（水文学及水资源专业论文）锦屏二级水电站引水隧洞施工期涌水量预测研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 隧洞( 道) 涌水预测是隧洞建设过程中极受关注的问题之一。随着近年来随着隧洞设 计、施工和技术水平的不断提高，很多大埋深、高压、大流量的越岭隧洞不断出现，其涌 水预测问题却一直没有相应的进展和突破，尤其是在隧洞的施工期，涌( 突) 水灾害时有 发生，造成了工期的延误和严重的经济损失，所以这一问题变得日益突出，迫切需要解决。 同时这也是国内外学者、专家长期致力的一项重大研究课题。 锦屏二级水电站四条引水隧洞平均长度1 6 6 2 5k m ，最大埋深达2 5 2 5m 左右，洞线 高程处最大主应力值达5 4m p a ，工程区属高地应力区。在前期5k m 长探洞施工过程中， 曾发生多次较大涌水，长探洞封堵后最大水压力达1 0 2 2m p a 。如此大埋深、高水压力、 高地应力下的隧洞工程建设目前还很少有同类工程可资借鉴，在涌水量预测这方面的研究 就更少。 本文主要结合锦屏二级水电站5k m 长探洞的水文地质实地调查资料和两条辅助洞 ( a 、b ) 的施工勘察数据，同时辅以锦屏引水隧洞的工程地质情况，查明了引水隧洞所 在水文地质单元内地下水的分布、水位、水量情况，明确了工程区岩溶水的补给、径流、 排泄规律、条件和影响范围，深入研究了岩溶隧洞涌水的影响条件和因素、工程区岩溶发 育特征和岩溶水的运动规律。提出水动力性能和围岩构造性能是隧洞涌水预测的必要条 件，同时它们也决定了涌水的规模和强度，在此基础之上，较全面的分析了隧洞涌水量预 测的理论和方法，研究和比较了各种方法的优缺点及适用范围。 针对锦屏引水隧洞工程区岩溶发育特征、岩溶水的运动规律，本文结合大量工程区实 测数据资料和地质情况，主要选用了水均衡( 降水入渗系数) 法和水文地质比拟法对该引 水隧洞施工期的涌水量进行了预测。与此同时，结合现场情况，对于公式中的相关水文地 质参数进行修正，以确保涌水量预测的准确性和可靠性。最后，通过所选用方法的预测结 果比较分析，得出了适和隧洞情况的稳定涌水量和最大涌水量，并进行了分段评述。 本论文研究结果为隧洞施工过程中地质灾害预防、疏干排水方案设计可以一些提供科 学依据，对于施工期锦屏引水隧洞以及其它岩溶隧洞( 道) 的涌水量预测具有一定的参考 意义。 关键词：隧洞锦屏岩溶涌水量预测水均衡法水文地质比拟法 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e r - g u s h i n gi so n eo fm o s ta t t e n t i v ep r o b l e m si nt u n n e lc o n s t r u c t i o n 、m t l lt h ed e v e l o p m e n to ft u n n e l 。s d e s i g n , c o n s t r u c t i o nr e q u e s ta n de n h a n c i n go ft e c h n i c a ll e v e l ，m a n yv i e t n a m e s er a n g et u n n e l sf o rd e e pb u r i e d h i g h - p r e s s u r e da n dt h eg r e a tc u r r e n tc a p a c i t ya p p e a r e du n c e a s i n g l y , b u tt h ew a t e r - g u s h i n gf o rf o r e c a s ta l w a y s h a v e n tt h ec o r r e s p o n d i n gp r o g r e s sa n db r e a k i n ga c t u a l l y , i nt h et u n n e lc o n s t r u c t i o n , s o m e t i m e sw a t e r - g u s h i n g d i s a s t e ro c c u r si np a r t i c u l a r , h a sc r e a t e dt h ed e l a ya n ds e r i o u se c o n o m i cl o s so ft h ep r o j e c t , t h e r e f o r et h i s q u e s t i o nh a sb , o m ep r o m i n e n ta n du r g e n tn e e d i n gt os o l v e a tt h es a m et i m e ，t h i sp r o b l e mi sag r a v er e s e a r c h t o p i co f d o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a ra n de x p e r t t h ef o u rd i v e r s i o nt u n n e l so fj i n p i n gc a s c a d ei ih y d r o p o w e rs t a t i o ni s16 6 2 5k ml o n ga v e r a g e l ya n d 2 5 2 5m d e e pi nm a x i m a lb u r y - d e p t h i nt h ec o n s t r u c t i o nr e g i o nt h em a x i m u mo fp r i n c i p a lc r u s t a ls t r e s s r e a c h e d5 4m p a t h er e g i o nb e l o n g st oh i g hc r u s t a ls t r e s sa r e a i nt h ep r e c e d i n ge x c a v a t i o no f5 k ml o n g e x p l o r a t o r yt u n n e l ，s e v e r a lb i g g e rf l o w sh a dt a k e np l a c e t h em a x i m a lw a t e rp r e s s u r ei s10 2 2m p a t h e r ea r e f e wg r e a td e p t h , h i g hc r u s t a ls t r e s sa n dh i g he x t e r n a lw a t e r p r e s s u r et u n n e l se n g i n e e r i n ga n df e wr e s e a r c h e so n t h i s 叩t op r e s e n t t h i sa r t i c l em a i n l yu n i t i n g5 k ml o n gs e a r c h i n gt u n n e la n dt h et w oa u x i l i a r yt u n n e l s ( a ，b ) o fj i n p i n g c a s c a d e2h y d r o p o w e rs t a t i o nm a t e r i a l s ，s i m u l t a n e o u s l ya u x i l i a r i n gb yj i n p i n gd e r i v a t i o nt u n n e l se n g i n e e r i n g g e o l o g yd a t a s ，s t u d i e dt h ek a r s tt u n n e lo fw a t e r - g u s h i n gt h o r o u g h l yt h ew a t e ri n f l u e n c ec o n d i t i o na n dt h e f a c t o r , t h ep r o j e c ta r e ak a r s td e v e l o p i n gc h a r a c t e r , t h ek a r s tw a t e rm o v i n gr u l e ，i th a sv e f i t i e dt h ed e r i v a t i o n t u n n e l si nt h eh y d r o l o g yg e o l o g yu n i ti n l a n ds e w e rd i s t r i b u t i o n , t h ew a t e rl e v e l ，t h ew a t e rv o l u m e c l e a r e d a b o u tt h ek a r s tg r o u n dw a t e rm i l i t a r ys u p p l i e s ，t h er u no f fe x c r e t i o nr u l ea n dt h ei n f l u e n c es c o p e i tp r e s e n t s t h a tt h eh y d r o d y n a m i cc a p a b i l i t y , a n dt h es t r u c t u r eo fs u r r o u n d i n gr o c k 锄旧a l lt h en e c e s s a r yc o n d i t i o n so f o c c u r r e n c eo fw a t e r - g u s h i n gi nt u n n e l ，a n dt h e ya l s ol e a dt h es c a l ea n di n t e n s i t yo fw a t e r - g u s h i n g b a s e do i l t h i st h e o r e t i c a l l ya n a l y z i n g , t h et h e o r yo fw a t e r - g u s h i n gi ss t u d i e dc o m p r e h e n s i v e l y a tt h es a m et i m e ，t h e a d v a n t a g e ，d i s a d v a n t a g ea n da p p l y i n gr a n go fv a r i e t yf o r e c a s t i n gm e t h o d sa r es t u d i e da n dc o m p a r e d a i m e da tt h ek a r s td e v e l o p i n gc h a r a c t e ra n dt h ek a r s tw a t e rm o v i n gr u l ei nt h e 锄屯ao fj i n p i n gd e r i v a t i o n t u n n e l s ，u n i f i e dt h em a s s i v ep r o j e c t sd a t a sa n dt h eg e o l o g i c a l 。t h ea r t i c l em a i n l ys e l e c t e dt h ei n f i l t r a t i o n c o e f f i c i e n to fp r e c i p i t a t i o na n dm o d u l u so fg r o u n d w a t e rr u no f ft of o r e c a s tw a t e r - g u s h i n go ft h ed e r i v a t i o n t u n n e l si nc o n s t r u c t i o n i n c o r p o r a t e dw i t hl o c a t i o nc o n d i t i o n , c o r r e l a t i o nh y d r o g e o l o g i c a lp a r a m e t e r sh a v e b e e nc o r r e c t e dt oe n s u r et h ef o r e c a s ta c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y a tl a s t , c o m p a r i n gw i t ht h et w om e t h o d s f o r e c a s t i n gr e s u l t sa n dt h ep r e d e c e s s o r sd a t a s ，t h ep r e d i c t i o no fa p p r o p r i a t ew a t e r - g u s h i n gm o u n th a sb e e n a d o p t e d ；a l s oc a r d e do nt h ep a r t i t i o na p p r a i s a l i i 桂林工学院硕士学位论文 t h es t u d i e dr e s u l to i lt h et u n n e lc o n s t r u c t i o np r o c e s st h eg e o l o g i c a ld i s a s t e rp r e v e n t sa n dt h ed r a i n a g eb y p r o j e c td e s i g nm a yp r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s i s ，a l s or e f e r e n c e de f f e c tp r e d i c t i o no fw a t e r - g u s h i n ga m o u n to f t u n n e lj m p i n gd e r i v a t i o nt u n n e l sa n do t h e rt u n n e l s k e yw o r d s ：j i n p i n gt u n n e lk a r s tw a t e r - g u s h i n ga m o u n te s t i m a t i o nm e t h o dm e t h o do f w a t e rb u d g e tm e t h o do fh y d r o g e o l o g i c a l a n a l o g y 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在张卫研究员指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了 谢意。 学砬论文作者( 签字) 丕笪丝 签字日期：五丝8 ，么。笸盆 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要 求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提 供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后 遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ：趁型! 乏 指导教师签字：毯丝 签字日期：五型墓= ：么砬 桂林工学院硕士学位论文 1 1 研究意义 第1 章引言 近年来隧洞( 道) 被广泛地应用于公路、铁路、矿山、水利、市政和国防 等方面，随着其设计水平、施工技术的不断提高，大量特长、埋深、越岭的隧 洞不断的出现。但是这种深埋高压隧洞的建设过程中也伴随着很多问题，如隧 洞内部的涌水灾害。因为此种隧洞内部一般压力都很大，介质含水层中的水体 一遇排泄机会，便会涌流甚至喷射出来，并伴随着涌泥喷砂等现象，产生极大 的冲击力和破坏力，成为涌水灾害，给工程带来巨大危害，甚至中断施工。所 以涌水量的预测，就是现今大量隧洞施工中亟待解决的问题之一【i 】【2 1 。 在国外，日本的地芳隧道【3 】、青函深埋隧道【4 】以及美国加州赫尔姆斯蓄能电 站，都是因为施工前深埋高压涌水问题没有很好的解决而大大的增加了施工的困 难。 在我国，现有铁路隧洞5 0 0 0 多座，约2 5 0 0k m 。根据国际隧道工程协会资 料统计，其数量和长度均居世界领先地位，但在建成隧洞中，约有10 0 0 多座不 同程度存在渗漏涌水问题，约占建成隧洞的i 3 。而且在隧洞工程中，勘测阶段 预测的隧洞涌水量与实际涌水量相差悬殊者占多数。而这些隧洞发生的涌( 突) 水灾害都曾造成工期的延误和严重的经济损失，如大瑶山铁路隧道施工中的涌 水问题【5 j ，兰临高速公路新七道梁隧道涌突水问题【6 1 ，天生桥二级水电站1 号引 水隧洞涌水情况【7 1 ，大瑶山铁路隧道特大涌水突水事件【5 】5 和襄渝铁路大巴山隧道 岩溶涌水问题1 8 】等。 所以施工期涌水量预测是隧洞工程中关键技术难题，虽然隧洞涌水量的预 测是水文地质学科中的一个重要的理论课题，同时也是隧洞防排水设计和施工 中一个待解决的实际问题，其研究在国外已有近百年的发展，我国也己经有半 个多世纪的历史，但是迄今为止国内外尚无完全成熟的理论和公认的准确计算 方法，涉及这方面的研究也很少【9 】，更没有形成完善的系统化理论。因此，加 强隧洞涌水量预测的研究，对于隧洞地质超前预报，拟定有效的整治措施，保 障隧洞的正常施工及其安全运营，均有非常重要的意义。 桂林工学院硕士学位论文 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1 历史 隧洞涌水的预测最早是从定性分析开始的，随着技术水平和施工要求的提 高，现今，基于定性分析的隧洞涌水预测研究已逐渐发展成涌水的定量评价和计 算【l o 】。在隧洞涌水位置的确定方面，人们发展了随机数学方法和模糊数学方法； 在涌水量预测的问题上，人们根据隧洞环境提出了隧洞涌水量预测计算的确定性 数学模型和随机性数学模型两大类。确定性数学模型方法主要包括水均衡法、水 文地质类比法、解析法和数值模拟法等。 二十世纪六十年代初期，水文地质类比法、水均衡法和解析法比较常用。其 中，解析法是运用地下水动力学原理，以数学分析的方法，对一定边界条件和初 始条件下的地下水流动问题建立定解公式，然后应用这些公式来预测隧洞涌水 量。m u s k a t ( 19 3 7 ) 首次利用解析法解出了地下水流问题的一系列解析解，后来 h a n t u s h 、j a c o b ( 19 5 5 ) 1 i 】、p o l ub a r i n o v ak o c h i n a ( 19 6 2 ) 及h a n t u s h ( 19 6 4 ) 、c a r s l a w 和j a e g e r ( 1 9 5 9 ) 1 2 】等人扩展了解析法的概念，用来处理弱透水层的越流补给含水 层的水量问题，并结合地下水动力学的方法来预测涌水量，而且分别在自己的著 作中对该方法做了论述。 七十年代中后期，随着快速大容量电子计算机的出现和广泛使用，数值计算 法( 有限差分法和有限单元法) 在地下水计算中得到推广，并开展了地下水三维流 理论和应用的研究。19 6 5 年斯托尔曼( 19 5 6 ) 首次将数值方法引入地下水水文学【1 3 1 中，k l u t e ( 1 9 6 5 ) 1 1 4 j 等人用一种迭代数值方法求解非线性水流问题，并把隐式交 替方向法用于同时通过孔隙介质的水和空气的一维流中，假定与流体压强和含水 层相关的函数，以及渗透系数和压强相关的函数都是已经确定的，使问题大大简 化，f i e r i n g ( 1 9 6 4 ) t 1 5 】、j a v i e r ( 1 9 6 5 ) 、m e i r i ( 1 9 8 5 ) 1 6 1 、h e u e r ( 1 9 9 5 ) 1 7 】以及比廷杰 等人( 1 9 6 7 ) 贝1 j 进一步提高和完善了此方法。 二十世纪八十年代，一维以及二维流的地下水运动方程理论得到了很大的发 展，其中关于地下水流动问题数值方法解的专著也很多，它们对推广数值方法在 水文地质中的应用起到了积极的作用。原苏联学者阿拉文( v l a r v i n ) 和农米洛夫 ( s n n u m e r o v ) 还提出了基于模拟试验结果的复数速度势理论，用于计算水底 条形渗渠的突水量1 1 8 】。 进入上世纪九十年代，三维地下水流运动的数值模拟计算蓬勃的发展起来， 相应的计算软件发展的也很快。水文地质学界有关人士开始了地下水三维流原理 2 桂林工学院硕士学位论文 和模型的探索研究，如长春科技大学宿青山教授在大庆市和哈尔滨市小范围内应 用地下水三维模拟和优化管理模型来解决实际问题，取得了良好的成效。 九十年代中期，随机性数学模型理论发展起来，它是数学理论与实际问题相 结合的一门科学，它将水文地质问题归结为相应的偏微分和概率统计的数学问 题，并在此基础上利用数学概念、方法和理论进行深入的分析和研究，从定性或 定量的角度来刻画分析实际的水文地质问题，并为解决实际涌水量预测问题提供 了数据或指导。在一些研究程度较低，地质、水文地质条件尚未全面了解的隧址 区可以运用此种理论来分析隧洞涌水量的影响因素。这类理论主要包括“黑箱 ( b l a c kb o x ) 理论、灰色系统理论和时间序列分析法等【1 9 】。 近些年，非线性理论方法的探索研究也正在兴起，如神经元网络专家系统和 系统辨识法。神经元网络专家系统是一种能够模仿人类专家工作的知识信息加工 处理系统【2 们，它具有自适应、自组织、自学习、推理、联想记忆和分析决策能 力。张憬、王延福等【2 1 】使用此系统对5 3 个巷道进行了预测预报，准确的为5 1 个，不准确的为2 个，正确率达9 4 。徐则民，黄润秋等【2 2 l 运用此法对渝怀铁 路圆梁山特长隧道涌水量及疏干影响范围进行了预测和评估，认为是对常规预测 方法的一个有益补充。随着科技的发展，非线性理论在隧道涌水研究中的应用一 定会越来越广泛，越来越完善。 1 2 2 现状 现今，隧洞涌水量预测无论研究的深度和广度都有了很大的拓展。工程上应 用较多的为传统的专业理论计算公式，而且还有许多国内外专家和学者根据工程 的具体情况对传统公式进行了修正，并引入一些新的理论方法对隧洞涌水量进行 预测【2 3 】【2 4 】，取得了一定的成效。 在国外，涌水量预测方面的地下水流三维模拟、优化管理模型理论和三维有 限差数值求解方法已经迅速发展起来。在实际应用上，也开发研制出了功能强大， 并且现在非常流行的运用一些可视化软件进行模拟的专业系统软件，如地下水管 理软件( r e m a x ) 2 5 】。此软件包括：地下水三维模拟软件( m o d f l o w ) 、模拟模块 ( s i m u l a t i o n ) 、预优化模块( p r e o p t i m i z a t i o n ) 、优化模块( o p t i m i z a t i o n ) 和分析模块 ( a n a l y s i s ) 五部分，可以根据研究区具体的水文地质特征，来确定模型区的范围 和剖分计算单元，选择利用m o d f l o w 软件系统中的软件包，按照固定格式和要 求输入数据文件，来预测涌水量。其中m o d f l o w 是由美国的m c d o n a l d 和 h a r b a u g h 于八十年代开发的一套专门用于孔隙介质中地下水三维有限差分法数 3 桂林工学院硕士学位论文 值模拟软件，目前流行的基于m o d f l o w 的商业软件主要有g m s 、v i s u a lm o d f l o w 和p m o d f l o w 等【2 6 1 。这些软件操作界面简单，人性化，功能强大，对地下水流问 题、溶质运移问题、水均衡问题等地下水运动相关的许多方面都有特定的模块进 行处理，是研究地下水问题的有用工具。 随着大深度地下空间的开发利用，国外正在研究l0 0 0m 以下的洞室群施工 技术，如日本瑞浪超深地层研究所进行的深度为1 0 0 0m 的竖井和水平隧道研究， 该研究隧道施工中的主要安全对策之一就是如何解决高压涌水问题【2 7 1 ，我国现 今也正进行关于深埋高压大流量裂隙水的深入研究工作。 虽然隧道涌水量的预测计算是水文地质学科中的一个重要的理论问题，同时 也是隧道防排水设计和施工中一个待解决的实际问题，但是迄今为止尚无完全成 熟的理论和公认的准确计算方法。国内外大量隧洞及矿井涌水研究表明，隧洞尤 其是深埋隧洞涌水量预测方法日前还不够成熟，总体情况是预测值与实测值误差 超过3 0 的占6 0 ，且多数精确数学预测方法都需用经验参数加以修正。据统 计在我国10 多座有名隧道中，预测的可能最大涌水量，接近实际情况的仅占1 0 ，而预测的正常涌水量，接近实际情况的仅占2 0 3 0 。 2 0 0 5 年1 0 月国务院南水北调办公室和中国岩上工程学会在北京召开，国内 外知名专家对于深埋长隧洞施工中可能会碰到的岩爆问题、活断层和破碎带问 题、有害气体问题、高地热问题以及高地压下的软岩支护问题等均进行了热烈讨 论并提出对策措施，但对于深埋高压大流量涌水问题国内外专家均未能提出有效 的解决措施。 可见，隧洞涌水量的预测计算方法很多，但是目前较为常用的专业理论方法 的预测精度还远远不够，究其原因主要是隧洞围岩系统是一个复杂的开放的系 统，是非线性的，现今人们对围岩系统尤其是岩溶系统的认识还不是很完善，因 此涌水量的预测必需采用多种方法结合，多学科交叉的手段，以提高预测精度 2 8 1 。 1 2 3 分析 现在隧洞涌水量预测方面虽然取得了一定进展，但是仍存在诸多问题，发展 依然缓慢，究其原因，主要是隧洞涌水的复杂性和多变性以及人们对现场水文土 程地质条件的认识不完善。预测隧洞涌水量，需要掌握气象、地质( 岩性、构造 等) 、含水层( 带) 、地形地貌、河流水文以及一定比例尺的地形图( 含卫星、航摄 照片等) 、地质图等配套资料，主要的是选择适合本工程地段的预测方法。 4 桂林工学院硕士学位论文 总体而言要解决这个r 1 题，第一，应强调通过各种先进的勘察手段，尽可能 多的获取涌水系统的重要信息。第二，应提倡科学思维，用新的观念和新的理论 来完善与充实。第三，采用多种方法结合，学科交叉，以提高隧洞涌水量预测计 算的可靠性。 1 3 本选题主要研究内容 锦屏二级水电站引水洞线为景峰桥大水沟直线方案，采用“4 洞8 机 北 西一南东方向，平行布置两条辅助洞、四条引水隧洞和一条排水洞，洞线平均长 度约l6 6 6k m ，与区域主构造线近于正交。洞线置于高程1 3 l0 - 16 18m ，穿越锦 屏山“河间地块 。一般埋深l5 0 0 - 2 0 0 0m ，最大埋深2 5 2 5m 左右。其中包气带 厚达数百米，饱水带厚达近千米。引水隧洞洞线见图1 1 【2 9 1 。 图1 1 锦屏引水隧洞及辅助洞工程地理位置示意图 处于锦屏山峡谷型岩的溶区，广泛分布泥盆系三迭系碳酸盐岩类，岩溶发 育，降雨丰沛。工程部位岩溶发育程度中部相对较强，两侧比中部弱，总体发育 5 桂林工学院硕士学位论文 微弱。引水隧洞洞段的连续状纯大理岩段长8 6 2 5k m ；间层状大理岩段长7 4 3 0 k m ：非可溶岩段长1 5 4 8k m p 叭。 锦屏引水隧洞即将进入施工阶段，其深埋、高压、大流量涌水预测问题就更 加迫切要提前解决，因此需要研究可靠度较高的岩溶隧洞涌水量的预测方法和计 算技术。 针对上述情况，本文以锦屏引水隧洞区的涌水量预测为研究对象，借助工程 区大量的水文地质勘查、实测数据，结合辅助洞及长探洞的实地资料，主要来研 究以下主要内容： 1 ) 锦屏引水隧洞工程区的水文地质情况，区内平均1 6 6 6k m 引水隧洞沿线 的地层结构、类型和岩溶体的强弱性能。 2 ) 工程区水化学、同位素和示踪试验。 3 ) 工程区各岩溶大泉水资源量，隧洞含水层补给情况。 4 ) 隧洞沿线各水文地质单元地下水系统的补给、径流、储存和排泄。 5 ) 区域内水文地质参数，包括：入渗系数、降水量、蒸发量。 6 ) 施工期隧洞涌水量计算，包括：锦屏区域水均衡法和水文地质比拟法适 用性分析、涌水量计算，两种不同方法得到的隧洞涌水量结果综合研究。 7 ) 隧洞涌水量分段评价。 6 桂林工学院硕士学位论文 第2 章涌水量预测基本方法及锦屏适用方法分析 2 1 涌水量基本理论方法简介 隧洞涌水的预测最早是从定性分析开始的，随着科学技术水平的提高和计算 机的广泛应用，隧道涌水量的定性分析逐渐发展为定量评价和计算，总的归纳起 来主要为两大类，即确定性数学模型方法和随机性数学模型方法。 2 1 1 确定性数模方法 、 隧洞涌水量预测的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洞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。其最初仅是简单的水文地质类比法，后来运用地下水动力 学原理又产生了解析法，随着电子计算机的发展，近年发展成数值法： 2 1 1 1 水均衡法 水均衡法是根据水均衡原理，查明隧洞施工期水资源收入、支出各部分之间 的关系，进而获得施工段的涌水量。它将隧洞所在的水文地质单元作为一个均衡 区，然后确定地下水补给量与消耗量之间的数量对比关系，最终建立均衡式。 水均衡法能给出任意条件下进入施工地段的总的可能涌水量，不能用来计算 单独隧洞的涌水量。当施工地段地下水的形成条件较简单时，采用水均衡法能满 足工程需要，如分水岭地段、小型自流盆地、相对独立的河间地块等。实践表明 【3 i 】采用该法较符合实际，但其只能对整个隧洞宏观估算，无法进行分段。 它有一个最大的特点，就是能在查明有保证的根本补给来源的情况下，确定 隧洞的极限涌水量值。如：胜竟关隧道采用均衡法预测最大涌水量为9 5 5 10m 3 d ， 实际涌水量为9 2 0 0 0m 3 d ：平关隧道采用此法预测最大涌水量为1 1 3 1 0 0m 3 d ， 实际涌水量10 8 6 0 0m 3 d 。在一定情况下预测结果相当准确，也相当可靠。这种 方法是目前用得最多、最容易让人接受且应用效果最好、最可靠的一种方法 3 2 1 。 应用条件：独立的地表水流域内或水文地质单元内，有丰富的水文及地质资 料。适用情况：初测、定测及施工阶段隧洞涌水量的宏观计算，是其它计算的基 7 桂林工学院硕士学位论文 础【3 3 1 。 m h = ( r + y + q ) 一w 式中：卢彳厅均衡期地下水储存量的变化； r 大气降雨入渗补给量； y _ 一地表水入渗补给量： 9 一越流补给量； 职一排泄量： 根据实地水文地质情况水均衡法又常按照降水入渗法的平均涌水量来应用。 一定范围内大气降水的有效入渗补给量部分或全部涌入隧洞，其平均涌水量为： = 盟等业 ( 2 ) 式中： g p 隧洞平均涌水量； 卜地表补给面积： r 大气降水量； 刁折减系数； 口大气降水入渗系数( 无量纲) 。 2 1 1 2 水文地质类比法 水文地质比拟法是在比拟地段的水文地质条件与预测地段条件相似，二者各 自的涌水量与坑道体积成正比的基础上，通过对已知水文地质条件地区与隧洞所 在的未知区对比、估算而得出隧洞涌水量的近似预测方法。是用导坑开挖时的实 测涌水量来推算正洞涌水量的，或用正洞已开挖地段实测涌水量来推断未开挖地 段的涌水量。 如中梁山隧道采用比拟法进行涌水量预报，预测涌水量为1 2 2 5 5m 3 d ，实 际最大涌水量为1 4 1 3 8m 3 d ，准确率达8 5 ；而在保纳隧道也同样采用了比拟 法进行预报，预测涌水量为1 6 0 9 2 4m 3 d ，实际涌水量却很小。由此可见，已知 隧洞和比拟隧洞两者水文地质条件越相似则预测精度越高。由于不同地区尤其是 岩溶地区的水文地质条件相差很大，所以此种方法在岩溶区很少用。 应用条件：研究区与己知区的水文地质条件相似，且已知区具备了较完整的 8 桂林工学院硕士学位论文 水文观测资料。 适用情况：初测阶段隧洞涌水量计算。 当隧洞所在的地区水文地质条件变化不大，含水层比较均匀时，涌水量计算 可以采用以下系列公式： q = g d f 咯 ( 3 ) q o = q o ( f o 。s o )( 4 ) 一式中：q 隧洞的涌水量； q 旷一导坑或已开挖的隧洞中的涌水量； 卜正洞过水断面面积( 即洞断面周长乘以洞长) ； 凡一导坑的过水断面面积； 卜正洞的地下水水位降低值： s p 导坑的地下水水位降低值。 2 1 1 3 解析法 解析法是在概化水文地质条件的基础上，根据地下水动力学的达西定律和水 均衡原理，运用数学解析的方法，对给定边界值和初值的地下水运动建立解析式 从而达到预测隧道涌水量的目的。它在隧洞涌水量计算中应用较为普遍，常用稳 定流或非稳定流理论的裘布依公式、泰斯公式等计算水文地质参数，再以水平集 水建筑物的水量计算公式并结合隧洞的边界条件、含水层特征等选用认为适合于 隧洞涌水量计算的公式。比较常见的有：日本的大岛洋志公式、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 国朱大力的经验公式【2 3 】等。 应用条件：水文地质条件不复杂，含水介质较均匀的研究区。 适用情况：定测，施工阶段隧道涌水量的计算和预测。 按照地下水运动特点，解析法可以分为稳定流方法和非稳定流方法。 ( 1 ) 稳定流方法 利用稳定流方法计算隧道涌水量的公式很多【3 4 1 ，根据施工具体接触的围岩 情况可分为以下几类： 当隧洞施工进入含水围岩正交进入陡倾隔水层阻隔的潜水非完整隧道两 侧边墙及掌子面进水平行陡倾隔水层潜水非完整隧道，单侧边墙及掌子面进水 9 桂林工学院硕士学位论文 时： 口= 詈+ 睾g 三而2 a k 面h g ( 5 ) 弘i + 昔g2 而 p j 当隧洞施工进入含水围岩为陡倾隔水层两墙阻隔的潜水非完整隧道，两侧 边墙及掌子面进水时： q=等(等+壁r2)1+：1i亟至三三三两 ( 6 ) l 柏 ( 足+ 恐) j 当施工正交进入受地表水渗透影响的潜水非完整隧道，完整隧道，两侧边 墙及掌子面进水时： 口= k ( h - h ) a 7 k 阮竿) c o t ( 詈一手) 当隧洞施工进入含水围岩承压含水层有限降深( 15 - 2 0 m ) 时掌子面涌水量 ( 半圆形) 时： q2碉2。rkmsr 式中：留两侧隧道单位氏度涌水量； h g ，矗g - 隧道以及潜水位高度： r ，尺和r g 一影响半径； 弘一隧道顶板至河水面高度； 酪一渗透系数； i l 隧道底板以上岩层厚度； s 水位降深； 弘一岩层厚度； 死卜隧道引用半径或半宽； 6 隧道引用直径或宽度； q 涌水量m 含水层厚度； ( 2 ) 非稳定流方法 隧洞涌水时，地下水运动的非稳定流方程及定解条件为： 1 0 ( 8 ) 桂林工学院硕士学位论文 昙( 坻罢) + 昙( 避钧+ q = s c 3 h 日i r 。- u , ( t o ) 坻斜= q ( 删 日i r 。= z ( f o ) 日l = 马( ，z ) q ( 9 ) 式中：卜一弹性储水系数； 月一一地下水水位： 膨一一含水层厚度，对于潜水层用日代替； 如恐一一x ，z 轴方向的含水层渗透系数； g 一一大气降水入渗量； 口一一渗流区域： 疋一一法向渗透系数： q 一一地下水侧面补给量： 。 掣一一h 的外法线方向导数； 凰一一地下水初始水位值。 月厂一厂，边界上固定水位。 隧洞涌水时，一般常用的地下水非稳定流运动时隧洞涌水量计算的解析公 式为：隧洞掌子面非稳定涌水量计算式( 雅可布) q = 警 ( 1 0 ) m = 一 r i s 式中： q 隧洞掌子面非稳定流涌水量： 丁导水系数； ，距开挖面的距离： 占( r 处) 水位降深； p 开挖面上水的自喷压力； 水的比重： 桂林工学院硕士学位论文 s 储水系数； r 涌水经历的时间。 随时间变化的隧洞涌水量计算式( 大岛洋志) ： 卜丽2 r 霸 q o = k q f l | n e 式中：g 隧洞开挖时初始涌水量； 吼隧洞第t 时的涌水量； r 地下水降深影响半径： 日隧洞半高； k 渗透系数： 彳岩层空隙率： ( 1 2 ) q ，以流线等势线切割的网格数。 解析法是较常用的方法，但在工程建设中往往受地形、人力、物力、经费等 诸因素影响，使预测精度降低。如：大巴山隧道采用此法预报涌水量为4 1 4 x1 0 4 1 1 1 3 d ，而实际涌水量高达2 0 5 5 xl0 4m 3 d ，是预测的几倍；再如岩脚寨隧道采用 该法预测涌水量为o 6 6 x10 4m 3 d ，而实际涌水量为1 0 0 8 x10 4m 3 d ，是预测的几 十倍；其他岩溶隧道诸如：大寨、娄山关、南岭、梅花山、燕子岩等均采用此法 预报，预报结果与实际情况相差大，一般情况下应与其他方法结合使用效果好。 2 1 1 4 数值法 在工程实践和理论研究中，对一些复杂水文地质条件下隧洞和地下工程涌水 量的计算，运用解析法无法解决，但随着电子计算机的广泛使用，水文地质数值 模拟法使这些问题的解决成为现实。水文地质数值计算法的基本原理是把地下水 渗流运动的微分方程的定解问题转化为一系列线型方程组的求解问题，对隧洞围 岩含水介质为裂隙型或岩溶裂隙型渗流场非均质各向异性的研究，即用基于视裂 隙含水介质为离散模型或统计模型的渗透张量法取得水文地质参数( 渗透系数k 1 2 褊 桂林工学院硕士学位论文 和弹性释水系数s ) ，进行正演计算，预测涌水量。 该方法适用性强，在建立的定解问题真实描述了客观地质及水文地质体条件 下，可以满足工程需要，预测精度很高。但对勘探试验的要求精度也高，成本大， 计算工作量繁多。 应用条件：水文地质条件复杂含水介质具非均质各向异性的研究区，具有较 明确的边界。适用情况：定测、施工及运营阶段隧洞涌水量的计算和预测。 按数值计算方法，水文地质数值模拟可分为有限差分法、有限单元法和边界 元法。 2 1 2 随机性数模方法 在隧洞及地下工程涌水量预测中，由于地质和水文地质条件的复杂性和不定 性，也由于施工方式的多样性，在运用确定性数学模型时，使定解条件的概化失 准，从而影响了计算的精度。但是如果把隧洞和地下工程的含水围岩视为一个集 中参数系统，用系统理论和信息理论的方法，只要考虑该集中参数系数的输入信 息、( 如具有补给关系的降雨量，具有水力联系的河流水位，系统外的地下水补 给量等) 以及输出信息( 如隧洞涌水量，泉流量，地下水位等) ，或考虑输出信息( 如 隧洞涌水量，泉流量等) 的变化，利用“黑箱 理论，灰色系统理论，时间序列 分析、频谱分析等方法【3 5 】，便可建立隧洞中涌水量某种定量关系式，从而预测 其涌水量。 随机性数学模型法适用于因水文地质条件的复杂性和不确定性致使一些基 本要素( 如含水层的非均质性、地下水径流特征、补排关系等) 难以搞清，定解条 件不易准确概化的隧洞。所需数据一般较易获取，方便、快捷，可以大致定量预 测涌水量的大小。岩溶隧洞的初测、定测阶段可用【3 6 1 。 2 1 2 1“黑箱力理论 “黑箱”理论方法主要是利用涌水系统中输入信息( 降雨量、河水位等) 与输 出信息( 涌水量、地下水位等) 之间的相应关系来预测隧洞中的涌水量和地下水位 ( 水压) 。其理论公式为： y l ，y 2 ，y n ) = k ) ( x l ，x 2 ，x n ) ( 1 3 ) 式中： y l ，y 2 ，y n 输入信息集合； ( x i ，x 2 ，x n ) 输出信息集合； 1 3 桂林工学院硕士学位论文 k ) 变换集合。 应用条件：水文地质条件复杂，特别是岩溶水地区，水文地质资料欠缺，但 降水、地表水、泉水等资料丰富。 适用情况：初测、定测及运营阶段隧道总涌水量预测及计算。 2 1 2 2 灰色理论 灰色系统理论方法基本原理就是首先根据灰色关联度理论确定对隧洞涌水 的主要影响因素，以明确地表水文地质调查的主要内容和重点工作；然后根据调 查结果对照由数量化判别方法计算出来的评判标准进行评分，即可判别涌水严重 程度等级；最后，对于等级严重的水害隧洞，可根据由灰色虚拟变量多元回归方 法计算出来的评判标准预测可能涌水量大小。这套方法的特点是：既方便快捷又 能定量，不需要繁杂的勘探、试验，只需地表调查就可以定量预测。 应用条件：水文地质条件较复杂的研究区，具有一定的地质、水文地质、隧 洞地质测绘、气象等综合资料。 适用情况：一般类型隧洞初测、定测、施工、运营阶段，复杂类型隧洞初测 阶段的涌水量预测。 2 1 2 3 时序理论 时间序列分析理论是把隧洞的含水围岩视为集中参数系统，其涌水量q ( t ) 是水文地质条件、施工条件等随机因素影响下的一个随机变量，而q ( t ) 的整个过 程是一个随机过程，可对此过程进行建模，并且对模型进行预测。 应用条件：水文地质条件复杂的研究区，特别是岩溶水地区。地下水有集中 排泄特点，有较长时间的地下水动态观测资料。 适用情况：施工及运营阶段隧洞总涌水量预测。 此外，矿井涌水的预测新方法尚有：我国煤炭部门在华北二叠系岩溶煤田矿 井应用人工神经网络技术( a n