地球物理化学方法[18] 适用于与越岭隧道和傍 山隧道地质条件类似的情况 ,主要是测定水中氚的 含量 。放射性元素氚 (3 H) 是氢 ( H) 的同位素 ,其半 衰期为 12 年 、26 年 。根据含水体的地下水流向 ,沿 水平方向或垂直方向 ,在较短距离内采取水样测定 氚的含量 ,求出相对时间差 ,据此可求出地下水实际 运动速度和大概的涌水量 。
适用于设 计 或 施 工 中 分析采用的模式与参数较难由现场调 的隧道 ,而其分析结果
可依开挖 面 的 地 质 情 查及室内实验所得 ,且因水文地质变 况与 施 工 中 量 测 的 隧 异性大 ,故分析模式较难正确的建立 。 道涌水量 ,再进行反复
修订 。
地下径流模数法 与水文地质比拟法有些相似 。
各种方法优缺点比较如表 1 所示 。 隧道涌水主要集中在断层破碎带 、岩溶地区 、暗 河等地质条件下 ,因此对于不同隧道地质条件 ,应采 取不同的涌水量预测方法来计算 。 岩溶区隧道比较适合用降水入渗法 、地下径流 模数法 、地下径流深度法等方法 。暗河地区可以采 用水理统计法 、水平衡法 、解析法或将多种方法结合 起来运用 。而断层裂隙地质条件下 ,既可以用解析 法 ,也可以用数值分析法 。解析法又分为理论解析 法和经验解析法 。理论解析法是预测计算渗流与应 力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量的最基本方法 , 理论性较强 ,在应用于实际问题时 ,应特别注意条件 的适用性 ,以保证研究结果的可靠度和相对准确性 。 经验解析法是在理论研究及工程实践的基础上 ,考 虑到实际隧道含水裂隙岩体网络结构特征及其中地 下水渗流场的复杂特性 ,结合隧道所处渗流与应力 之间的耦合作用环境 ,提出的一系列隧道涌水量预 测计算经验关系式 。根据隧道穿越含水围岩区段时 涌水量的实际历时曲线 ,其涌水阶段可分为初期涌 水 、递减涌水和经常涌水3个阶段 ,从而以经验解析
4 比拟法 比拟法应用类似的隧道水文地质资料来计算 ,
立足于勘探区与借以比拟的施工区条件一致 。因 此 ,这种方法的预测精度取决于试验段和施工段的 相似性 ,两者越相似则精度越高 ,反之则越差 。比拟
收稿日期 :2006 年
2 水平衡法[ 3] 自 Thornthwait 等人 (1948 ,1957) 建立水平衡法以
来 ,它已成为水文和环境分析中最常用的工具和手 段 。水平衡法是根据水平衡原理 ,查明隧道施工期 水平衡各收入 、支出部分之间的关系进而获得施工 段的涌水量 。当施工地段地下水的形成条件较简单 时 ,采用水平衡法有良好的效果 ,如分水岭地段 、小 型自流盆地等 。但是 ,使用水平衡法计算时 ,由于天 然水平衡场受到矿坑采动等因素的影响 ,使渗入系 数 、均衡期 、最大涌水量起峰期等参数难于确定 。这 些问题长期妨碍水平衡法的广泛应用 。
Study o n Calculatio n Metho d for Tunnel Seep age Predictio n
Zhang Lei1 , Zhao Jian2 , Zhang Heping3
隧道涌水量预测研究已经有近半个多世纪的历 史 ,特别是近几十年来 ,无论研究的深度和广度都有 了很大的拓展 ,但也存在许多缺点和不足 。工程上 应用较多的为传统的专业理论计算公式 ,许多专家 和学者根据工程的具体情况对传统公式进行了修正 或引入一些新理论方法对隧道涌水量进行预测 ,并 取得了一定的成效 。但从科学与应用的角度来看 , 这些方法仍然还不够完善 ,其实用性和推广性也还 有待提高 。
2007 年 第 1 期 张 雷 ,等 :隧道涌水量预测的计算方法研究
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表 1 涌水量计算方法比较
方法 水理统计法
原理
枯水期河流 ,流量由地下水补给 ,因此 隧道总涌水量可近似等于隧道集水面 积乘枯水期地表水径流量 。
缺点 需有邻近河流枯水期流量记录 。
适用性
在有河流 枯 水 期 流 量 记录处最为有利 。
公路交通技术 2007 年 2 月 第 1 期 Technology of Highway and Transport Feb. 2007 No. 1
隧道涌水量预测的计算方法研究
张 雷1 ,赵 剑2 ,张和平3
(1. 惠州市城乡建筑工程有限公司 ,广东惠州 516001 ;2. 重庆交通大学 ,重庆 400074 ; 3. 珠海市公路局香洲分局 ,广东 珠海 519000)
在岩性均 质 或 构 造 简 单时用解 析 法 才 能 求 得与实况接近的水量 。
比拟法
由导坑实测及主隧道开挖的涌水量推 主隧道及主隧道未开挖段的涌水量 。
导坑实测段及已开挖主隧道涌水量实 测段 ,其地质与主隧道预估段相似者 才能求得接近实际的涌水量 。
适用于施工中的隧道 。
数值分析法
常以有限元素法利用热传导元素 ,模 拟地下水分布 。一般步骤如下 : 研究 区域网格化 ,决定各节点坐标及元素 的物理参数 ,决定边界条件及边界值 , 求取未知区域的地下水位值 ,进行软 件处理分析 。
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) [13] 。
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 %。
3 解析法 雅各布和洛曼 (1952) 提出了一种解析法 。解析
法是利用地下水动力学原理计算隧道涌水量 。在地 下水运动学中有以裘布衣公式 (1875) 为代表的稳定 流理论和以泰斯公式 (1935) 为代表的非稳定流理 论 。根据这 2 大理论 ,人们研究出了许多隧道涌水 量预测的经验公式 ,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 (A·H·K. OCTΠ: IKOB) 公式 、吉林斯基 ( H·K·FnpnHcKn) 公式 、 福希海默 ( Forcheimer ·F) 公式以及我国的经验 公 式[6 - 10] 。在基岩地区应多用解析法 ,如秦岭隧道[11] 上就运用了解析法 。该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 。
成为隧道充水水源系统的径流量及导
水通道的水力学特征 ,对隧道涌水量
做出预测 。
适用于对 常 规 预 测 方 法有利补充 。
法预测计算涌水量 。
9 结语 隧道涌水量的预测计算方法很多 ,目前较为常
用的是上述几种方法 ,但其预测精度远远不够 ,究其 原因主要是隧道是一个复杂的开放系统 ,是非线性 的 。目前人们对隧道的认识还不是很完善 ,因此涌 水量的预测必须采用多种方法结合 ,多学科交叉的 手段 ,以提高预测精度 。
摘 要 :系统阐述了隧道涌水量预测的各种方法 ,从各种方法的原理出发 ,阐明了它们的优缺点和适用条件及其工 程应用情况 ,并就相关问题进行探讨 ,提出自己的见解 。 关键词 :涌水量 ;计算 ;预测 文章编号 :1009 - 6477 (2007) 01 - 0121 - 04 中图分类号 :U453. 6 + 1 文献标识码 :B
水平衡法
用水平衡法计算隧道涌水量 ,其控制 因素包括降雨量 、隧道集水面积 、降雨 入渗系数及渗流时间 。
入渗系数没有既有资料需建立临时观 测站取得 。
在有降雨量 、入渗系数 资料处适用 。
解析法
利用地下水动力学公式及一些经验公 式计算涌水量 。
地下水动力学公式的假定 ,如渗透系 数的假定是单一的 ,实际上是千变万 化的 。因此唯有在公式假定条件与实 际情况接近时 ,估算涌水量才比较符 合实际 。
7 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[14] ,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 。显然用线性 理论或线性化理论来研究一个非线性系统是与客观 实际相悖的 ,隧道涌水预测的可靠性也必然受影响 。
徐则民 、黄润秋等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 ,该方法得到了同行专家的肯定 ,认为是对常规预 测方法的一个有益补充 。相信随着科学的发展 ,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 。
8 其它一些方法 其它方法主要有降水入渗法 ,地下径流深度法 ,
国内隧道涌水量预测研究多为结合工程个别实 例作简要的零碎的地质描述 ,与整个隧道工程系统 地结合和分析研究相对较少[1] 。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 ,迄 今为止尚无成熟的理论和公认的准确计算方法[2] 。
目前 ,研究隧道涌水量的主要方法有 : (1) 水理 统计法 ; (2) 水平衡法 ; (3) 解析法 (地下水动力学 法) ; (4) 比拟法 ; (5) 数值分析法 ; (6) 地下径流模 数法 ; (7) 非线性理论方法 。
地球物理化学法 。 降水入渗法[16] 与水平衡法相类似 。使用该方
法时需充分搜集测区气象 、水文 、地质资料 ,且确定 岩溶发育程度是关键 ,必须对隧道区进行详细的水 文地质及工程地质调查 。该法的关键技术是入渗系 数和汇水面积的确定 ,多用在可行性研究或初测阶 段。
地下径流深度法[17] 是某一流域内 ,大气降水是 地表水 、地下水 、蒸发Π蒸腾和地面滞水的总源 。使 用该方法时需充分搜集测区气象 、水文 、地质资料 。 地下径流深度法适用条件同地下径流模数法 。由于 各项参数难以取得精确数据 ,故预测的隧道涌水量 , 只能是宏观的 、近似的数量 。
洪水期与枯水期的地下径流模数可以 适用 于 岩 溶 区 隧 道 涌
相差数十到百倍 ,季节性要求高 。