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沪蓉国道大水井隧道涌水量的预测研究 摘要:结合沪蓉国道大水井隧道工程实例,根据该工程水文地质特点,文章选用三种不同的地下水动力学方法对隧道涌水量进行了计算分析。计算结果表明:在岩溶区进行涌水量预测,落合敏郎法及铁路规范经验公式计算的涌水量随渗透系数呈指数减少,非均值剖面二维流公式考虑到了岩溶的不均匀性,对计算区域进行了分区,计算的涌水量随渗透系数呈近线性减少。 下载 关键词;涌水量;地下水动力学;沪蓉国道大水井隧道;岩溶 中图分类号:U45 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)06-0156-01 1引言 隧道地下水涌水的预测最早是在查明隧道含水围岩中地下水分布及赋存规律,分析隧道开挖区的水文地质及工程地质条件的基础上,运用均衡法采用定性的方法估计隧道涌水量的大小。随着技术水平和施工要求的提高,隧道涌水量的定性分析逐渐发展为定量评价和计算,更进一步解决了隧道涌水量的预测这个重要而又基本的问题。 隧道涌水量预测确定性数学模型方法是利用水力学、地下水动力学等方面的理论,通过数学演绎,推导出隧道涌水量与环境地下水位、围岩渗透性、地下水补给范围、补给时间等因素的定量关系,得出一系列理论或经验解析公式,以预测计算隧道的涌水量。它包括水文地质类比法、解析法。 每种预测方法都有自身的优点及局限性。水文地质类比法要求研究区与已知区的水文地质条件相似。水均衡法必须查明有保证的根本补给来源的情况。数值法建立的模型必须与实际情况相适应,且勘探试验的要求高,因而成本也高。随机预测法只适用于岩溶隧道的初测阶段。解析法在隧道涌水量计算中应用较为普遍,首先确定水文地质参数,再以水平集水建筑物的水量计算公式结合隧道的边界条件、含水层特征等选用认为适合于隧道涌水量计算的公式。 2隧道涌水量的地下水动力学方法 地下水动力学方法即解析法包括许多水量计算公式,比较常见的有:日本的佐藤邦明公式、落合敏郎公式;前苏联的科斯嘉可夫公式、吉林斯基公式、福希海默公式以及我国的经验公式。文章主要介绍三种经验公式:铁路规范经验公式;落合敏郎公式;非均值剖面二维流公式。 3沪蓉国道大水井隧道涌水量预测 3.1大水井隧道岩溶水文地质条件概化分析 隧道岩溶水文地质条件概化为6段,具体为:第1洞段,嘉陵江组灰岩、白云岩,桩号进口K180+400;第2洞段,嘉陵江组灰岩,桩号K180+400K180+550;第3洞段,大冶组第三段中厚层灰岩,桩号K180+550K180+840;第4洞段,大冶组第二段薄层灰岩,桩号K180+840K182+040;第5段,大冶组第一段中厚层灰岩夹页岩,桩号K182+ 040K182+900;第6段,桩号K183+250出口段。其中1、6两段在暴雨期区域地下水水位低于隧道标高,因此隧道涌水来自于大气降雨沿垂直溶隙和卸荷裂隙渗入,以滴水和渗水为主,水量极为有限,对施工影响较小,故计算涌水量时仅考虑25段。 3.2参数取值 大水井地区水文地质参数主要依据洞身钻孔内进行的压水试验,本次计算依据ZK1、ZK2、ZK3三个钻孔的压水试验成果: ZK1孔资料显示:K随埋身呈指数下降,由地面至630m标高,渗透系数K由0.35 m/d下降到0.05 m/d,反应该处岩石比较均一,岩溶、裂隙发育随深度递减。 ZK2孔资料显示:从地面至高程700 m,K随埋深呈指数下降,渗透系数K由0.32 m/d下降到0.14 m/d,高程700 m附近为突变点,渗透系数由0.14 m/d陡降到0.02 m/d。该现象反应上部大冶组第三段地层与下部第二段地层在岩溶、裂隙发育程度上的明显差异。 ZK3孔资料显示:从地面至高程780 m,K随埋深呈指数下降,渗透系数K由0.2 m/d下降到0.02 m/d;高程780 m以下,渗透系数呈跳跃式状态。 3.3计算结果 通过3种方法计算的隧道涌水量有一定的差别,其中铁路规范经验公式计算的总涌水量为3 637 m3/d,在透水性强的二、三洞段计算的涌水量为2 221 m3/d,占总涌水量的61%,落合敏郎法计算的总涌水量为2847 m3/d,在透水性强的二、三洞段计算的涌水量为1 693.5 m3/d,占总涌水量的59%,非均值剖面二维流计算的总涌水量为4 956 m3/d,在透水性强的二、三洞段计算的涌水量为1 774.3 m3/d,占总涌水量的34%。铁路规范经验公式及落合敏郎法计算公式在计算过程中对整个路段岩溶区进行了均一概化,没有考虑到岩溶溶蚀风化造成的裂隙发育的不均一性,渗透系数对计算结果的影响大致相同,单位涌水量随渗透系数减小呈指数减小。非均值剖面二维流在计算过程中对整个路段岩溶区进行了分区处理,考虑了岩溶溶蚀风化的影响,单位涌水量随渗透系数减小近似线性减小。 可见当渗透系数=0.15 m/d时,铁路规范经验公式计算的单位涌水量最大,落合敏郎法次之,非均质剖面二维流最小;当渗透系数0.08 m/d时,非均质剖面二维流计算的单位涌水量最大,铁路规范经验公式次之,落合敏郎法最小,但二者差别很小。从单位涌水量下降梯度上来看,非均质剖面二维流最小,落合敏郎法次之,铁路经验规范公式最大。 考虑到沪蓉国道大水井隧道在实际大冶组灰岩岩溶发育的不均一性,且存在一定厚度裂隙发育的强透水区域,结合三种地下水动力学方法的特征,在第二、三段采用铁路经验规范公式计算的单位涌水量,第四、五段采用非均质剖面二维流法的单位涌水量,最后得到沪蓉国道大水井隧道在开挖过程中预测涌水量为5 402.8 m3/d。 4结论及建议 文章详细介绍了3种基于地下水动力学原理的隧道涌水量计算方法,并以沪蓉国道大水井隧道为例,在水文地质概念模型构建的基础上,根据现场地质状况调查和大水井隧道勘测报告分析,建立了3种涌水量预测确定性模型,并预测其涌水量,可以得到如下结论: 上述涌水量计算结果是指施工期遇到特大暴雨(次降雨量达100 mm以上),隧道附近岩溶洼地发生淹没时的值,如果隧道实际施工时未遇这种特殊情况或者在雨季施工前已通过K180+400K180+840段,此时隧道涌水量要小得多,具体数值有待雨季洞身钻孔的水位观测值而定。 通过3种方法的对比,落合敏郎法及铁路规范经验公式计算的涌水量随渗透系数呈指数减少,非均值剖面二维流公式考虑到了岩溶的不均匀性,对计算区域进行了分区,计算的涌水量随渗透系数呈近线性减少。在预测沪蓉国道大水井隧道涌水量时根据三种方法的特征,综合考虑铁路经验规范公式及非均质剖面二维流法,最后预测结果为5 402.8 m3/d。 虽然地下水动力学方法定性的预测出了隧道涌水量的数值,但由于岩溶发育的不均匀性和复杂性,隧道涌水的勘察与预测受多方面因素的制约,该方法也存在一些不足,隧道涌水量仍是个需要不断研究和探索的课题,建议对于隧道涌水量预测要在施工阶段对设计阶段的计算成果不断进行反演修正,以完