四道河子地区水文地质特征及隧道涌水量预测.pdf

第3 4 卷第1 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 4N o ．1 2 0 0 5 年1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g yJ a n ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 1 0 0 8 7 0 4 四道河子地区水文地质特征及隧道涌水量预测 杨子荣1 ，关卫军2 ，张忠永1 1 ．辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁阜新1 2 3 0 0 0 ； 2 ．辽宁水利水电勘测研究院，辽宁沈阳1 1 0 0 0 1 摘要依据地下水含水介质及类型，将地下水分为松散岩类孔隙潜水、断层破碎带孔隙裂隙水、 岩溶裂隙水和裂隙水；认为地下水主要接受大气降水和地表水补给，排泄以泉为主．对于隧洞穿 越的一般裂隙岩体，估计其每1 0m 洞长出水量 2 5L ／m i n ；对于隧洞穿越的大理岩区，由于洞室 埋深较浅和切割六河的F 。。等断层的影响，地表水与地下洞室之间的水力联系较密切，依据经验 解析法、规范法的涌水量计算，隧洞内断层破碎带处5 0m 洞长最大涌水量预计不超过1 6 0 ～3 3 0 m 3 ／h ． 关键词地下水；补给径流排泄；洞室涌水量 中图分类号P6 4 1 ．4 文献标识码A T y d r o g e o l o g i cC h a r a c t e ro fS i d a o h e z iA r e a a n dP r e d i c t i o no fW a t e r G u s hY i e l do faT u n n e l Y A N GZ i r o n 9 1 ，G U A NW e i j u n 2 ，Z H A N GZ h o n g y o n 9 1 1 ．C o l l e g eo fR e s o u r c ea n dE n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n g ，L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x i n ， L i a o n i n g12 3 0 0 0 ，C h i n a ；2 ．L i a o n i n gE x p l o r a t i o na n dP r o j e c t i o nR e s e a r c hI n s t i t u t eo fw a t e rC o n s e r v a n c y a n dH y d r o e l e c t r i c i t y ，S h e n y a n g ，L i a o n i n g1 1 0 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h eh y d r o g e o l o g i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea r e ai sr e s e a r c h e d ．T h eg r o u n d w a t e ri sd i v i d e d i n t op o r ep h r e a t i cw a t e ri nl o o s er o c km a s s ，f a u l tp o r e f r a c t u r ew a t e r ，k a r s tf r a c t u r ew a t e ra n d f r a c t u r ew a t e r ．T h eg r o u n d w a t e ri sr e c h a r g e dm a i n l yb ya t m o s p h e r i cw a t e ra n ds u r f a c ew a t e r ，a n d d i s c h a r g e dm a i n l yb yt h es p r i n g ．F o rt h e f r a c t u r e dr o c kb o d i e sp e n e t r a t e db yt u n n e l ，t h ew a t e r y i e l di se s t i m a t e dl e s st h a n2 5L ／m i np e r1 0m ．F o rt h el i m e s t o n ea r e ap e n e t r a t e db yt u n n e l ，t h e s u r f a c ew a t e ra n dt u n n e lw a t e ri sw e l lc o n n e c t e dh y d r a u l i c a l l yb e c a u s eo ft h es h a l l o wb u r i e dt u n n e l a n dt h ef r a c t u r e dz o n eo fF13f a u l tw h i c hc u tt h r o u g hL i u h er i v e r ．T h em a x i m a lw a t e rg u s hy i e l di s a b o u t16 0 ～3 3 0m 3sp e r5 0 mc a l c u l a t e d b yb o t ht h ee x p e r i e n t i a l a n a l y s i sm e t h o da n d t h e n o r m a t i v em e t h o d ． K e yw o r d s g r o u n d w a t e r ；r e c h a r g e f l o w d i s c h a r g e ；y i e l do ft u n n e lw a t e r 研究区输水工程为一跨流域引水工程，全长 8 5 ．4k m ，全部为地下隧洞自流式引水，洞径8m ， 年输水量达1 8 ．6 亿m 3 。该工程已经进行了初步设 计阶段的地质测绘，施工钻孔5 0 余个，为研究水文 地质条件提供了基础．现引水隧洞的支洞已经开 工，主洞涌水量的预计将影响隧洞的设计施工． 区域地质概况 1 ．1 地形地貌及地层 研究区为输水工程地下输水隧道的一段，地面 高程在2 9 0 ～7 5 0m 之间．区内西北部为山，东南 部主要为河谷，六河及牛毛河分别从两河谷流过 收稿日期2 0 0 4 0 7 1 1 作者简介杨子荣 1 9 5 1 一 ，男，吉林省农安县人，教授，从事地质工程方面的研究． 万方数据 8 8中国矿业大学学报 第3 4 卷 图1 ，河谷平坦开阔．本区岩性较单一，为下元古 界辽河群大石桥组 P t 。a 白色方解石大理岩、白云 质大理岩，盖县组 P t t 。。 黑云斜长变粒岩、浅粒岩 夹大理岩n ] ．河谷区为第四系冲洪积砂质黏土、砂 土及卵砾石层． 1 ．2 地质构造 褶皱构造本区与输水洞线相关的褶皱构造 为三道河子复式向斜，褶皱轴面走向7 5 ～8 0 。，倾 向S E ，倾角6 5 。．两翼倾角变化较大，轴部见直立 岩层．褶皱的核部为盖县组，两翼为大石桥组．发育 一系列次级复式背、向斜，宽缓型与紧闭型共存．晚 期核部伴随着酸性脉岩侵入． 断裂构造本区由于受庄河一桓仁断裂的控 制，使之总体断裂构造比较发育，主要断层有Fu ， F 1 2 ，F 1 2 - 1 ，F 1 3 ，F 1 3 _ 1 ，F 1 3 - 2 F 1 4 图1 [ 2 | ，断层多为压扭 性，破碎带由断层泥、构造片岩、构造角砾岩、碎裂 岩等组成、断层物质胶结较差，岩石破碎程度较 高‘3 | ． 1P t l dj 大石桥组 P L ，，1 盖县组i 西；正长斑岩| 蠢“{ 小岭组} b 。第四系{ 警l 钻孔 医；蕴噩匡i 习蠢I 竺泉 一i F ；永宁组[ ≯鲨；产状【；；墨地质界线 图1 输水工程I 洞线四道河子拉古甲地区地质略图 F i g ．1 T h eg e o l o g i co u t l i n eo fw a t e rc o n v e y a n c ee n g i n e e r i n gt u n n e l Ii nt h ea r e ao fS i d a o h e z i l a g u j i a 2 水文地质特征 区内的水文地质特征受气象、地形地貌、岩性 及构造控制．本区气候属大陆性季候风气候带，雨 季为7 ～8 月份，年平均降雨量为9 0 0m m ．大气降 水对地下水的丰枯程度及动态变化起控制作用． 2 ．1含水介质与地下水类型 本区由于经历多次构造运动，岩体断裂与裂隙 发育，裂隙节理风化带厚，据钻探及压水试验成果， 对于一般岩体而言，浅部岩体结构面受风化作用而 呈张开一微张状态，基本为弱透水一中等透水，其范 围一般在4 0i n 之内．弱透水岩体埋深一般在1 0 0 I T I 之内，形成汇集赋存地下水的裂隙空间．1 0 0I n 之外一般为微透水状态．构造的切割，促成构造裂 隙、岩溶裂隙与风化裂隙的连通，构成较强的含水 介质，是地下水获得渗水补给和赋存的场所．第四 系粉质砂土、砂土及砂砾石层存储孔隙潜水． 按地下水赋存条件与水力性质，将研究区内地 下水划分为4 种类型 1 松散岩类孔隙潜水主要分布于六河和牛 毛河河谷及支流谷地．河谷平原孔隙水含水层主侧 流分相明显，其厚度向下游有递增之势，并与地表 水的关系密切．牛毛河四道河子河谷段，主流相的 砂砾石层，厚7 ．7 5m ，涌水量为Q 一2 5 9 ．9 2m 3 ／d ， 渗透系数K 一5 6 ．8m ／d ．侧流相堆积的砂砾石层， 厚度7 ．2 6m ，涌水量为Q 一8 6 ．4m 3 ／d ，渗透系数 K 一9 ．9 4m ／d ． 2 断层破碎带孔隙裂隙水本区断层发育，特 别是F 。。，其破碎带宽超过5 0m ，且通过六河河谷， 与地表水形成较好的水力联系，破碎带以碎裂岩和 全风化大理岩为主，导水性较强． 3 岩溶裂隙水大石桥组白云石大理岩所含 地下水为水量贫乏的岩溶裂隙水．据勘探资料5 2 ．5 ～1 0 1 ．0m 深度内，2 0 段压水试验的透水率为q 一 0 ～2 ．6 0L u ，最大为4 ．6L u K 一0 ．0 4m ／d ，说明 地下岩溶不发育．地表岩溶现象较发育． 4 裂隙水深部裂隙一般紧闭，透水率一般 小于1L u ，透水性差．但在一些构造带，裂隙相对 较发育，往往可能和岩溶水或破碎带孑L 隙水相组 合，形成具有统一水力联系的流动的含水系统，形 成较大的泉．如四道河子无名泉．裂隙相对较发育 的部位正好在洞室上下，详见表1 ． 表1裂隙相对较发育位置统计 T a b le1P o s i t i o no fj o i n t sd e v e io p m e n t 王L 曼 塑鹰堡堡』翌型堕叁壹焦量』翌鋈查丝』些 K K l l 7 0 ．35 3 ～9 71 ．O ～7 ．8 4 K K l 28 6 ．0 6 5 ～9 90 ．4 ～0 ．9 K K l 4 1 1 7 ．28 5 ～1 2 50 ．2 ～1 ．8 K K l 5 7 5 ．77 5 ～8 70 ．1 ～0 ．2 K K l 67 1 ．16 6 ～8 4 K K l 82Z ZQ 2 2 Q 万方数据 第1 期杨子荣等四道河子地区水文地质特征及隧道涌水量预计 8 9 2 ．2 地下水补给、径流、排泄特征 由各种基岩构成的中低山与丘陵区，形成地下 水补给径流区．六河和牛毛河是最低地下水排泄基 准面，进而构成水资源浅循环的一部分． 2 ．2 ．1 地下水的补给特征 1 大气降水补给由于山高林密谷深，降水 是地下水最主要的补给源．大气降水的垂向渗入补 给，是区域各类地下水形成的主要因素．且本区山 上植被繁茂，浅部岩石裂隙发育，补给条件良好．地 下潜水与泉水流量季节性变化较大的特点，也证明 了这一点．四道河子以北河谷区，降水入渗率为 0 ．1 0 ，地下水径流量占河川径流量的2 3 ．4 ％，地下 水径流模数为7 ．6 1 1 0 4r f l 3 ／ a k m 2 ． 2 地表水补给本区河谷阶地发育，河谷为 水田，入渗强烈；在河床附近，地表水地下水联系紧 密．由于相邻河谷相对高差的存在，为地表水补给 地下水提供了条件．牛毛河和六河河谷之间的抽水 洞泉最具代表性，牛毛河通过断层破碎带补给地下 水而形成抽水洞泉． 2 ．2 ．2 地下水的径流特征 1 孔隙径流这种径流主要发生在3 个部 位山坡第四系覆盖物和风化带、河谷第四系及断 层破碎带．山坡带孔隙水的径流有竖向补给裂隙水 和沿坡向补给河谷孔隙水．由于坡度较大，同时覆 盖较薄，二者流速都较大，但竖向流量为主要部分． 竖向径流范围较小，径流路径短，动态及交替强烈， 但对深部无太大影响．河谷第四系地下潜流，分布 范围较小，但厚度大．由于河谷堆积物透水性强，地 下水坡降大于3 ％0 ，其地下水径流良好．对于断层 破碎带，由于分布极为有限，叉缺乏排泄去向，一般 径流较弱．但F ，。断层破碎带宽度大，透水率达 4 2 ．0 7L u ，可能产生较强径流． 2 溶隙径流溶隙径流即地下水通过岩溶裂 隙进行径流．其特点是水量大，分布极为不均． 3 裂隙径流裂隙径流是本区分布最普遍的 径流模式，特别是深部占绝对的优势，但其径流强 度都较小．山区裂隙径流路程较短，水力坡度较大， 径流强度相对较大；但深部径流十分微弱． 2 ．2 ．3 地下水排泄特征 1 泉排泄泉成为联系裂隙水、岩溶水及地 表水的纽带，最大的抽水洞泉流量达12 3 1 ．8L ／s ， 涌水量大于0 ．1 ～0 ．2Ls 的泉有9 个．这些泉大 多与构造有关，在构造破碎带及地形的影响下，以 岩溶或大裂隙为通道发育而成，其补给来源主要有 裂隙水和孔隙水，流量随季节动态变化明显． 2 其它排泄形式在没有集中通道形成的情 况下，地下水必然以泄流形式排向河谷，在区内各 沟谷都出现泄流．山区植被具有增大地下水补给和 加强植物蒸腾的双重作用，蒸腾是另一排泄方式． 3 隧洞涌水量计算 输水隧洞穿越该区最浅埋深为6 0I T l ，隧洞围 岩基本是微风化岩，多微弱透水．本区洞室部位一 般含水贫乏，发生大量涌水的可能性不大．对于～ 般裂隙岩体，根据相邻地质条件相似的富尔江隧洞 工程实测结果，在施工开挖过程中洞室多为渗水～ 滴水状态，估计其每1 0m 洞长出水量 2 5L ／m i n ． 但在三道河子一四道河子一带，隧洞埋深浅，断层 较多，分布于六河河谷中的F 。。，F ，。扪F 倍，断层富水 性较强，F 协。为张性断裂，破碎带发育，该区又以大 理岩为主，可能有岩溶发育，并都与地表水有水力 联系，预计其交汇点为本区最大涌水部位． 由钻孔资料及上述可知，F ，。，F 协，组合破碎带 可视为含水层，而河流与洞线交汇处，由于岩层透 水性很弱，不会有大的涌水发生，故只对断层洞线 处涌水量进行计算． 根据铁路供水水文地质勘测规范 T B J l 5 ～ 9 6 [ 4 ] ，隧道的影响半径R 可用下面公式计算 R 2 1 5 ．5 1 0 ．5 K ， 其中K 为等效渗透系数，取各点K 的几何平均， 本次计算中，直接利用Z K l l 钻孔资料，由压水试 验最大吕荣值求得，K 0 ．6 9m ／d ；已知隧洞和河 流的水平间距L 为6 0 01 T I ，则 R 2 1 5 ．5 5 1 0 ．5 0 ．6 9 5 6 7 ．71 T I ≤￡ 6 0 0m ． 故河流对洞室的影响不大，可视为一般边界条件处 理，则图2 可等效为图3 ． 图2 隧洞实际剖面图 F i g ．2 A c t u a lp r o f i l et u n n e l 图3隧洞涌水计算参数示意图 F i g ．3W a t e rf l o wc a l c u l a t i n gp a r a m a t e r s 万方数据 9 0中国矿业大学学报第3 4 卷 1 经验解析法E s ] 依据黄涛等对渗流与应力偶合环流下裂隙围 岩隧道涌水量的研究，给出经验公式如下 一瓦『麓 谢] _ 2 5 ．8 6m 3 ／d 一1 ．0 8m 3 ／h ， Q 啪o 5 0 x q ，一12 9 3m 3 ／d 一5 3 ．8 8m 3 ／h ， 式中吼为稳定单宽流量；酝瑚为5 0m 长隧洞的稳 定涌水量；B 为衬砌前洞宽，此处取洞径；H 。为水 位最大降深，此处取5 8 ．3m ；h 。为排水沟水深，此 处取h o 一1 ．0m ；H H o o ． 2 规范法 根据铁路供水水文地质勘测规范 T g J l 5 9 6 [ 4 3 1 隧道的稳定流量计算公式 q ，一K H 0 ．6 7 6 0 ．0 6 K 一2 5 ．6m 3 ／d 一1 ．0 7m 3 ／h ， Q m o 一5 0 x q ，一12 8 0m 3 ／d 一5 3 ．5m 3 ／h ， 2 隧道的最大流量计算公式 q o 一0 ．0 2 55 1 ．9 2 24 K H 7 7 ．3m 3 ／d 一3 ．2 2m 3 ／h ， Q o ’s o 一5 0 x q o 一38 6 5m 3 ／d 一1 6 1 ．0m 3 ／h ， 式中q 。为最大单宽流量；Q 。瑚为5 0m 长隧洞的最 大涌水量． 以上两法实际上都为经验公式，所以有时偏差 较大‘6 。．为了对公式适应性进行测试，选用南昆铁 路_ - j j I E 坡隧道涌水实例进行对比，两工程相关参数 及南昆工程计算和实测结果见下表2 c5 | ．由表中可 见，两工程地质条件基本相同，同时，南昆铁路工程 计算值基本能和工程实践相符合，故该公式可用于 本工程预测．结合以上几种计算结果，并考虑一定 的安全系数 取2 ，则该工程最大涌水量Q 呲。为 1 6 0 ～3 3 01 1 1 3 ／h ，稳定涌水量Q 啪。为5 0 ～1 1 0m 3 ／h ． 表2 工程参数类比 T a b l e2C o m p a r i s o no fe n g i n e e r i n gp a r a m e t e r s 4 结论 1 本区地貌单元属中低山区及河谷区，深部 可溶岩岩溶不发育，围岩弱风化，洞室绝大部分为 新鲜岩或微风化岩，属弱一微透水岩体，不会产生 大量涌水． 2 区内断层多为压性及压扭性断裂，断层物 质较密实，洞室部位结构面紧密，一般透水微弱，除 有断层的河谷下面隧洞相对浅埋段外，深埋断层带 亦不会产生大量涌水． 3 对洞室埋藏较浅，可能与河水有水力联系 的断层进行涌水量预计，位于六河河谷的F 。。断层 带内其5 0m 洞长最大涌水量为1 6 0 ～3 3 0m 3 ／h ． 输水工程隧洞在四道河子一拉古甲碳酸岩区施工 开挖过程中，可能发生大量涌水的部位很少，发生 突水的可能性不大，但对特殊区域如F ，。断层，应注 意突水的可能． 参考文献 [ 1 ] 辽宁省地质矿产局．辽宁省区域地质志E M ] ．北京地 质出版社。1 9 8 9 ． E 2 ] 关卫军，杨子荣，蒋福兴，等．大伙房水库输水工程I 洞线测区地质构造特征E J ] ．辽宁工程技术大学学报， 2 0 0 2 ，2 1 4 4 9 2 4 9 5 ． G u a nWJ ，Y a n gZR ，J i a n gFX ，e ta 1 ．T h eg e o l o g i c s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f D a h u o f a n g w a t e r c o n v e y a n c eT u n n e l Ia r e a [ J ] ．J o u r n a lo fL i a o n i n g T e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，2 0 0 2 ，2 1 4 4 9 2 4 9 5 ． [ 3 ]杨子荣，杨殿臣，张 力．辽宁省大伙房水库输水工程 1 洞线工程地质特征[ J ] ．辽宁工程技术大学学报， 2 0 0 2 ，2 1 4 4 8 0 4 8 2 ． Y a n gZR ，Y a n gDC ，Z h a n gL ．T h ee n g i n e e r i n g g e o l o g i c c h a r a c t e r i s t i c so f D a h u o f a n g w a t e r c o n v e y a n c eT u n n e l Ia r e a [ J ] ．J o u r n a lo fL i a o n i n g T e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，2 0 0 2 ，2 1 4 4 8 0 - 4 8 2 ． [ 4 3铁道部．铁路供水水文地质勘测规范[ M ] ．北京铁道 出版社，1 9 9 6 ． [ 5 3 黄涛，杨立中．渗流与应力偶合环流下裂隙围岩隧 道涌水量的预测研究[ J ] ．铁道学报，1 9 9 9 ，2 1 6 7 5 8 0 ． H u a n gT ，Y a n gLZ ．Ap r e d i c t i o ns t u d yo fw a t e r g u s hy i e l di nf r a c t u r e dt u n n e l su n d e rc o u p l i n gb e t w e e n s e e p a g ea n ds t r e s s E J ] ．J o u r n a lo ft h eC h i n aR a i l w a y S o c i e t y ，1 9 9 9 ，2 1 6 7 5 8 0 ． [ 6 3 王建秀，杨立中，何静．深埋隧洞涌水量数值计算中 的试算流量法[ J ] ．岩体力学与工程学报，2 0 0 2 ，2 1 1 2 1 7 7 6 1 7 8 0 ． W a n gJX ，Y a n gLZ ，H eJ ．T r i a lm e t h o df o r s i m u l a t i n gd i s c h a r g e [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a l o fR o c k M e c h a n i c a la n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 2 ，2 1 1 2 1 7 7 6 1 7 8 0 ． 责任编辑李成俊 万方数据