岩溶隧道涌水量的预测方法研究_郭玉法

73

岩溶隧道涌水量的预测方法研究

郭玉法󰀁鲍庆煜

(江苏省水文水资源勘测局南京分局,江苏南京󰀁210008)

ResearchonForecastingMethodsforGushing

WaterVolumeinKarstTunnels

GuoYufa󰀁BaoQingyu

󰀁󰀁摘󰀁要󰀁系统分析了隧道涌水量预测的方法,并用数值模拟方法进行了某隧道涌水的预测研究,认为数值模拟方法是进行隧道涌水量预测的有效方法。

关键词󰀁岩溶󰀁隧道󰀁涌水量󰀁预测󰀁数值模拟

󰀁󰀁铁路、公路隧道工程中经常发生较大规模的涌水现象,给隧道施工带来了严重的影响,甚至会造成很大的经济损失和人员伤亡。在岩溶地区,隧道涌水现象更为常见,对其进行预测与控制研究显得尤为重要。

根据对铁路、公路隧道涌水情况的初步统计,预测涌水量和实际涌水量相差小于20%的仅占15%,误差在20%~80%之间的占60%;误差超过80%的达25%以上,部分隧道的预测误差竟达到数十倍。如襄渝线大巴山隧道预计涌水量为4󰀁14 10m/d,施工时最大涌水为20󰀁55 10m/d;川黔线娄山关隧道预计涌水量为

4343

6󰀁0 10m/d,施工时最大涌水量为19󰀁20 10m/d;贵昆线岩脚寨隧道预计涌水量为0󰀁66 10m/d,施工时最大涌水量为10󰀁08 10m/d。

造成上述结果的原因很多,归纳起来不外乎以下两方面:一是水文地质条件未调查清楚;二是用以预测隧道涌水量的数学模型不正确。前者是基础,若重要的水文地质条件未调查清楚,预测可能要犯大错误。但是,对于条件已经基本查清楚了的拟建隧道区,如果计算模型选得不正确,其预测效果同样也不好。无论预测结果偏小还是偏大,都将给工程的可行性论证、设

收稿日期:2007-08-07

第一作者简介:郭玉法(1963󰀂),男,2003年毕业于河海大学水文水资源工程专业,工程师。

4

3

[1]

4

3

4

3

4

3

计及施工带来巨大损失。这在以往有不少教训:如果预测量偏大,可能使得已设计的既经济又方便的线路改道,或者使得设计防水系统更加复杂化,不仅会浪费大量的人力、物力及财力,而且浪费宝贵的建设时间;另一方面,如果预测量偏小,则可能使得工程在施工过程中发生灾难,甚至使得已建成隧道不能投入使用。因此,隧道涌水预测研究任重道远。

本文对现有的预测方法进行了综合评述,并采用数值模拟方法进行了某岩溶隧道工程涌水量预测的实例研究。

1󰀁各类预测方法的综合评述

目前,隧道涌水量的预测方法主要有:水均衡法、解析法(地下水动力学法)、经验公式法、水文地质比拟法、降水入渗法、地下径流模数法、数值分析法以及非线性理论方法等。

1󰀁1󰀁水均衡法

水均衡法是应用水均衡原理预测隧道涌水量的一种方法。它通过研究某一时期(均衡期)均衡区地下水收支项目之间的关系,建立地下水均衡方程,从而计算隧道涌水量。其最基本的形式为

V补-V排=󰀁V储参

考

文

献

为宁杭客运专线宜长段线位稳定提供了重要依据。通过本次工作也认识到:在采空区线位方案评价工作中,必须充分收集既有资料,多方走访调查,同时辅以必要的勘探工作,以查清采空区范围及影响边界,为安全、经济的线路方案做出可靠的分析评价。

[1]󰀁TB10027󰀂2001󰀁铁路工程不良地质勘察规程[S]

[2]󰀁铁道部工务局.铁路公务技术手册(路基篇)[M].北京:中国铁道

出版社,1993

[3]󰀁铁道第四勘察设计院.宁杭铁路采空区勘察报告[R].武汉:铁道

第四勘察设计院,2007

74

铁󰀁道󰀁勘󰀁察2007年第5期

󰀁󰀁但在实际工作中,要准确计算地下水均衡的各个组成部分是十分困难的。正因为如此,均衡法一般只适合用于统一完整的水文地质单元内,补给和排泄量容易确定并且有长期观测资料情况下的研究区总涌水量的概算。

广西水文地质队曾在地苏、大化、六也、保安等地区采用上述间接测流的地下径流模数法计算出各暗河枯水期流量,证明计算流量与天窗实测流量相比,其平均准确度达86%。

1󰀁7󰀁数值分析法

数值法是研究各种隧道涌水问题行之有效的方法。它在处理复杂非均质、复杂边界条件方面弥补了解析法的不足。该方法适合于不规则边界及承压与无压含水层共存,且不受含水层是否均质、初始水头是否水平等条件的限制,在地下水渗流计算方面具有较大的优越性。

1󰀁2󰀁解析法

解析法是预测隧道涌水量中应用最广泛的一种方法。它是运用地下水动力学原理(包括求解稳定流的

Dupuit理论和求解非稳定渗流的Theis公式等),以数学分析的方法,对一定边界条件和初始条件的地下水运动建立定解公式,然后应用这些公式预测隧道涌水量。被用于隧道和专门性的疏干排水装置的涌水量预测,也用于预测疏干水位、疏干范围和疏干时间。在数值方法较普及的今天,更被经常用来确定子区水文地质参数,为数值法反求参数提供初始猜测值或限制条件。

1󰀁8󰀁非线性理论方法

通过对隧道涌水的深入研究,人们发现隧道涌水往往是一个非线性系统,系统本身是一个不断与外部环境进行物质、能量和信息交换的开放系统,具有协同性、自组织性、信息性的特点。目前,应用于隧道涌水预测的非线性理论有:神经元网络专家系统、系统辨识法等。

1󰀁3󰀁经验公式法

这是一种传统的水文地质计算方法,该法根据地下水动力学的解析方法,经过了水文地质模型概化,简化了水文地质条件,具有快速实用的特点。主要有落

合敏郎、大岛洋志、柯斯嘉科夫等公式,但它们都对应有特定的水文概念模型,如落合敏郎法使用条件为基岩山地越岭隧道,含水体为无界潜水,这些条件往往与实际情况不能很好吻合,存在较大的计算误差。

1󰀁9󰀁其他预测方法

深度法等。

[2]

主要有地球物理化学法、随机数学方法,地下径流任何一种模拟方法,都有其限制条件,即适用范

围,目前对于隧道涌水特别是岩溶隧道涌水的预测还没有特别有效的办法。

1󰀁4󰀁水文地质比拟法

水文地质比拟法是利用地质和水文地质条件相似、开挖方法基本相同的隧道排水资料,来预测拟建隧道的涌水量。该法的应用前提是新建隧道与老隧道的条件基本相似,老隧道要有长期的水量观察资料,以保证涌水量与各影响因素之间数学表达式的可靠性。

2󰀁隧道涌水量预测数值模拟研究

2󰀁1󰀁隧道涌水量数值模拟的基本原理与思路

隧道涌水的直接原因在于隧道高程低于地下水

位,即穿越了含水岩层。当隧道开挖至地下水位后,一般就会发生大量涌水现象(图1a)。随着隧道不断掘进以及涌水的继续,地下水位会逐步下降,涌水量也逐步下降,当地下水位下降至隧道高程时,则涌水量逐渐趋于稳定,大量涌水的过程基本终止(图1b)。

1󰀁5󰀁降水入渗法

在可行性研究或初测阶段进行方案选择时,可利用降水入渗系数经验值概略估算隧道的经常涌水量。此方法简单,不需要钻探和实验,但需要有长期的水文观测资料,适用于以降水入渗补给为主、地下水蒸发量小、埋藏深度较浅的越岭隧道或岩溶区。

1󰀁6󰀁地下径流模数法

该法与水文地质比拟法有些相似,一般来说,在岩溶发育较为均匀的一定流域内,其补给条件一般比较相近。故只要求出流域的地下径流模数和圈出拟建隧洞的集水面积,把通过的拟建隧洞等同于暗河,即可求出通过该流域隧道的地下水涌水量(即暗河径流总量)[3]

图1󰀁隧道涌水原理示意

󰀁

数值模拟的思路为:首先建立隧道开挖前的稳定

流模型,并利用钻孔数据以及泉流量对模型进行识别,使稳定流模型能较好的符合隧道开挖前的水文地质条件。然后以稳定流模型作为进行隧道开挖的非稳定流模拟的初始条件,进行隧道开挖过程中和之后的涌水。岩溶隧道涌水量的预测方法研究:郭玉法󰀁鲍庆煜

75

量模拟,得出隧道的最大涌水量Q0和正常涌水量Qs以及涌水过程曲线。

󰀁󰀁式中:Krr为水平方向的渗透系数;Kzz为垂直方向的渗透系数; 为源汇项;H1为已知水头边界的水头值;V1为已知流量边界的渗透流速,const指常量;D为渗流区域;n为!2类边界的法线方向;!1,!2分别为第一类定水头边界和第二类定流量边界。

利用钻孔数据以及泉流量对拟开挖隧道区域的稳定流模型进行识别,使模拟结果与钻孔数据和泉流量较好的拟合,由此建立了区域地下水稳定流模型。随着隧道的开挖,地下水天然稳定流态逐步被破坏,此时的地下水渗流场就由天然稳定流转变为非稳定流问

2󰀁2󰀁数值模拟方法

根据区域水文地质条件,对研究区进行了水文地质概化,建立了隧道开挖前的稳定流模型Krr󰀂H󰀂H󰀂H2+ =02+2+Kzz

󰀂x󰀂y󰀂z

H+Kzz󰀂󰀂z

2

2

2

(x,y,z)!D(x,y,z)!!1

H(x,y,z)=H1(x,y,z)HKrr󰀂󰀂n

=

(x,y,z)

(x,y,z)

󰀁󰀁V1(x,y,z)=const

(x,y,z)!!2

题,其相应的模型为

(x,y,z)!D

󰀂󰀂h+󰀂󰀂h+󰀂󰀂h+ =S󰀂hKxhKyhKzh󰀂x󰀂y󰀂z󰀂t󰀂x󰀂y󰀂zh(x,y,z,0)=H0(x,y,z)HKrr󰀂󰀂nKyh

(x,y,z)

H+Kzz󰀂󰀂z=V1(x,y,z)=const

(x,y,z)

(x,y,z)!!2

=V2(x,y,z,t)

(x,y,z)!!2

(x,y,z)!!0,t>0

󰀂h󰀂hHcos(n,x)+Kxhcos(n,y)+Kz󰀂󰀂x󰀂y󰀂z(x,y,z)

h(x,y,z,t)=z

󰀁󰀁式中,h为地下水水头函数(m),Kx、Ky、Kz为渗透主方向渗透系数(m/d),S为储水系数,H0为稳定流

模型的水头值,V1为已知流量边界的渗透流速,V2为变化的流量边界的渗透流速,!1为第一类定水头边界,!2为第二类定流量边界,!0为无压面,n为第二类定流量边界的外法线方向。

模拟预测隧道的最大涌水量Q0,是在上一步的基础上叠加了一次特大暴雨的过程,在原来的正常涌水状态中,叠加了一个时段的降雨补给,此时的补给量为最大值。

水系统有较大差异,即可能大部分降雨通过落水洞、溶洞或地下河迅速的流入隧道,使得隧道涌水量迅速增大,而本次模拟计算从宏观上将岩溶水系统当做多孔介质来模拟,并没有非常详细的查明岩溶发育情况,因而导致对降雨时段的模拟出现了较大的误差。

3󰀁结论

(1)本次预测基本上符合实际情况,证明了数值模拟技术在岩溶隧道涌水量预测中是可行的,但对于降雨的影响预测不够准确,这有待今后进一步研究。

(2)隧道涌水预测的计算必须建立在准确查明区域水文地质条件的基础上,对于岩溶地区更应如此。必须走综合勘探的路子,在地面测绘的基础上,采用多种勘探手段相互印证,查清其水文地质的补、径、排条件,这是预测隧道涌水量最基础的工作

[3]

2󰀁3󰀁模拟结果分析

正常涌水过程模拟结果如图2所示。

。

(3)物探法、超前预报技术等多种手段的综合运用有助于更精确的预测隧道涌水,保证隧道在施工过程和运营期间的安全。

参

图2󰀁涌水过程计算值与模拟值的比较

󰀁

发,2004,31(7):412003,22(4):287

43292

123

考文献

[1]󰀁周水贵.沪蓉高速公路大水井隧道涌水量预测[J].建筑技术开[2]󰀁蒙󰀁彦,雷明堂.岩溶区隧道涌水研究现状及建议[J].中国岩溶,[3]󰀁张󰀁雷,赵󰀁剑,张和平.隧道涌水量预测的计算方法研究[J].公

路交通技术,2007(1):121

由图2可以看出,模拟结果基本让人满意,但对于

8~12d时间段的模拟误差较大(该时间段有较大的降雨),其原因在于岩溶的发育具有较为显著的非均质,岩溶水系统对于降雨的响应与均匀多孔介质孔隙