小浪底北岸灌区某隧洞F29断层承压水涌水数值模拟分析

李永新, 李向峰, 鲁 琴

(1.河南省水利勘测有限公司,河南 郑州 450003; 2.德州市水文局,山东 德州 253016; 3.郑州市市政工程勘测设计研究院,河南 郑州 450018)

小浪底北岸灌区某隧洞F29断层承压水涌水数值模拟分析

李永新1, 李向峰2, 鲁 琴3

(1.河南省水利勘测有限公司,河南 郑州 450003; 2.德州市水文局,山东 德州 253016; 3.郑州市市政工程勘测设计研究院,河南 郑州 450018)

针对小浪底北岸灌区某隧洞F29断层高位承压水涌水问题,采用三维数值模拟法研究多种工况条件下隧洞开挖过程的涌水量,进行涌水量和可能性预测及不同处理方案对比分析,提出合理的F29断层高位承压水处理方案建议。分析结果表明,不采取防渗处理措施情况下断层涌水量比断层影响带涌水量显著,但基本不可能发生突泥现象;采用隧洞内超前高压注浆防渗措施能有效减少隧洞的涌水量,在同一宽度的影响范围内,防渗截面面积的大小直接影响到涌水量的大小,灌浆截面越大,涌水量越小。数值分析成果为隧洞承压水处理提供重要参考依据,也为地质环境条件类似的工程提供借鉴。

断层;承压水;涌水;数值模拟;三维模型;注浆处理

隧洞富水性构造涌水对隧洞施工及后期安全运行有重大的危害性,随着工程建设的发展和隧洞长度的增加、埋深加大,深埋特长隧洞施工遭遇突水突泥已成为一种十分普遍和复杂的水文地质灾害。隧洞在开挖过程中,破坏了含水层原有的结构,同时使得地下水动力条件发生转变。隧洞涌突水多发生在渗透能力强、含水丰富及岩体破碎的地层中,尤其是褶皱或断层发育的地区,对地下水渗流通道的连通性和规模皆有较大的影响。隧洞施工涌突水不仅降低围岩稳定性,而且给施工带来很多不良影响,特别是在有大量高压涌突水的情况下,一方面会带来设备和仪器损失、投资增加、工期延误,甚至导致人员伤亡,酿成不可挽回的重大灾难事故。另一方面,为了解决地下水突水突泥灾害问题,采用过量排放隧洞涌水,常给隧洞经过地段带来生态环境改变和水污染问题。国内外学者通过对隧洞涌水量预测和隧洞涌突水处理技术的长期研究,已经取得了一定深度的研究成果[1-5]。但由于各地区隧洞富水性构造的地质条件千差万别,以上研究成果对具体工程的借鉴意义不大。

笔者采用目前国际上通用的三维地下水流模拟评价FLAC3D专业软件,针对小浪底北岸灌区某隧洞F29断层高位承压水问题,建立隧洞涌水三维数值计算模型,对隧洞涌水进行数值模拟计算和分析,并对承压水涌水注浆处理进行预测对比分析,为工程施工和涌水治理提供可靠基础。

1 F29断层影响带涌水计算模型

1.1 水文地质条件

小浪底北岸灌区某隧洞总长约6.9 km,隧洞地形属王屋山余脉的基岩丘陵区,洞室围岩地层为三叠系椿树腰组和三叠系谭庄组砂岩、泥岩和页岩。围岩类别为Ⅲ-Ⅳ类,岩性以较软岩类的砂岩、泥岩和页岩为主,岩体相对较完整,局部较破碎,山间多出泉水,岩层中地下水较丰富。断层F29是富水性构造,存在承压水,承压水最大水头高程为330 m,高出洞底约126 m[6-7]。

F29断层为正断层,走向325°,断层面倾向东北,倾角76°,断层带宽5 m,影响带宽约370 m,断层走向与设计隧洞线基本呈垂直相交。地质测绘表明,沿断层上盘,发育有大量塌滑体。F29断裂是导水断层,该断裂富水性较好,为隧洞西部山区地下水的渗流通道。断层上盘的钻孔XZS5-6、F29-1附近和F29断层东南端(下马池河村)沟谷段岩层裂隙发育,有数处地表水体分布,且丰水期有泉水出露,溪水常流。物探表明F29断层带存在高位承压水、裂隙发育、多层含水层等复杂水文地质问题[8]。区域地下水渗流场如图1所示,图2为隧洞F29断层带三维空间位置图。

图1 区域地下水渗流场Fig.1 Groundwater seepage field in the region

图2 隧洞F29断层带三维效果Fig.2 Three dimensional effect of F29 fault zone in tunnel

1.2 三维渗流计算模型

根据现场调查范围内地形图绘制三维模型图,鉴于现场地形高差较小,按照计算范围绘制模型地形不明显,将地形高差扩大10倍后绘出三维地形模型,如图3所示,从图上可以看出研究区内地形、构造、地层等的分布与切割关系。将断层F59和F54作为边界并切除后,整个三维计算模型如图4所示,此处高程按照实际高程进行绘制,隧洞作为内部模型嵌入整体模型中。

1.3 计算工况与参数选取

F29断层宽度5 m,F29断层影响带宽度范围存在不确定,前期勘测资料显示影响带宽度最大为370 m,作为参考分别取370 m、250 m、200 m、150 m宽度作为比较。三叠系谭庄组(T3t)地层计算长度1 040 m,三叠系椿树腰组(T3c)地层计算长度1 610 m。

图3 研究区地形及主要构造图(地形高程扩大10倍)Fig.3 Terrain and main tectonic map of the study area(10 times of elevation)

图4 计算模型剖分图Fig.4 Calculation model partition graph

根据钻孔压水试验统计结果,并参考隧洞开挖施工后现场涌水量统计,计算模型选取参数如表1所示。

表1 模型计算参数分析及参数取值

2 F29断层影响带涌水三维数值模拟分析

2.1 F29断层及影响带涌水分析

根据已经建立的三维数值计算模型,计算隧洞F29断层及断层影响带的涌水量(表2)。F29断层带宽度5 m总的涌水量为1 314.35 m3/d,单位宽度的涌水量为262.87 m3/d·m,断层影响带范围370 m的涌水量为2 593.70 m3/d,单位宽度的涌水量为7.01 m3/d·m。

表2 F29断层及影响带涌水量计算结果

不采取防渗措施情况下,研究区范围内的自由水面的基本形态为:断层影响带内不采取处理措施,按照断层带及影响带岩体的渗透差异特性,形成了研究区周边高,隧洞位置段低的马鞍形降落漏斗形势,表现在总水头上,形成由外到内椭圆形下降,靠近隧洞位置越近,水头越低,如图5和图6所示。

图5 总水头云图(F29断层影响带宽370 m)Fig.5 Total head contour (F29 fault influence bandwidth 370 m)

图6 F29断层剖面的自由水面位置(图中虚线)Fig.6 Free surface position of F29 fault section(blue liner)

剖开模型,选取隧洞及其周边一带范围内,总水头形成了环绕隧洞断面的同心圆,距离隧洞断面中心点越小,相对应的总水头越小,如图7和图8。

图7 隧洞周边的总水头云图Fig.7 Total water head contour of tunnel

图8 开挖隧洞一定范围内的总水头云图Fig.8 Total head image in a certain range of excavation tunnel

研究区水力坡降集中在隧洞周边一定范围内,靠近隧洞距离越近,水力坡降越大。图9中的A为水力梯度1.72的等值面图,B为水力梯度2.75的等值面图,B的范围明显比A要小很多,且水力坡降数值大,最大的水力坡降为5.94,集中在马蹄形隧洞的洞底脚部分,范围较小,隧洞周边大部分范围内的最大水力坡降在3左右,形成的最大动水压力59.4 kPa远远低于岩体的抗拉强度,不会产生岩体整体破坏。断层和裂隙岩体中存在一定的泥化夹层,可能发生管涌破坏。

图9 环绕隧洞周边的水力梯度坡脚等值面图Fig.9 Contour plot of hydraulic gradient around the tunnel slopeA.1.72;B.2.75。

研究区流速分布情况见图10,流速较大部位分布在断层带内,且主要集中在隧洞周边一定范围,最大流速集中在F29内的隧洞截面上,图10中的浅绿色等值面流速为0.389 m/d。计算结果表明,水流动的方向为从隧洞四周流向隧洞中心线。

图10 研究区流速矢量图Fig.10 Flow vector map of study area

2.2 F29断层承压水注浆处理数值模拟分析

针对隧洞F29断层高承压水段地质构造复杂、地下水压力高、涌水量大、存在突水等地质灾害问题。在经济合理、安全可行的前提下,地下水涌水灾害处理采取“超前预报、以堵为主、堵排结合、平行施工” 的原则。F29断层段高承压水处理方案采用高压水泥超前注浆施工处理,为了优化超前注浆范围,选取F29断层带宽5 m,断层影响带宽分别选取370 m、250 m、200 m、150 m和洞室断面注浆范围选取3 m×3 m、5 m×5 m等工况。计算模型剖分见图11。

图11 计算模型剖分图Fig.11 Partition graph of calculation model

采用FLAC3D进行三维数值计算分析,计算结果列于表3。

表3 超前注浆不同范围涌水量计算结果

各种工况下计算结果表明:采取不同范围的处理方案,会减少隧洞的涌水量。

从同一宽度的断层影响带的防渗效果看,在同一宽度的影响范围内,防渗截面面积的大小直接影响到涌水量的大小,灌浆截面越大,涌水量越小。如370 m宽的断层影响带,断层的涌水量受灌浆处理截面面积大小影响明显,最大减少量超过51%;而断层带灌浆处理截面面积大小影响而产生的减少量超过40%。

3 结语

本文通过三维数值模拟方法分析小浪底某隧洞断层承压水的涌水情况,研究多种工况条件下隧洞开挖过程的涌水量和可能性预测,并进行不同处理方案对比分析,得出结论如下:

(1) 依据隧洞断层承压水水文地质条件建立的三维数值计算模型计算出的断层带总涌水量1 314.35～1 298.32 m3/d,单位宽度的涌水量为262.87～259.66 m3/d·m;断层影响带范围的总涌水量为2 593.70～1 098.9 m3/d,单位宽度的涌水量为7.01～7.33 m3/d·m。

(2) 断层影响带内不采取处理措施,按照岩体的渗透特性,形成了研究区周边高,隧洞位置段低的降落漏斗型式,表现在总水头上,形成由外到内环形下降,靠近隧洞位置越近,水头越低。研究区水力坡降集中在隧洞周边一定范围内,靠近隧洞距离越近,水力坡降越大。隧洞的洞底脚部分水力坡降最大,形成的最大动水压力远低于岩体的抗拉强度,不会产生岩体整体破坏。断层和裂隙岩体中存在一定的泥化夹层,可能发生管涌破坏。

(3) 数值分析表明,洞内超前高压注浆能有效减少隧洞的涌水量。在同一宽度的影响范围内,防渗截面面积的大小直接影响到涌水量的大小,灌浆截面越大,涌水量越小。

(4) 根据隧洞断层承压水涌突水特征,建议以 “超前预报、以堵为主、堵排结合、平行施工”的处理原则,对F29断层高位承压水段采取超前注浆处理。防止隧洞涌突水地质灾害,加固洞室围岩,保护水环境和生态环境,利于当地居民的生活和生产。

[1] 崔浩东,张家发,邬爱清,等.雅砻江锦屏二级深埋隧洞围岩渗流特性初步研究[J].铁道工程学报,2011(7):83-87.

[2] 刘成明.隧道水砂突涌灾害及其治理方法的研究[D].重庆:重庆大学,2013.

[3] 刘丹,杨立中.利用环境同位素预测秦岭特长隧道的突水风险[J].西南交通大学学报,2003,38(6):629- 632.

[4] 刘辉.压气新奥法隧道施工中的渗流分析[J].岩石力学与工程学报,2006,25(3):584-589.

[5] 刘钦,李术才,李煜航.龙潭隧道F2断层处涌水突泥机理及治理研究[J].地下空间与工程学报,2013(6):1419-1426.

[6] 李永新,张健全.小浪底北岸灌区一期工程初步设计阶段工程地质勘察报告[R].郑州:河南省水利勘测有限公司,2011.

[7] 李永新,张健全.小浪底北岸灌区一期工程总干渠11#洞线地质比选工程地质勘察报告[R].郑州:河南省水利勘测有限公司,2012.

[8] 张毅,高拴会.小浪底北岸灌区一期工程总干渠11号隧洞F29断层探测项目物探报告[R].郑州:黄河勘测规划设计有限公司工程物探研究院,2014.

(责任编辑：陈文宝)

Numerical Simulation Analysis on the North Bank of the Xiaolangdi DamIrrigation Area of F29Fault Confined Water Gushing

LI Yongxin1, LI Xiangfeng2, LU Qin3

(1.HenanHydraulicEngineeringInvestigationandSurveyingCo.,Ltd,Zhengzhou,Henan450003; 2.HydrologyBureauofDezhouCity,Dezhou,Shandong253016;3.ZhengzhouMunicipalEngineeringSurveyandDesignInstitute,Zhengzhou,Henan450003)

On the North Bank of the Xiaolangdi Dam irrigation tunnel F29fault high pressure water gushing,water inflow in the tunnel excavation process by three-dimensional numerical simulation method under various operating conditions,water content and the possibility of prediction and analysis of different treatment scheme comparison,the paper puts forward reasonable treatment of fault F29high confined water.Analysis results show that don’t take impermeable fault water inrush quantity measures of treatment effect than the fault zone water inflow significantly,but would have been almost impossible to mud gushing phenomenon.The tunnel ahead of high-pressure grouting anti-seepage measures can effectively reduce the tunnel water inflow,within the sphere of influence of the same width,the size of the area of impervious directly affects the size of inflow,grouting section more,inflow of smaller and smaller.The numerical analysis results of pressure tunnel provide important reference for confined water treatment,but also provide a reference for the similar engineering geological conditions.

fault; confined water; water gushing; numerical simulation; 3D model; grouting treatment

2016-04-17;改回日期:2016-05-06

李永新(1970-),男,高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事工程地质勘察和岩土工程方面的研究工作。E-mail:1055663216@qq.com

U452.1

A

1671-1211(2016)03-0519-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.062

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.032.html 数字出版日期:2016-05-04 09:24