状 , 含泥量多达 70 % , 遇水后 10 min崩解软化成稀泥 , 给施工造成极大困难. 从 1986 年 9 月至 1987 年 4 月 , 历时 8 个月通过 F9 断 层 ,平均月进尺 58. 1 m[2] . 因此 , 隧洞的水问题是广 大地质 、土木工作者关注的焦点之一. 表 1 给出了国 内外部分典型隧洞工程施工中发生涌水的实例.
3. 岩溶区地下水系统相当复杂 ,许许多多的溶 蚀裂隙和大大小小的岩溶管道构成相互沟通的地下 水含水系统. 因此 ,查明岩溶区地下水的分布规律 , 各岩溶通道的连通情况是该类地区水文地质工作的 关键. 1. 3 水文气象条件
地下水通常不是孤立存在的 ,它参与自然界的 水循环. 水文 、气象条件决定了地下水的补给条件. 因此 ,要调查研究隧洞线路区的水系分布 ,年径流量 的年内分配. 同时还要调查研究隧洞线路区的地形 特征 ,尤其是断层破碎带出露的地形特征 、汇水条件 及汇水面积.
由于水 文 地 质 条 件 完 全 相 似 的 隧 洞 是 极 少 见 的 ,加上隧洞施工条件的差异 ,该方法只是一种近似 估算的方法. 但从国内外经验来看 ,只要比拟关系建 立得合乎客观规律 ,尚不失为一种较准确的方法.
2. 地下水动力学法 该方法是在概化水文地质 条件的基础上 ,以达西定律和水均衡原理推导出涌 水量计算的解析式 ,据此作涌水量预测.
3 隧洞涌 (突) 水的主要防治措施
隧洞涌 (突) 水的防治 ,20 世纪 60 年代以前是以 “排”为主. 随着时间的推移 ,发现以“排”为主的处理 措施造成许多后患. 有的隧洞因破坏了山体内部的 平衡 ,衬砌开裂 ,需进行加固处理 ;有的因地面大量 下陷 ,影响地面建筑物的稳定性 ;有的因地表 、地下 水的流失 ,井泉干涸 ,严重影响了生态平衡及工农业 生产和居民日常生活 ,以致居民迁移 、动植物死亡 ; 衬砌后大量漏水的隧洞给运营也带来很大的隐患.
第 20 卷第 1 期 华 北 水 利 水 电 学 院 学 报 Vol. 20 No. 1 1999 年 3 月 Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power Mar. 1999 文章编号 :1002 - 5634 (1999) 01 - 0028 - 04
在可溶岩地区 ,由于岩溶的发育受构造 、地壳运 动 、地下水和水的溶蚀性等多种因素的综合控制 ,岩 溶发育规律比较复杂 ,地下水类型一般可分为 : ①浅 部岩溶水和深部岩溶水 ; ②岩溶裂隙水和断层岩溶 裂隙水. 通常溶隙管道 、溶洞大多沿断层破碎带发 育 ;非断层破碎带地段岩溶发育程度相对较差 ,常发 育一些小的溶孔 、溶隙等 ,且发育深度一般比构造破 碎带段要浅得多.
坚硬岩石和软岩互层 ,这在沉积岩发育地区是 常见的. 构造破碎带表现为坚硬岩层破碎 ,软弱岩层 泥化 ,这样的断层破碎带不具备贮水能力 ,但在一定 的水头压力下 ,会产生突然的涌泥和突水. 此时断层 破碎带成为导水通道.
除可溶岩外 ,基岩区的地下水的赋存是受构造 控制的. 因此 ,确定构造破碎带的岩性特征 、空间展 布 、力学性质等发育规律是判断涌 ( 突) 水的前提 条件.
第 20 卷第 1 期 陈南祥等 : 隧洞涌 (突) 水分析与防治
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1 隧洞涌 (突) 水发生的一般规律
隧洞 ,尤其是深埋隧洞的涌 (突) 水的发生需具 备一定的地质条件和水文地质条件. 从国内外大量 深埋隧洞涌 (突) 水发生机理分析 ,主要是岩性构造 条件 、区域地下水赋存条件和水文气象条件的综合 结果. 1. 1 岩性构造条件
3. 27
性软弱破碎
0. 24
白云岩 、硬石膏岩 ,岩性破碎
1. 00
6 塔拉弯灌溉隧洞 (西班牙)
31. 90
灰岩 、白云岩 、泥灰岩 ,岩溶发育
0. 30
7 亚坎市灌溉隧洞 (委内瑞拉) 34. 39 1 277. 0 砂岩夹有页岩 ,构造发育 ,地质条件极大复杂
0. 30
阿贝特马科输水隧洞 (意
造破碎带作为一个地下水含水带 ,确定其补给区 、径 流区和排泄区 ,掌握其地下水位动态化规律.
1. 当隧洞高程高于地下水位 ,则一般不会发生 持续性涌 (突) 水 ,只有在雨季可能会发生暂时性涌 水 、渗水.
2. 当隧洞高程低于地下水位时 ,将发生涌 (突) 水 ,其涌 (突) 水量的大小除取决于破碎岩石的透水 性 、涌水点与地下水位相对高差外 ,还取决于涌水点 所处破碎岩石含水带的相对位置. 若涌水点位于地 下水含水带的补给区 ,则总涌水量相对较小 ;若涌水 点位于地下水含水带的排泄区 ,则总涌水量大.
8 大利)
6. 32 1 200. 0 粘土片岩 、灰岩 、白云岩 ,断层发育
Baidu Nhomakorabea0. 02
3 收稿日期 :1998 - 10 - 27 ;修订日期 :1998 - 12 - 29 基金项目 :南水北调西线工程资助项目 (9701) 作者简介 :陈南祥 (1958) ,男 ,江苏张家港人 ,华北水利水电学院岩工系副教授 ,硕士 ,从事水文地质研究
目前 国 内 外 所 采 用 的 预 测 方 法 主 要 有 以 下 几种 :
1. 水文地质比拟法 此类方法是以相似比拟理 论为基础建立起来的 ,它要求比拟地段的水文地质 条件与预测地段的水文地质条件相似. 在此基础上 , 用已知的相似水文地质条件的隧洞施工过程中的涌 (突) 水量资料 ,预测相似水文地质条件的新开挖隧 洞施工过程中的涌 (突) 水.
基岩地下水的赋存取决于控制基岩裂隙发育的 地层岩性条件和地质构造条件. 通常的裂隙水富水 带有 :含水带穿越脆性岩层或可溶性岩层的地段 ;褶 曲轴部的张力带或转折端 ;断裂交叉带或主支断层 的汇合 ;张性断层的构造岩带 ;压性断层两盘的影响 带及大断层两盘影响带 ;软弱岩层中的脆性岩脉 ;经 过后期构造变动的侵入接触等等.
在基岩山区 ,当构造破碎带顺河发育时 ,地表水 将源源不断入渗补给地下水 ;当构造破碎带顺山谷 出露时 ,雨季山谷的汇水将入渗补给地下水. 前者将 会发生长期大流量的涌水 ,后者仅在雨季发生大流 量的涌水. 当构造破碎带出露在山坡上 ,由于汇水条 件差 ,地下水接受补给困难 ,一般不大可能产生大流 量长时间的涌水.
隧洞涌 (突) 水分析与防治 Ξ
陈 南 祥1 ,杨 素 珍1 ,韩 玉 平2
(1. 华北水利水电学院岩工系 ,河南 郑州 ,450045 ;2. 河南省电力勘测设计院 ,河南 郑州 ,450007 ;)
摘 要 : 涌 (突) 水是隧洞施工中最常见的主要地质灾害问题之一. 根据国内外大量隧洞工程实例 , 从岩性构 造条件 、区域地下水赋存条件和水文气象条件等方面 ,分析了涌 (突) 水发生的一般规律 ,讨论了涌 (突) 水的分 类 (暂时性涌水和永久性涌水) 和预测方法 ,介绍了防治隧洞涌 (突) 水的工程措施 ,如灌浆法和冻结法等. 关 键 词 :隧洞 ;涌水 ;防治措施 中图分类号 :U455. 49 文献标识码 : A
1. 50
灰岩 ,大断层与轴线相交 ,破碎带宽 465 m ,岩
14. 30 650. 0
溶发育 ,富水
0. 32
花岗岩 、闪长岩 ,三条断层通过并与 300 m 外海
3. 73
30. 4
子水库相通
万之濑川 2 号引水隧洞 4 (日本)
翁格林 - 莱腾抽水蓄能 5 电站引水系统 (瑞典)
砂岩 、页岩 、砂质页岩混合构成 ,构造发育 ,岩
隧洞涌 (突) 水预测取决于对洞线及区域水文地
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华 北 水 利 水 电 学 院 学 报 1999 年 3 月
质条件的正确分析. 国内外大量隧洞及矿井涌水研 究表明 ,隧洞尤其是深埋隧洞涌水量预测方法目前 还不够成熟 ,总体情况是预测值与实测值误差超过 30 %的占 60 % ,且多数精确数学预测方法都需用经 验参数加以修正. 分析其原因主要有 3 个 : ① 对隧 洞线路区的水文地质条件的复杂性认识不足 ,对线 路区的水文地质未予查清 ,勘察精度不够. ② 对水 文地质条件概化不当 ,水文地质参数取值不妥. 水文 地质条件概化不当包括两个方面 :一是因水文地质 条件未查清楚 ,导致概化失误 ;二是虽条件已查明 , 而计算者概化不当 ,容易出现的问题是 :边界的位置 和性质不确切 、参数不准 、计算分区不当. ③ 观测试 验是否能跟得上.
2 隧洞涌 (突) 水分类及预测方法
2. 1 隧洞涌 (突) 水的分类 隧洞涌 (突) 水按涌水历时可分为暂时性涌水和
永久性涌水. 暂时性涌水是指隧洞施工掌子面发生 涌水的历时时间短. 通常是构造破碎带中赋存一定 量的地下水 ,但含水带与其他含水带连通性差 ,地下 水补给条件差 ,涌水点位于含水带补给区 ;永久性涌 水是指隧洞施工掌子面发生的涌水流量相对稳定 , 一直延续下去 ,这通常是构造带中的地下水丰富 ,有 稳定的补给源 ,或是构造破碎带相互之间水力联系 密切 ,而且涌水点又位于地下水的排泄区 ;突水是超 过正常排水能力的瞬时大流量涌水. 2. 2 涌水量预测方法
因此 ,对隧洞施工威胁最大的是断层破碎带段 的岩溶水的涌 (突) 水问题. 1. 2 区域地下水赋存条件
岩性构造条件是能否发生涌 (突) 水的地质基 础 ,是必要条件 ,但要确定涌 (突) 水的类型和涌 (突) 水量的大小 ,需从区域地下水的赋存条件来分析. 为 研究破碎带内地下水的基本特征 ,通常需把整个构
表 1 国内外隧洞施工中涌水情况统计表[2]
序号
隧洞名称
洞长/ km 最大埋深/ m
地质情况
最大涌水量/ m3·s - 1
天生桥二级水电 1 站 1 号引水隧洞 2 大瑶山铁路隧道
3 花果山铁路隧道
灰岩 、白云质灰岩 ,多条断层与洞线相交 ,破碎
9. 70
800. 0
带层宽度 5～15 m ,岩溶十分发育
坚硬岩层 ,沉积岩中的砂岩 、砾岩 ,绝大部分岩 浆岩地段. 构造条件表现为 :构造发育使岩体破碎 , 尤其是断层破碎带 ,岩体具有一定的贮水空间 ,渗透 性大 ;同时 ,断层破碎带起着贮水和导水两种功能. 在这样的地段 ,有发生涌 (突) 水的可能. 当构造不发 育 ,岩体完整 ,则不可能发生涌 (突) 水.
3. 数值法 在水文地质条件复杂地段 ,一般难 以获得解析式 ,数值法对水文地质条件有极好的适 应性 ,它是目前进行涌水量定量预测的一种较好的 方法. 它能真实地刻划水文地质模型的各种特征 ,能 够解决诸如含水层形状不规则 、含水层非均质性差 异大 、开挖条件的差异等复杂条件下的涌水量问题.
除以上预测方法外 ,还有诸如水均衡法预测 ;以 统计资料为基础的预测 ; 以水的涨落为基础的预 测等.
涌 (突) 水问题是隧洞施工中最常见的主要地质 灾害问题之一 ,也是隧洞运营中的主要病害. 据粗略 统计 ,我国 1988 年以前建成的铁路隧洞 (道) 有 80 % 在施工中遇到涌水问题 ,而在运营过程中还有漏水 、 渗水病害的隧洞 (道) 约占 30 %左右[1] . 如我国大瑶 山 铁 路 隧 道 施 工 中 的 涌 水 问 题. 隧 道 全 长 14. 295 km ,为国内第一长隧道 ,穿过的 F9 断层是区 域性大断裂 ,宽度达 465 m ,埋深 650 m 左右 ,石灰岩
20 世纪 70 年代 ,在隧洞防治水方面. 因地制宜 地提出了“以堵为主 ,堵排结合”的治水 、治泥的原 则. 这一原则既适用于隧洞施工衬砌前的涌 (突) 水 整治 ,也适用于衬砌后的防水治漏. 主要的堵水技术 措施有灌浆法和冻结法. 3. 1 灌浆法