牛栏江—滇池补水工程干河泵站引水隧洞施工涌水分析
作者简介：赵永川 （1966—），工学学士，教授级高级工程师，副总工程师，主要从事水利水电工程地质勘察工作。
摘要：本文从引水隧洞地形地貌、地层岩性、地质构造、岩溶形态、影响岩溶发育的因素、岩溶发育分期、岩溶发育强度分带入手，研究了岩溶水系统结构场、水动力场和水化学场。通过现场泉水调查、物探、钻探、地下水长期观测、水化学试验、连通试验，分析了地下水补给、径流、排泄关系。引水隧洞为中部岩溶水系统中的干河左岸岩溶水子系统，岩溶发育，含介质为裂隙—管道—暗河三重介质，与干河右岸岩溶水子系统的地下水无水力联系。勘察期间采用水均衡法计算隧洞正常涌水量，采用古德曼经验公式计算隧洞最大涌水量，施工期间采用有压管道流计算隧洞涌水量，正常涌水量计算成果误差较小，与施工期间排水量基本一致，为设计和施工提供了可靠的基础资料。
关键词：岩溶 伏流 地下水 排泄 涌水量
1 引言
牛栏江—滇池补水工程属大型山岭区长距离引水工程，是滇池水环境综合治理关键项目之一，工程由德泽水库、干河泵站和输水线路3部分组成。
干河泵站位于德泽水库库区内，距德泽水库坝址17.7km，泵站枢纽由引水隧洞、进水系统建筑物、地下厂房系统建筑物、出水系统建筑物、地面建筑物5部分组成。泵站设计流量为23m3/s，最大净扬程233.30m，设计扬程221.20m，装机规模4×22.5MW，总装机功率90MW，为大（1）型水利水电工程，主泵房距离干河河道约140m，埋深约150m，低于干河河床45m，厂房主洞室长69.25m，宽20.2m，最大高度39.15m，是亚洲单机规模最大的泵站。
引水隧洞取水口位于干河与牛栏江交汇口下游的牛栏江左岸，洞长3249.50m，设计流量23m3/s；进口底板高程1745m，桩号0+004.25～0+012.25设计为方形断面，断面尺寸为4m×4m，为平坡段。桩号0+012.25～3+018.00设计坡降3.6‰；桩号3+018.00～3+065.10为斜井段，底板高程由1733.18m降至1719m；桩号3+065.10～3+249.50设计为平坡段，之后接调压井。桩号0+012.25～3+249.50设计为圆形断面，直径为4m。
隧洞进口段出露P1q灰岩，洞身段围岩为P1m厚层灰岩，有岩性纯、厚度大、分布连续的特点，岩溶发育强烈。2011年9月引水隧洞桩号2+483.5西侧掌子面沿爆破钻孔发生突水，流量巨大，施工供电、水泵容量难以满足施工要求，导致隧洞被淹，水位上升至2号施工支洞桩号0+50，高程1764m，高于桩号2+483.5掌子面底板高程29m，使得工期延迟半年，并造成经济损失。为了尽快施工、减少经济损失、保障施工安全，有必要研究隧洞工程区岩溶发育规律、分析地下水补给来源、计算施工涌水量，为设计和施工提供可靠的基础资料。
2 地质概况
2.1 地形地貌
干河为地表深切峡谷，谷坡陡峻，坡高100～150m，谷底宽50～100m，河床宽10～20m，高程1772m。干河河段从天生桥由伏流变明流后，河道呈向南突出的不规则的半圆弧形延伸汇入牛栏江，全长5.14km。两岸山顶地形较缓，坡度5°～25°，高程1926～2032m。呈现出以溶蚀丘陵、高原及构造溶蚀中山峡谷为主的地貌特征，地势整体西高东低。
2.2 地层岩性
2.2.1 寒武系（∈）
（1）下统沧浪铺组（∈1c）：主要分布于干河以北的李子箐村，上部长石岩屑石英砂岩、石英砂岩与泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层，下部泥岩、粉砂岩夹薄层砂岩与含砾粗粒石英砂岩互层，为相对隔水层。
（2）中统陡坡寺组（∈2d）：主要分布于中部岩溶水系统的南部，以细砂岩、页岩、粉砂岩为主，为相对隔水层。
（3）中统双龙潭组（∈2s）：主要分布于中部岩溶水系统海嘎村附近，白云岩夹砂页岩，为岩溶含水层。
2.2.2 志留系（S）
上统关底组（S3g）：主要分布于中部岩溶水系统海嘎村附近，上部为泥岩，为相对隔水层；下部为白云岩，为岩溶含水层。
2.2.3 泥盆系（D）
中统海口组（D2h）：呈条带状分布于中部岩溶水系统，上部石英砂岩、不等粒岩屑石英杂砂岩夹粉砂岩、泥岩；下部泥岩与长石石英砂岩、石英杂砂岩互层，为相对隔水层。
上统宰格组（D3zg）：主要分布于中部岩溶水系统的南部，为中厚层—块状灰质白云岩、角砾状灰岩、白云质灰岩夹薄层状钙质泥岩、页岩，为岩溶含水层。
2.2.4 石炭系（C）
（1）下统：呈条带状主要分布于牛栏江岸边及小尖山东部；岩关组（C1y）为中厚层状灰岩夹泥灰岩；大塘组（C1d）：上部炭质页岩夹煤线、灰岩透镜体及石英砂岩、页岩、薄层灰岩夹煤线，下部为白云质灰岩、白云岩、鲕状灰岩、泥质灰岩，为岩溶含水层。
（2）中统威宁组（C2w）：呈条带状主要分布于牛栏江岸边及小尖山东部，岩性为中层—厚层状灰岩、生物碎屑灰岩，为岩溶含水层。
（3）上统马平组（C3m）：呈条带状主要分布于牛栏江岸边及小尖山东部，上部为中—厚层状隐晶灰岩夹生物碎屑灰岩，中部为厚层生物碎屑灰岩夹结晶灰岩，下部为中—厚层状灰岩、假鲕状灰岩，为岩溶含水层。
2.2.5 二叠系（P）
（1）下统梁山组（P1l）：呈条带状与P1q+m相伴分布。岩性为石英砂岩、粉砂岩、黑色页岩夹煤层，为相对隔水层。
（2）下统栖霞、茅口组（P1q+m）：广泛分布于中部岩溶水系统（约占总面积的60%）。岩性为厚层状灰岩，白云质灰岩、生物碎屑灰岩夹白云岩，为主要岩溶含水层。
（3）上统峨眉山玄武岩组（P2β）：主要沿白石岩—小河水向斜的轴部分布。致密状玄武岩、斑状玄武岩、杏仁状玄武岩、火山角砾岩及少量集块岩，为相对隔水层。
2.3 地质构造
工程区位于川滇径向构造带与云南“山”字形构造脊柱复合部位，属曲靖—会泽台褶束单元。构造以新华夏系—华夏系构造占主导地位，近NW向构造次之。构造线方向以NE向压性构造为主，次为NNE—NW、NNW向的张扭性或张性构造。
2.3.1 褶皱构造
（1）白石岩—小河水向斜（Ⅱ5）：为德泽水库库区左岸控制性构造，从库尾延伸至坝址区车乌槽谷左岸地段，轴部长约56km，轴向近N30°E,局部为近SN向。核部为P1l、P2β、P1m等地层，岩层倾角平缓；翼部为C3～D3zg、P1q等地层，两翼倾角30°～60°不等，东西侧因受同向断层的破坏，形态发育不全，而南段核部或西翼被鲁冲—车乌断层（Ⅱ2）所切割。
（2）刚纪村向斜（Ⅲ9）：分布于哨上—秧田冲—李子箐，NE向，被干沟断裂（Ⅰ6）错断，西段核部为T1f砂泥岩，两翼地层为P2β玄武岩、P1q+m灰岩；东段核部、两翼地层为P1q+m灰岩。
（3）格来村背斜（Ⅲ10）：分布于曾家大地，NE向，被干沟断裂错断，核部、两翼地层为P1q+m灰岩。
2.3.2 断层
库区断层受区域主构造线的控制，主要呈NNE—NE走向，其次为NW向。
（1）鲁冲—车乌断裂（Ⅱ2）：位于德泽水库库区左岸，与白石岩—小河水向斜（Ⅱ5）平行，为德泽水库左岸控制性构造，顺车乌槽谷延伸至德泽盆地内，长度大于80km，走向N15°～30°E，倾向NW向，倾角50°～85°。破碎带、角砾岩、糜棱岩发育，为压性逆冲断层，南西段（海嘎—糟家湾）为晚更新世活动断裂，北东段（海嘎—德泽）为中更新世活动断裂。
（2）干沟断裂（Ⅰ6）：位于鲁冲—车乌断裂西侧，长度大于200km，走向N20°～40°E，倾向SE，倾角60°～70°。破碎带、角砾岩发育，为压性逆冲断层。
（3）北东向断层：主要有大沙地—黄泥沟断层（Ⅱ6）、必寨断层（Ⅱ8）、妥乐断层（Ⅱ10），与鲁冲—车乌断裂（Ⅱ2）近于平行。
（4）北西向断层：主要有杨梅山断层（Ⅲ17）、杨家槽子断层（Ⅲ18）、海尾巴断层（Ⅲ19），分布于白石岩—小河水向斜（Ⅱ5）以东。
3 岩溶
3.1 岩溶形态
（1）地面岩溶形态。溶沟、溶槽、溶缝、石芽、落水洞、洼地、水平洞或斜洞常见于岩溶台地、山体表面及斜坡地带。
（2）地下岩溶形态。地下主要岩溶形态为：①溶孔；②溶隙；③溶洞；④暗河（白石岩—小河水向斜轴部的岩溶管道AH2）；⑤伏流：刺蓬河—干河（FL1）伏流、天生桥（FL2）伏流；具体特征见表1。
表1 引水隧洞区地下河特征
（3）隐伏岩溶管道。白石岩—小河水向斜轴部的岩溶管道AH1，进口、出口均不清,引水隧洞开挖揭露，与隧洞相交处高程为1735m，形状近似圆形，直径约为1.1m，沿向斜轴部发育。
3.2 影响岩溶发育的因素
岩溶发育受地层岩性、地质构造、水动力条件、新构造运动等诸多因素的综合影响和制约，其中最主要的是地层岩性和地质构造这两个控制性因素。不同岩性的碳酸盐岩中，岩溶发育具有明显的差异性，地质构造可决定岩溶水的流动趋向，控制岩溶发育的延伸方向。
3.2.1 地层岩性
碳酸盐岩的可溶程度一般用比溶解度表示，比溶解度随岩石中方解石含量的增加而增大，随白云石含量的增大而减小。
从矿物成分及岩性分析，岩溶发育强度有：纯灰岩＞白云质灰岩＞灰质白云岩＞白云岩＞不纯（泥质、硅质等）灰岩的特点。
从碳酸盐岩与非碳酸盐岩的关系分析，岩溶发育强度有：连续厚层碳酸盐岩＞夹层型碳酸盐岩＞互层型碳酸盐岩＞非碳酸盐岩夹碳酸盐岩的特点。
从岩石结构、构造分析，岩溶发育强度有：厚层块状碳酸盐岩＞薄至中层状碳酸盐岩的特点。
因此，从岩性分析，岩溶发育强烈。
3.2.2 地质构造
地质构造（断裂、褶皱、层面、构造裂隙等）对岩溶地下水运移（补、径、排）起控制作用，因此，对岩溶发育强度及方向影响较大，例如，鲁冲—车乌断裂、白石岩—小河水向斜、岩层层面、构造裂隙控制岩溶的发育强度和发育方向。
（1）断裂。引水隧洞以西为鲁冲—车乌断裂，角砾岩、糜棱岩、片理化等破碎带较发育，压性逆冲断层，控制了泉水的出露、碳酸盐岩与非碳酸盐岩的接触，也就控制了岩溶发育方向和强度、刺蓬河岩溶槽谷形成和方向、刺蓬河—干河伏流（FL1）前段的走向。
（2）褶皱。引水隧洞穿越白石岩—小河水向斜，向斜轴向近南北转北东，干河左岸向斜核部发育直径约1.1m的隐伏岩溶管道（暗河）AH1，该管道与天生桥伏流（FL2）相通；干河右岸向斜核部发育直径约1.3m的岩溶管道（季节性暗河）AH2。
（3）层面。层面对岩溶发育有重要作用，例如干河左岸的三个溶洞沿层面发育。
（4）构造裂隙。隧洞区主要发育两组陡倾构造裂隙，延伸长，第一组裂隙走向NW，控制了泵站地下厂房地下水的流向，以及天生桥伏流（FL2）的发育方向。第二组裂隙走向NWW—SWW，控制了刺蓬河—干河伏流（FL1）后段的走向，多个落水洞呈线性展布。
因此，从地质构造分析，岩溶发育强度和发育方向受构造控制，沿断裂、褶皱、层面、构造裂隙岩溶发育强烈，主要有岩溶槽谷、伏流、溶洞、落水洞、隐伏岩溶管道等岩溶形态。
3.2.3 夷平面
区域地形呈现南高北低，西高东低的特点，主要发育三级夷平面：
（1）Ⅰ级夷平面，高程2500～2700m，牛栏江上游的梁王山、西部的驾车盆地，仅局部残留。
（2）Ⅱ级夷平面，高程2200～2400m，牛栏江上游左岸的李子箐，仅局部残留。
（3） Ⅲ级夷平面，高程1850～2200m，高程1850～1900m多为构造盆地。
夷平面控制了地下水的排泄高程，以及岩溶的发育强度。
3.2.4 现代河流排泄基准面
干河曾经是地下水的排泄面，FL1、FL2、AH1、AH2岩溶管道地下水均向干河排泄，由于牛栏江下切及地壳抬升作用，现为悬托河，牛栏江是地下水的排泄基准面，泉水在两岸排出地表，均高于或接近河床高程，表明排泄基准面控制了岩溶的形成与发育。
岩溶发育对于河谷排泄基准面的适应性，主要表现在岩溶发育空间上的成层性及深部强岩溶，由于牛栏江下切速度较快，地壳抬升速度也较快，阶地仅局部残留，水平溶洞较少，成层性不明显。
对于干河，两岸岩溶的成层性较明显。①Ⅰ级阶地后缘，为刺蓬河—干河伏流（FL1）出口，高程1773m，高于河床2～3m，由于牛栏江下切及地壳抬升，出口也向深部下切，形成季节性地下河。②出露多个水平溶洞，高程为1788～1791m，高于干河河床18～21m，为干河的Ⅱ级阶地，由于河流下切作用变为干溶洞。
3.3 岩溶发育分期
第三纪以前的古岩溶，仅局部残留在高程3000m以上的峰面上，大多为后期沉积物充填。
第三纪以来的新岩溶处于亚热带湿润气候型岩溶—中山山地岩溶区之高原岩溶亚区，根据岩溶形态、地壳构造运动特征、剥夷面高程、岩溶水动力条件等因素将区域岩溶发育分为师山期、昭鲁期、金沙江期。
（1）师山期（N）：高程为2500～2700m，位于Ⅰ级夷平面与Ⅱ级夷平面之间，岩溶发育强烈，主要岩溶形态为丘峰溶原、峰丛洼地，溶沟、溶槽、溶缝、石芽、落水洞、洼地等，主要发育在引水隧洞的西北部。
（2）昭鲁期（E）：高程为2000～2200m，位于Ⅱ级夷平面与Ⅲ级夷平面之间，岩溶发育强烈，主要岩溶形态溶沟、溶槽、溶缝、石芽、落水洞、洼地、溶蚀槽谷、溶洞、伏流等，广泛出露。
（3）金沙江期（Q）：高程为1730～2000m，位于Ⅲ级夷平面之下，岩溶发育强烈，主要岩溶形态溶沟、溶槽、溶缝、石芽、落水洞、溶洞等，伏流极发育（刺蓬河—干河伏流、天生桥伏流），还发育白石岩—小河水向斜轴部的暗河管道。
3.4 岩溶发育强度分带
岩溶发育强度分带是对金沙江期岩溶在垂向上进行分带，根据岩溶发育强度、形态、岩溶水动力条件划分为强岩溶带、弱岩溶带、微岩溶带。2000～1695m为强岩溶带，1695～1600m为弱岩溶带，1600m以下为微岩溶带。引水隧洞底板高程为1719～1745m，洞身围岩位于强岩溶带中，岩溶强烈发育。
4 岩溶水系统
4.1 岩溶水系统划分
岩溶水系统是有固定的边界和汇流范围及蓄积空间，具有独立的补给、径流、蓄积、排泄途径和统一的水利联系，构成相对独立的水文地质单元，不同的岩溶水系统有不同的结构场、水动力场、水化学场。
根据岩溶含水层、相对隔水层的厚度、分布，地下水补给、径流、排泄条件的不同，德泽水库左岸为白石岩—小河水向斜岩溶水系统，又分为北部岩溶水系统、中部岩溶水系统、南部岩溶水系统。
4.2 岩溶水系统特征
4.2.1 北部岩溶水系统
位于金蛤蟆村—后山梁子，呈北东向展布，为向斜储水构造岩溶水系统，主要含水层为石炭系灰岩及泥盆系白云岩，相对隔水层为∈1c、D2h砂岩、泥岩、页岩等；向斜两侧对称，车乌槽谷右岸、牛栏江左岸均有泉水出露，高于河床100m以上，据地形分水岭钻孔地下水位长期观测资料，地下分水岭最低高程为1817m，接受大气降水补给，经裂隙、岩溶管道径流，分别向车乌河、牛栏江两个方向排泄。
4.2.2 南部岩溶水系统
位于小水箐—旧营村，呈北东向展布，为向斜储水构造岩溶水系统，主要含水层为二叠系灰岩及泥盆系白云岩，相对隔水层为志留系泥岩，向斜不对称，向东部倾斜。仅在牛栏江左岸有泉水出露，多高于河床，接受大气降水补给，经裂隙、岩溶管道径流，向牛栏江方向排泄。
4.2.3 中部岩溶水系统
位于金蛤蟆村—小水箐，呈SN—NE向展布，为向斜储水构造岩溶水系统，主要含水层为二叠系灰岩，相对隔水层为泥岩、玄武岩，向斜不对称，向东部倾斜，又分为干河左岸岩溶水子系统、干河右岸岩溶水子系统。
干河左岸岩溶水子系统：发育隐伏岩溶管道系统（暗河）AH1，沿白石岩—小河水向斜轴部发育，近南北向，为裂隙—管道—暗河三重介质，地下水与干河地表水、干河右岸地下水无水力联系，如图1、图2所示。从图中可以看出，AH1暗河地下水与天生桥伏流进口河水及出口河水关系密切，也通过连通试验得到验证，如图3所示。地下水接受大气降水、天生桥伏流河水补给，通过裂隙—管道—暗河径流，由北向南径流至干河，见图4，后沿干河河床下部隐伏岩溶管道向牛栏江排泄；裂隙水以散浸形式向牛栏江排泄。
图1 地表水地下水水质Piper三线图
图2 地表水、地下水水质聚类分析图
图3 8月22日连通试验2号施工支洞排水食盐示踪过程曲线
图4 引水隧洞桩号2+483.5暗河涌水
干河右岸岩溶水子系统：发育暗河系统AH2，沿白石岩—小河水向斜轴部发育，NE向；发育刺蓬河—干河伏流（FL1），受NWW向张扭性或NEE向扭性结构面控制；为裂隙—管道—暗河三重介质，地下水与干河左岸地下水无水力联系。地下水接受大气降水补给，刺蓬河—干河伏流岩溶管道地下水沿岩溶管道径流，后沿干河河床下部隐伏岩溶管道向牛栏江排泄；暗河系统AH2地下水受牛栏江下切作用影响，向干河上游的牛栏江排泄（例如29号泉水）；裂隙水以散浸形式向牛栏江排泄。
5 涌水量计算
5.1 引水隧洞岩溶水文地质
引水隧洞为白石岩—小河水向斜岩溶水系统之中部岩溶水系统中的干河左岸岩溶水子系统，桩号0+000～1+500洞身位于地下水位以上，桩号1+500～3+249.50洞身位于地下水位以下，水位高于隧洞底板5～29m，含水层为灰岩，含水介质为裂隙—管道—暗河三重介质，与干河右岸岩溶水子系统的地下水无水力联系；地下水水力坡降1.5%～2%；地下水接受大气降水及天生桥伏流河水的补给，大部分地下水沿裂隙—管道—暗河径流，汇聚在隐伏岩溶管道（AH1），并流至干河，经干河河床下部隐伏岩溶管道向牛栏江排泄；少部分地下水沿裂隙径流，以散浸形式向牛栏江排泄；牛栏江为地下水的最低排泄基准面。
5.2 涌水量计算
勘察期间由于未发现隐伏岩溶管道（AH1），概化为均匀透水岩体，采用水均衡法计算隧洞正常涌水量，采用古德曼经验公式计算隧洞最大涌水量。隧洞开挖揭露隐伏岩溶管道（AH1），采用有压管道流计算涌水量。
5.2.1 渗透系数的确定
（1）根据干河泵站及引水隧洞钻孔压水试验成果，渗透系数K按照岩体透水率的1/50取值，K=1.30m/d。
（2）根据干河泵站及引水隧洞钻孔单孔抽水试验成果，渗透系数K取平均值，K=2.00m/d。
（3）根据干河泵站斜井—平洞抽水并进行水位恢复试验，渗透系数K=2.86m/d。
一般情况，灰岩区岩体渗透系数采用群孔抽水试验比较合理，钻孔压水试验、单孔抽水试验代表性较差，因此，在进行隧洞涌水量计算时，渗透系数采用斜井—平洞抽水试验成果，即K=2.86m/d。
5.2.2 水均衡法计算公式
当隧洞通过岩溶区，可采用水均衡法公式计算正常涌水量：
式中 Q——隧洞正常涌水量,m3/d；
A——岩溶含水体地段地表集雨面积,km2；
α——降雨入渗系数；
W——多年平均降雨量,mm。
计算成果，Q=136643m3/d。
5.2.3 古德曼经验计算公式
隧洞通过潜水含水体时，采用古德曼经验公式计算隧洞最大涌水量［8］：
式中 Q——最大涌水量，m3/d；
K——渗透系数，m/d；
H——静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离，m；
d——洞身横断面等价圆直径，m；
L——隧洞通过含水体的长度，m。
分为主洞桩号1+500～3+249.50、2号施工支洞两段进行计算：枯季Q1=201577m3/d，Q2=44242m3/d，合计Q=245819m3/d；雨季地下水位升高5～10m，取7.5m，则Q1=254920m3/d，Q2=57435m3/d，合计Q=312355m3/d。
5.2.4 有压管道流公式
引水隧洞桩号2+483.50处为隐伏岩溶管道，按照有压管道自由出流的流量计算公式：
式中 Q——管道出口流量，m3/d；
μc——管道系统流量系数；
α——动能修正系数；
∑ζ——管道中各局部水头损失系数之和；
λ——沿程水头损失系数；
l——管道计算段长度,m；
d——管道内径,m；
A——管道断面面积,m2；
g——重力加速度,m/s2；
H0——包括行近水头的作用水头；
H——不包括行近水头的作用水头；
v0——行近流速,m/s。
计算成果：枯季Q=138240m3/d；雨季地下水位升高5～10m，取7.5m，则Q=146880m3/d。
5.2.5 对比分析
水均衡法计算隧洞涌水量与有压管道流涌水量相比，枯季差别小，误差约1.2%；雨季差别较小，误差约7.5%。
古德曼经验公式计算隧洞最大涌水量与有压管道流涌水量相比，枯季是1.78倍，雨季是2.13倍。
施工时间为2012年12月，管道实测涌水量为148800m3/d，是水均衡法涌水量的1.09倍；是有压官道流枯季的1.08倍，雨季的1.01倍；与两种方法相比，误差在10%范围内。
勘察期间采用水均衡法计算正常涌水量，采用古德曼经验公式计算最大涌水量是可靠的，与施工期间隧洞的排水量基本一致。
6 结语
（1）引水隧洞区的岩溶形态复杂、多样。
（2）岩溶发育受地层岩性、地质构造、水动力条件、新构造运动等诸多因素的综合影响和制约。
（3）引水隧洞区岩溶属金沙江期岩溶，洞身围岩为强岩溶带。
（4）干河左岸岩溶水子系统与右岸岩溶水子系统的地下水无水力联系。
（5）勘察期间采用水均衡法计算正常涌水量，采用古德曼经验公式计算最大涌水量是可靠的，与施工期间隧洞的排水量基本一致。
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