岩溶隧道涌水量的预测方法研究_郭玉法
涌水量预测计算方法
涌水量预测计算方法一、前言在隧道建设施工中,涌水灾害是隧道建设中备受关注的问题之一。
它不仅影响隧道建设的正常施工,且会波及到隧道建成后的安全运营。
因此,如何较为准确地预测隧道涌水量的大小,为隧道施工制定合理的防排水措施提供依据,成为众多岩土工程学者日益关注的课题之一。
隧道涌水的预测首先是从定性研究开始的,最早的预测只是通过查明隧道含水围岩中地下水的分布及赋存规律,分析隧道开挖的水文地质及工程地质条件,依据物探、钻探、水化学及同位素分析、水温测定等手段,确定地下水的富集带或富集区以及断裂构造带、裂隙密集带等可能的地下水涌水通道,并且用均衡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,基于定性分析的隧道涌水预测研究,发展成为隧道涌水的定量评价和计算,主要体现在隧道涌水位置的确定与涌水量预测两个方面。
在隧道涌水位置的确定方面,人们通过隧道围岩水文地质及工程地质条件的定性分析,发展了随机数学方法和模糊数学方法。
在涌水量预测方面,人们根据隧道环境地下水所处地质体的不同性质、水文地质条件的复杂程度、施工的方式及生产的要求等因素,提出了隧道涌水量计算的确定性数学模型和随机性数学模型两大类方法。
岩溶区隧道涌水研究必须要注重水文地质条件的研究, 因为每一种方法、公式的提出都是基于地质条件的研究基础之上的。
岩溶区地质条件一向比较复杂, 从隧道施工期发生的比较严重的涌水事件来看,岩溶区易发生涌水地质条件可以分以下四类:⑴向斜盆地形成的储水构造；⑵断层破碎带、不整合面和侵入岩接触面；⑶岩溶管道、地下河；⑷其他含水构造、含水体。
以上只从宏观上列举了一些可能发生严重涌水的地质条件, 这是远远不够的, 对隧道涌水条件应进行详细研究, 这是其他隧道涌水研究工作的基础,必须予以重视。
[1]二、岩溶区隧道涌水量预测方法目前涌水量预测计算方法很多, 主要有以下几种:1.进似方法这种方法主要包括涌水量曲线方程(一般称Q－S曲线)外推法和水文地质比拟法2 种。
隧道涌水量预测计算方法探讨
隧道涌水量预测计算方法探讨[摘要]从2种隧道涌水量计算方法的基本原理出发，讨论了其计算步骤、公式及适用条件。
选择合适的计算方法预测涌水量，有助于预警和制定施工对策。
以杭长铁路高岭隧道工程为例，采用水均衡法对隧道进行涌水量预测，然后对其涌水量进行评价和提出相应的工程建议，为工程的顺利实施提供了技术支持。
【关键字】高岭隧道；涌水量；预测；水均衡法1.引言有关隧道涌水量预测的研究已有近半个世纪，提出和发展了很多方法，但迄今为止无论是隧道正常涌水量，还是最大涌水量，都是依季节变化的，预测时误差较大，尚无成熟的理论和公认的准确计算方法。
隧道涌水量预测方法归纳起来主要有：（1）水均衡法；（2）水文地质比拟法。
本文详细介绍了上述2种隧道涌水量预测方法的基本原理、计算步骤和计算公式，并以杭长铁路高岭隧道为例，对隧道的涌水量进行了预测，然后对其涌水量进行评价和提出相应的工程建议，为今后深入研究打下基础。
2.水均衡法水均衡法指在一定范围内，水在循环过程中保持平衡状态，收入和支出相等，查明隧道施工段水的补给、排泄之间的关系，从而获得施工段的涌水量。
水均衡法适用于地下水的形成条件较简单的施工地段，可宏观地、近似地预测隧道的正常涌水量和最大涌水量；水均衡法预测涌水量时，常分为地下径流模数法和大气降雨入渗法。
2.1地下径流模数法概念：指利用一个流域岩溶区内地下径流模数和补给面积，推求出该流域暗河径流总量，或以此评价地质与水文地质条件相似的邻区暗河流域暗河径流量的方法。
计算公式如下：（1）式中，Q为隧道通过含水体地段的涌水量（m3/d）；M为地下径流模数（L/s·km2）；F为隧道通过含水体地段集水面积（km2）。
2.2大气降雨入渗法概念：通过大气降雨与地下水的关系，来反映最终下渗到达地下水的水量的方法。
计算公式如下：（2）式中，Q为隧道通过含水体地段的涌水量（m3/d）；η为岩溶水滞后系数，一般取0.15～0.60；α为降雨入渗系数，碳酸盐岩取0.307；X为日降雨量（mm）；F为隧道通过含水体地段集水面积（km2）。
210974866_岩溶深长隧道水文地质调查分析与涌水量预测方法研究
Value Engineering0引言我国不仅是隧道数量最多、长度最大的国家，同时也是水文地质最复杂的国度，因为地质条件非常复杂，所以在岩溶发育区进行隧道施工，很容易受到突泥、突水等自然灾害的威胁，导致严重的人员伤亡事故和重大经济损失，尤其是岩溶深长隧道，一方面是因为岩溶地质复杂，另一方面还在于岩溶隧道勘察、评估涌水方法缺乏科学性，所以很难精准判别灾害性涌水，最终引发隧道施工安全事故[1]。
本文通过综合分析某段岩溶隧道水文地质情况，预测评估隧道涌突水量，有效遏制地质灾害，只有保证隧道安全施工，才能实现岩溶深长隧道的成功通行。
1工程概况某隧道为分离式隧道，隧道设计长度为5000m ，最大埋深300m 。
在充分收集前人工作成果的基础上，首先在线路经过区开展1∶50000水、工、环调查，基本查明隧道区水文地质条件、地下河分布特征；在线路两侧2km 范围内段开展1∶10000水文地质工程地质调查，为隧道设计施工择提供水文地质参数及科学依据。
开展1∶50000水工环调查，主要工作内容是：①基本查明沿线岩溶地下水的补给、径流、排泄条件及各灰岩地层的富水情况，重点在于沿线岩溶地下水的垂直分带、水力坡度、地下分水岭的确定等；②基本查明岩溶分布特征（与地层、地质构造、地形地貌关系），基本查明沿线所经各地下河的分布及其与线路的关系，查明各个地下河的补迳排特征；开展1∶10000隧道选线工程地质调查，主要工作内容是：①初步查明隧道区工程条件；②分析评价拟选隧道线隧道工程施工、运行对周围地质环境条件的影响程度。
2工程地质条件某隧道位于调查区为峰从谷地、陡坡中低山边缘缓坡丘陵，根据区内地层岩性的分布特征，结合地质构造，和岩组组合条件的不同，调查区可分为：侵蚀-溶蚀类型的岩溶峰丛谷地和构造-侵蚀的陡坡中低山两种地貌。
隧址区位于向斜东翼，发育F1逆断层，断裂走向北西-南东，倾向西，倾角69~82°，局部切割泥盆系地层，断裂影响带宽约60~120m 不等。
隧道涌水量预测方法及其分析
承压或潜 水含水 层 无 5 限深掌子面涌水量 (平 Q = 4 Krs 面) 承压或潜 水含水 层 无 πKrs 6 限深时掌 子面涌 水 量 Q = 2 (半圆形 ) πKM s 承压含水 层有限 降 深 4 Q = 7 ( 15 ～ 20m ) 时掌子面 π M - 1 + 2 ln 3 R r 2 M 涌水量 (平面 ) πKM sr 承压含水 层有限 降 深 2 Q = 8 ( 15 ～ 20m ) 时掌子面 3 R M + r ln - 1 2 M 涌水量 (半圆形 ) 承压或潜 水含水 层 隧 KH2 gL 9 道两侧边 墙单位 长 度 q = R 进水 说明 : q为两侧隧道单位长度涌水量 ; H g、 h s、 h g 分别为隧道以及 潜水位高度 ; R、 R s、 R g分别为影响半径 ; H为隧道顶板至河水面高度 ;
式中 : Q t 为隧道掌子面非稳定流涌水量 ; T 为导水系数 ; R 为距开挖面的距离 ;ξ 为 ( r处 ) 水位降深 ; P 为开挖面上水 的自喷压力 ; W 为水的比重 ; S 为储水系数 ; t为涌水经历的时
110
四川建筑 第 27 卷 6 期 200 7 1 12
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
9H 9n
r2
= Q ( t > 0)
( 7)
= z ( Βιβλιοθήκη > 0) = H2 ( r, z) ∈Ω
Γ =0
[收稿日期 ] 2007 - 01 - 19 [作者简介 ] 陶玉敬 ( 1982 ～ ) , 男 , 河南信阳人 , 硕士研
综合物探法在岩溶隧道涌水预报中的应用研究
１５ ９
洞、 暗河及含水情况探测有一定的局限性。实践表明该 法有 效 预报距 离 １ ０－ ０ ｍ。 ０ －２ ０ ￣ ２ ２ 红外探 水 法 ． 由于所有物体都发射出不可见的红外线能量 ， 该能 量大小与物体的发射率成正 比。而发 射率 的大小取决 于物体的物质和它 的表面状况 。当掌子 面前方及周边 介质单一时 ， 所测得 的红外 场为正常场 ， 当存在隐伏含 水构造或有水时， 所产生的场强要叠加到正 常场上 ， 从 而使 正常场 产 生畸 变 。据 此 判 断掌 子 面 前 方一 定 范 围 内有无含水构造 。在含有岩溶水与地下水 的区域， 水体 的温度相对于围岩的温度差异较大 ， 其对红外线的吸收 或辐射能力会高于周围的岩石［ 。 ８ ］
用 。它具有预报距离较长 、 精度较高 、 提交资料及时、 经 济等优点 ， 尤其与隧洞轴线或呈大角度相交的面状软弱 带， 如断层、 破碎带 、 软弱夹层、 溶洞及地层分界面等效 果较好 。而对不规则形态的地质缺陷或与隧洞轴线平 行 的不 良地 质体 ， 如几何形状 为圆柱体或 圆锥体 的溶
＊ 收稿 日期 ：０ １０－０ 修 回日期 ：０ １０ —２ ２ １－ １３ ２ １－ ２１ 第一作者简介 ： 张小洪（ ９ １）男 （ １ ７ 一 ， 汉族 ）重庆忠县人 ， ， 工程师 ， 事岩 土工程勘察与地质灾害评价方面的工作。 现从
２１ 年第 ８ ห้องสมุดไป่ตู้１ 期
西部 探矿 工程
在 的水体 。 ３ １ 地 质特 征 ．
不均匀地质体中产生的反射波特性来预报 隧洞掌子面 前方及周围临近 区域的地质情况。该法属多波 多分量 探测 技术 ， 以检测 出掌子 面前 方 岩 性 的变 化 ， 不 规 可 如 则体 、 不连续面、 断层和破碎带等 。它可 以在钻爆法或 Ｔ Ｍ 开挖 的隧洞中使用 ， Ｂ 而不必接近掌子面［ 。 ７ ］ Ｔ Ｐ法作为一种 比较先进的探测手段 已在我国水 Ｓ 利、 水电、 铁路 、 公路 、 煤炭等系统的各类 隧洞 中得到应
贵州某隧道岩溶水文地质条件及涌水量研究
贵州某隧道岩溶水文地质条件及涌水量研究洪运胜【摘要】A designed tunnel in Guizhou lies in karstification region characterized by complicated geological condition. The present paper has a discussion on hydrogeological conditions, karstification, recharge, runoff and discharge of groundwater in the designed tunnel and calculates its water inflow by means of modulus of groundwater runoff and atmosphere precipitation infiltration way.%拟建隧道位于贵州岩溶地区，地质条件复杂，且隧道将横穿过一条地下河下方，隧道遭遇岩溶涌突水的危险性较大。
通过分析该隧道岩溶水文地质环境，论述了隧址区岩溶发育分布规律、岩溶水补径排条件，并采用地下水径流模数法和大气降水入渗法2种方法对比计算对隧道涌水量做出初步预测评价，为施工提供依据。
【期刊名称】《四川地质学报》【年(卷),期】2016(036)004【总页数】4页(P620-622,626)【关键词】岩溶;涌水量;大面坡【作者】洪运胜【作者单位】贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队，贵州遵义 563000【正文语种】中文【中图分类】P641大面坡特长隧道位于N 线走廊带上，隧道进口里程为NZK6+470，隧洞进口高程632.72m；出口里程为NZK13+360，洞口高程753m，全长6 890m。
大面坡特长隧道NZK10及KZK10横穿石朝向斜，该向斜两冀不对称，北西冀平缓，倾角15°～30°，南东冀陡倾斜，倾角20°～50°。
岩溶隧道涌水量综合预测_以朱家岩岩溶隧道为例
第38卷第3期2011年5月水文地质工程地质HYDROGEOLOGY ＆ENGINEERING GEOLOGY Vol．38No．3May 2011岩溶隧道涌水量综合预测———以朱家岩岩溶隧道为例郭纯青1，田西昭1，2（1.桂林理工大学环境科学与工程学院，桂林541004；2.河北省环境地质勘查院，石家庄050021）摘要：长期以来岩溶隧道涌水问题是国内外隧道施工中的重大难题，往往对工程造成极大危害。
基于岩溶水文地质学的最新理论和国内外工程实践，结合多年的经验，提出“岩溶隧道涌水量综合预测四步建模法”。
运用地球系统科学的理论与方法，辅之系统论原理和类比方法，从多种地质调查与监测手段入手，在分析确定岩溶地下水系统结构特征（特别是地下岩溶含水介质类型）与其内水流运动关系的基础上，采用流量衰减分析法、物理模拟和BP 神经网络模型三者相结合的方法，对岩溶隧道涌水量进行综合预测研究。
关键词：岩溶隧道；涌水预测；物理模型；BP 神经网络中图分类号：P642.2文献标识码：A文章编号：1000-3665（2011）03-0001-08收稿日期：2010-07-12；修订日期：2011-01-06基金项目：国家自然科学基金项目（40972158）作者简介：郭纯青（1955－），男，研究员，从事岩溶水资源、岩溶含水介质、岩溶水系统数学物理模型及有关岩溶灾害等方面的调查与研究工作。
E-mail ：guochunqing99@yahoo．com．cn中国岩溶分布面积广，约占国土总面积的1/3。
岩溶地区因受其特殊的地质构造影响，往往具有高水压、富水、溶洞及断层的特征；在岩溶地区修建地下隧道工程，施工中一旦不慎，极易诱导突发大规模的涌水、涌泥、涌砂等工程灾害。
目前，在涌水量预测问题上，主要根据岩溶隧道环境地下水所处地质体的不同性质、水文地质条件的不同复杂程度、施工的不同方式及生产的不同要求等因素，提出了岩溶隧道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方法［1］。
岩溶地区隧道涌水量估算
岩溶地区隧道涌水量估算岩溶区隧道的涌水预测是长期以来困扰生产实践的难题，其原因主要有：岩溶地下水赋存极不均一，很难确定隧道内确切的涌水部位及水量大小；勘察精度不够，无动态观测资料及试验资料较少，不能正确描述地质条件及水动力场特征；难以确定合理的计算方法和各类参数。
本次隧道涌水预测是根据隧址区岩溶发育特征、地下岩溶管道系统的分布、地下水补径排特点及各含水岩组富水性等特征，通过采用地下径流模数法和大气降水入渗法、结合地区经验，估算隧道涌水量。
标签：隧道涌水测量1概况隧道长2000m左右、最大埋深近200m。
中山、溶蚀峰丛洼地地貌区，亚热带湿润季风气候，隧址区内无水库、堰塘。
可溶性碳酸盐岩分布广泛，地表溶沟、溶槽、石牙、溶孔、溶穴、溶管、峰丛、洼地、溶丘及溶蚀沟谷等发育，地下岩溶形态则有落水洞、地下河、溶洞等。
突水、突泥对隧道工程建设影响甚大。
隧址区位于向斜东翼，向斜轴近乎南北向，两翼岩层倾角约40°左右，近乎对称。
轴部地层为三叠系巴东组及白垩系组成，白垩系不整合覆盖于巴东组之上。
隧址区内无断裂。
区内裂隙发育，一般为张性裂隙，张开宽1～35cm不等，面裂隙率在1.5～3条/m2之间；裂隙发育走向在N45°～65°W、N50°～60°E、N75°～80°E。
2水文地质条件2.1隧址区岩溶发育规律溶沟、溶槽、石牙、溶孔、溶穴、溶管在地表随处可见，落水洞口多呈圆形或椭圆形，直径在1～5m之间，普遍发育深度5～15m，少数深不见底，底部多充填黏土夹碎石，以缝状为主，竖井状较少。
漏斗多见于斜坡地带或洼地周边缓坡地带，受地形影响多呈斜歪状和碟状，主要受层面、地形和裂隙控制发育而成，深度多为1～3m。
隧址区岩溶发育具有以下规律和特征：①岩溶发育的呈层性，岩溶的发育与地壳的上升、停顿和岩溶水的变迁密切相关，故不同岩溶期发育着不同的岩溶形态，从而形成了区域上岩溶发育的呈层性特点；②岩溶发育深度与侵蚀基准面的一致性，河流和泉是调查区当地侵蚀基准面，各水平岩溶出口标高基本与最低侵蚀基准面一致；③岩溶发育方向具有与岩层走向一致性的特点，区内岩层走向N4°～9°W，倾向西，主要发育一组东西走向裂隙，地表落水洞多呈串珠状沿岩层走向分布，区内最大溶槽走向南北。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
参考文献[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。
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)Research on Forecasti ngM et hods for Gus hi ngW ater Vol u m e in Karst TunnelsGuo Yu fa Bao Q i n gyu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 104m 3/d ,施工时最大涌水为20 55 104m 3/d ;川黔线娄山关隧道预计涌水量为6 0 104m 3/d ,施工时最大涌水量为19 20 104m 3/d ;贵昆线岩脚寨隧道预计涌水量为0 66 104m 3/d ,施工时最大涌水量为10 08 104m 3/d [1]。
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73岩溶隧道涌水量的预测方法研究:郭玉法 鲍庆煜但在实际工作中,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。
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Dupu it 理论和求解非稳定渗流的The is 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 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 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。
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]。
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 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 9 其他预测方法[2]主要有地球物理化学法、随机数学方法,地下径流深度法等。
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。
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)。
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74铁 道 勘 察2007年第5期量模拟,得出隧道的最大涌水量Q 0和正常涌水量Q s 以及涌水过程曲线。
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K rr2H x 2+ 2H y 2+K zz2Hz2+ =0(x ,y,z )!D H (x,y ,z )=H 1(x ,y ,z )(x ,y,z )!!1K rr H n(x,y,z )+K zzH z(x,y,z )=V 1(x,y,z )=const(x ,y,z )!!2式中:K rr 为水平方向的渗透系数;K zz 为垂直方向的渗透系数; 为源汇项;H 1为已知水头边界的水头值;V 1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题,其相应的模型为x K x h h x + y K y h h y + z K z h h z + =S h t (x,y,z)!Dh (x,y ,z ,0)=H 0(x,y,z )K rr Hn (x,y,z )+K zz H (x,y,z )=V 1(x,y ,z )=const(x,y,z)!!2K y hh x co s (n,x )+K x h h y cos (n,y )+K z H z(x,y,z )=V 2(x,y,z,t)(x,y,z)!!2h (x,y ,z ,t)=z(x,y,z)!!0,t >0式中,h 为地下水水头函数(m ),K x 、K y 、K z 为渗透主方向渗透系数(m /d),S 为储水系数,H 0为稳定流模型的水头值,V 1为已知流量边界的渗透流速,V 2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Q 0,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。
2 3 模拟结果分析正常涌水过程模拟结果如图2所示。
图2 涌水过程计算值与模拟值的比较由图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。