大坳隧道隧址区渗流场与隧道涌水量数值模拟及预测

摘要

隧道大流量涌水往往会造成比较严重的后果，它不仅影响隧道的正常施工，且会波及隧道建成后的安全运营。大坳隧道隧址区为典型的高山峡谷地貌，区内崇峰叠嶂，河谷深切，峭壁陡立。岩溶区隧道的涌水量预测一直是隧道开挖和运营过程中要解决的难题，准确预测隧道的涌水量对隧道开挖过程中人员及设备安全有极其重要的作用。
　　为了揭示修建大坳隧道对该隧址区地下水环境造成什么影响、以及地下水环境的变化对隧道涌水有何影响，本文主要开展了以下研究工作:
　　(1)对隧址区地质条件与水文地质条件进行调查分析;(2)建立水文地质概念模型;(3)采用数值模拟等方法，建立隧址区地下水渗流三维数值计算模型;(4)设计下列三维数值模拟方案，对该隧址区地下水渗流场进行三维数值计算研究:①天然状态下地下水渗流场模拟，②隧道开挖后完全排水条件下的地下水渗流场模拟，③隧道开挖后完全排水条件下涌水量模拟预测，并采用理论计算方法研究隧道涌水量，通过对比分析数值模拟与理论计算结果，综合得出隧道的涌水量;④隧道完全封堵条件下的地下水渗流场恢复情况模拟。
　　本文取得的主要成果如下:
　　(1)隧址区岩性为灰岩、砂岩为主。隧道进口段上部覆盖砂岩、砂质页岩，为典型的覆盖型岩溶区，出口段为岩溶发育的清虚洞组灰岩的裸露型岩溶区。隧址区内主要强富水岩组为寒武系清虚洞组灰岩，主要中等至弱富水岩组为寒武系下统金顶山组白云质灰岩和砂岩，相对隔水层为寒武系下统金顶山组砂质页岩。
　　(2)采用电阻率法，探讨了岩土渗透性与岩体完整性特征，隧道在垂直和水平方向电阻率有很大差异，特别是水平方向，隧道进口段电阻率较高，说明进口段岩性较完整，孔隙度较小，富水性较弱;隧道出口段电阻率低，说明出口段岩性破碎，岩溶裂隙发育，富水性强。采用电阻率方法，对隧道的涌水情况作出了定性分析。
　　(3)分析了隧址区水文地质条件，概化出了与本区水文地质条件相符的水文地质概念模型，确定了隧址区地下水渗流模型边界条件，并进行了模型的时间和空间离散，建立了大坳隧道隧址区天然渗流场的三维数值模型，通过水均衡拟合和观测水位的拟合，证明了三维数值模型的可信度。
　　(4)隧道完全排水在隧道周围形成与隧道平行的线状降落漏斗，同时在1个水文年内因降水量周期性变化还具有周期性，在夏季降雨量大的时候，出口段降深减小，可能导致出口段涌水量较大。从隧道进出口处的渗流场变化来看，渗流场在隧道出口段的变化比进口段大得多。从排水90天开始，隧道进口处的最大降深基本保持不变，进口处水位最大降深5m左右，原因可能是隧道进口段上覆砂岩及砂质页岩，渗透系数小，且埋深不大，位于地形顺坡处，涌水量不大;隧道中部由于地下水埋深较大，隧道通过地段水位较高，隧道排水对地下水的影响最大;隧道出口段岩溶较发育，渗透系数大，地下水与降雨关系密切，隧道排水对周围地下水渗流场影响范围较广。
　　(5)封堵90天后，渗流场恢复明显，隧道中部线性降落漏斗开始消失，隧道进口处与天然水位只相差约2m，出口处与天然水位相差约10m，隧道中部相差约30m;封堵180天，隧道出口段渗流场迅速恢复，而隧道进口段则恢复较缓慢，隧道中部进口段降深约20m。封堵270天后，大部份区域基本恢复到天然状态的80％。封堵1年后，渗流场基本恢复到初始状态。总体来看，隧道出口段渗流场恢复较快，进口段恢复较慢。这是因为隧址区虽处岩溶区，但是进口段属于覆盖型岩溶区，岩溶发育程度不高，地下水循环较弱，难以得到迅速补给，所以进口段渗流场恢复较缓慢。而出口段岩溶发育，地下水循环迅速，渗流场恢复快。
　　(6)用数值模拟方法，对已分段的大坳隧道进行分段涌水量计算，并用理论计算方法（降雨入渗法、解析法、比拟法等）对隧道涌水量进行了计算，获得大坳隧道进出口分段涌水量的范围值，即:K97+860-K98+420为117.60～205.07m3/d; K98+420-K98+765为674.82～846.08m3/d。研究成果为该隧道的设计与施工提供了依据。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 隧道隧址区渗流场的研究现状

1．2．2 岩溶区隧道涌水预测的研究现状

1．2．3 岩溶区隧道数值模拟的研究现状

1．3 研究内容及技术路线

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 区域自然地理条件

2．1．1 地形地貌

2．1．4 气象水文

2．2 区域地质条件

2．2．1 地层岩性

2．2．2 地质构造

第3章 隧址区地质条件

3．1 工程概况

3．2 隧址区地层岩性

3．3 隧址区地质构造

第4章 隧址区水文地质条件

4．1 含水岩组划分

4．2 岩土渗透性分析

4．3 地下水类型

4．4 地下水赋存特性

4．5 地下水补、径、排条件

4．6 地下水化学特征

4．7 地下水动态特征

第5章 隧址区水文地质概念模型

5．1 模型的范围

5．2 模型含水层划分

5．2．1 强含水层

5．2．2 中至弱等含水层

5．2．3 相对隔水层

5．3 模型边界条件概化

5．4 模型源汇项分析

第6章 隧址区地下水渗流场三维数值模拟

6．1 地下水渗流模型

6．2 模型的离散

6．2．1 模型空间的离散

6．2．2 模型时间的离散

6．3 模型水文地质参数确定

6．4 模型的识别和校验

6．4．1 区域水均衡拟合

6．4．2 钻孔水位拟合

6．5 模型计算方案

6．6 地下水渗流场三维数值模拟

6．6．1 天然状态下地下水渗流模拟

6．6．2 隧道开挖完全排水对渗流场的影响

6．6．3 隧道完全封堵条件下渗流场的恢复情况

第7章 隧道涌水量预测

7．1 涌水量数值模拟预测

7．2 涌水量的理论计算

7．2．1 降雨入渗法

7．2．2 解析法

7．2．3 水文地质比拟法

7．3 涌水量不同计算方法的比较与取值

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得学术成果