1.2.3.1 涌水压力的测量与估算
静水压力是围岩所承受的原始水压力，对灌浆方案制定和灌浆终压选择有重要的影响。地下工程内静水压力测定一般采用关水试验的方法。为确保水压测试数据的可靠性，若掌子面前方岩盘厚度不足5m，裂隙发育时，采用C20混凝土封闭掌子面，封闭厚度1.5～2m。测试过程中，若出现局部有流水、涌水时，停止监测，重新对涌水点进行补强、补喷混凝土等措施，达到密闭状态，之后进行重新监测。水压力稳定时间不得低于48h，即压力在某值稳定时间超过48h以上，认为压力值为最终水压力值（原始水压力），为隧洞所承受的最大水压力。
（1）仪器测试法。静水压力测试方法有渗压计法和压力表法两种。
渗压计基本原理是利用静水压力作用于感应膜片上，将压力转换成（光）电信号，并利用室内标定获得（光）电信号与静水压力的关系，获得静水压力值。为了满足精度和安全监测的要求，应该使用光纤渗压计（图1.2.3-1）。现场使用过程中，一般将渗压计放置在钻孔内，主要用在高静水压力及围岩破碎区段，避免监测过程人工读数，保障监测安全。压力表法是最简单，也是最直接的监测方法，具有成本低、操作简单的优势，在现场广泛使用。其装配如图1.2.3-2所示。
图1.2.3-2 压力表测试装配图
根据水量及水压力量测结果，可详细研究地下工程开挖过程揭露突涌水的涌水量、涌水压力随时间的变化特征以及涌水含泥量、浑浊度等表观特征，从侧面分析突涌水补给的特征和围岩稳定情况，为灌浆封堵处理提供压力参数及灌浆材料选择、施工方法选择的依据。
（2）动水估算法。在岩溶涌水状态下，有时常无法在涌水点进行渗压计或压力表的安装以测量涌水压力，此时，可根据现场地下水涌水后水流的抛物线特征进行涌水压力的估算。
该方法基本原理为：在高水头作用下，隧洞开挖揭露后发生岩溶涌水时，排泄口的静水压力值与涌水动能假设一致，此时存在一个射水初速度，根据平抛物体抛物线运动原理，量测出涌水体在隧洞中的喷射距离和高度，即可反求出排水口处的水压力。
本书推导得出的计算公式为
h=4y/x2
式中：h为涌水点静水头高度，m；V0为涌水口喷射初速度，m/s；x为涌水在隧洞中的平面喷射距离，m；y为涌水点距隧洞底板高度，m。
上述计算方法为相对理想的概化模型，使用该方法计算时，一般假定涌水口处静水压力与动能相等，水平抛射，并具有初速度V0。但一般情况下，隧洞中发生的岩溶涌水点地下水在岩溶管道中运动时，多兼具静水压力及一定的渗流速度，此时涌水口的涌水初速尚不完全是由静水压力转化而来，由上述公式计算得出的静水头一般较实际略高；而涌水口亦多并非水平抛射，多带有一定倾角。但综合考虑，上述公式计算结果总体能反映涌水初始压力及稳定压力的大小（静水压力值），可供隧洞岩溶涌水灌浆封堵设计时使用（图1.2.3-3）。
图1.2.3-3 动力法估算水压力原理示意图
1.2.3.2 隧洞外水压力分析
隧洞涌水压力的大小主要与岩体透水性及地下水补给条件相关，且随涌水时间的增加，其涌水压力一般多产生衰减变化，衰减程度与地下水的补给来源关系密切，在渗流断面相同情况下，补给来源丰富地区地下水补给及时且影响范围小，相应的降落漏斗小，地下水位降低有限，相应涌水压力降低亦不会太多。当地下水补给来源较差或岩溶管道通畅、补给来源有限时，隧洞开挖揭露后，原储存的地下水很快耗完，涌水压力随之快速降低，部分甚至降为零。
一般说来，含水相对均匀的孔隙状灰岩或岩溶裂隙岩体地区地下水储水及补给来源相对丰富，隧洞涌水总量可能较大，但据渗流点分析，单点量及涌水压力一般不大。而含水丰富的强岩溶地区及断层破碎带内，一旦发生涌水，由于其导通范围大，补给来源丰富，且涌水带宽，故一般涌水压力高且时间长。另外，当岩溶管道的补给端与地表水体（河流、岩溶湖等）有直接联系并接受其补给时，岩溶涌水压力与流量将较为稳定。
隧洞涌水压力的大小主要与地下水位、渗流条件有关。岩溶地区天生桥二级水电站根据隧洞区岩溶发育特征及隧洞内各涌水点的分布及其涌水动态特征，结合钻孔水位，绘制成的Ⅱ号引水发电隧洞地下水位示意图，如图1.2.3-4所示。
图1.2.3-4 天生桥二级水电站Ⅱ号引水发电隧洞地下水位示意图
图1.2.3-4中，隧洞沿线地下水位线的特点是：凸峰和凹槽相间出现，凹槽为岩溶暗河管道所在位置，沿部分岩溶管道涌水较大；凸峰洞段为各暗河间横向分水岭地段，隧洞内干燥。枯水期地下水位线以主要岩溶管道为中心形成相间分布的凹槽带。雨季临时地下水位较平缓，仅在排泄条件较好的岩溶主管道附近洞段出现微弱的凹谷，有时两个相对独立的暗河系统间在一定高程可能并不存在地下分水岭；枯、雨季隧洞沿线地下水位在低槽带变幅可达几十米甚至几百米。地下水位线出现凸凹不平及枯、雨季地下水变幅大的原因是由于隧洞沿线各洞段岩溶发育的不均一性及岩溶的水平与垂直分带性造成的。隧洞区各大暗河系统由于其岩溶管道的通畅程度不一，地下水的补给条件不同，各暗河系统范围内的地下水位变化亦不一样。(www.daowen.com)
由于岩性、构造及地形地貌等方面的差异，岩溶发育不均匀，具水平及空间分带性等特点，故其水文地质条件极为复杂，各岩溶含水系统自成体系，且以各岩溶含水系统的主岩溶管道为中心形成一个个地下水位低槽带，此地下水位低槽带以各岩溶管道为轴线，沿之成长条形或曲线状延伸，在大范围内形成一自成体系的地下水位漏斗；系统之间水力联系差，常缺乏统一的地下水位，就是对同一岩溶系统，由于其岩溶管道断面的变化，造成即使是同一水体也会出现不同的地下水位的现象。所以，岩溶地区的地下水位线极难绘制。但局部范围内，其地下水位趋向于主岩溶管道，而在大范围内，地下水位还是倾向于暗河下游及河谷，故隧洞区地下水位线实为地下水位趋势面，即“趋势水位”，所绘制的地下水位线亦仅在各级岩溶管道及地下水渗流的缝隙网络内适用，在岩溶、构造相对不发育的较完整岩体洞段则适用性差，地下水位以下并非处处有水。因此，对岩溶地区，在隧洞的顶部虽存在一定水头高度的地下水柱，但与处在静水中的管道不同，存在的地下水柱并非完全作用在隧洞上，而是与相应洞段的岩溶发育程度、地下水活动情况及岩体的完整性等因素有关，此种相关性可以用折减系数来表示，此即为外水压力折减系数。因此，作用在隧洞上的外水压力的大小主要与相应洞段的地下水位高度及与岩溶发育程度相关的外水压力折减系数有关。
岩溶地区外水压力折减系数（β）本身是一个多元相关函数，其大小主要与地下水活动状态和岩体完整性有关，岩体的完整性（结构面及岩溶发育程度）对折减系数的影响也主要通过影响地下水的径流条件来影响地下水的活动强度，进而影响β值的大小。根据天生桥二级水电站隧洞区实际地质情况，各种条件下岩溶隧洞的外水压力折减系数取值如下：
干燥与潮湿洞段：β=0～0.2；
渗水及少量滴水洞段：β=0.25～0.4；
滴水及少量涌水洞段：β=0.5～0.6；
大涌水洞段：β=0.7～1.0。
外水压力计算公式为
F=βH
式中：F为外水压力，MPa；β为外水压力折减系数；H为天然水头高度下的静水压力，MPa。
外水压力折减系数的大小也与岩溶发育的相互连通、联系程度有关，当沿导水裂缝或岩溶管道排水条件极好，且未堵塞的情况下，属典型的大流量低压力型涌水，外水压力折减系数可适当减小，相应的外水压力值也随之降低。
另外，考虑隧洞所承受的最大压力值，提高灌浆封堵施工处理安全裕度，计算外水压力值时的地下水位应以汛期地下水位为准。
根据隧洞区岩溶发育特征、富水带分布、地下水位及折减系数计算结果，天生桥二级水电站Ⅱ号引水隧洞沿线较高的外水压力值主要分布在龙须暗河、打劫洞暗河、下坝暗河及周家洞暗河系统洞段等暗河主管道附近，这些部位外水压力较高的原因是：
（1）地下水径流通道由于排泄路径长或处在分水岭地区，排水不通畅，雨后地下水位短时内大幅度抬升。
（2）存在垂直灌入补给的通道（溶管、缝、隙），部分通道与地表岩溶洼地或落水洞等直接连通。
处于隧洞进口端的岩宜暗河系统洞段由于总体地下水位较低，外水压力折减系数虽大，但作用在隧洞衬砌上的外水压力值并不大。
大庆湾暗河系统洞段雨后地下水活动强烈，单点最大涌水最大可达1.5m3/s，但由于地处尼拉背斜的下游转折部位，NW向导水裂隙（缝）极发育，隧洞段暗河管道虽小，但较通畅，地下水径流条件极好，外水压力折减系数取值较小。但该段隧洞支护衬砌等原因将原管道堵塞，作用在隧洞衬砌上的外水压力局部可达3.5MPa，与该段外水压力推测值差别较大，外水压力折减系数取值时对此类情况应引起重视；在灌浆封堵时，选用的灌浆压力不仅只考虑涌水出口的压力，尚应考虑阻浆岩盘形成后地下水位抬高形成的外水压力带来的影响。
隧洞区桠杈沟暗河系统大部处在地下水位季节变动带上部，地下水位较低，桠杈沟部位枯、雨季地下水位均处于隧洞底板以下，且岩溶极发育，溶洞、溶管（缝）群呈网状分布，各岩溶管道间连通程度较好，隧洞衬砌后即使部分岩溶管道堵塞也不会产生较高的水柱，故外水压力较小或不计外水压力值。
分水岭部位由于岩溶相对不发育，岩体较完整，地下水不活跃，尽管地下水位较高，但压力折减系数较低，故外水压力值较低。
为验证外水压力计算分析的可靠性，为隧洞衬砌设计及排水洞（孔）布置提供翔实的基础资料，天生桥二级水电站在隧洞施工过程中，根据不同的地质情况，在Ⅱ号引水隧洞沿程布置了12个观测断面，并于衬砌顶部和腰部埋设了渗压计进行外水压力值观测，观测时间最长历时43个月，最短22个月。根据仪器埋设以来Ⅱ号引水隧洞实测外水压力值见表1.2.3-1。天生桥二级水电站Ⅱ号引水发电隧洞外水压力值与实测外水压力值示意图如图1.2.3-5所示。
表1.2.3-1 Ⅱ号引水隧洞实测外水压力值表
实测外水压力值曲线与推测外水压力值曲线的起伏基本一致，桩号2+000附近与桩号5+000附近均出现峰值特征。
图1.2.3-5 天生桥二级水电站Ⅱ号引水发电隧洞外水压力值与实测外水压力值示意图
但除6+000桩号以下洞段推测与实测外水压力值基本一致外，其余洞段实测外水压力值远低于推测外水压力值，推测外水压力值最高达3.2MPa，而实测洞顶最高外水压力值为0.55MPa，洞腰最高外水压力值为0.72MPa。经分析，实测值远低于推测值的主要原因，可能主要是受相邻Ⅲ号隧洞、排水洞的开挖排泄作用的影响。Ⅰ号、Ⅱ号隧洞及相邻Ⅲ号隧洞、排水洞的开挖，极大地改变了隧洞区的地下水渗流场，且由于未衬砌的Ⅲ号隧洞及排水洞（距Ⅱ号隧洞分别为30m、60m）的存在，相当于加强了各岩溶洞隙的排泄能力，造成近隧洞围岩中地下水滞留时间短，大部分地下管道中的地下水位抬高的可能性及抬高幅度大为降低，从而造成埋设于距洞壁较近的围岩中的仪器所测得的外水压力值较低。但推测外水压力曲线与实测外水压力曲线的起伏特征基本趋于同步，说明原推测外水压力值的思路是基本正确的。
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