海东隧洞水文地质结构及涌水量计算研究

摘要

海东隧洞是滇中引水工程大理段引水线路中长大隧洞之一，位于洱海东岸，隧洞线路大面积穿越岩溶地区。由于研究区是经向构造体系和青、藏、滇、缅、印尼“歹”字型构造体系的复合部位，构造强烈，含水岩体被切割破碎，不同渗透性质的含水介质进行组合，形成不同的水文地质结构。隧洞施工将穿越不同的水文地质结构，对水文地质条件的改变存在差异，易发生涌突水灾害。目前对隧洞涌水量的预测，大多建立在均匀介质无限边界的地质体基础之上，不适用于含水介质具有强烈非均质性和各向异性的岩溶地区。因此，本文通过研究隧址区水文地质结构特征，分析隧洞穿越各水文地质结构时隧洞涌水模式，以地下水动力学方法为基础，对其适用条件进行延伸，与实际情况相配合，从而提高涌突水预测的精度。
　　本文通过结合研究区区域地质条件和水文地质条件，分析隧址区岩体渗透性特征和含水介质特征，掌握隧址区不同渗透性能的含水介质的组合情况，总结隧址区的水文地质结构，分析隧洞线路在穿越不同的水文地质结构单元时对水动力条件的改变及隧洞涌水特征，从而概化出隧址区隧洞涌水模型，利用已有地下水动力法，分析各方法的地质原型及适用条件，针对不同的隧洞涌水模式对方法的适用条件进行延伸，以适用于隧址区的实际情况，并得出以下主要结论:
　　(1)海东隧洞全线构造极为复杂，长育村—大成村段主要构造形迹呈近东西向发育，断裂发育少，洞线与主构造线近正交穿越;大成村—高兴村段属挖色帚状构造之花岗岩砥柱部位，断裂不发育;高兴村—引洱入宾出口断裂构造极为发育，断块众多，构造形迹以NW-SE向为主、NE-SW向次之，断裂带规模大小不一，在构造断块沉积岩中产状较凌乱、多有方向各异、形态多样的小型揉褶发育，而在断块中也多有完整性较好的各期侵入岩体呈岩墙状、岩株状分布，洞线平行于主构形迹在大小不一的构造断块中穿行，隧洞直接穿越的大小断层达15条以上之多;
　　(2)研究区地下水类型主要包括裂隙水和岩溶水，地下水主要补给来源为大气降雨，岩溶负地形和导水断层为地下水优势补给通道，构造对地下水的赋存和运动起到控制性作用。根据区域分水岭和小型河流流域及富水性构造为划分依据，将隧址区划分为两个一级水文地质单元，五个二级水文地质单元，隧洞穿越野猪山-挖色水文地质单元(Ⅰ-1)和黑家营水文地质单元(Ⅱ-3);
　　(3)隧址区含水介质的渗透性能从宏观上划分为强、中、弱三个等级，渗透性能强的含水介质主要包括岩溶发育程度高的二叠系纯灰岩(P1)、石炭系石灰岩(C2+3)、泥盆系白云岩(D1q)和断层规模足够大的张性断层，其次为渗透性能中等的含水介质，主要包括泥盆系白云质灰岩及白云岩(D1k)和中等规模的张性断层，渗透性能弱的含水介质包括岩溶不甚发育的泥盆系泥质灰岩(D1l)、非可溶岩、侵入岩和压性断层;
　　(4)根据隧址区含水介质的不同组合形式，结合岩体渗透性特征，隧址区主要的水文地质结构包括四种:1）近水平均匀无边界型(Ⅰ);2)近水平层状无边界型(Ⅱ);3)近水平均匀有边界型(Ⅲ)，包括压性断层(Ⅲ-1)、张性断层(Ⅲ-2)和侵入岩体(Ⅲ-3)三类边界条件;4）陡倾层状有边界型(Ⅳ)，根据隧洞穿越不同渗透性能的含水介质，可分为穿越渗透性能中等～强含水介质(Ⅳ-1)和渗透性能弱(Ⅳ-2)两个亚类;
　　(5)隧洞开挖改变了隧址区地下水排泄条件，将隧洞穿越不同水文地质结构时的涌突水特征概化为三种模式:1）均质型(Ⅰ):穿越近水平均质水文地质结构时，地下水运动不受水文地质边界条件限制;2）水平层状模式(Ⅱ):隧洞穿越近水平层状水文地质结构时，上覆为隔水层或相对隔水层，下伏含水层地下水具有承压性;3）垂直层状模式(Ⅲ):将近水平均质有界型和陡倾层状有界型水文地质结构均概化为此种涌水模式，分为Ⅲ-1和Ⅲ-2两个亚类，Ⅲ-1为隧洞穿越渗透性能强的含水介质，将渗透性能弱的含水介质概化为相对隔水层，Ⅲ-2为隧洞穿越渗透性能弱的含水介质，将强渗透性含水介质概化为补给边界;
　　(6)根据概化后的水文地质结构隧道涌突水模式，以地下水动力学法预测涌水量计算为基础，选取稳定流计算方法裘布依理论公式、科斯嘉科夫公式和落合敏郎公式增加边界条件的限制，同时选择适宜于承压含水层的计算方法，分别对隧洞穿越各水文地质结构的含水介质涌水量在选取适宜的计算方法和参数后，分段进行计算，在隔水边界控制下，计算结果小于无边界条件下计算结果，与补给边界相反，承压含水层的计算结果小于潜水含水层的计算结果。
　　(7)通过常规地下水动力学法计算得出隧道总体的最大涌水量为308371～418321m3/d，隧道正常涌水量为26539～218233m3/d，通过对公式加上边界条件的限制，正常涌水量预测范围改变为12477～186599m3/d，在采用地下水动力学法进行涌水量计算时，需考虑边界条件对隧洞涌突水灾害的影响，从而获取更加合理更能匹配实际情况的计算结果。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 选题依据与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水文地质结构研究现状

1．2．2 隧道涌水量计算研究现状

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 区域地质环境条件

2．1 自然地理条件

2．1．1 地形地貌

2．1．2 气象水文

2．2 地层岩性

2．2．1 区域岩石地层建造历史

2．2．2 区域地层岩性组合特征

2．3 地质构造特征

第3章 隧址区水文地质条件

3．1 地下水含水岩组

3．2 岩溶发育特征

3．2．1 地表岩溶形态

3．2．2 地下岩溶形态

3．3 地下水补径排特征

3．3．1 补给特征

3．3．2 岩溶水的径流特征

3．3．3 岩溶水的排泄特征

3．4 研究区地下水系统划分

第4章 隧址区水文地质结构特征

4．1 岩体渗透性特征

4．2 隧址区含水介质特征

4．2．1 水文地质单元Ⅰ-1

4．2．2 水文地质单元Ⅱ-3

4．3 隧址区水文地质结构

4．4 隧址区隧洞涌水特征分析

第5章 海东隧洞涌水量计算

5．1 计算方法

5．1．1 方法概述

5．1．2 方法选择

5．2 计算分段及参数选取

5．2．1 计算分段

5．2．2 参数选取

5．3 隧洞涌水量计算

5．3．1 均质型涌水模式

5．3．2 水平层状涌水模式

5．3．3 垂直层状涌水模式

5．4 结果分析

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果