对水利水电基坑岩溶涌水策略探究

对水利水电基坑岩溶涌水策略探究一、基坑岩溶涌水条件基坑发生岩溶涌水的基本条件:一是岩溶发育，发育有与基坑连通的岩溶管道、溶蚀带或溶蚀裂隙等;二是岩溶水动力条件，基坑低于汛期岩溶地下水位。1.岩溶发育条件岩溶发育程度、规模及形态等，决定岩溶涌水的类型与规模。以下部位为岩溶涌水的重点部位，应加强分析预测。(1)可溶岩与非可溶岩接触带。非可溶岩一般为相对不透水或弱透水层，其构成了岩溶发育与岩溶地下水活动的控制边界，岩溶水往往沿此接触带汇集、径流和排泄，易形成溶蚀带、岩溶泉或暗河，易发生涌水。(2)可溶岩中的不整合界面、断层带、断层交汇带、破碎带、节理密集带等形成的构造破碎带。岩溶地下水也往往沿其集中径流和排泄，是岩溶涌水的主要部位。(3)岩溶管道系统或暗河系统。在岩溶发育地区，岩溶管道系统往往纵横交错，岩溶地下水接受水平和垂向补给，地下水位以下的管道或暗河常年有水，水量随季节和降雨量变化大，涌水量大，处理难度较大。2.岩溶水动力条件第7页共7页 根据岩溶水循环过程的水力学性质及伴随的水动力特征，岩溶地区存在四个水动力带，即垂直渗流带(包气带)、季节变动带、水平渗流带(潜流带)、虹吸渗流带。岩溶区水利水电工程厂坝基坑处于岩溶水的季节变动带、水平渗流带或虹吸渗流带内，季节变动带、水平渗流带的水流力学性质多呈重力梯度流，虹吸渗流带的水流力学性质多呈压力梯度流。季节变动带发生季节性涌水，涌水量受降雨强度与降雨入渗条件控制，以洼地、落水洞、漏斗补给最快，且量集中、变幅大、突发性强，危害性也较大。水平渗流带与虹吸渗流带发生常年涌水，涌水量相对稳定。水平渗流带一般为无压涌水，虹吸渗流带为有压涌水。按出流形式分溶隙型涌水和管道型涌水，溶隙型涌水为渗流运动，涌水量相对小，管道型涌水，地下水运动呈汇流式，涌水量大，危害性大，处理难度大。二、基坑岩溶涌水类型基坑岩溶涌水分类，尚无统一的标准和原则，从不同角度和侧重点出发，有不同的分类，概括起来有以下几种分类:(1)按岩溶水循环系统特征分为管道流涌水、扩散流涌水和混合流涌水;(2)按涌水形式分为渗水、线流、股流、涌流;(3)按岩溶水的运动带分为季节变动带涌水与饱水带涌水;(4)按岩溶水力学性质分为压力流涌水和无压流涌水;(5)按岩溶水文地质结构分为断裂带涌水、层间涌水、接触带涌水和裂隙涌水等;第7页共7页 (6)按涌水动态变化特点分为水文型涌水、稳定型涌水及突发型涌水;(7)按涌水量大小分为特大涌水(＞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、基坑岩溶涌水预测较准确地预测岩溶涌水发生的部位及涌水量，对采取有效的防治措施、保证工程施工工期及施工与运行安全等有重要意义。1.涌水部位与涌水类型预测从岩溶地下水的补给、径流及排泄关系看，岩溶区水利水电工程大坝与地面厂房基坑均处于岩溶地下水的排泄区，地下厂房基坑处于岩溶地下水的径流～排泄区，岩溶发育;从岩溶地下水动力分带看，岩溶区水利水电工程厂、坝基坑均位于岩溶地下水季节变动带与饱水带内，岩溶地下水丰富。岩溶区水利水电工程厂、坝基坑一般均存在不同程度的岩溶涌水问题，只是由于补给、径流、排泄及岩溶发育程度不同而导致涌水类型、涌水量及危害程度不同。基坑岩溶涌水部位与涌水类型预测需通过岩溶水文地质测绘、物探、勘探、岩溶水文地质观测与试验及测试、岩溶水文地质分析等勘察方法和手段，在查明基坑所处岩溶水文地质单元、基坑岩溶水文地质结构、岩溶形态、规模及延伸情况、岩溶发育规律、岩溶水动力特征等岩溶水文地质条件的基础上进行。1.1涌水部位预测第7页共7页 基坑岩溶涌水部位主要根据岩溶发育规律进行预测。一般在下列地段易发生涌水:(1)可溶岩与非可溶岩接触带、相变带;(2)可溶岩中的断层带、层间错动带、裂隙密集带、溶蚀破碎带;(3)向斜、背斜核部;(4)暗河、岩溶泉及岩溶管道系统发育带。1.2涌水类型预测基坑岩溶涌水类型主要根据岩溶地下水循环系统特征与水动力特征进行预测。(1)暗河、岩溶大泉、岩溶管道涌水类型为管道流涌水，常常产生大量涌水至特大涌水，危害性大，处理难度大，饱水带存在虹吸管道时常产生压力流涌水。(2)断层带、裂隙密集带、溶蚀破碎带、层间错动带等涌水类型主要为扩散流涌水，一般为少量涌水，危害性不大，较易处理，在饱水带有时产生压力流涌水。(3)岩溶管道与溶蚀破碎带、裂隙密集带等并存时，涌水类型为混合流涌水，既有管道流涌水，也有扩散流涌水，危害性大，处理难度大。2.涌水量预测第7页共7页 基坑岩溶涌水量的预测，除了一般的裂隙性涌水量预测之外，主要的是集中管道性涌水预测和最大涌水量预测。岩溶涌水预测，首先应查明岩溶发育规律及水文地质条件，建立符合客观实际的水文地质概念模型，它包括喀斯特含水系统的边界条件、补给来源的地形地貌条件、岩溶化程度、岩体透水性、大气降雨与地下水位变化、泉水的动态特征等水文地质参数，然后建立与水文地质概念相符的数学模型。基坑岩溶涌水量的预测方法有水均衡法、水文地质比拟法、水文地质解析法、水文地质数值法以及非线性理论方法等。常用的主要有水均衡法、水文地质解析法与水文地质比拟法。水均衡法是目前基坑岩溶涌水量预测的一种主要方法，它是应用水均衡原理，通过研究某一均衡区在一定均衡期内地下水量的收入与支出之间的关系，建立地下水均衡方程，从而计算预测基坑涌水量。其计算公式如下:Q=1000·a·A·Xd·86400S。式中，Q为涌水量(m3/s);A为均衡区集水面积(km2);a为入渗系数;X为降水量(mm);d为均衡期天数;S为涌入基坑水量占地下水径流总量的份额。岩溶水赋存于溶蚀裂隙、岩溶管道中，以非均质和紊流为其主要特征。水均衡法是在考虑了这些特征的基础上建立起来的，它回避了以松散介质中的孔隙水为均质和层流的理论为基础建立起来的解析解和数值解。因此，在理论上用水均衡法预测基坑岩溶水量比用解析解和数值解更符合实际。但是在水均衡法的应用中，无论在理解上和参数的选用上都存在着很大的差别，其计算结果也显然不同。关于集水面积，由于岩溶地区溶蚀通道纵横交错，含水性与透水性极不均一，存在岩溶水的袭夺，使得岩溶地区的集水范围变得格外复杂，其岩溶地下水分水脊线往往与地形分水脊线不一致。故在计算集水面积A时，不能简单按地形分水脊线圈定，必须在综合研究岩溶水文地质条件的基础上确定。第7页共7页 关于入渗系数，其受地形、植被、地下水位埋深、降雨状况、岩溶发育情况及土石前期含水量的影响，传统的作法是根据入渗条件在0.3～0.6之间选取，同一地区，不同的设计者可取不同的值，最大可相差1.0倍，随意性很大。由于岩溶区地下水的补给主要是大气降雨，因此可在岩溶水文地质单元内进行地表径流量、降雨量及蒸发量的观测，然后用最小二乘法求a值。当降雨量在一定范围内时，降雨量与入渗量呈线性关系，计算入渗系数应在线性段取入渗量M，并把蒸发量Z视为变量，利用观测资料以最小二乘法求入渗系数a:a=∑MiXi∑Xi2。式中，Mi为各次入渗量(mm)，其值为Xi－Yi－Zi;Xi为各次降雨量(mm);Yi为各次地表径流量，换算为径流深(mm);Zi为各次蒸发量(mm)。为检验变量M、X之间的线性相关程度，在计算之前应先求相关系数r:r=∑(Mi－M)(Xi－X)∑(Mi－M)2∑(Xi－X)槡2。一般认为当r大于0.7精度满足要求，否则不宜采用。关于涌入基坑水量占地下水径流总量的份额，如果基坑包围了计算的均衡区岩溶地下水的整个排泄范围，基坑涌水量为地下水径流总量，即S=1.0;若基坑仅处于计算的均衡区岩溶地下水的部分排泄范围，基坑涌水量则仅为部分地下水径流量，即S＜1.0，S的取值必须在综合研究基坑岩溶水文地质条件的基础上确定。水均衡法最大的优点是适合于任何不同水文地质条件的基坑涌水量预测，但预测的准确程度取决于各均衡项和均衡要素的确定，只有提高各均衡项和均衡要素的精度，才能保证其预测精度。四、结语第7页共7页 水利水电工程基坑岩溶涌水量的预测方法很多，但不同的方法都有其适用条件和各自的优缺点。不管采用何种方法，具体岩溶水文地质条件都是十分重要的，任何脱离了岩溶水文地质条件的数学模型和计算机方法都只能是数学或计算机游戏，不能一味追求方法的新颖而忽视方法的适用性，脱离具体的岩溶水文地质条件和勘察精度。根据岩溶发育的不均一性和复杂性以及勘探技术水平和水利水电工程勘察的特点，基坑岩溶涌水量预测应以水均衡法为主，同时选择适合具体基坑岩溶水文地质条件和勘察精度的评价方法进行综合预测。作者：肖万春单位：中国水电顾问集团第7页共7页