宜万铁路岩溶工程地质勘察技术成果

2．6．3　宜万铁路岩溶水系统

一、岩溶水系统的分类

岩溶水的地质结构类型决定了岩溶水赋存的多层、多单元的特征，难以构成单一（统一）的含水系统。

岩溶水的水动力类型反映了岩溶水在其流域范围内（独立的水文地质单元内）所具备的补给、径流、排泄体系及岩溶管道流（地下河）系统的特征。

宜万铁路工程区的暗河（管道流）系统根据其具备的规模、产出及流场特征等，将岩溶水系统划分成两类。

（一）河谷（槽谷）型暗河（岩溶水）系统

系统补给面积较大，多具备较大的河谷（槽谷）负地貌，多为较大型的暗河（流量较大的快速溶道流），具完备的河流特征。

（二）分水岭型管道流（岩溶水）系统

产出多局限于构造山地分水岭地区，汇水面积及规模相对较小，具备管道流特征；它汇集分水岭地区地表入渗水、降雨入渗水，并汇聚浅部岩溶发育带内的溶隙水合流成管道流。它汇聚溶隙水的过程呈缓慢渗流（慢速流），合成后的管道流呈快速流动（快速流）。

二、河谷（槽谷）型暗河（岩溶水）系统

宜万线工程区产出的河谷（槽谷）型暗河主要有白杨坪暗河、白果坝暗河、油竹暗河、小溪暗河、德胜场暗河等。

（一）白杨坪暗河系统

白杨坪暗河为长巴河北侧的一条支流。线路平行暗河展布，是全线对工程影响较大的暗河之一。

1．暗河区地质背景概况

白杨坪暗河地区出露地层有：T₁j碳酸盐岩，分布于暗河北侧台原和斜坡；T₂b碎屑岩等分布于暗河南侧斜坡和山地（图2－60）。

图2－60　白杨坪隧道区水文地质略图

1．地表河流；2．岩层界线；3．分水岭；4．暗河及出口；5．岩溶洼地；6．铁路线

白杨坪暗河地区为一向斜构造，由T₂b组成核部、T₁j组成翼部。暗河发育于向斜北翼T₂b（碎屑岩—阻水层）、T₁j（碳酸盐岩）的交界部位。

2．白杨坪暗河发育条件及特征

（1）白杨坪暗河地区出露的T₂b碎屑岩为阻水层，T₁j碳酸盐岩为强溶蚀地层，两者的接触处常是岩溶水富集的地区及岩溶地下水强烈活动场所，亦是强岩溶发育地带，这为白杨坪暗河发育提供了极好的地质、水文条件。

（2）白杨坪暗河分布于碎屑岩与碳酸盐岩交界的带状槽谷洼地，涉及的地貌可分成三个区：周家湾台地区、白杨坪溶蚀封闭洼地（谷地）区、林河—淹水坝溶蚀槽谷区。

①周家湾台地区。为碳酸盐岩溶蚀低山台地，标高700～760m；低山台地面状渗漏区内发育散布的溶蚀谷地、溶蚀洼地、溶蚀漏斗，成为降雨集中渗漏的地方，该区系暗河源头补给区，汇水面积约4km²。

②白杨坪溶蚀封闭洼地（谷地）区。该区南侧为T₂b碎屑岩组成的山地及陡坡（地层反倾的陡坡）；北侧为T₁j碳酸盐岩组成的分水岭圈闭的山地及顺层斜坡，该圈闭的山地构成马口河与白杨坪暗河的分水岭；东西两侧（槽谷纵向）为槽谷区内的纵向“小分水岭”；南、北、东、西圈围中间的低洼，即总体组成一个大型带状封闭洼地（谷地）。该溶蚀封闭洼地（谷地）位于碎屑岩与碳酸盐岩交界处，即是暗河发育位置。溶蚀洼地由多个洼盆、串珠状溶蚀漏斗（各自拥有一定的汇水面积）组成，封闭洼地总汇水面积约13．8km²。降雨沿两侧山地、斜坡渗流（地表、地下）汇入洼地低地、漏斗，或地表径流直接注入洼地中的漏斗，再汇入地下暗河。这些接受入渗水的洼地、漏斗即是暗河分布的地表标志。此段是暗河中段的补给、径流区。

③林河—淹水坝溶蚀槽谷区。此区发育于向斜弧形拐弯处的T₂b碎屑岩与T₁j碳酸盐岩交界部位，其溶蚀槽谷展布亦成弧形。槽谷区东侧为碎屑岩组成的陡坡（地层反倾），槽谷西侧为较宽阔的碳酸盐岩组成的“顺层斜坡”地区，槽谷低地由带状洼地和漏斗组成，是汇水集中入渗地带，亦是暗河所在位置。该区汇水面积约10．8km²，为白杨坪暗河下游补给、径流区，并通过该区向长巴河排泄。

（3）长巴河为白杨坪暗河就近的相对排泄基面，其水面标高（据长巴河大桥钻探资料）472．76m。

总之，地貌、岩性、岩溶、水文地质等提供了发育暗河的充分条件，如提供了补给源（总汇水面积28．6km2）、聚集汇水和暗河径流活动的场所、暗河排泄去处（相对排泄基面）等，使暗河具备完整的要素及独特的补给、径流、排泄等配套的流场。

3．白杨坪暗河的流量预测

暗河总汇水面积28．6km²，其中碳酸盐岩地区面积24．1km²、碎屑岩地区面积4．5km²；因暗河全程为伏流（入长巴河的排泄口亦被埋伏），缺乏流量观测资料，只有通过预测评估其流量，估测暗河暴雨期流量如表2－12、表2－13、表2－14所示。

表2－12　碳酸盐岩地区对暗河的补给量

表2－13　碎屑岩地区对暗河的补给量

表2－14　白杨坪暗河预测径流量

4．白杨坪暗河径流梯度

白杨坪暗河排泄基面为长巴河，水位标高472．76m，暗河白杨坪地段倒吊子大桥处（据大桥钻探资料）水位标高563．65m，两处相距约6 500m，其梯度为：

t＝（563．65－472．76）/6 500＝0．013 98＝14（‰）

可见，从暗河的汇水面积及其规模、暴雨流量、梯度、地貌特征等衡量，应属山区较大型的暗河。

5．白杨坪暗河谷地区（溶蚀封闭洼地地区）岩溶发育程度

（1）存在发育强岩溶的特殊条件

1）碳酸盐岩地层（T₁j）为强岩溶发育层，其上为碎屑岩（阻水层），此种组合为岩溶发育提供了特殊的地质条件：组合的岩性界面，有利于岩溶水在碎屑岩阻水层界面下的碳酸盐岩中汇聚，提供了岩溶水富集的场所，有利于地下岩溶水的活动，为长期强岩溶化提供了条件，因而在岩性界面地带易形成溶蚀低地（该处形成的溶蚀封闭洼地系长期强岩溶化作用的结果，是长期强溶蚀的标志）。

2）强岩溶发育的特殊地下水活动环境

①白杨坪暗河封闭洼地区（暗河谷地区）的汇水面积较大，为28．6km²。

②带状暗河谷地（溶蚀封闭洼地）承接暗河地表、地下各向的来水并汇聚于暗河主管道；暗河谷地及其碳酸盐岩区，岩溶发育，入渗量大，向暗河洼地渗入管道多，且畅通；相关的碎屑岩区陡坡段，补给水多以地表径流集中注入河谷漏斗洼地，汇入暗河迅速；因而接触带的地下水流的渗流活动强烈，相应地其溶蚀作用亦剧烈，岩溶化程度相应较高。

（2）岩溶发育深度及强度

白杨坪暗河封闭洼地区倒吊子1^＃大桥勘探资料表明，该地带地下岩溶水水位标高为563．65m，（其上、下游水位可根据暗河梯度推算）。水位以上为垂直渗流带，亦是垂直岩溶发育带，水位以下为暗河径流带，暗河腔体底部标高可考虑作为该区强岩溶发育相对底界。由于岩溶地下水汇聚集中于碳酸盐岩与碎屑岩（阻水层）界面条带状洼地，地下水在此汇入暗河的过程中形成活跃的斜向渗流、垂直渗流和水平径流，强化了岩溶化作用和加速了岩溶化进程；由于暗河不断下切，上述过程不断向地下深部发展，从而不断增强岩溶化程度和深度，使该带状区域成为岩溶化程度高、强岩溶发育较深的地区。暗河底以上的垂直渗流带的岩体因强岩溶化而解体，为松散土体夹大小不等、分布不均的残留岩块。相关工点所在处的强溶蚀深度如表2－15所示。

6．白杨坪暗河对工程的影响

东岳宫隧道出口至水田坝隧道进口间约4km的线路，平行展布于白杨坪暗河上方的带状洼地中，暗河及其周边独特的岩溶水文地质条件、强岩溶化岩体特征等，对工程必然造成影响（受其影响的主要工点有东岳宫隧道、南场隧道、南场中桥、白杨坪隧道、倒吊子1^＃、2^＃、3^＃、4^＃大桥等）。

（1）对隧道工程的影响评估。各隧道均置于表层松散层或强岩溶化岩体中。强岩溶化岩体因强溶蚀而解体，除保留部分极不均匀的残留岩块外，多成溶蚀土、溶蚀碎石（块）土，呈松散结构；该强岩溶化岩体深入隧道路肩以下相当深度，如南场隧道路肩以下50～57m，白杨坪隧道路肩以下58～60m（表2－15）。

1）强岩溶化岩体呈松散结构，围压大、来压快，易变形、塌方，浅埋地段易冒顶。一旦塌方、冒顶，将增加处理难度；

2）隧道底部因该强岩溶化岩体松散、工程特性复杂、强度较低且不均匀，隧道基础、支护结构需特别处理。

表2－15　各工点强岩溶发育深度一览表

①对东岳宫隧道的影响。该隧道位于白杨坪暗河上游，临近暗河的斜坡补给、排泄区，白杨坪暗河不断深切，发育较深的垂直渗流带，岩溶发育深度较大；随着白杨坪暗河不断下切，其隧道上方的暗河上游斜坡补给区、排泄区的地下溶隙流、管道流亦随之不断摆荡下切，于其摆荡范围内相伴发育水平向、垂直向的岩溶，形成不连续的、不均匀的、极为复杂的岩溶体系。因此，隧道将穿越强岩溶化软弱岩体、遭遇留下的岩溶空间体系（充填或非充填管道、腔体）、充当岩溶水的过水通道，使隧道设计、施工复杂化。

②对南场隧道、白杨坪隧道的影响。两隧道洞身皆穿越具一定汇水面积的封闭漏斗洼地及其该洼地暗河上方的强溶蚀带，封闭漏斗洼地汇水面积的降雨形成的地表径流、降雨入渗水皆注入和汇聚于漏斗，经过隧道再汇入深部暗河。隧道过水量计算如表2－16所示。强岩溶化松散岩体经入渗水的浸泡和渗流活动将改变其物理力学特性，降低其强度，带走细颗粒，形成空隙、空洞；引起隧道周边围岩压力的反复改变，围压来压快，导致大变形、大塌方。施工中频繁发生坍方，如南场隧道DK193＋558～＋572于2007年8月9日发生突发性冒顶坍方，地面形成14m（纵长）×12m（横宽）×10m（深）的陷坑。上述降雨注入漏斗后经流隧道周边再汇入暗河的渗流活动过程，即使隧道建成后仍将长期存在，应慎重考虑此不良影响，若处理不当，将留下隐患。

表2－16　隧道过水量计算表

（2）对桥梁工程的影响

1）暗河水位标高以上的强岩溶化岩体为极不均匀的松散结构体和残留岩块的复杂组合体，对岩体的勘探控制程度和充分研究评价，直接影响桥基础类型的选择。

2）强岩溶化岩体发育深度受暗河水位和暗河底标高控制，该深度范围内强溶蚀岩体中的溶蚀残留土、溶蚀残留岩体（块）分布不均匀和各向异性，均影响持力层的选择；若选择“强岩溶化岩体”中分布不均匀的“残留岩体（块）”作持力层时需特别慎重。在确定勘探点数量和勘探深度时应充分考虑其复杂变化的特性，确保其作为持力层应有足够的安全宽度和厚度，若勘探控制不严、稍有不慎，造成误判将留下隐患；若强岩溶化岩体范围内“残留岩体（块）”难以作持力层时，则柱桩需深入地下50～75m非强岩溶化（完好）岩体中，增加对采用柱桩可行性的不利条件；能否做摩擦桩或采取其他处理措施，取决于对强岩溶化岩体的物质组成、物理力学特性、强度等资料的搜集和评价。例如：倒吊子1^＃大桥宜昌台定测时（施工图）情况（表2－17）及施工过程中出现的变更情况（表2－18）表明：

表2－17　倒吊子1^＃大桥宜昌台钻孔及柱桩设计情况表

表2－18　1^＃～8^＃柱桩变更设计情况表

①强岩溶化岩体发育较深，大于70m，可达563．65～549．55m标高；

②因为勘探点数量、深度不够，对强岩溶化岩体中的“残留岩体”控制不严密，误选作持力层，造成实际情况与设计不符，引起设计变更。

（二）白果坝暗河系统

1．暗河基本特征

（1）主暗河产出于云雾山背斜西翼寒武系三游洞组（∈₃sn）白云质灰岩、白云岩中，地貌为大型溶蚀槽谷，其走向与地层走向一致。槽谷东侧、南侧为志留系碎屑岩组成的海拔1 200～1 300m的高山，西侧为由寒武系地层组成的云雾山背斜山地，海拔1 500～1 600m，三向高地围绕槽谷围合圈闭组成槽谷的分水岭，组成暗河的汇水边界。

（2）白果坝暗河三边（东、南、西）分水岭（汇水边界）圈围的汇水面积约150km²，汇水面积范围内的降雨入渗水即为暗河的补给源，主要通过如下途经汇入暗河：

1）东部志留系碎屑岩地表水溪流进入寒武系碳酸盐岩后注入地下的径流水，连同东部寒武系碳酸盐岩自身的入渗水，沿强势横向（NWW）裂隙发育的溶道（溶隙管道、主暗河的支流），汇入主暗河（图2－44）；

2）主暗河西侧背斜山地、山地斜坡降雨入渗水沿层面或横向裂隙（溶隙及溶隙管道）东流汇入主暗河，构成支溶隙管道流；

3）南部碳酸盐岩山地斜坡降雨入渗水通过溶隙、溶隙管道汇入主暗河。

（3）暗河的发育方向受地层和N40°～50°E纵张裂隙控制，暗河沿走向径流于恩施盆地边缘（龙麟宫出口）排出，之后转成明流。主暗河的汇水面积150km²，径流长约20km，出口标高490m，枯水期流量约800（L/s），丰水期最大流量可达200 000（L/s）。

（4）暗河的发育过程中，得到周边山地的较大汇水面积的补给，由主暗河、支暗河、支管道构成树枝状暗河系统。主暗河不断深切过程，记录了整个暗河系统的径流活动、变迁及其伴生的岩溶发育历程，“V”形槽谷两岸作为主暗河的排泄区，随着深切过程中岸坡伴生多层叠置或连续伸延的溶道（溶洞）层，多为无充填（空腔）、半充填、全充填状态。目前的暗河槽谷为干谷，暗河水位在地表以下30～70m。

（5）主暗河槽谷及其管道都产出于寒武系三游洞碳酸盐岩组中，沿地层走向发育。补给、径流、排泄具褶皱构造翼部均匀型－远基排泄水动力类型特征。

2．暗河对工程的影响

线路走行于近暗河槽谷两侧的陡岸斜坡，难以躲避岸坡发育的多层岩溶洞穴，而且多为中、大型洞穴（溶腔），对线路隧道、桥梁、路基工程都造成不同程度的危害。

（三）油竹暗河特征

（1）暗河发育于志留系碎屑岩与二叠系（栖霞组、茅口组）碳酸盐岩的交界处，交界处地貌为槽谷，槽谷两侧的志留系碎屑岩（东侧）、二叠系碳酸盐岩（西侧）组成两排延绵的山峰，并于南侧连接构成三向合围的分水岭，山体及槽谷走向与构造线方向一致；其东西两侧分水岭山峰间宽1．5～2km，槽谷低地宽100～200m，整个槽谷长18km，槽谷（暗河）汇水面积23．1km²（入口上游13．35km²，入口下游9．75km²）（图2－61）。油竹暗河为就近区域的岩溶水相对排泄基面。

（2）暗河的补给。暗河汇水面积范围的边界为东、南、西三向圈围的分水岭，其圈围的面积约23km²，暗河主要由该汇水面积范围内的降雨入渗补给，其分割项有：

1）志留系碎屑岩地区汇水面积范围内降雨补给。以地表山体斜坡面流、沟谷线流等注入槽谷，并以降雨入渗后形成的地下裂隙水渗入槽谷等形式补给暗河。

图2－61　油竹区水文地质略图

1．地表河流及流向；2．断层；3．地层界线；4．分水岭；5．暗河及出口；6．泉水

2）碳酸盐岩地区降雨入渗补给。来源于①槽谷汇水面积范围内的降雨入渗水；②该汇水面积外部即西侧碳酸盐岩山区地下岩溶水通过构造裂隙、溶隙向油竹暗河排泄的岩溶水。

（3）暗河的径流及流向。油竹（入口）上游槽谷（暗河）的位置偏于碎屑岩与灰岩交界处的志留系碎屑岩侧，该处槽谷虽有渗漏但一般产生明流，明流于线路左侧（沿槽谷朔上）5．5km的油竹处注入地下（入口标高1 264m）成暗河；入口下游至车坝河段的槽谷（暗河）位置偏向于P₁q、P₁m灰岩层中，槽谷渗漏严重，完全成干谷，暗河潜伏于地下；潜伏于地下的暗河分成两部分：①沿干槽谷径流向车坝河排泄（此处排泄口的排泄量难以量测）；②潜伏的槽谷暗河通过溶隙等通道与茅口组（P₁m）原有的“古岩溶储水层”沟通并给于补给，形成槽谷暗河，沿“古岩溶层”中的溶隙管道走向向跨岩湾（以大泉形式）排泄，流量的1～10m³/s。马鹿箐隧道进口于吴家坪组炭质页岩下部的茅口组灰岩PDK251＋940处遭遇溶隙管道涌水，采用帷幕注浆封堵时，注浆液串至跨岩湾大泉，浆液使泉污染，暗河的流向得到证实。

（4）暗河东侧碎屑岩组成线状分水岭，其顺层斜坡及西侧灰岩地区都未见深远的溶蚀沟槽或支沟，因此，油竹暗河不存在多条大型支暗河，仅为简单的暗河系统。但暗河下游与二叠系茅口组“古岩溶层”连通，构成分支管道流。

（5）对隧道的影响：主暗河槽谷以桥渡跨越，隧道避开了主暗河的影响；但隧道施工遭遇与暗河沟通的P₁m“古岩溶含水层”（支管道流）造成涌水，但实施完全封堵加固后已取得成功，基本消除其影响。

（四）小溪暗河系统特征

（1）暗河位于金子山复向斜的次级向斜核部，主暗河产出于嘉陵江组灰岩中。

（2）主暗河区域构成由低丘、溶蚀洼地等组成的槽谷，其补给范围为东、南、西、西北端山地围圈构成的分水岭边界，面积达287．5km²（碳酸盐岩区240．25km²、碎屑岩区47．25km²）。

（3）暗河汇水面积内的降雨入渗水，通过储水介质的运移，汇聚成多条管道流，并分别排入主暗河，东边有小马滩→龙潭→蝌蚂口→主暗河的支管道、鸟腊河→狮子口→主暗河的支管道、大坪→狮子口→主暗河的支管道、长庆支管道等；南部有岳武坝→猫儿洞→主暗河的支管道等；西北部有团堡→主暗河的支暗河。它们与主暗河构成“树枝状”结构（图2－25），组成完整的补给、径流、排泄的暗河系统。主暗河径流长大于15km，主暗河出口流量（雨季）大于135 000（L/s）。

（4）水动力类型为均匀型向斜构造（负地形）——远基排泄型。

（5）对工程的影响：该暗河系统各区段、各部位的流场特征和岩溶水文地质条件存在明显差异，影响线路穿越暗河周边的分水岭位置、跨越主暗河槽谷区的位置的综合最佳线路方案的选择。补给源于分水岭高位、径流于山体斜坡段的支暗河对隧道将造成影响。

（五）德胜场暗河系统

德胜场暗河位于齐岳山背斜近核部的西翼，为较大型的暗河。

图2－62　航片拍摄德胜场槽谷平面形态图

1．西流水—德胜场—石芦河大区域槽谷特征

该槽谷位于齐岳山背斜西翼，顺碳酸盐岩与碎屑岩岩性界面发育，呈狭长带状展布（图2－62）。从槽谷自身的分水岭（西流水），循构造线方向北延至横向切割构造线的石芦河，槽谷全长近68km。槽谷东侧为碳酸盐岩组成的山地台原和斜坡，西侧为T₂b碎屑岩组成的山地。从特征差异可区划成两段。

（1）西流水—响水洞段。为德胜场暗河所在槽谷段。槽谷南端自身分水岭、东侧山地台原、西侧脊垄山地三向合围，只北侧敞开。敞开的缺口处即是德胜场暗河的出口，合围的范围即德胜场暗河发育的场所，纵长30km，汇水面积95km²（其中碎屑岩区汇水面积19km²），如图2－4所示。

（2）响水洞—石芦河段。整体上仍是槽谷，但不断被横向溪沟切穿西侧碎屑岩的脊垄，形成间隔廊道式缺口，构成敞开式的槽谷，也是地表径流和地下岩溶泉水排泄缺口。该段槽谷东侧汇水面积约80km²。

2．德胜场暗河（西流水—响水洞段）特征

（1）暗河形成条件

①地貌处在三围合抱的狭长槽谷低地，汇水面积大（95km²），既有利于汇聚两侧山地降雨形成的地表水流直接注入，也有利于两侧山地地下岩溶水和裂隙水的汇聚。

②槽谷处在碎屑岩和碳酸盐岩的交界处。碎屑岩为阻水层。较大面积的碳酸盐岩发育的岩溶水，向槽谷区运移受阻于阻水层而富集，易形成带状富水。

③齐岳山背斜褶皱的走向裂隙（层间裂隙和纵张裂隙）、横向张裂隙，是岩溶发育的主控裂隙构造，也是岩溶水向槽谷运移的主要通道；槽谷区发育的走向断层纵贯槽谷，断层裂隙不但导水、储水，而且有利于水动力循环，有利于岩溶、岩溶水向纵深发育和运移。

地貌、岩性、构造都促成槽谷带状富水，在排泄基面控制的地下水动力条件作用下，形成岩溶管道流和暗河是必然的。

（2）暗河的补、径、排特征

①补给源。德胜场暗河补给边界为：东部边界为山地台原分水岭，西部边界为由T₂b碎屑岩阻水层构成的分水岭，南西边界为槽谷纵向自身分水岭，总汇水面积96km²。该范围内的降雨为暗河的主要补给来源：

降雨于槽谷自身面积内直接入渗或汇流通过洼地、消水洞入渗补给暗河；

西侧T₂b碎屑岩斜坡区通过产流注入槽谷消水洞补给暗河，东侧T₁j碳酸盐岩斜坡范围的降雨通过入渗汇入槽谷、洼地等补给暗河；

台原区通过降雨入渗→通过横向裂隙或横向管道流→汇流德胜场槽谷→补给暗河。

②径流路径。径流路径如图2－63所示。

③排泄。德胜场槽谷（西流水—石芦河约68km）沿途有较多排泄点（泉或暗河出口），较大者有数处，如表2－19所示。

表2－19　德胜场暗河排泄点一览表

德胜场暗河产于西流水—响水洞三向（南、西、东）封闭的槽谷地段。具典型的暗河特征，由明流转至伏流（天阴桥伏流），有天窗，有补给消水洞、漏斗、洼地等，是暗河的补给点，亦是暗河存在的地面标志和暗河排泄方向的指向标，其排泄方向从西流水槽谷自身的分水岭沿纵向槽谷→唐家坝（排泄点）→响水洞（暗河出口）（图2－4）。其梯度如表2－20所示。

图2－63　德胜场暗河区径流路径示意图

表2－20　德胜场暗河梯度表

从表2－20可以看出：分段计算暗河梯度时，天阴桥至唐家坝段梯度较小，为3．93‰，唐家坝至响水洞段相距9km，其落差达390m，梯度较大，为43．33‰，似存在“跌水”，如果不分段，从天阴桥伏流至响水洞其梯度为19．35‰，则与一般山区暗河梯度基本相符。可见唐家坝出水点标高不在该统一的梯度范围内，应属暗河的上层水。响水洞则主要为下层暗河的出口，因此隧道附近可能存在两层岩溶水管道流，推测它们在隧轴位可能出现的标高如表2－21所示。

表2－21　暗河与隧道相交处标高计算表

若西流水至响水洞段存在两个不同高程的地下管道流，则它们按照各自的梯度向排泄点运移，但皆向响水洞排出。

（3）槽谷岩溶发育深度（响水洞暗河出口排泄基面控制的水动力剖面垂直分带）

根据唐家坝岩溶大泉和响水洞暗河出口排泄基面控制的梯度推算隧道轴位两个岩溶发育的标高为1 302m、1 113m（表2－21），德胜场暗河（西流水—响水洞）发育深度（暗河出口排泄基面控制的岩溶发育深度）的分析判断：

①槽谷东侧斜坡为T₁j的泥质灰岩（相对阻水层），西侧为T₂b的碎屑岩（阻水层），槽谷部位为可溶岩（夹于两阻水层之间）；有大型纵向断层，有利于汇水，有利于岩溶水往深部延伸发育。

②天阴桥暗河入口流量为2 581（L/s），响水洞暗河出口流量为4 592（L/s），入口流量占暗河出口（总）流量的1/2，而天阴桥入口受汇面积仅占总汇水面积的1/5；入口下游至泄水洞出口汇水面积占暗河总汇水面积的4/5，但产流量仅占暗河总流量的1/2，在槽谷地质结构和岩溶发育条件相近的情况下，两段相比，说明天阴桥至响水洞段的受汇面积（较大）与相应产流量（偏小）不成比例，可能存在往深部的入渗。

③天阴桥入口→伏流（暗河）→响水洞暗河出口段，沿途于2002年4月16日～20日测量的岩溶泉总流量为5 210（L/s）（这些泉涌出后再补给槽谷地下暗河），同期测得暗河出口流量为4 690（L/s），流出量比补给量少520（L/s），说明往深部有漏失。

以上说明德胜场暗河槽谷范围的汇水存在往深部的渗漏，较深部存在储水的岩溶空隙并可能存在缓慢的渗流活动。

④钻探验证情况如表2－22所示。

表2－22　德胜场槽谷钻探成果一览表

钻探验证表明：

充水岩溶管道发育标高为1 302～1 297m，与推测上层岩溶管道流标高（1 302m）接近；

1 297～1 114m标高段为溶洞—溶隙充水，而较密集者分布在1 219～1 114m的标高段，应与推测的下部充水层（汇流成管道流、1 113m标高段）相当；

下部充水层以下属溶孔—溶隙充水，推测标高可达1 060m或更深，归第三含水层，即深部含水层。

3．岩溶水对隧道的影响

（1）设计图预测隧道穿越德胜场溶蚀槽谷段DK364＋650～DK365＋215共565m，其中泥灰岩（DK364＋650～DK364＋926）276m，为相对阻水层，少水，属稳定性较好的地段；灰岩（DK364＋926～DK365＋095）169m，为岩溶水地段；断层带为破碎岩裂隙充水、破碎软弱围岩易变形失稳地段，如图2－64所示。

图2－64　得胜场槽谷纵断面图

（2）岩溶水段（169m）的隧道位置与充水层关系及其对隧道的影响。隧道与岩溶水的位置关系如表2－23所示。垂直向充水类型为：地表标高1 343．14m（Jz－Ⅲ－齐3）；溶洞管道充水层标高1 343．14～1 290m；溶隙管道—溶隙充水段标高1 290～1 114m；溶隙—溶孔充水段标高1 114～1 015m。隧道标高1 070m，隧道处在溶隙—溶孔充水层中。距溶隙管道—溶隙充水段底44m，距溶洞管道充水层底227m。

第①、②充水层为具网络特征的充水层，充水管道间的联系在某些地段微弱，而在某些地段强烈，此是岩溶发育不均性的必然反映，但相互联系总体应是较密切的，只是程度差异而已。

第③充水层的充水空间受岩溶发育程度控制，溶隙、溶孔在层内贯通性差，与上层②的联系通过溶隙、裂隙勾通亦较差，当然也不排除个别较大的裂隙（溶隙）与上层勾通，形成局部单管式的顺畅联系通道。

表2－23　隧道与岩溶水的位置关系

处在第③充水层中的隧道，虽该层充水空间有限，涌水也不致太多，但由于③层与①、②层有着一定的联系，隧道开挖仍将产生以下影响：

1）隧道底距②充水层底约44m，隧道顶距②充水层底约34m。上部②、③充水层的水通过其水柱压力仍可通过隧道洞周边的溶隙、孔隙压入隧道，通过个别的较大裂隙导入隧道。

2）隧道开挖通过洞内排水，不断疏通隙道，导致与②充水层较多的勾通，将更多的②、①充水层的水导入隧道，增大涌水量，局部地段可能造成不同程度的危害。

3）F11对隧道的影响，F11断层为大型、区域性压扭性断层，岩体破碎，成散体结构。岩溶水使断层松散岩体软化，极易变形坍方；岩溶水可通过断层裂隙导入隧道，可能引起集中涌水。

（六）河谷（槽谷）型暗河系统主要特征

概括上述暗河的情况，可综合归纳河谷（槽谷）型暗河的基本特征如下：

（1）水动力类型多为均匀型褶皱构造—远基排泄型。

（2）河谷（槽谷）的周边山地分水岭圈闭的汇水面积大，形成的暗河多为相对较大型的暗河，暗河流程长，多为区域性岩溶地下水的排泄基面；除主暗河外，发育多条支暗河（支管道），平面呈“树枝状”。

（3）暗河的流量大，动态变化亦大，显山区河流特征。

（4）多产出于碳酸盐岩地层与阻水层的交界处，如白杨坪暗河、德胜场暗河、小溪暗河沿嘉陵江组灰岩与巴东组碎屑岩的交界处发育，油竹暗河发育于志留系碎屑岩与二叠系（栖霞组、茅口组）灰岩的交界处；多沿均匀型碳酸盐岩的走向（顺层）发育，如白果坝暗河沿寒武系三游洞群灰岩层间走向发育。暗河产出的地层多为均匀型纯碳酸盐岩，多遭强岩溶化，易形成强富水区（带），易汇流成暗河。

（5）暗河低地良好的聚水条件及其聚水过程中的强力水营力作用，促使暗河不断溶蚀削低标高，向纵向、横向、竖向扩展延伸，不断扩大河谷的空间，使其具备一定的河谷（槽谷）规模。

（6）岩溶水文地质复杂，对工程影响较大。

三、分水岭型管道流（岩溶水）系统

（一）分水岭型暗河系统基本情况

分水岭型暗河发育于山区分水岭地区，越岭隧道遇到的多为此类型暗河，其基本情况如表2－24所示。

（二）分水岭型暗河系统基本特征

从表2－24中的基本情况可知：分水岭型暗河多发育于褶皱构造山地分水岭地区，与河谷（槽谷）型暗河显著不同，而独具其特征。

（1）分水岭型暗河发育于分水岭山地，汇水面积较小，一般仅数平方千米至十几平方千米，径流流程较短，流量相对不大，但动态变化大。

（2）分水岭型暗河水动力类型多属褶皱构造—近基排泄类型，地表无明显的、成连续延展的槽谷，为多个单体封闭洼地、漏斗等串联式连接；补给源为封闭洼地、漏斗及其周边低地涉及的汇水面积内的降雨入渗补给，补给源明确，径流路径简捷，构成简单的管道流（单管式管道流）。

（3）分水岭型暗河发育于分水岭山地，暗河方向多受岩层走向、倾向、褶皱轴向控制；暗河梯度多受岩层倾角及排泄基面标高制约，路径较短，为近基排泄。其排泄基面控制的水动力剖面涉深不大，多为50～150m，而隧道越岭多埋深较大，一般大于200m，因此，此种暗河一般情况下多位于隧道上方，对隧道的影响较小。但以下情况可对隧道造成危害：

1）隧道进、出口埋深较浅的地段，处于浅部岩溶含水带（排泄基面控制的水动力剖面范围内），可能直接与暗河遭遇，如别岩槽隧道出口与庙坪暗河遭遇。

2）深部隧道通过断层、古岩溶层、层间裂隙破碎带等将浅部暗河导入隧道，如野三关隧道出口通过上述途经将3^＃暗河导入隧道。

3）分水岭单管式—远基排泄型的暗河，因其路径受结构面（层面）限制，难以向就近的排泄基面排泄，而导入较深部向远基排泄，隧道可与其“不期而遇”，如马鹿箐隧道遭遇的大坪暗河。

（三）隧道遭遇的分水岭型暗河实例

1．别岩槽隧道出口遭遇的庙坪暗河

别岩槽隧道全长3 721m，为深埋复杂的岩溶隧道。2004年9月11日于出口DK406＋422遭遇庙坪暗河，引起突发性涌水，将暗河导入隧道。

（1）基本地质背景

1）隧道穿越由嘉陵江组（T₁j）组成核部的NE向“箱型背斜”，核部地层宽缓（组成台原山地）、两翼较陡（组成斜坡）；区域茨竹垭断裂断于T₂b（巴东组碎屑岩）与T₁j（嘉陵江组灰岩）间，并斜切背斜轴，断裂构成槽谷洼地（图2－8、图2－9）。

2）暗河突水地段背景条件：

①洞内涌水地段处于别岩槽箱型背斜西翼，二叠系嘉陵江组二段（）灰岩和三段（）泥灰岩的交界处，即强岩溶发育段和弱岩溶发育段的交界处（图2－9）。

②降雨于台原（背斜核部）嘉陵江组二段灰岩强岩溶发育区（强渗入区）大量渗入地下，顺倾向层面往西翼运移，至岩层陡倾地段受阻于弱可溶岩的交界处而汇聚、富集，再沿地层走向层间形成溶隙网络和顺走向的岩溶充水管道系统。涌水段即处在该强岩溶充水管道系统中。

③上述岩溶充水管道系统属于庙坪暗河南端的管道，该管道与北端管道合流后，汇总从庙坪暗河出口排出。涌水段处在南、北管道流交汇处（图2－8、图2－9）。

（2）庙坪暗河基本特征

1）暗河的补给源由两大部分组成：

①Ⅰ区—茨竹垭断层带封闭槽谷洼地区，该巨型长条形封闭槽谷洼地汇水面积约6．5km²。该区地表水及地下水（含管道流）皆汇聚于该槽谷的最低处——长漩孔洼地，经此再注入暗河管道（图2－8）。

②Ⅱ区—为背斜核部台原山地和西翼斜坡汇水区，该区线路左侧（Ⅱ₂）汇水面积约4km²、线路右侧（Ⅱ₁）汇水面积约2．8km²，共6．8km²（图2－8）。

庙坪暗河总汇水面积：Ⅰ区汇水面积为6．5km²，Ⅱ区汇水面积为6．8km²，总共13．3km²。

2）暗河径流路径

Ⅰ区补给源（茨竹垭封闭槽谷洼地）降雨渗入地下汇入长旋孔洼地漏斗→循层面倾向向西径流（因断层斜切背斜轴，使整个背斜轴错失，致东翼地层通过断层直接与西翼地层接触，长旋孔洼地漏斗位于断裂带及背斜近核部的西翼）→汇入Ⅱ₁区→顺岩层走向由北向南径流，并与Ⅱ₂区由南向北的层间走向径流汇合→汇合后向庙坪暗河出口排泄，排泄口标高494．6m（图2－8）。

3）暗河出口流量

据长期水文观测得知雨季最大流量为1 630L/s，旱季最小流量为240L/s，动态变化受降雨影响明显，不稳定系数为58．5（图2－65）。

图2－65　庙坪暗河降雨量、流量曲线图

（3）2004年9月11日DK406＋422遭遇暗河初次突水情况

1）2004年9月11日12：30于DK406＋422施工突遇突水，突水来势凶猛，突泄时间约40分钟。突水后，庙坪暗河原出口完全断流，被隧道突水排泄取代。

2）突水量估计：

突水时测得流速：1．5～1．9m/s，洞内淹没段水深1．8m；

过水断面：5（洞宽）×1．8（水深）＝9（m²）；历时：40×60＝2 400（s）；

40分钟总突水量：∑Q＝1．5×9×2 400＝32 400（m³）；

大突水过后该处稳定流量：0．3～0．5（m³/s）；

40分钟动突水量：0．5×2 400＝1 200（m³）；

40分钟静突水量：32 400－1 200＝31 200（m³）。

（4）9月20日暴雨DK406＋422洞内大涌水

9月11日大突水后恢复平静（维持稳定流量）不久，又于9月19日20：00至20日8：00共计12h内降水65．9mm，引起洞内原突水口出现大涌水，其情况如表2－25所示。

表2－25　突水口涌水量随时间变化表

据表2－25分析得知：

1）涌水对降雨的响应

①从降雨开始历时6．5h后（19日20：00～20日02：30）洞内有反应（水变浑）；

②从降雨开始历时8h，涌水明显增大，从273m³/h增到1 080m³/h；

③从降雨开始历时14h，涌水达峰值25 402m³/h，即7．06m³/s，相当于609 648m³/d；

④涌水从有反应至达峰值历时7．5h。

以上反映洞内涌水对降雨的响应较快速，仅历时6～8h，说明就近的Ⅱ₁和Ⅱ₂区补给的来水先期快速到达；降雨开始至涌水洪峰的到达历时14h，说明上游补给的来水亦较顺畅。

2）涌水反映的增幅：降雨前洞内较稳定的涌水量为273m³/h，至显“涨水”时，涌水量增为1 083m³/h，历时4h增加4倍；14h达的洪峰涌水量为25 402m³/h，增加93倍。此涌水的迅速增加且增幅又大，说明地区入渗系数较大，补给途径便捷，暗河管道畅通。

3）此次降雨产生的涌水中，可见玉米秆和较大的卵石（Φ250mm），说明主暗河管道离隧道洞内DK406＋422溶腔不远，且随带能力较强，突水点和地表可能存在畅通的联系管道。

（5）几点分析

1）该处突水为管道流（暗河）突水，突水点属庙坪暗河系统链中的一环（节点）。

2）庙坪暗河具明显的管道流特征。暗河的发育和径流路径受地层、构造控制明显。DK406＋422附近处在南、北两支管道的交汇处，为混流和有压水流的混合区，有利于灰岩的溶蚀，有利于形成大型的溶蚀腔体或腔体群。应注意对分布于该段隧道周边岩溶的探查，排除对隧道的影响。

3）DK406＋422溶腔底部无冲积物，仅有部分粘泥（非冲积物），不具备主暗河的沉积特征，此处并非是主暗河；而前所述，少量砂卵石等系从隧道腔体外随水流带入，说明主暗河应在隧道腔体之外的附近，隧道突水腔体和底部的出水管道与主暗河管道具密切的联系，并与上部溶洞层共同组成复杂的岩溶体系。（注意它与隧道的关系及可能产生的危害。）

（6）有关水压的判估

1）DK406＋422突水水流突破上导坑掌子面不完整的岩墙，并短时间完成突泄，说明水流应具一定的水压，其初期水压估判可能大于1．0MPa。

2）台原背斜核部岩溶含水地层缓倾，至隧道DK406＋422处急剧陡倾，岩溶发育循层向深部延伸，直达暗河标高（岩溶发育深度大），雨季滞留水位可能较高。相对隧道（突水前原态或封堵情况下）而言，枯水及平水时形成水柱高可能大于50m；丰水时短期形成水柱高可能为80～150m。

3）突水后，DK406＋422溶腔涌水从底部充水管道倒虹吸往上翻，估计应有一定的水力梯度形成相当的水头差（估计大于50m）。

（7）DK406＋422突水地段若实施封堵可能出现的问题

1）隧道开挖前（原始状态），隧道出口至DK406＋422段的断层、节理、溶隙、溶洞、充水管道、＋422的涌（突）水等，都属庙坪暗河系统的充水网络。隧道开挖后，洞体成了暗河新的排泄通道，打破了原有的体系平衡，随着泥流的带出，网络管道的原态也有所改变，特别是DK406＋422多次大涌水后，上述改变更大。因此，仅封堵＋422突水地段，估计难以完全恢复原状，难以使暗河水完全回归原路径从庙坪暗河出口排出。

2）封堵＋422突水地段后，水位必然上升至整个隧道之上。封堵的＋422突水地段仅是隧道出口地段中的一小段，其余地段则必然绕行串水，隧道衬砌与岩壁间的空隙也是串水的通道。它们除传递水压外，还将不断改变地下水文地质条件，可能给隧道留下隐患。

3）充水溶腔、暗河及其管道都具相当的规模，其相关联系系统极复杂，实施有效封堵难度大，效果难预料。

（8）隧道若实施长期排水对环境的影响评估

隧道DK406＋422突水，截流了庙坪暗河，庙坪暗河出口完全断流，暗河的水从此在隧道突水处排出。隧道突水点离庙坪暗河出口相距约350m，标高仅差15m，隧道长期排水（如增设泄水洞排水），其排向与庙坪暗河出口为同一沟糟，排出位置并未改变。可见实施泄水洞长期排水不会改变暗河管道系统的格局及暗河的流量和排向，基本未改变暗河的各项参数，暗河的原来状态基本不致改变，因此基本不会对环境地质产生影响。

（9）建议

宜排不宜堵。堵水既难以达到预期效果，还可能留下隐患。

1）根据以上地质分析，DK406＋422溶腔涌水袭夺庙坪暗河水流（使庙坪暗河出口干枯），若将涌水从隧道洞内排出，因暗河流量大，于隧道洞内增设排水设施不太可能，且非长久之计；为从长计议，建议在隧道外部打泄水洞（长约400m），将DK406＋422溶腔的涌水引导排出（等效替代庙坪暗河排出），不致造成环境影响，同时又降低水位，确保隧道施工安全，消除可能存在的隐患。

2）泄水洞泄水条件下，可为隧道整治施工制造条件。

2．野三关隧道出口遭遇涌（突）水被导入隧道的3^＃暗河

（1）野三关隧道出口（DK124＋602突水地段）地质背景概况

1）隧道工程区位于东部长阳EW向构造带与西部新华夏构造带的交接复合部位，NNE向新华夏构造与EW向构造复合、联合，形成弧形构造。隧道突水点及其相关的暗河系统，即处在该复合部位的石马坝次级弧形背斜构造中（构造线NE向转成SW向）。3^＃暗河即发育于该弧形背斜构造西翼的P₁q、P₁m地层中，沿地层走向成弧形展布（图2－29、图2－31、图2－54）。

2）石马坝背斜核部由S—D（志留系—泥盆系）的碎屑岩组成野三关地区山地分水岭，两翼（碳酸盐岩地层）组成山地的斜坡；其中碳酸盐岩地层P₁q、P₁m分布于山地分水岭与斜坡衔接的地带（构成碳酸盐岩与碎屑岩的接触带），承接分水岭区域降雨汇流水的入渗（图2－29、图2－31）。

3）P₁q、P₁m地层夹于D—S（碎屑岩）和P₂w（炭质页岩、泥灰岩—弱阻水层）两阻水层之间，其水流活动及其岩溶化作用受限于两阻水层范围内，3^＃暗河即产出于该P₁q、P₁m地层中，构成相对独立的岩溶含水层体系。

4）3^＃暗河出口位于苦桃溪，其标高1 050m，发育于P₁q、P₁m的浅部（即苦桃溪排泄基面控制的水动力剖面范围内），根据暗河梯度推算，与隧道纵断面相交处的暗河标高约1 100m；该P₁q、P₁m浅部含水层的下部（深部）发育3个充水带（与浅部暗河含水层相连）：

①P₁m上部古岩溶充水层；

②F18断层裂隙—溶隙充水带（陡倾角带状充水带）；

③P₁q下部层间破碎裂隙充水层（胶结较差的岩层及“鸡窝状”含煤层、透镜状岩块，裂隙、破劈理发育的破碎层）。

5）3^＃暗河与3个充水带的关系：降雨通过地表汇水洼地、漏斗（图2－66）入渗至浅部岩溶含水带，再汇入该带的暗河。浅部岩溶充水溶隙、管道、暗河网络构成互通系统并组成浅部含水层，该含水层与其下部的3个充水层（带）串联。原始状态（隧道未揭露充水层时），浅部含水层及暗河径流为动态水，3个充水层（带）为静态储水层。隧道深部施工揭露，3个充水层中的任一充水层（带）都可能将暗河导入隧道，使暗河流量减少，直至断流。

（2）隧道施工穿越P₁q、P₁m中的3个充水层（带）地段的涌水概况

1）隧道穿越P₁q、P₁m中的3个充水层的主要涌水点特征如表2－26所示（据2007年6月26日观测统计资料）。当日隧道总涌水量为14．5×10⁴ m³/d。

2）隧道揭露3个充水层（带）的涌水段落位置：

①“古岩溶充水层”（P₁m上部）DK125＋600～＋810；

②断层裂隙充水带（F18）DK124＋801～＋869；

③P₁q下部层间破碎裂隙充水层DK124＋587～＋615（沿隧道纵断面方向长约28m，因地层倾角平缓，其垂直层面的真厚度约7～8m）。

3）表2－26显示的各充水层的差异：

①充水类型的差异：“古岩溶充水层”（P₁m）、“层间破碎裂隙充水层”（P₁q）为溶隙管道型；断层裂隙充水带（F11）为裂隙型；

②初始水压的差异：“古岩溶充水层”为0．94MPa，层间破碎裂隙充水层为1．34MPa；3个深部静态充水层都与浅部含水层和暗河相交且相互串联，其交汇点位置顺序从暗河上游至下游依次为：P₁q下部层间破碎裂隙充水层、F18断层裂隙充水带、P₁m“古岩溶充水层”。因为暗河存在水流梯度，其水流标高从上游→下游递减，P₁q→F18→P₁m充水层与暗河交汇处标高亦递减，因而隧道洞内的各充水层静态水头差（初始水压）亦依次递减（1．34MPa→0．94MPa）。

图2－66　野三关3^＃暗河平面展布图

1．分水岭；2．暗河及出口；3．岩溶洼地；4．地下水流向

4）隧道出口为反向施工，揭露与暗河相交的充水层依次为P₁m“古岩溶充水层”、F18断层裂隙充水层、P₁q层间破碎裂隙充水层。隧道涌水先排泄的为层间静态水，再泄及暗河动态水，并将暗河引入隧道，使其与暗河交汇点下游的暗河水逐渐减少直至断流（暗河出口于2007 年6月断流）。

（3）DK124＋602突水（8月5日突水）

1）DH124＋602突水（8月5日突水）概况

①2007年8月5日凌晨1：00，Ⅰ线隧道出口施工至DK124＋602处遭遇P₁q层间破碎裂隙充水层，瞬时暴发突水、突泥，历经1时30分（2007年8月5日1：00～2：30），总突水量15．1×10⁴ m³，突泥石量5．35×10⁴ m³。泥石淤积将Ⅰ线正洞DK124＋602～DK124＋800段整个洞体充满（包括Ⅱ线洞室），DK124＋800以远，淤积泥石呈斜坡延至DK125＋100，淤积厚约2～3m；

表2－26　P₁q、P₁m地层中涌水点特征一览表

②突水的突出物中除大部为栖霞组（P₁q）的碎石、炭质岩屑、岩块外，还有部分砂、卵砾石等暗河冲积物。

2）水压

①隧道纵轴上方的水洞坪附近暗河管道标高约1 100m，隧道标高835m，沿层间可能形成265m的水柱高；

②突水前测得P₁q层间破碎裂隙充水层水压为1．34MPa；

③＋602大突水后测得水压从0．86MPa降至0．08MPa。

3）突水的相关分析

①突出的静水储量估算

a突水前（8月1～4日）暗河的稳定涌水量为3．15m³/s，突水后（8月6～8日）隧道稳定涌水量为3．32m³/s，此前、后流量基本等量，可代表隧道引入3^＃暗河的动突水量；

b突水全程1h30min（5 400s）突出的静贮量估算（计算过程略）：

总突水量：Q_z（总）：151 000m³；动流量Q_d（动）：3．32×5 400＝17 280（m³）；

静储量估算：Q_j（静）＝Q_z－Q_d＝151 000－17 280＝133 720（m³）。

②突水来源于3^＃暗河的动流量、P₁q层间破碎充水层储存的静储量和水洞坪附近暗河管道周边储存的静储量等。其突水水流路径为：水洞坪上游暗河水流→P₁q层间破碎裂隙充水层→隧道突水口（图2－67）。上述路径沿途存在大量的储水空间，可较好地传递暗河水柱压力和层间水柱压力，借助其高水柱的水流压力伴随层间岩块下滑冲击力，冲向隧道突水的突破口，将暗河水和层间破碎岩块突入隧道，形成“8．5”灾害性大突水。

图2－67　野三关隧道纵断面——暗河突水点关系图

③突水伴随突出的泥、岩块、碎石、岩屑等总量5．35×10⁴ m³，从而在P₁q层间破碎充水地层中除静态水储存的空间外，再腾出了5．35×10⁴ m³的容积空间，有利于拓通暗河与隧道间的联系通道，也有利于再造暗河抵达隧道的管道。当然存在层间静水瞬时下泄和腾出空间的过程中产生的真空负压，并吸来周边岩屑（块）将拓通的管道再堵塞的可能，加之不断大量泄水和相伴出现的层间内部物质均衡的调整，还可能出现间歇性时堵、时通的状态。

④隧道DK124＋602突水与3^＃暗河的关系

a隧道施工前3^＃暗河的基本情况

?3^＃暗河发育于野三关地区山岭背斜分水岭西侧碎屑岩与碳酸盐岩接触带的栖霞组（P₁q）地层中，其地表平面走向展布如图2－66所示。

?3^＃暗河地表总汇水面积约10．7km²，由石马冲封闭洼地汇水2．5km²、水洞坪封闭洼地汇水6．1km²、水洞坪下游汇水2．1km²组成。据2007年（一个水文年）观测，暗河流量0．2～32．8×10⁴ m³/d。

?原态的径流路径：石马冲汇水区、水洞坪汇水区的降雨渗入浅部岩溶充水层→汇聚于暗河管道→沿地层走向径流→苦桃溪排出（图2－66）。

b隧道DK124＋602突水后3^＃暗河新的径流路径(www.xing528.com)

突水原因及暗河改道：隧道施工突水冲破隧道洞壁形成的突破口成为凌空面。突水前一段时期隧道泄出的高压水，使充水层内裂隙切割的结构体及其周边空间充满的水和泥等经历不同程度的搅动，结构体相互间的连接可能经历不同程度的松动，以致使层间岩体成散体结构，在高水压推压作用和连同散状岩体沿层间滑移产生的冲击作用下，高压水流随带5．35× 104 m3的层间松散岩屑（块）、充填物等冲向“凌空面”，形成极大的冲击力冲破“突破口”，形成突发性的高压“泥石流”的突泄。此突水过程足以扩通隧道与暗河之间的通道、再造暗河至隧道突水口间的径流管道、截流暗河径流，并于水洞坪附近折向改道流入隧道，使水洞坪下游暗河基本断流。

据隧道突水后水洞坪洼地等地的示踪试验成果得知，自投放示踪剂始至隧道突水点接收到异常止，仅历时41h，说明水洞坪洼地地表径流、暗河与隧道DK124＋602突水点连通，印证地表径流和暗河皆改道进入隧道（图2－67）。

改道后新的径流路径：石马冲封闭洼地降雨汇聚的入渗水、水洞坪封闭洼地降雨汇聚的入渗水于水洞坪附近合流→合流的管道流（暗河）与水洞坪注入的地表径流再汇合→通过P₁q层间充水层的“再造管道”流向隧道→DK124＋602突水口；隧道即成为3^＃暗河的最终排泄口。

（4）几点推测和判断

1）栖霞组（P₁q）下部层间破碎裂隙含水层为层间裂隙空隙和层间透镜状软弱带空隙（呈囊状）的不均匀充水层。该充水层经隧道多处涌水，特别是经DK124＋602突水，沟通了暗河→充水层→隧道突水点之间的通道。

2）突水截流了3^＃暗河，暗河径流改道直接向隧道排泄，继承了3^＃暗河的管道流特征、径流流量动态变化特征、降雨量—流量—时间关系特征等（图2－68）。

图2－68　野三关隧道出口流量—降雨量—时间关系曲线图

3）隧道突水截流了3^＃暗河后，造成水洞坪下游（隧道左侧）暗河断流，其汇水面积（2．1km²）内的降雨的入渗水基本不再反向补给隧道突水口，因此，暗河在隧道突水口的排泄流量与暗河原态出口的流量（暗河于苦桃溪排泄口的流量）同期相比，可能将稍有减少。

4）隧道DK124＋602经历多次突发性高压大涌水，以及以后可能继续发生的不断突水，反复、剧烈地扰动P₁q破碎裂隙充水层内部的破碎、松散物质，加之暗河新通道为适应新的周边环境，促使其径流动态不断进行适应性改变，从而引起充水层内部重新调整，以求达到新的均衡，在调整过程中，管道可能出现时通、时堵，或间歇性突泥石、突水。每次大雨都可能不断进行调适，在泄水洞长期排水条件下，不排除该调适期可能要经历较长时期。

5）隧道泄水洞若长期敞开排水，即等效于暗河的长期排放，其将随带地层内部的松散泥石和冲积泥沙淤积于泄水洞，可能造成养护困难和养护风险。

（5）隧道长期排水对环境的影响

1）3^＃暗河原排入苦桃溪，隧道施工涌（突）水将3^＃暗河引入隧道，通过隧道再排入支井河，使苦桃溪流量减少、支井河流量增加。支井河为深切河谷，增加流量不影响排洪，不致造成不利影响；苦桃溪属地区性较大的深切溪流，局部减少了3^＃暗河流量的补给，但对整个溪流下游不致产生太大的变化；居民点及其耕地大多处在较高的台地或缓坡地带，居民饮水、农事一般未采用苦桃溪的河水，因此，3^＃暗河改道对河流及其周边环境不致产生明显影响。

2）3^＃暗河地表补给区（含径流区地表）为渗漏区，地下水位埋藏较深，表层覆盖的第四系土层多辟为旱地，隧道排水引起的地下水位变化多在较深部，对覆盖土层的稳定能否产生不利影响有待进一步观察，据现场调查，隧道排水、突水至今未发现地表变形；居民饮用水取自于雨水和局部阻隔溢出的表层裂隙泉水，它与地下水无关联。

3）隧道突水后暗河断流的同时，发现苦桃溪河床出露P₁q、P₁m地段的河流流量有漏失。若隧道长期排水导致河床表水往地下渗漏条件的改善，河流渗漏量也将不断加大，有可能导致河流不断增大漏失量直至完全断流，将造成环境问题，同时使隧道排泄量大增，可能新添变数和隐患。

3．马鹿箐隧道遭遇涌（突）水被导入隧道的大坪管道流

隧道出口施工（反坡施工）于DK255＋978揭露被大坪管道流弃置的（“盲肠式”）充水溶腔，产生大突水，将分水岭型、独立的单管式大坪管道流导入隧道。

（1）大坪管道流水文地质特征

1）相关地质背景

①隧道位于金子山复向斜东南翼，出露T₁d、T₁j等可溶岩地层并组成台原—单面（顺层）斜坡的地貌组合，构造线方向NE，产状平缓。

②由于地层岩性和构造切割程度等条件的差异，岩溶和岩溶水发育尽管具极不均匀性，但受“岩层控制”、“排泄基面控制”明显。

③工程区的岩溶水多沿岩层走向、倾向运移，向向斜核部槽谷汇集、排泄，总体方向为NW—NNW；工程区就近相对排泄基面（位在蝌蚂口的暗河出口）标高989m；区域相对排泄基面（小溪暗河出口）标高780m（图2－25、图2－26）。

④T₁j地层间（中、上部分界处）夹一层厚大于70m的泥质灰岩，出露于隧道出口洞门附近，因倾角平缓，柔性岩体破裂构造微弱，被其覆盖的区段明显起到一定的相对隔水作用，由于该阻水层的阻隔，其上部岩溶水难以导入隧道，该段隧道内一直少水（图2－3）；小马滩河、鸟腊河上游的产流也是该层阻水的结果，河流切穿该阻水层进入灰岩后，明流才转入伏流（图2－69）。

2）该区岩溶水分带

①浅层岩溶水带。泥灰岩阻水层上部的浅层岩溶水发育深度受限于阻水层；阻水层下部浅层岩溶水的发育深度受蝌蚂口排泄基面标高（689m）形成的水动力剖面深度控制；隧道地表附近数个深钻孔揭示浅部岩溶水水位标高在1 244～1 261m，其下深部岩溶、岩溶水不发育；小马滩明流注入竖井转入伏流的水位标高1 251m，可见小马滩河伏流—龙潭—蝌蚂口（出口）暗河亦产于该浅层岩溶水带中。

图2－69　小马滩暗河纵断面示意图

②下部（深部）少水带（独产单管式管道流）。前期数个深孔钻探和马－2^＃钻孔资料均表明，浅部岩溶水带以下的深部岩体完整，不发育岩溶、岩溶水；定向探查隧道突水点的马－2^＃孔整孔岩体完好，仅于1 013．75m标高（“盲肠腔体”顶板标高）才遇与大坪管道流相通的充水“盲肠腔体”；马－2^＃钻孔揭遇“盲肠腔体”后，大坪管道流的水流梯度水头使钻孔水位立即从1 013．75m压升至1 104m，此是管道流梯度水压传递的承压水位（图2－52）；隧道遭遇的突水系因揭露了独立的、单管式管道流而引起。

图2－70　大坪单管式管道流形成模式

深部少水带独产的大坪管道流具独立的单管式管道流特征。

a高位独立的补给源由山地分水岭台原大坪溶蚀封闭洼地、龙家坪溶蚀封闭洼地等组成，总汇水面积7．87km²。

b受结构面控制其走向，具独立的径流路径：补给区→沿岩层倾向层面径流→经过隧道上方（位在隧道上方的1 050～1 080m标高，其下与管道流弃置的终端“盲肠腔体”连接）→转沿走向层面径流→流向狮子口→小溪主暗河（图2－70、图2－25、图2－26）。

c浅层岩溶水与下部（深部）单管式管道流的关系。

?鸟腊河溪谷、小马滩溪谷伏流的上部浅层岩溶水水位标高为1 244～1 261m，即在隧道上方246～263m。目前隧道开挖已穿越了鸟腊河溪谷和小马滩溪谷，整个洞体岩体完好，未遇涌水。未发现含水体，表明浅部岩溶水未涉及深部。

?小马滩伏流、“下部大坪管道流”各自为独立的管道流。

据构造背景、数个深孔钻探资料、长期水文观测资料分析皆表明，浅层含水层（含小马滩暗河）与下部独立的大坪管道流之间不存在水力联系（图2－25、图2－26）。

?2006年9月至10月小马滩等处投入示踪剂的示踪试验仅在龙潭、蝌蚂口接受到示踪剂（图2－71至图2－73），表明小马滩等明流至伏流（暗河）的径流路径为：明流注入→凉风洞→龙潭→蝌蚂口暗河出口，说明是蝌蚂口就近排泄基准面控制的水动力岩溶发育带中的浅部管道流；下部大坪管道流（隧道突水点）未接受到示踪剂，说明与浅部含水层无水力联系。

图2－71　马鹿箐隧道地球化学采样、示踪试验方案示意图

1．推测暗河；2．化学剂投放及监测点；3．示踪剂投放点；4．示踪剂接收点；5．等高线

?隧道突水点经过“1．21”、“7．23”等多次大突水，据长期观测资料表明，小马滩明流、鸟腊河明流流量、龙潭水位、蝌蚂口暗河出口的水量始终未见变化，同样说明隧道突水点的下部大坪管道流与浅部含水层（小马滩暗河）没有水力联系。

?水样的地球物理化学分析显示：

?－1．涌水的¹⁴C分析、“盲肠腔体”淤积物测年、同位素氚（³ H）分析显示：小马滩表水（明流）、浅层岩溶水属近期水，而“盲肠腔体—下部大坪管道流”的涌水为老水和老淤积物（＞40年）；可见浅层岩溶水与深部“盲肠腔体”—大坪管道流等应属不同时期（年代）的水，互不相干。

?－2．氢氧稳定同位素δD、δ¹⁸ O分析表明，“盲肠腔体”——大坪管道流的老水与表水和浅层岩溶水差异明显，说明它们之间缺乏交替，互不联系。

?－3．“1．21”突水后，“盲肠腔体”通过下部大坪管道流补充新的水，通过采集相关水样地球化学分析（图2－71），其水化学组分含量与表水（明流）、浅层岩溶水虽接近，但微量元素含量明显大于表水（明流）和浅层岩溶水。其明显的差异说明“盲肠腔体”等静态老水排泄后，补充“盲肠腔体”的水（大坪管道流）并非来自表水和浅层岩溶水，而为异地（较远处）补给的水，即为山地台原高位补给形成的单管式管道流的水（下部管道流）（图2－27）。

图2－72　龙潭监测点氯离子浓度曲线

图2－73　蝌蚂口监测点氯离子浓度曲线

综上分析得出：下部大坪管道流（含“盲肠腔体”）与浅层岩溶水无水力联系，为独立的单管式管道流。

3）隧道突水点（“盲肠腔体”）与下部大坪管道流的关系

“盲肠腔体”（突水点）是下部大坪管道流成长过程中被弃置的管道，它们相互连接。

①下部大坪管道流沿倾向层面径流，其梯度与层面倾角一致。管道流在发育和径流活动的过程中，沿层面缝隙和层间裂隙横向摆荡溶蚀，容易扩大管道空间，沿层面形成许多串珠状腔体；隧道施工初次遭遇此管道流突水即为管道流动流量和这些充水腔体储存的静储量的总和。

②下部大坪管道流顺层面径流，但不可能顺层面单一方向、顺倾角单一梯度的趋势顺流到底，为适应排泄基面并尽力与其衔接，当上述方向、梯度趋势难以适应时，径流将会自然进行调适，即在抵达排泄基面之前的适当部位（如裂隙发育带），乘高势能的水流产生摆荡跌水，伴生垂直溶隙管道的同时形成倒虹吸流，水流尽全力拓通最短的通道，以便便捷地向排泄基面排泄是其始终不渝的“使命”，继后乘势侵蚀、溶蚀、逐渐拓通适应正常水流梯度的管道，“垂直跌水管道”则被弃置成了“盲肠式腔体”。它们的连接关系如图2－52所示。

4）水压

原始充水情况下，隧道揭露的涌水压力实际为下部大坪管道流径流梯度形成的水头差所产生，于马2^＃孔内测得承压水头114m（990～1 104m标高），突水前隧道内实测水压为0．8～1．2MPa。如图2－52所示，此是管道流径流梯度形成的水压力。

（2）隧道突水点的突水特征

“1．21”（2006年1月21日）突水系施工揭露管道流产生的突水，具突发性，缺乏相应的观测资料，对突水的相关分析有限。“7．23突水”（2006年7月23日）的观测资料相对较多，可供分析。

1）“1．21”突水

突发性突水，突量大，来势汹涌，来不及“记录”，只能作有限分析：

①初次突水大部为“盲肠腔体”、充水管道近旁溶腔的静储水、管道流动态水（300m³/h）的集合量，故总量较大。

②涌水随带物（隧道内淤积物）主要为淤泥和小颗粒岩渣，它们来自于管道流溶蚀的残积物和管道流周边溶蚀腔体内的充填物。说明涌水为溶蚀型充水管道流，非典型的地下河。

2）“7．23”突水

此次突水是在洞内实施封堵后，地下水在恢复原自然状态的情况下，因为封堵缺陷引起溃决而造成的突发性大突水，应该是上次“1．21”突水的重演。

①“7．23”突水过程如表2－27所示。从开始冒（渗）水至出现大突水（7月21日20：30至7 月22日8：00），历时约12h，大突水至突水涌出平导洞外（7月22日8：00至7月23日8：00），历时24h。

②突水量的估算。此次突水基本上是“1．21”突水的重复，其过程和总突水量也应与“1．21”突水相当。

a突水始至涌出洞口期间的突水量：根据观测，突水充满各段隧道空间所需时间、隧道断面面积已知，计算突水量（计算过程略）为：Q₁＝91 037（m³）。

b突水涌出洞外始至突水量达稳定期间的突水量：Q₂＝77 812（m³）。

c总突水量：Q₁＋Q₂＝91 037＋77 812＝168 849（m³）。

表2－27　“7．23”突水过程情况一览表

（3）长期涌水—排水对环境的影响

1）隧道突水涉及范围的环境评估

①管道流源头：为山地分水岭台原补给区，汇水面积7．87km²，为强岩溶发育区，地下水位埋深较大，降雨渗漏迅速，常年缺水，洼地、低地分布不厚的黏土辟为旱地，隧道涌水或洞内排水皆不至改变原有现状。

②管道流径流区：单管式管道流径流深入完整的基岩内，岩体裂隙欠发育且贯通性差，与上部浅层含水层缺乏水力联系，隧道涌水或洞内排水也不至改变现状。

③在“1．21”突水及“7．23”突水的排水抢险期间，经历较长时间大量涌水，经调查和相关观测，未发现地表变形；未发现地表泉、地表径流（明流）、龙潭水位、蝌蚂口暗河出口流量等的异常变化，证实未见环境的改变。

2）施工阶段和长期排水情况下的环境评价

隧道出口反坡排水的功能仅限“抢险”，实施整治还需采用进口平导顺坡排水和增设泄水洞等措施来完成。实施泄水洞长期排水，可能引起的水文地质环境问题有：

①泄水洞排水等效承接、引排“下部大坪管道流”，并使其改变流向，即原排向隧道出口端的小溪暗河改排向隧道进口端的长阳沟，增加1条3～7m³/s流量的明流。泄水洞向洞外泄水，若任泄水漫流，将产生冲刷、破坏生态、淤积等环保问题（需增设导流设施，使水归槽）；“明流”导入长阳沟后对沿途将产生影响。

②泄水洞的泄流条件可能比原管道畅通，将改变原管道系统的径流条件、强化管道流的水营力，导致疏通管道效应、并加快渗流速度，增加管道水对泥的携带能力，同时可能改变管道流补给源的渗漏条件；排入长阳沟的流量和泥量可能增加，对水质、环境可能造成一定影响，可能增加营运养护的困难，最好增设涌水限排和净化处理等措施。

（4）马鹿箐隧道进口实施泄水洞泄水反映的大坪管道流动态变化特征及相关分析

马鹿箐隧道进口泄水洞于2008年3月31日揭露“盲肠腔体”—大坪管道流，实现泄水洞完全泄水，将下部暗河（大坪管道流）完全导入泄水洞。据长期降雨量观测、同期相应的泄水洞泄水流量（即大坪管道流流量）观测资料，对大坪管道流流量动态变化进行相关分析。

1）泄水洞泄水（大坪管道流改道向泄水洞排泄）后的径流基本状态

隧道突水前管道流原始流向：山地台原大坪补给区→顺岩层层面倾向（NW向）→隧道上方1 060～1 080m标高处→沿岩层走向层面径流至狮子口（图2－26、图2－52、图2－71）。

泄水洞揭露“盲肠腔体”后，将大坪管道流通过“盲肠腔体”排入泄水洞，截流了大坪管道流，改变了原道流向，变成：山地台原大坪补给区→顺层面倾向径流→“盲肠腔体”（与上方管道流连接的管道）→泄水洞。

2）泄水洞泄水径流（大坪管道流）流量与降雨的关系

一般一次较大降雨，泄水洞即出现一次较大泄水（涌水），自2008年3月31日泄水洞泄水以来至今历经的多次大雨或暴雨和相随的涌水过程，实际为降雨至管道流产流及其变化的动态过程，其基本情况如表2－28所示，降雨量、流量与时间的关系如图2－58、图2－59所示。

表2－28　降雨量、泄水洞流量随时间变化过程一览表

3）相关分析

①管道流流速。管道流自补给区→顺层面倾向径流→隧道顶部（1 060～1 080m标高）处地段的管道流，为既有管道流径流及流向，该段管道流已经经历“地质时代”的“开拓”，已具一定的规模和畅通性；隧道处的管道流→“盲肠腔体”→泄水洞段（图2－25、图2－51、图2－52），为管道流原已被废弃的（已经过充填、半充填）静置管道。泄水洞泄水过程中常使“盲肠腔体”充填物形成流失和坍塌，给水流造成阻力或淤塞，影响径流流速的评估。拟选择几次较畅通状态下的管道流估算暗河流速。

a根据2008年6月12日涌水资料推算流速：

降雨始至涌水响应历时4h（表2－28），补给区至隧道泄水点距离3 000m，流速为3 000/4＝750（m/h）；

b根据2008年7月3日涌水资料推算，流速为3 000/7．58＝414（m/h）；

“盲肠腔体”保持通畅情况下管道流流速达400～750m/h。通常情况若“盲肠腔体”段能维持畅通，则整个管道流可维持畅通。一旦观测、计算流速异常减慢，则预示“盲肠腔体”存在淤塞的可能。

②降雨对涌水的贡献。马鹿箐隧道揭露的管道流为独立的管道流，有它独自的补给源和径流路经。管道流径流量主要为其补给源（7．87km²）的降雨入渗水补给。管道流深入岩体内后，因沿途岩体较完整，含水微弱，补给甚少，因此，补给区的降雨入渗补给是管道流径流量最主要的直接来源。根据降雨量、泄水洞泄水量的观测资料，尽量多地选取管道流畅通情况下的降雨、涌水的代表性样本，计算降雨对涌水的贡献。

a2008年5月23日“降雨—涌水”样本

降雨量46mm，降雨历时18h，完成降雨至突水过程历时23小时56分，该过程总涌水量134 000m³；

该次降雨过程贡献的涌水量（产流量）：

134 000－原有基值水量＝134 000－（124＋753）/2×23．9＝123 512（m³）；

单位降雨量对涌水的贡献：123 512/46＝2 685（m³/mm）（单位降雨量）。

b2008年6月15日“降雨—涌水”样本

降雨量：19．1mm，降雨历时14h；

根据表2－28“6－15”样本，依上例计算得该次降雨过程贡献的涌水量（产流量）：

47 000－（124＋539）/2×14＝42 359（m³）；

单位降雨量对涌水的贡献：42 359/19．1＝2 218（m³/mm）。

c2008年7月3日“降雨—涌水”样本

降雨量：86．4mm，降雨历时16h；

该次降雨过程贡献的涌水量（产流量）：215 000－2 801×26＝142 174（m³）；

单位降雨量对涌水的贡献：142 174/86．4＝1 645（m³/mm）。

d2008年7月18日“降雨—涌水”样本

降雨量：20．3mm，降雨历时6h；

该次降雨过程贡献的涌水量（产流量）：57 712－539×24＝44 776（m³）；

单位降雨量对涌水的贡献：44 776/20．3＝2 206（m³/mm）。

总之，上述样本表明，降雨量越大，贡献的涌水量越多，但不同降雨强度的单位降雨量（1mm的降雨量）对涌水的贡献比较接近，约为2 206～2 685m³/mm；此结论同时说明，管道流的补给源较固定，其入渗参数和条件较稳定（这应是单管式管道流的主要特征之一）。

③降雨—涌水—时间的相关关系

a根据上述基本情况以及表2－28分析得知：

?当降雨量＜10mm，其产流量较小（对涌水贡献较少），对增加涌水影响有限；

?降雨始至涌水的响应一般历时6～12h；

?降雨始至洪峰初显一般历时8～26h，个别达34～52h；

?涌水对降雨的响应至洪峰初显一般历时0～12h，个别达28～46h；

?完成一次降雨—涌水的整个过程（稳定水量→响应→洪峰→回落→稳定水量），一般经历24～48h，如表2－28、图2－58、图2－59所示。

b降雨量—产流量呈线性关系

采集数个管道流畅通情况下“降雨—涌水（泄水量）”的样本，其降雨量与产流量情况如表2－29所示。

表2－29　突水时降雨量与产流量情况一览表

根据上述样本回归得出相关关系方程：产流量Q_Y＝2 636．3 X－6 591．5，式中X为降雨量（mm），表明降雨量与产流量为线性关系，如图2－74所示。

④相关关系方程的应用

a可根据观测的降雨量，采用上述方程式预测可能的产流量（泄水洞的泄流量）。

b是判断管道流→泄水洞泄水路经中“盲肠腔体”段是否畅通（被堵塞）的综合判据链。

?若降雨量与产流量不符上述回归方程的比例关系，则疑属异常。

?出现流速缓慢，即管道流实际流速大大小于400～750m/h时，当疑出现异常。

?出现涌水对降雨的响应时间过长，大大超过12h；响应→洪峰→回落的历时过长，超过24～48h（连续多次降雨过程形成产流量叠加时除外）等情况，当疑出现异常。

出现上述异常应怀疑存在堵塞的可能性。

⑤涌水（产流）系数η的验证

降雨渗入地下的入渗量，部分补充、滞留于松散层空隙、浅部岩溶裂隙中，剩余的汇入管道流形成隧道泄水洞涌水。因此，降雨入渗量并非完全转换成管道流径流量（隧道泄水洞泄水量），计算隧道泄水洞涌水量时，通常引入一个“折减系数”η，即Q_s＝降雨入渗量×η＝（1 000× X×F×α）×η，此次通过降雨量、隧道涌水量实际观测资料，有条件对涌水系数η进行逆演及验证。

图2－74　降雨量—产流量相关关系图

a据2008年5月23日的“降雨—涌水”资料验证：

降雨对泄水洞涌水的贡献Q_s＝122 599（m³）。

补给区汇水面积F＝7．87（km²）；入渗系数α＝0．9；降雨量X＝46（mm）。

入渗法计算涌水量方程：Q_s＝1 000×X×F×α×η。

反求涌水系数：η＝Q_s/1 000×X×F×α＝122 599/1 000×46×7．87×0．9＝0．38。

b据2008年6月15日的“降雨—涌水”资料验证：

η＝Q_s/1 000×X×F×α＝473 449/1 000×19．1×7．87×0．9＝0．35。

c据2008年7月24日的“降雨—涌水”资料验证：

反求涌水系数：η＝Q_s/1 000×X×F×α＝217 174/1 000×86．4×7．87×0．9＝0．35。

d据2008年7月18日的“降雨—涌水”资料验证：

反求涌水系数：η＝Q_s/1 000×X×F×α＝57 712/1 000×20．3×7．87×0．9＝0．4。

由此可见，经验证管道流补给区降雨入渗量转换成管道流径流量（即产流量－隧道泄水洞排泄量）的涌水系数η为0．35～0．4。它的实际应用意义在于：管道流补给区的降雨入渗量的35%～40%可转换成管道流径流量（即隧道泄水洞泄水量），据此可进行泄水量预测。

⑥突水事件中出现的异常情况（“盲肠腔体”泄水通道被堵塞）分析

2008年3月31日实施泄水洞完全排水以来，伴随数次大降雨—大产流（大涌水），其排泄过程中不乏显露出“盲肠腔体”通道明显被堵塞的异常。

a“4．11突水”过程出现的异常情况分析

2008年4月8日降雨量5．5mm，4月9日泄水量2 115m³/h；4月10日降雨量43．9mm，4月11日泄水量反而从2 115m³/h降为1 795m³/h；4月11日17：05突暴大涌水，20min暴泄19．5×10⁴ m³（相当于420 000m³/h的流量）。

根据回归方程Y＝2 636．3×X－6 591．5，计算降雨43．9mm的产流量：

Q_Y＝2 636．3×43．9－6 592．5＝109 142（m³）

若考虑原有基值流量，则总涌水量＝Q_Y＋基值流量＝109 142＋11 401＝120 543（m³）；

泄水洞实际泄出的总涌水量为195 000m³。

两者比较相差值为195 000－120 543＝74 457（m³），此是降雨期间“盲肠腔体”通道被堵塞（泄水洞泄水量小于补给量）而积存的静贮量，并使水位回升不降，其积蓄的静水势能达到足以冲破堵塞阻力时，继将积存的水量汇同暴雨动流量短期内（20min）一起暴泄，形成“4．11”大突水，夹带泥土来势迅猛，危害难以预警，此即是“堰塞湖”效应的一次演示。

b2008年5月26日的异常突水分析

2008年5月23日降雨46mm，使泄水洞出现大涌水（134 000m³）；该次涌水过程结束后，在下很小雨的情况下，于2008年5月26日再次大涌水（170 000m³），反超过前期大雨的涌水量。如图2－75所示，此反规律的异常说明第二次突水无凝属“堰塞湖式的突水”。

图2－75　马鹿箐隧道“5．23”、“5．26”突水降雨量、流量曲线

泄水洞揭露“盲肠腔体”—大坪管道流后，引起管道流流向变更，大坪管道流完全被导入泄水洞；排水以来及其数次大突水已带出大量泥土，因此，该段“盲肠腔体”型通道已经过一段时期的“洗肠”，可维持一定的通畅性，基于“盲肠腔体”体内依然有充填物留存，仍难排除存在间断性的充填物补给，有造成不同程度淤塞的可能；若一旦形成“堰塞湖”效应，泄水洞则可能产生突发性暴泄（如“4．11”突水、“5．26”突水），难以预报，因而风险、危害大，需引起重视。

4）相关结论

①马鹿箐隧道泄水洞泄水实为排泄大坪管道流。大坪管道流具独自的、范围基本稳定的补给源，具独立的径流路径和流场。

②其径流量增加对降雨的响应快速、反应灵敏；降雨使径流量迅速增加并呈线性关系；径流量动态变化大，洪峰来得快、衰减亦快，无不显示典型的地下管道流的特征。

③降雨—产流（涌水）—时间的相关关系：

a降雨与产流量的关系：呈线性关系，符合回归方程Q_Y＝2 636．3 X－6 591．5。

b降雨强度越大产流量越大，但不同降雨强度的单位降雨量（1mm）对涌水（产流）的贡献基本相近，约为2 006～2 665m³/mm。

c降雨—涌水—时间的关系：

?降雨始→涌水对降雨的响应，历时6～12h。

?降雨始→洪峰初显，历时8～12h。

?完成一次降雨—产流（涌水）过程，即历经降雨前期的稳定流量（基值）→响应→洪峰→回落→稳定流量（基值）的整个过程，历时24～28h。

d根据上述关系可进行相关预测

?根据降雨、时间关系，可预测降雨后泄水洞涌水响应的时间、洪峰到来的时间、整个降雨—涌水过程的时间，据此，可提供安全预警。

?根据回归方程Q_Y＝2 636．3 X－6 591．5以及采用降雨入渗法（应用此次验证的涌水系数η）、降雨对涌水的贡献（单位降雨量的产流量×降雨量）等方法进行泄水洞涌水量的预测。

e泄水洞断面约9～12m²，可满足地下管道流的泄洪要求，只要径流管道能保持通畅，根据上述预测，妥善安排作业，可维持安全泄水，风险可以预防；当径流管道一旦偶然被堵塞时（实际具备堵塞的条件），特别是出现“堰塞湖”效应时，可能形成突发性来势迅猛的暴泄，因无规律可循，此是真正的危及安全的风险源。

f隧道处理设计应充分考虑上述特殊水文地质条件的影响，除考虑施工安全、结构安全外，尚需消除营运隐患、环境隐患。

上述结论对整治设计、施工、今后安全营运养护具一定的指导意义。

4．八字岭隧道牛鼻子暗河

八字岭隧道工程区为向斜构造山地分水岭，泗渡河横切构造、强烈深切，牛鼻子暗河为分水岭型、以泗渡河为排泄基面的近基排泄型暗河。尽管就近的排泄基面（泗渡河）下切很深，垂直渗入带较厚，但分水岭山体亦深厚，越岭隧道位置仍位于排泄基面控制的水动力剖面厚度以下（在水平循环带即牛鼻子暗河下面），隧道施工未遇暗河，因而施工未能获取暗河深部的新信息。勘察期间示踪试验资料及其相关分析，基本揭示了牛鼻子暗河的一般特征。

（1）示踪试验概况

八字岭隧道长5 867m，穿越向斜山地组成的向斜构造，是岩溶水汇聚场所，响水坪、张三坡—牛鼻子洞暗河即发育于此。为验正调查结果，查清两大入水口与周边排泄点的关系，确定暗河走向，分析暗河特征，评价暗河对隧道的影响，于2003年8月19日14：00至2003年10 月14日期间在响水坪投放示踪剂。2004年6月9日20：00至2004年6月17日15：00在张三坡投入示踪剂，分别在牛鼻子洞、后河、凉水井、银水湾暗河和岩溶泉排泄点接收（图2－76）。其结果如表2－30、图2－77、图2－78所示。

（2）示踪剂Cl－浓度—时间曲线特征

由于地下水通过岩溶管道排泄具有以纵向流动为主的特征，可近似认为该地下水为稳定的一维流，在短时间内注入示踪剂形成高浓度液体进入地下河管道，示踪剂沿纵向迁移。溶质弥散可用下列微分方程式表示：

图2－76　八字岭隧道张三坡、响水坪—牛鼻子洞暗河系统分析图

1．地表河流；2．分水岭；3．暗河及进出口；4．岩溶洼地；5．示踪剂投放点、接收点

表2－30　八字岭隧道区示踪试验成果表

图2－77　张三坡—牛鼻子洞暗河示踪试验Cl－浓度—时间曲线图

图2－78　响水坪—牛鼻子洞暗河示踪试验Cl－浓度—时间曲线图

式中：D——纵向弥散系数；

x——示踪剂运动距离；

V——水流速度；

c——示踪剂浓度；

t——迁移时间。

该式说明示踪剂浓度随时间的变化与弥散系数和地下水的速度有关。由于示踪剂弥散的结果，它逐渐分散占据一定的范围，其分布理论上为一顺水流方向拉长的椭圆形。示踪剂弥散范围中心浓度最高，随后逐渐降低。其浓度变化曲线应为两翼略对称的单峰曲线。若遇支流汇入，曲线一翼或两翼将产生波折反应，呈不对称型。

1）图2－77中曲线特征

①Cl－浓度异常曲线为一单峰、两侧陡且基本对称型。此是标准的单一管道的单峰曲线。

②峰值后的陡坡曲线中的两个台阶，说明存在两个贮水洞穴或暗河分支（如响水洞、张三坡）。

2）图2－78中曲线特征

①曲线整体为平峰顶、两侧缓坡不对称型。初期为台阶式（共21个台阶）斜坡，该台阶平稳时间的出现均由于管道遇到相对较宽的贮水洞出现弥散的结果，应反映存在串珠状贮水洞穴。

②曲线峰值呈平顶状（钝峰）。历经三天多时间，高峰过后呈缓坡，漫延较长时间消失，表明该处存在更大的贮水潭穴（也许为“顺层纵向槽隙”）。Cl在较大水体中弥散，到达峰值和峰值消散至正常值都需时间，因而延长了峰值出现的时间和浓度衰减时间。

③在峰值过后的缓坡曲线中，出现两处低值（9月13日19：00，9月19日7：00），表明存在支管岩溶水补给而被稀释的结果（如张三坡支暗河）。

（3）示踪试验分析

张三坡、响水坪两投点示踪试验表明，与凉水井、后河、银水湾排泄点无联系（未接受到示踪剂），只牛鼻子洞暗河出口接受到示踪剂，表明两投点明流是牛鼻子暗河的入口，构成响水坪、张三坡—牛鼻子洞暗河。

牛鼻子暗河的特征

响水坪—牛鼻子洞暗河示踪试验Cl^－浓度—时间曲线为缓坡、钝峰不对称型曲线，而张三坡—牛鼻子洞暗河示踪试验曲线为陡坡、尖峰对称曲线，两曲线反映了不同的管道形态和结构特征。说明它们虽共一出口，但基本上仍为各自相对独立的两个管道。

①暗河的梯度

a张三坡—牛鼻子洞：

入口标高H₁＝1 099（m），出口标高H₂＝445（m），试段长L＝5 960（m）；

梯度：

b响水坪—牛鼻子洞：

入口标高H₁＝1 028（m），出口标高H₂＝445（m），试段长L＝4 330（m）；

梯度：

②暗河流速

a张三坡—牛鼻子洞：

投盐时间为2004年6月9日20：00，初显示踪剂时间为2004年6月14日9：00，历时133 （h）＝421 200（s）；试段长5 960m；

流速：

b响水坪—牛鼻子洞：

投盐时间为2003年8月19日14：00，初显示踪剂时间为2003年8月30日04：00，历时278（h）；试段长4 330m；

流速：

③暗河管道平面展布特征

a张三坡—牛鼻子洞的Cl^－浓度异常曲线为单峰对称型，地下水流速较快，应为平直管型通道。

b响水坪—牛鼻子洞，据相关试验资料分析，应为一具多个串珠状贮水洞穴和一个较大的储水“槽隙”，并有两个支管道汇入的复杂管道系统（图2－79）。

c响水坪—牛鼻子洞暗河“槽隙”的位置

贮水槽潭（可能顺层发育）其分布位置为：?“隙尾”部位置：S₁＝vt₁

式中：v——暗河流速15．18（m/h）；

t₁——示踪剂从“隙尾”至暗河出口的时间185（h）；

S₁（“隙尾”至暗河出口的距离）＝vt₁＝15．18×185＝2 808．3（m）。“隙头”部的位置（“尾”至“头”的距离）：S₂＝vt₂

式中：t₂——出现曲线峰值时间（9月6日21：00）至峰尾时间（9月10日12：00），历时87h；

S₂＝vt₂＝15．18×87＝1 320．66（m）

据以上综合分析得出暗河体系平面展布示意图（图2－79）。

图2－79　响水坪—牛鼻子洞暗河平面展布示意图

（4）暗河充水管道的断面推测

示踪试验段管道系统的体积大约与接收点在示踪时间段里流出的水体体积相当，即示踪剂投放时间至弥散中心浓度到达接收点的时间段里共流出的水体体积，其表达式为：

式中：t₀——投盐时间；

t₁——示踪剂弥散中心浓度（峰值浓度）到达指定点的时间；

Q——投放点的流量。

示踪试验表明，牛鼻子洞暗河出口是张三坡—牛鼻子洞、响水坪—牛鼻子洞两暗河的共同出口。采用牛鼻子洞暗河出口流量算得的体积为两暗河管道的共同体积，结果如表2－31所示。

表2－31　张三坡、响水坪两暗河的管道体积

两个暗河单个充水平均断面面积：

式中：L₁＝4 330m，为响水坪—牛鼻子洞距离；

L₂＝5 960m，为张三坡—牛鼻子洞距离。

据弥散系数D_L（响）＝589m²/d，D_L（张）＝21 003m²/d，推算其暗河充水面积为：

w_合＝33 546（m²）

单个暗河充水高h：

单个暗河充水宽度b：

（5）暗河补给源问题

①从示踪试验结果看，张三坡、响水坪两入口至牛鼻子洞，基本为两个相对独立的管道，各自受汇于两个补给源。响水洞汇水面积（Ⅱ）5．3km²，张三坡汇水面积（Ⅲ）3．0km²。示踪试验时测得的入口表水迳流量分别为38L/s、22L/s，总和仅占牛鼻子洞暗河当时流量（220L/s）的27%，因此除暗河入口表流外，尚有其他渠道补给暗河。

②示踪试验表明，从投点到初显，响—牛系统历时254h；张—牛系统历时109h。从同期降雨—涌水量—时间曲线（图2－80）看，降雨峰值至涌水量峰值历时仅48～72h，可见存在近程的补给源，如暗河管道上部的向斜核部封闭洼地汇水的补给，其面积（Ⅰ）2．27km²。该补给源的渗水汇入暗河处，正好为一“槽隙”，如图2－76所示。Ⅰ区范围正位于暗河的上方，因此降雨可相对较快地直接渗入地下，汇入暗河使暗河流量增加。从图2－80曲线分析，该增加量占同期暗河总流量的40%～60%，如表2－32所示。

表2－32　降雨量与暗河流量关系

（6）暗河对隧道的影响

隧道工程区为一向斜山地，东、西、南三向被河溪深切，只向NE向延伸。北侧山地地表迳流和地下水汇聚向斜核部，以两个单管式管道（流）向西南迳流，于泗渡河（牛鼻子暗河出口）排出（图2－76）。

向斜核部褶皱紧密，倾角陡（60°～80°），纵向裂隙、层间裂隙发育，有利于岩溶水向向斜核部汇聚，有利于顺层间裂隙溶蚀并向深部发展，同时得到向斜核部封闭洼地汇水直接补给，所以暗河发育于向斜核部。

暗河与隧道的空间关系

图2－80　牛鼻子洞暗河流量、降雨量历时变化曲线图

①暗河与隧道的相交位置

平面相交位置和标高关系如表2－33、图2－76所示。空间关系如图2－24所示。可见，隧道位于暗河的下部169～246m。

表2－33　暗河与隧道的位置关系

②暗河对隧道的影响

a隧道穿越的向斜核部，以纵向层间充水为主导，暗河串联复杂的充水介质中的溶隙网络，并得到由陡倾角顺层裂隙、溶隙管道等组成深厚的垂直渗流带的补给；该带沿走向接受向斜轴向宽远的补给源。隧道通过该区，不能排除通过裂隙、溶隙将水导入隧道的可能性。

b隧道洞顶向斜核部的Ⅰ汇水区（地下暗河的“槽隙”范围），降雨通过垂直渗流带直接补给暗河，其特点是迅速，雨峰2～3天后即可出现洪峰；瞬时流量大，可占暗河总流量的40%～60%（表2－32）。可以预料，如果隧道通过该区，出现比较大的涌水并不意外，需加注意。

c暗河位于隧道洞顶上方，施工时可能不致直接遭遇暗河，但不排除遭遇与暗河有联系的溶隙管道涌水，若任其长期排放会引起溶隙管道与暗河的沟通，使防治工作增加难度。隧道设计施工应尽力避免此种情况的发生。

通过详细的岩溶地质调查，宜万铁路岩溶隧道涌突水特征如表2－34所示。