隧道涌水量预测的研究_田海涛

砌形式做出初步的设计 。 (2) 当隧道掘进以后 ,通过对围岩的变形 、结
构 、构造 、岩性等信息大量的采集 ,对前方的掌子面 地质情况做出预测 ,对已出现的涌水点可采用时间 序列分析法 、灰色理论方法 、模糊数学方法等预测和 计算涌水量的大小 。该阶段预测的涌水量 ,能够对 未来涌水量发展趋势做出估计 ,可作为下一步隧道 设计和施工的参考 ,具有一定的参考价值 ,但遇到围 岩局部突变部位 (断层 、裂隙 、破碎带等) ,就应该采 取更加保险的预防措施 ,避免可能出现较大的涌水 量 ,造成不必要的经济损失 。
图1
2. 2 模糊数学方法 隧道涌水量的大小受很多非确定性因素的影
响 ,比如年降雨量 、地表汇流条件 、含水层的边界条 件及含水介质的非均质性等 ,这些因素之间的关系 错综复杂 ,具有模糊性 。模糊数学方法就是把数学 的应用范围从精确的现象扩大到模糊现象 ,它具有 灵活 ,计算简便的特点 。
已知某类事物的若干标准类型 ,现有这类事物 的一个具体对象 ,将其归入哪一类的问题就是模型 识别的问题 ,隧道涌水量大小的预测计算就属于这 类问题 。设在论域 U = { u1 , u2 , …, un} 上有 m 个 模糊子集 A 1 , A 2 , …, A m ( m 个模型) , 构成了标准
而 ,由于隧道所处自然环境的复杂多变 ,其工程地质 条件与水文地质条件的高度不确定性 ,给隧道涌水 量的准确预测和计算带来极大的困难 。
1 研究分类
隧道涌水量是高水区富水位隧道设计和施工的 重要参数 。为了更好的设计和施工 ,把隧道涌水量 计算可分为两阶段 :
(1) 在隧道围岩尚未开挖前和施工初期 ,根据 勘查阶段的钻孔资料 、当地的地质条件 (岩性 、构造 、 含水层富水带等) 及气象条件 、河流水文状况资料 , 推断可能的隧道涌水点 ,运用地下水动力学法 、经验 解析法 、数值法 (有限元和有限差分法) 等 ,计算涌水 点可能发生的涌水量的大小及排水后围岩渗流场的 分布 ,为堵水预注浆方案 、排水设施方案 、抗水压衬
收稿日期 :2007203222 修稿日期 :2007204204 作者简介 :田海涛 (1981 —) ,男 (汉族) ,河南周口人 ,硕士 ,主要从事水文地质方面的研究 。
7 6 水利与建筑工程学报 第 5 卷
2. 2. 3 模糊择近原则在隧道涌水量预测中的应用
Study on Forecasting f or Water2gushed Yeild of Tunnel
TIAN Hai2tao , DON G Yi2hua , WAN G Yan2hui
( Nort h Chi na Instit ute of W ater Conservancy and Hyd ropower , Zhengz hou , He’nan 450011 , Chi na)
摘 要 : 论述了利用地下水动力学法和模糊数学方法预测隧道涌水量 。如果给出施工前和施工初期水 文和工程地质参数资料 ,就可利用地下水动力学中的经验公式 ,预测隧道涌水量以及涌水量变化过程 , 该法可以用于指导隧道的总体设计及施工 。根据影响隧道涌水量的主要因素 ,提出运用模糊贴近度预 测隧道涌水量的理论 ,根据计算结果 ,证明该法预测结果具有一定的参考价值 。 关键词 : 隧道涌水量 ; 预测 ; 模糊贴近度 中图分类号 : U45 文献标识码 : A 文章编号 : 1672 —1144 (2007) 03 —0075 —03
式中 : q0 为隧道通过含水体单位长度可能最大涌水
量 ( m2/ d) ; K 为岩体的渗透系数 ( m/ d) ; H 为含水
层中原始静水位至隧道底板的垂直距离 (m) ; r0 为
隧道洞身横断面的等价圆半径 (m) ; d 为隧道洞身
横断面的等价圆直径 (m) ; m 为转换系数 , 一般取
0. 86 。
构成了一个标准模型库 { A 1 , A 2 , …, A m } , B ∈ U
为待 识 别 的 模 型 , 若 存 在 i0 ∈ { 1 ,2 , …, m } , 使
m
σ0 ( A i0 , B )
= ∨σ0 ( A k , B ) ,则称 B 与 A 最贴近 , 或 k =1
者说 B 归并到 A 类 。
定义模糊贴近度的原则是对于论域 U = { u1 , u2 , …, u n} 上任意模糊子集 A , B , 如果存在实数 σ( A , B ) 满足 :
(1) σ( A , B ) = 1 ; (2) σ( A , B ) = σ( B , A ) ; (3) 0 ν σ( A , B ) ν 1 ; (4) σ( U , <) = 0 ;则称σ( A , B ) 为 A 与 B 的贴
近度 。根据这一原则 , 为了实际工作的需要 , 给出了
贴近度的具体定义[3 ] :
n
∑ 2 〔A ( x k) ∧ B ( x k) 〕
σ( A , B ) >
k =1 n
(6)
∑〔A ( x k) + B ( x k) 〕
k =1
2. 2. 2 择近原则
设论域 U 上有 m 个模糊子集 A 1 , A 2 , …, A m ,
当涌水达到相对稳定状态时 , 这时的涌水量称
为经常涌水量 qs 计算公式如下 :
(1) 佐藤帮明公式[1 ] :
qs = q0 - 0. 584ε·K ·r0
(3)
(2) 铁路勘测规范中经验公式 :
qs = KH (0. 676 - 0. 06 K)
(4)
式中 : qs 为隧道洞身单位长度正常涌水量 ; ε为系数
的任意递减时间 ; λ为岩体裂隙率 , 一般可用面裂
隙率λ =
A1 A2
×100 % 表示 ,其中
A 1 为所测量各裂隙
面积之和 ( m2) ; A 2 为所测量的岩体面积 (m2) ; B
为隧道洞身净宽度 ( m) ,其余符号意义同前 。
当隧道开始出现涌水时 ,地下水开始从岩体向
临空面渗流并排出 。由于扰动区压力水头的作用 ,
Abstract : It is discussed t hat t he water2gushed yeild of a t unnel is predicted by utilizing t he underground hydro2 dynamic met hod and t he f uzzy mat hematic met hod. If t he parameter date of t he hydrology and engineering geol2 ogy before const ruction and in initial period of const ruction are given , t he empirical formula in t he underground hydrodynamics may be used to forecast t he water2gushed yeild of a t unnel as well as it s change process. The met hod may be used to inst ruct t he general design and const ruction. According to t he primary factors to affect t he water2gushed yeild of a t unnel , t he t heory is proposed to forecast t he water2gushed yeild of a t unnel by using t he f uzzy closeness degree. According to t he computed result s , it is proved t hat t he forecasted result wit h t he met hod has a certain reference value. Keywords : water gushed yeild of tunnel ; f orecast ; f uzzy closeness degree
取 12. 8 ,其余符号意义同前 。
在施工初期隧道最大涌水量 q0 随着时间 t 的
延长而逐渐减少 , 自 q0 至比较稳定的经常涌水量 qs , 称 为 递 减 涌 水 量 qt , 其 计 算 采 用 佐 藤 帮 明 公 式[2] :
qt
=
q0
-
ε0
·λKB2 t
·r0
q0
·Kr0
(5)
式中 :ε0 为试验系数 ,一般取 12. 8 ; t 为 t0 到 ts 之间
渗流通道 (裂隙 、断层破碎带) 被冲刷和侵蚀并不断
的获得补给 ,导致渗流通道变大变宽 。涌水点涌水
的最终结果可分为两种 : (1) 水流逐渐衰减 ,部分疏
干 ,最终达到稳定 ,并形成涌水点为顶点的降落漏
斗 , (2) 水流逐渐衰减 ,全部疏干 ,最终断流 。
对于扰动区附近有控制性边界 (如定水头边界)
道初期最大涌水量 q0 、经常涌水量 qs 、递减涌水量
qt 。初期最大涌水量 q0 的计算公式如下 :
(1) 大岛洋志公式 :
q0
=
2πm K ( H - r0) 1n[4 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ H - r0) / d ]
(1)
(2) 铁路勘测规范中经验公式 :
q0 = 0. 255 + 1. 9224 KH
(2)
第 5 卷第 3 期 2007年9月
水利与建筑工程学报
Journal of Water Resources and Architectural Engineering