滇中引水工程昆呈隧洞大新册岩溶水系统研究

孙文超，闫斌 刘皓 李宗龙

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明 650051）

关键词：岩溶　岩溶水系统　隧洞

1 引言

我国已建、在建、拟建岩溶隧道（巷道）数量多，分布广，施工过程中极易发生突水突泥灾害，造成重大的经济损失、人员伤亡与工期延误。牛栏江—滇池补水工程大五山隧洞输水线10标13号施工支洞穿过兔耳关断层，施工中发生了3次特大地下泥石流，施工多次中断施工段，并引发地面沉降，形成塌陷坑。大量的涌水在洞内成为河流，隧洞多次被涌水淹没，严重影响工期。锦屏二级水电站辅助洞西端地下水具有储存量大、水位高、压力大的特点,当隧洞揭穿阻水屏障时,大量的岩溶地下水倾泻而出导致洞内高压涌水，对施工安全有较大的潜在威胁。圆梁山隧道施工中在桐桐麻岭背斜和毛坝向斜遇到5个深埋充填型溶洞，受高压、富水、岩溶等诱导因素的影响，隧道施工中多次突发了大规模的涌水、涌砂和涌泥灾害，给工程的安全施工造成了极其严重的影响。岩溶隧洞围岩岩体溶蚀破碎以及软弱的溶洞充填物及活跃的地下水对隧洞施工非常不利，不仅对人员安全及施工进度产生影响，同时会引起一系列的环境效应，岩溶涌水、突泥已成为岩溶地区隧道施工主要地质灾害之一，据统计因岩溶问题引起的隧道施工地质灾害造成的停工时间约占施工总工期的30%。

滇中引水工程是一项以城镇生活与工业供水为主，兼顾农业和生态用水的大型引水工程。昆呈隧洞大新册段全长17.77km。隧洞穿越可溶岩累计总长12.72km，约占该段隧洞总长的71.6%，岩溶极为发育，隧洞穿越黑、白龙潭段为两暗河管道系统，地下水补给丰富、水量较大、径流条件复杂，两主要排泄点黑龙潭 （高程1910m、流量290L/s）、白龙潭 （高程1920m、流量390L/s）泉流量巨大，隧洞穿越此段 （分布高程1886～1897m）遭遇岩溶突水危险性高，岩溶涌水、突泥问题突出。为有效控制岩溶隧道突水突泥风险，确保隧道建设安全，查明黑、白龙潭两暗河系统的联系性至关重要。黄会在 《昆明呈贡黑、白龙潭地下水系统独立性研究》认为黑、白龙潭地下水系统受中间稳定隔水条带P₁d的阻隔不具水力联系，但构造断裂使得P₁d在浑水塘一带被错断，两个地下水系统在下部具有水力联系。未对两暗河系统泉流量变化详细论述，本文结合泉流量随季节变化特征，对地下水补、径、排特征及地下水均衡精细分析，重新界定系统边界，对水系统进行深入分析，研究黑、白龙潭两暗河系统的联系性，预测隧洞施工涌突水影响。

2 大新册岩溶文地质条件分析

2.1 地形地貌与岩溶发育特征

2.1.1 地形地貌

研究区为滇中高原的一部分，地形复杂、起伏明显、盆岭相间、深受构造控制。总体地势为北东高，南西低（图1、图2）。研究区内地貌类型多样，根据成因差异将区内地貌分为构造侵蚀地貌、侵蚀地貌、溶蚀地貌、湖泊地貌。

2.1.2 岩溶发育特征

研究区可溶岩广泛分布，出露的主要可溶岩层位从新到老依次为：二叠系下统栖霞茅口组（P₁q+m）灰岩，石炭系中统威宁组（C₂w）灰岩，石炭系下统大塘组上司段（C₁d²）灰岩、白云岩，泥盆系上统宰格组（D₃z）白云岩。

区内构造较为复杂，发育有一条主要断裂：一朵云—龙潭山断裂（F₃₁）及四条主要断层：浑水塘断层（F_V-54）、浑水塘—白龙潭山以北断层（F_V-56）和黄莲山—白龙潭山断层（F_V-60）、呈七断层（F_V-57），如图3所示。五条主要构造及由其发育的各个走向的中小型断层，为地下水的流动提供了良好的流通通道，促进了岩溶的发育。

根据调查，研究区岩溶现象十分发育，可分为地表岩溶现象和地下岩溶现象。地表岩溶现象包括洼地、漏斗、落水洞（竖井）、溶蚀槽谷和石芽坡地等，地下岩溶包括溶洞、地下暗河和溶孔、溶隙。除了上述野外水文地质调查所能观测到的岩溶现象外，隧洞沿线布置的勘探和物探也揭露了一些溶蚀现象。由于地形的变化，从分水岭至河流谷盆，岩溶发育形态由开敞式—隐蔽式—覆盖式呈有规律的过渡。

河流切割、构造运动、沉积环境的影响，研究区内不同地段可溶岩的岩性及岩溶的发育程度不同。其中P₁q+m、C₂w灰岩地层中洼地、落水洞、溶孔、溶隙、岩溶槽谷、岩溶暗河等岩溶形态十分发育；中等岩溶化的大塘组（C₁d²）、宰格组（D₃z）溶隙、溶孔也较发育。

（1）地表岩溶现象：工程区内地表岩溶形态主要表现为洼地、漏斗、落水洞（岩溶竖井）、溶蚀槽谷和石芽（图4~图7）。

（2）地下岩溶现象：研究区内暗河管道非常发育，暗河管道受地质构造和岩性的控制，尤其在P₁q+m灰岩地层中表现得十分明显（图8、图9）。暗河管道多沿轴向顺层发育，规模巨大，径流长且常年有水，且水量非常大，是区域地下水一个重要的排泄出口，作为昆明城区饮用水源。

黑龙潭暗河出口（图5）为扁平狭长形状，暗河管道顺层发育，经地形切割，遇第四系阻隔排出地表。现已用作集中式饮用水供水地，水质清澈。枯季、雨季流量变化较大，平均流量约为290L/s。白龙潭暗河出口（图6），出口埋于水下，暗河管道顺层发育，于山脚受第四系阻隔排泄。现已作为供水水源地，水质清澈，有少量污染。一年四季流量变化不大，平均流量约为392L/s。

2.2 含水结构及其空间展布

在岩溶地区，由于强烈的构造运动，断裂交错发育，各个时代的地层被切割成不同形态的断块，岩溶含水层与非岩溶相对隔水层在垂直上的间隔分布。研究区内可溶岩含水层组为P₁q+m、C₂w、C₁d²、D₃z、Z_bdn。其中，P₁q+m富水性强，C₂w、C₁d²富水性较强—强，D₃z、Z_bdn富水性较强。结合可溶岩地层岩性、富水性及其空间展布关系，可将上述可溶岩含水层组划分为三套含水结构，见表1。

2.3 地下水均衡分析

地下水均衡分析是应用质量守恒定律去分析参与水循环的各要素的数量关系，目的在于全面客观认识区域或局域水文地质条件，从而分析各细化单元的地下水补径排条件与循环转化规律。

研究区处于大新册岩溶水系统（Ⅰ），属于吴家营水文地质单元，由山地裸露型岩溶区和盆地、河谷覆盖型岩溶区组成。地下水动态类型为岩溶管道渗入-径流型，即降雨补给地下水，并以地下径流形式泄出地表成泉，或补给地表水体。结合野外调查，选取大新册岩溶水文地质单元（Ⅰ）为均衡区，采用一个“水文年”为均衡期，根据水均衡原理，建立地下水均衡方程：

式中 P_f——大气降雨入渗补给量;

ΔQ_fw——地表水入渗增减量;

ΔW_g——地下水流入与流出增减量;

ΔQ_a——人工补排增减量;

C_d——凝结水补给量;

E——地下水蒸发量。

根据研究区长观孔实测水位数据显示，2010—2016年地下水水位介于1911~1918m，处于基本稳定状态，故可假设该岩溶水文地质单元内的储存量变化量为0，即μF为0。根据该单元的生态环境特征，可忽略等式右边的ΔQ_fw、C_d和E三项，同时可忽略人为因素产生的ΔQ_a项，而ΔW_g项近似看作年泉流量Q_s（取负值），则将式 （1）简写为：

即单元内大气降雨补给量大致与主要排泄点的排泄量相当，其中大气降雨入渗补给量P_f为：

式中 α——降水综合性入渗系数;

F——接受降水入渗的地表面积，m²;

P——多年平均年降水量，m³/a。

在大新册岩溶水文地质单元（Ⅰ）内，地下水主要以泉的形式集中排泄，大型岩溶泉点为黑、白龙潭暗河出口，马金铺一带发育若干小型泉点，与上述泉点存在直接水力联系的可溶岩区域为③、⑤、⑥、⑧，如图10所示，非可溶岩区域为④、⑦，而区域⑨、⑩则因大新册一带第四系覆盖，尚未明确该区域是否作为黑龙潭岩溶水文地质单元的补给径流区，故采用水均衡计算方法分析该问题。

Q_s计算：黑龙潭泉流量变化较大，丰水期约为290L/s，枯水期仅为80L/s，白龙潭此次调查流量约为390L/s，马金铺一带发育流量稍大的两个泉点，均小于10L/s，其余分散汇入滇池及地表溪沟，则

P_f计算：③、⑥为裸露型纯灰岩地区，α取经验值0.38，面积分别为15.338km²、12.841km²；⑤为裸露型碎屑岩与碳酸盐岩互层地区，α取经验值0.28，面积为7.978 km²；⑧为覆盖型岩溶区，第四系较厚，且地表建筑物星罗棋布，α取经验值0.05；面积为37.866km²，④、⑦为玄武岩侵蚀山体，斜坡上汇集的降水有很大一部分流向岩溶区从而补给岩溶水，故计算斜坡汇集降水时α′=1-α，α′取0.80，部分形成地表明流，故折减系数K取0.5，面积分别为5.829km²、18.192km²，年均大气降雨量取806.6mm/a，则该区域大气降雨入渗补给量P_f为：

据此可知，P_f<Q_s。表明③~⑧补给区域并不满足该地区的排泄量，从而⑨、⑩可能成为其补给径流区。

⑨为裸露型纯灰岩地区，α取经验值0.38，面积为10.781km²；⑩为玄武岩侵蚀山体，α′取0.80，主要形成地表水系，故折减系数k取0.2，面积为9.573km²，则大气降雨入渗补给量P_f9、P_f10为：

计算结果表明，清水沟南—黑龙潭一带同样也为黑龙潭岩溶水文地质单元（Ⅰ-1）的补给径流区。

2.4 岩溶水系统精细划分及边界确定

根据研究区的地层富水性、地下水补径排条件以及相关水均衡计算分析，大新册岩溶水文地质单元（Ⅰ）为Y形岩溶区域，北西以清水沟南即蛇山一带的地表分水岭为界，正北、东以及南边界均为P₂β构成的物理隔水边界，西边界由P₁d、∈₁c及NS向白邑—横冲断裂构成。该单元可溶岩大面积出露，地下水主要接受大气降雨入渗补给，集中排泄于黑、白龙潭暗河出口，部分零星排泄或直接汇入滇池。

根据野外调查显示，二叠系下统倒石头组（P₁d）岩性为铝土质黏土岩，为一稳定的隔水条带，结合示踪实验以及现场野外地质调查可知，该地层为一稳定的隔水条带，因此可将大新册岩溶水文地质单元（Ⅰ）进一步细分为相对独立的黑龙潭岩溶水文地质单元（Ⅰ-1）和白龙潭—马金铺岩溶水文地质单元（Ⅰ-2），如图11所示。

根据水文地质单元分区图（图11）和研究区岩溶地下水补给区域图（图10），黑龙潭岩溶水文地质单元（Ⅰ-1）补给区为③、④、⑨、⑩，该单元大气降雨入渗补给量P_f为：

最大泉排泄量为：

由于计算Q_s选取丰水期最大泉流量，故推测在丰水期可能存在其他补给。

黑、白龙潭暗河系统被P₁d隔水条带阻隔，而在三家村以及浑水塘附近因EW向、NW—SE向走滑断层错动，C₂w含水岩组与P₁q+m含水岩组沟通。经野外调查显示，白龙潭排泄高程虽高于黑龙潭，但其流量常年较为稳定，而黑龙潭流量在枯、平、丰时期变化大，此外，结合丰水期开展的示踪试验结果，推测上述沟通部位如图12、图13所示。

黑、白龙潭暗河系统相对独立，仅在丰水期时白龙潭暗河系统补给黑龙潭，故将该单元进一步划分为黑龙潭岩溶水文地质单元（Ⅰ-1）和白龙潭—马金铺岩溶水文地质单元（Ⅰ-2），拟建引水隧洞均穿越上述两个子单元。黑龙潭岩溶水文地质单元（Ⅰ-1）的主要含水岩组为D₃z、C₁d²、C₂w、P₁q+m，均为可溶岩地层，洼地、落水洞、石芽等岩溶形态发育，富水性较强—强。单元主要接受Y形上部左右两支裸露型条带状岩溶区大气降雨入渗补给以及由非可溶岩侵蚀山体斜坡汇集的降雨形成地下径流，集中排泄于黑龙潭暗河出口，排泄高程为1920m。以补给区域及排泄特征差异为依据，将该单元细分为清水沟南—黑龙潭岩溶水文地质单元（Ⅰ-1-1）和徐家龙潭—黑龙潭岩溶水文地质单元（Ⅰ-1-2）。清水沟南—黑龙潭岩溶水文地质单元（Ⅰ-1-1）的补给和径流区为Y形上部左支，地下水向南顺层径流至奶头山一带后进入覆盖型岩溶区，由于上覆第四系地层在大新册一带厚度较大，导致地下水径流方式转变为扩散微承压流，在凹陷地带作深循环后，呈虹吸管流形式排泄至黑龙潭暗河出口周围，如图14所示。

徐家龙潭—黑龙潭岩溶水文地质单元（Ⅰ-1-2）的补给和径流区为Y形上部右支的一部分。由于P₁d隔水条带在大青岩水库—徐家龙潭一带被一朵云—龙潭山逆断层和EW向小型走滑断层错断，造成C₂w与P₁q+m沟通，使得地下水的可溶岩补给来源除了徐家龙潭—黑龙潭接受大气降雨入渗补给外，还包括部分老爷山—徐家龙潭一带P₁q+m的侧向径流补给。而通过现场调查，三家村一带的地表明流现已修葺防渗沟渠并引入石龙坝水库，并未通过三家村落水洞补给该单元的地下水。

3 昆呈隧洞大新册段施工水文地质

研究区内二叠系 （P）、石炭系 （C）等可溶岩地层分布广，岩溶发育程度普遍较高，其发育因素错综复杂，而岩溶发育的不均衡性和不规则性形成了纵横交错的岩溶管隙（道）网络系统。昆呈隧洞大新册段穿越多个可溶岩地层以及导水断裂，将对线路施工带来一系列困难，并产生繁多的岩溶地质灾害以及地下水环境问题。区内地下水多以岩溶管道的形式赋存、径流，部分溶腔中充填碎屑物质，因此，引水隧洞穿越可溶岩地层所引起的涌水、突水和突泥问题较为突出，尤其是在强岩溶化的可溶岩地层P₁q+m洞段、构造发育和可溶岩与非可溶岩接触部位洞段以及地下水活动强烈的部位。

隧洞穿越清水沟南—黑龙潭岩溶水文地质单元（Ⅰ-1-1），为岩溶强烈发育的P₁q+m地区，地表为一溶蚀槽谷出口，有利于大量地下水在此入渗汇集，隧洞处于地下水强径流区，地下水径流通畅，水量丰富，流量稳定，隧洞通过极容易遭遇涌水、突泥灾害。隧洞穿越徐家龙潭—黑龙潭岩溶水文地质单元（Ⅰ-1-2），该段出露的D₃z、C₁d²、C₂w以及P₁q+m等可溶岩岩溶强烈发育，岩溶发育高程低于隧洞底板，岩体富水性好，透水性较强，隧洞处于滇池流域地下水强径流排泄区，通过时极易遭受涌水、突水、突泥灾害，特别是一朵云—龙潭山断层发育部位和可溶岩与非可溶岩接触部位。隧洞下穿黑龙潭暗河系统径流途径且靠近排泄区，泉水出露高程为1920m，高于隧洞顶板，距隧洞较近，为958.96m，该泉流量较大，作为呈贡新区集中用水点，而隧洞通过，对其袭夺、疏干风险极大。

隧洞穿越断裂带时也易发涌突水灾害。断裂构造是具有特殊意义的水文地质体，具有储水空间、集水廊道和导水通道的作用，给地表水、地下水存储和径流提供了良好的条件。尤其是裂隙较为发育的断层破碎带及影响带，更容易形成富水带，且地下水量较大。但即使断裂构造处于非可溶岩区，隧洞在通过时，也较易发生涌突水、突泥，特别是通过大规模区域断裂带。

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