對水利水電基坑巖溶涌水策略探究

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一、基坑巖溶涌水條件

基坑發生巖溶涌水的基本條件:一是巖溶發育，發育有與基坑連通的巖溶管道、溶蝕帶或溶蝕裂隙等;二是巖溶水動力條件，基坑低于汛期巖溶地下水位。

1.巖溶發育條件巖溶發育程度、規模及形態等，決定巖溶涌水的類型與規模。以下部位為巖溶涌水的重點部位，應加強分析預測。

(1)可溶巖與非可溶巖接觸帶。非可溶巖一般為相對不透水或弱透水層，其構成了巖溶發育與巖溶地下水活動的控制邊界，巖溶水往往沿此接觸帶匯集、徑流和排泄，易形成溶蝕帶、巖溶泉或暗河，易發生涌水。

(2)可溶巖中的不整合界面、斷層帶、斷層交匯帶、破碎帶、節理密集帶等形成的構造破碎帶。巖溶地下水也往往沿其集中徑流和排泄，是巖溶涌水的主要部位。

(3)巖溶管道系統或暗河系統。在巖溶發育地區，巖溶管道系統往往縱橫交錯，巖溶地下水接受水平和垂向補給，地下水位以下的管道或暗河常年有水，水量隨季節和降雨量變化大，涌水量大，處理難度較大。

2.巖溶水動力條件

根據巖溶水循環過程的水力學性質及伴隨的水動力特征，巖溶地區存在四個水動力帶，即垂直滲流帶(包氣帶)、季節變動帶、水平滲流帶(潛流帶)、虹吸滲流帶。巖溶區水利水電工程廠壩基坑處于巖溶水的季節變動帶、水平滲流帶或虹吸滲流帶內，季節變動帶、水平滲流帶的水流力學性質多呈重力梯度流，虹吸滲流帶的水流力學性質多呈壓力梯度流。季節變動帶發生季節性涌水，涌水量受降雨強度與降雨入滲條件控制，以洼地、落水洞、漏斗補給最快，且量集中、變幅大、突發性強，危害性也較大。水平滲流帶與虹吸滲流帶發生常年涌水，涌水量相對穩定。水平滲流帶一般為無壓涌水，虹吸滲流帶為有壓涌水。按出流形式分溶隙型涌水和管道型涌水，溶隙型涌水為滲流運動，涌水量相對小，管道型涌水，地下水運動呈匯流式，涌水量大，危害性大，處理難度大。

二、基坑巖溶涌水類型

基坑巖溶涌水分類，尚無統一的標準和原則，從不同角度和側重點出發，有不同的分類，概括起來有以下幾種分類:

(1)按巖溶水循環系統特征分為管道流涌水、擴散流涌水和混合流涌水;

(2)按涌水形式分為滲水、線流、股流、涌流;

(3)按巖溶水的運動帶分為季節變動帶涌水與飽水帶涌水;

(4)按巖溶水力學性質分為壓力流涌水和無壓流涌水;

(5)按巖溶水文地質結構分為斷裂帶涌水、層間涌水、接觸帶涌水和裂隙涌水等;

(6)按涌水動態變化特點分為水文型涌水、穩定型涌水及突發型涌水;

(7)按涌水量大小分為特大涌水(＞2.0m3/s)、大量涌水(1.0～2.0m3/s)、中等涌水(0.1～1.0m3/s)、少量涌水(0.01～0.1m3/s)、微量涌水(＜0.01m3/s)。

三、基坑巖溶涌水預測

較準確地預測巖溶涌水發生的部位及涌水量，對采取有效的防治措施、保證工程施工工期及施工與運行安全等有重要意義。

1.涌水部位與涌水類型預測

從巖溶地下水的補給、徑流及排泄關系看，巖溶區水利水電工程大壩與地面廠房基坑均處于巖溶地下水的排泄區，地下廠房基坑處于巖溶地下水的徑流～排泄區，巖溶發育;從巖溶地下水動力分帶看，巖溶區水利水電工程廠、壩基坑均位于巖溶地下水季節變動帶與飽水帶內，巖溶地下水豐富。巖溶區水利水電工程廠、壩基坑一般均存在不同程度的巖溶涌水問題，只是由于補給、徑流、排泄及巖溶發育程度不同而導致涌水類型、涌水量及危害程度不同。基坑巖溶涌水部位與涌水類型預測需通過巖溶水文地質測繪、物探、勘探、巖溶水文地質觀測與試驗及測試、巖溶水文地質分析等勘察方法和手段，在查明基坑所處巖溶水文地質單元、基坑巖溶水文地質結構、巖溶形態、規模及延伸情況、巖溶發育規律、巖溶水動力特征等巖溶水文地質條件的基礎上進行。

1.1涌水部位預測

基坑巖溶涌水部位主要根據巖溶發育規律進行預測。一般在下列地段易發生涌水:

(1)可溶巖與非可溶巖接觸帶、相變帶;

(2)可溶巖中的斷層帶、層間錯動帶、裂隙密集帶、溶蝕破碎帶;

(3)向斜、背斜核部;

(4)暗河、巖溶泉及巖溶管道系統發育帶。

1.2涌水類型預測

基坑巖溶涌水類型主要根據巖溶地下水循環系統特征與水動力特征進行預測。

(1)暗河、巖溶大泉、巖溶管道涌水類型為管道流涌水，常常產生大量涌水至特大涌水，危害性大，處理難度大，飽水帶存在虹吸管道時常產生壓力流涌水。

(2)斷層帶、裂隙密集帶、溶蝕破碎帶、層間錯動帶等涌水類型主要為擴散流涌水，一般為少量涌水，危害性不大，較易處理，在飽水帶有時產生壓力流涌水。

(3)巖溶管道與溶蝕破碎帶、裂隙密集帶等并存時，涌水類型為混合流涌水，既有管道流涌水，也有擴散流涌水，危害性大，處理難度大。

2.涌水量預測

基坑巖溶涌水量的預測，除了一般的裂隙性涌水量預測之外，主要的是集中管道性涌水預測和最大涌水量預測。巖溶涌水預測，首先應查明巖溶發育規律及水文地質條件，建立符合客觀實際的水文地質概念模型，它包括喀斯特含水系統的邊界條件、補給來源的地形地貌條件、巖溶化程度、巖體透水性、大氣降雨與地下水位變化、泉水的動態特征等水文地質參數，然后建立與水文地質概念相符的數學模型。基坑巖溶涌水量的預測方法有水均衡法、水文地質比擬法、水文地質解析法、水文地質數值法以及非線性理論方法等。常用的主要有水均衡法、水文地質解析法與水文地質比擬法。水均衡法是目前基坑巖溶涌水量預測的一種主要方法，它是應用水均衡原理，通過研究某一均衡區在一定均衡期內地下水量的收入與支出之間的關系，建立地下水均衡方程，從而計算預測基坑涌水量。其計算公式如下:Q=1000·a·A·Xd·86400S。式中，Q為涌水量(m3/s);A為均衡區集水面積(km2);a為入滲系數;X為降水量(mm);d為均衡期天數;S為涌入基坑水量占地下水徑流總量的份額。巖溶水賦存于溶蝕裂隙、巖溶管道中，以非均質和紊流為其主要特征。水均衡法是在考慮了這些特征的基礎上建立起來的，它回避了以松散介質中的孔隙水為均質和層流的理論為基礎建立起來的解析解和數值解。因此，在理論上用水均衡法預測基坑巖溶水量比用解析解和數值解更符合實際。但是在水均衡法的應用中，無論在理解上和參數的選用上都存在著很大的差別，其計算結果也顯然不同。關于集水面積，由于巖溶地區溶蝕通道縱橫交錯，含水性與透水性極不均一，存在巖溶水的襲奪，使得巖溶地區的集水范圍變得格外復雜，其巖溶地下水分水脊線往往與地形分水脊線不一致。故在計算集水面積A時，不能簡單按地形分水脊線圈定，必須在綜合研究巖溶水文地質條件的基礎上確定。

關于入滲系數，其受地形、植被、地下水位埋深、降雨狀況、巖溶發育情況及土石前期含水量的影響，傳統的作法是根據入滲條件在0.3～0.6之間選取，同一地區，不同的設計者可取不同的值，最大可相差1.0倍，隨意性很大。由于巖溶區地下水的補給主要是大氣降雨，因此可在巖溶水文地質單元內進行地表徑流量、降雨量及蒸發量的觀測，然后用最小二乘法求a值。當降雨量在一定范圍內時，降雨量與入滲量呈線性關系，計算入滲系數應在線性段取入滲量M，并把蒸發量Z視為變量，利用觀測資料以最小二乘法求入滲系數a:a=∑MiXi∑Xi2。式中，Mi為各次入滲量(mm)，其值為Xi－Yi－Zi;Xi為各次降雨量(mm);Yi為各次地表徑流量，換算為徑流深(mm);Zi為各次蒸發量(mm)。為檢驗變量M、X之間的線性相關程度，在計算之前應先求相關系數r:r=∑(Mi－M)(Xi－X)∑(Mi－M)2∑(Xi－X)槡2。一般認為當r大于0.7精度滿足要求，否則不宜采用。關于涌入基坑水量占地下水徑流總量的份額，如果基坑包圍了計算的均衡區巖溶地下水的整個排泄范圍，基坑涌水量為地下水徑流總量，即S=1.0;若基坑僅處于計算的均衡區巖溶地下水的部分排泄范圍，基坑涌水量則僅為部分地下水徑流量，即S＜1.0，S的取值必須在綜合研究基坑巖溶水文地質條件的基礎上確定。水均衡法最大的優點是適合于任何不同水文地質條件的基坑涌水量預測，但預測的準確程度取決于各均衡項和均衡要素的確定，只有提高各均衡項和均衡要素的精度，才能保證其預測精度。

四、結語

水利水電工程基坑巖溶涌水量的預測方法很多，但不同的方法都有其適用條件和各自的優缺點。不管采用何種方法，具體巖溶水文地質條件都是十分重要的，任何脫離了巖溶水文地質條件的數學模型和計算機方法都只能是數學或計算機游戲，不能一味追求方法的新穎而忽視方法的適用性，脫離具體的巖溶水文地質條件和勘察精度。根據巖溶發育的不均一性和復雜性以及勘探技術水平和水利水電工程勘察的特點，基坑巖溶涌水量預測應以水均衡法為主，同時選擇適合具體基坑巖溶水文地質條件和勘察精度的評價方法進行綜合預測。

作者：肖萬春單位：中國水電顧問集團