岩溶隧道涌水量预测方法及适宜性分析

岩溶隧道涌水量预测方法及适宜性分析

刘坡拉

(铁道第四勘察设计院地质路基设研究处,武汉430063)

摘　要:从岩溶地下水的赋存和运移特征出发,结合隧道工程地质勘察的特点,分析了岩溶隧道涌水量预测的研究现状以及目前常用隧道涌水量预测方法的特点及其适用条件,指出:基于达西公式的地下水动力学方法,包括解析法、数值法和部分经验公式法,不适合以岩溶管道和暗河为特征的隧道的涌水量预测;目前岩溶隧道涌水量预测应该以水均衡法为主,通过加强隧道区地下水动态监测,特别是暴雨过程地下水动态的监测,以进一步提高隧道涌水量的预测精度;此外,还应探索分析各种新理论、新方法在岩溶隧道涌水量预测中的应用。

关键词:岩溶隧道;涌水量预测方法;适宜性分析

中图分类号:X93;P2　　　文献标识码:A　　　文章编号:167121556(2009)0520119204

Methods for Forecasting W ater Inflow and Their Suitability

Analysis in K arst Tunnel

L IU Po2la

(Geological S ubg ra de Desi g n&Research De p artment of4t h S urvey&Desi gn I nstit ute,

Chi na R ail w ay,W uhan430063,Chi na)

Abstract:According to t he occurrence and t ransport characteristics of karst water and in combination wit h t he feat ures of engineering investigation,t his paper analyzes t he research act uality of t he forecast of water inflow in karst t unnel,toget her wit h t he characteristics and suitability of t he normal met hods.The paper especially point s o ut t hat t he groundwater dynamics met hods(including analytic met hod,numerical met h2 od and some empirical formula met hods)which are based on t he Darcy formula disagree wit h t he forecast of water inflow in t he t unnel which is catachrestic of karst t ube and underground river.At present,t he forecast of water inflow in karst t unnel should take t he water balance met hod as t he core.St rengt hening t he observation of groundwater region,especially t he observation of t he rainstorm p rocess,can improve t he forecasting accuracy of water inflow in t he t unnel.In addition,new kinds of t heories and met hods should be searched and analyzed for t heir application to t he forecast of water inflow in karst t unnel.

K ey w ords:karst t unnel;met hod for forecasting water inflow;suitability analysis

0　引　言

岩溶隧道在施工过程中经常发生地下水涌入或突入隧道,对隧道施工和生命财产造成严重危害,因此准确地预测岩溶隧道的涌水量对保证隧道正常施工、降低隧道施工风险具有十分重要的意义。1　岩溶隧道涌水量预测研究现状

1.1　现有的预测方法

隧道涌水量预测研究已经有近半个多世纪的历史。20世纪80年代以前,隧道涌水量预测主要依靠水文地质比拟法、水均衡法以及基于裘布依稳定井流

第16卷　第5期2009年　　9月　　　　　　　

安全与环境工程

Safety and Environmental Engineering

Vol.16　No.5

Sep.　2009

3收稿日期:2009205231　　修回日期:2009207204

作者简介:刘坡拉(19—),男,高级工程师,主要从事铁路工程地质及水文地质勘察工作。E2mail:dlclpl@163.com理论导出的各种解析公式等;此后随着地下水非稳定渗流理论和计算机数值模拟技术的发展,基于泰斯非稳定井流理论导出的涌水量计算公式以及基于多孔介质层流运动理论的地下水数值模拟技术也相继被运用到隧道涌水量的预测中[1,2];此外也有一部分学者将非线性、模糊数学等理论运用于隧道涌水量预测中,这些新技术、新方法对于提高复杂边界条件下非均匀孔隙、裂隙介质非稳定流隧道涌水量预测的精度起到了十分重要的作用,但方法本身并没有解决高度非均质岩溶管道流的层流-紊流复合的问题。

1.2　面临的困难

由于岩溶地区地下水的赋存条件复杂、运移方式多样,岩溶隧道涌水量难以预测。尤其是我国南方岩溶地区,岩溶强烈发育,岩溶含水介质以及岩溶地下水在空间和时间上分布极不均匀、空间展布极为复杂,岩溶发育的形态、规模、连通性等差异较大,因此不同的岩溶隧道或同一岩溶隧道的不同地段,其涌水量和涌水特征往往存在极大的差异,即岩溶隧道涌水的时空分布特点以及岩溶隧道的特殊性和复杂性决定了其涌水量预测的难度极大,它既不同于松散孔隙含水层、均匀裂隙含水层以及北方岩溶裂隙含水层等均质含水层中涌水量的评价,也不同于有大量面上勘探资料、地下水试验资料以及长序列动态观测资料的矿山坑道涌水量的评价,再加上目前对高度非均质各向异性含水介质地下水运动理论的研究还不成熟、现有的勘探技术和手段还不足以准确查明岩溶含水介质的空间分布、相关水文地质概念模型与数学模型还不能够真实地刻画岩溶含水介质中地下水的复杂运动特征等因素,使得岩溶隧道涌水问题尽管提出了很久,但是目前仍停留在采用传统的水文地质比拟法、水均衡法或者借用适合均质各向同性孔隙、裂隙介质层流条件下的地下水渗流计算公式来近似解决复杂岩溶隧道的涌水量预测问题。此外,岩溶隧道的勘察工作通常呈线状展布,在隧道线上勘探程度较高,而对隧道线以外地区地下水系统的勘探程度却很低。

以上种种因素的共同影响,导致目前岩溶隧道涌水量预测的准确度仍不尽人意,预测值与实际误差很大,远无法满足工程实际的需求。

2　常用的隧道涌水量预测方法及适用条件分析

　　目前常用的隧道涌水量预测方法有:水文地质比拟法、水均衡法、水文地质解析法、水文地质数值法等。

2.1　水文地质比拟法

水文地质比拟法通常是利用已建隧道或坑道在施工过程中积累的涌水量观测资料,或者是利用同一隧道已经施工段的涌水量资料,通过对其水文地质条件的分析以及与拟建隧道水文地质条件相似性的分析对比,利用相似性原理推求拟建隧道的可能涌水量[3]。

水文地质比拟法预测隧道涌水量的精度主要取决于两条隧道之间或隧道已开挖段与未开挖段水文地质条件的一致性或相似程度。该方法的优点是计算简单,但是要取得比较准确的涌水量值就必须仔细对比分析两者水文地质条件的相似性及差异性。对于岩溶隧道而言,由于岩溶发育的特殊性与复杂性,决定了不同隧道之间或同一隧道的不同地段,其岩溶水文地质条件往往差异较大,要找到可以用于比拟的隧道相对比较困难。总的来说,该方法可宏观确定岩溶隧道涌水量的数量等级,但是要准确预报岩溶隧道涌水量还较困难,除非有比较好的可以用于对比的工程实例。

水文地质比拟法由于计算方便,所以一直受到工程界的青睐。但是该方法的应用前提(或者称应用条件)是水文地质条件的相似性,这就要求工作人员必须做好两方面的工作:一方面通过实际工程实例不断积累涌水量及涌水过程与水文地质条件、地表水以及大气降雨关系研究的经验,克服目前工程实际中常见的,当涌水量对施工影响不大时,一般既不观测也不报道,当涌水量对施工有重大影响时,则仅测最大涌水量,而忽视涌水过程及其与地表水、降雨的关系,忽视其水文地质条件研究的做法;另一方面在应用水文地质比拟法进行预测时,要把水文地质条件的分析对比放在首位,要详细论证岩溶隧道之间岩溶水文地质条件是否相似,这种论证实际需要进行大量仔细的调查、勘察和分析研究工作。只有认真做好了这两个方面的工作,才能有效地提高水文地质比拟法的适用性和预测精度。

2.2　水均衡法

水均衡法是目前岩溶隧道涌水量预测的一种主要方法,它是以质量守恒定律为理论基础,将隧道所在的水文地质单元作为一个均衡区,在地下水补给和排泄的动平衡发展过程中,假设在某一均衡时段内的补给量与排泄量之差等于含水层(组)中水体积的变化量,把隧道涌水量也作为一种排泄量考虑进去,则可通过建立水量均衡方程式求得隧道涌水量[4]。

水均衡法最大的优点是适合于任何不同水文地

021　　　　　　　　　　　　　　　　　安全与环境工程　　　　　　　　　　　　　　第16卷质条件的隧道涌水量计算,但运用该方法评价的涌水量的准确程度取决于各均衡项和均衡要素的确定。对于埋藏比较浅的隧道,即隧道涌水对天然地下水流场改变不大的情况下,利用一个水文年以上的天然地下水动态观测资料一般可以对隧道涌水量进行比较准确的预测;但是对于埋深较大的隧道其施工涌水会较大幅度地改变天然流场,此时该方法的运用要充分考虑隧道施工条件下各均衡项及均衡要素的变化,否则计算所得的涌水量偏差会很大。

水均衡法的理论基础严密、方法朴实,因此任何用其他方法计算得到的隧道涌水量都应该用水均衡法加以检验。在实际工程中,充分利用和挖掘长期的水文观测、短期的暴雨观测以及隧道已施工段的涌水量观测等资料中蕴涵的地下水系统的信息,可以提高对地下水系统结构的认识,更准确地确定水均衡方程中的各均衡项及均衡要素,从而提高涌水量预测的精度。

2.3　水文地质解析法

水文地质解析法是根据地下水动力学原理,运用数理分析的方法得到特定水文地质条件(包括特定的含水介质特征、特定的边界条件和特定的初始条件等)下地下水运动的解析公式,并将其运用于隧道涌水量的预测。水文地质解析法的最基本公式是裘布依稳定流公式(1875年)和泰斯非稳定流公式(1935年),根据这两大公式,人们结合隧道工程的特点,总结出了众多的隧道涌水量预测经验公式,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公式、吉林斯基公式、福希海默公式以及我国的一些其他经验公式等[5]。

目前,水文地质解析法在隧道涌水量预测中的应用十分广泛,在岩溶隧道涌水量预测中也经常被使用,但是效果并不十分理想,其主要原因是对其应用条件的认识不够:首先,并不是所有的水文地质条件下的地下水运动都有解析解的,只有少数特殊水文地质条件才有解析解;其次,上述所有涌水量预测的解析公式都有一个最基本的假定,即含水介质是均质各向同性的,地下水运动满足达西定律(即地下水流态为层流),因此上述方法对于松散的孔隙介质和均匀的裂隙介质相对比较适用,而我国南方的岩溶含水介质通常具有高度非均质各向异性的特点,且地下水运动常常既有层流也有紊流,一般不能满足上述基本条件;再次,隧道是线状工程,其沿线的勘探程度较高,而距离隧道一定距离以外的勘探程度很低,甚至没有勘探工作控制,无法获得隧道线以外的水文地质参数,在这种条件下运用上述解析方法获得的涌水量是不可靠的,必然造成预测值与实际误差较大。因此,对于岩溶隧道的涌水量预测,尤其是强烈岩溶化地层的涌水量准确预报,不能依赖上述解析公式,只有当通过岩溶水文地质调查和勘测后认为隧道区的岩溶相对不发育、含水介质主要为较均匀的裂隙-溶隙介质时,该方法才可以作为水均衡法的一种补充。

2.4　水文地质数值法

水文地质数值法是将复杂的地下水系统离散成很多个小单元,根据地下水渗流理论和水流连续性原理,建立每个单元的质量守恒方程,并将所有单元的水均衡方程联立形成一个方程组,然后运用计算机求解该方程组,获得每个单元地下水运动的状态要素,如地下水位、流速、流量等[6,7]。常见的水文地质数值法有:有限差分法、有限元法、边界元法等。

水文地质数值法的优点是能够灵活处理复杂的水文地质边界条件(包括复杂的边界形态特征和不同边界类型的水力学特征)、含水层的非均质性和各向异性以及地下水的非稳定流特征等,因此自20世纪80年代以来,随着计算机技术的迅猛发展,该方法已被广泛应用于水资源评价、矿山涌水量计算等领域,近年来在隧道涌水量预测中也有广泛应用。

隧道涌水量的水文地质数值法就是在水文地质调查研究基础上,根据水文地质条件,建立符合实际情况的水文地质概念模型,再根据概念模型建立相应的数学模型,运用数值离散分析的方法,把描述不同初始条件和边界条件下的非均质各向异性含水介质的地下水渗流微分方程的定解问题转化为一系列线性方程组的求解问题,并利用反演计算或其他方法得出水文地质参数,然后进行正演计算,在求出水头、水力梯度及水流速度的基础上,获得隧道各段的涌水量或涌水量的变化过程。

水文地质数值法与解析法的核心部分是相同的,都是源自于地下水渗流的微分方程,只是后者用数理分析的方法得到某些特定条件下的精确解,而前者是通过数值离散的方法得到近似解,当研究区的水文地质条件和水文地质参数都比较清楚和准确的情况下,由数值法得到的近似解的精度就很高,否则其随意性就很大。尤其是在一些勘探程度不高的地区,先要通过数值模拟反演来获得水文地质参数及其空间变化,然后再进行流场或水量预测评价,其模拟精度完全取决于模拟者对水文地质条件的认识程度,也就是说水文地质数值法从方法本身来说它的精度很高,但是实际运用中其精度与模拟者的认知程度、区域水文地质勘探精度(对模拟过程的约束

121

第5期　　　　　　刘坡拉:岩溶隧道涌水量预测方法及适宜性分析　　　　　　条件)密切相关。目前该方法在矿区地下坑道涌水

量预测中应用较多、也较理想,其根本原因是矿区的勘探程度一般较高,而且具有较长时间的地下水流场观测资料和一系列大型的抽放水试验资料,可以对模型进行较全面的识别。而隧道两侧及外围的勘探控制程度往往很低,因此其隧道涌水量预测的随意性较大。此外,目前绝大多数地下水数值模拟软件都是建立在地下水渗流原理的基础上,也就是说它与解析法并无根本区别,也无法解决岩溶管道含水介质既有层流又有紊流的特征,虽然最近对渗流-管流耦合模型的研究在理论上有所突破,但是这些理论要求已知岩溶管道的尺寸和空间展布,而目前岩溶隧道的水文地质勘察不可能达到该精度。可见,在岩溶隧道涌水量预测中,不宜采用水文地质数值法。

2.5　其他方法

近年来有不少学者从隧道涌水的随机性、非线性等特征出发[8],研究尝试了一些新的隧道涌水量预测理论与方法,如灰色理论[9]、模糊数学[10]、数量化理论[11]和多元回归、非线性理论[12]等,对隧道涌水量进行了预测,部分取得了较好的效果,但是多数研究仅停留在验证层面上,并没有实现真正意义上的预测,很多技术层面的具体运作仍带有人为因素,其预测精度还有待大量工程实践的检验。另外,由于我国南方岩溶发育最大的特点是小型、多样,不同岩溶水系统之间的差异很大,因此这些方法的普适性还值得商榷。

我国西南岩溶地区岩溶强烈发育,岩溶地下水管道化、河流化的特征十分明显,事实上,许多大型的隧道突水情况都与岩溶管道系统或地下暗河系统有关,这些大型的岩溶水系统中地表河水与地下暗河水的转换与联系十分密切,地下径流与地表的产汇流条件关系密切,地下径流通常具有类似地表河流的空间上分布高度不均匀性、流动状态多为紊流、时间上呈暴涨暴落等特点,据此笔者认为陆地水文学的流域水文模型方法对于提高我国西南岩溶强烈发育区隧道涌水量预测精度有着广泛的应用前景。关于这方面的理论与研究成果笔者将在后续的论文中进行专门的阐述。

综上所述,笔者认为:通过大量的工程实践,不断积累岩溶隧道涌水特征与水文地质条件的关系,是这些新理论、新方法走向实际应用的关键,在现阶段应该不断地探索这些新方法,但也不能完全依赖于这些方法的预测成果。3　结　论

(1)目前隧道涌水量的预测方法很多,但是不同的方法都有其相应的适用条件和各自的优缺点。

(2)近年来隧道涌水量预测中有轻视具体的岩溶水文地质条件研究,过多依赖数学模型、计算机技术的做法。事实上,无论是岩溶区还是非岩溶区,具体水文地质条件都是十分重要的,不但不能忽视,而且应该加倍重视,任何脱离了水文地质条件的数学模型和计算机方法都只能是数学或计算机游戏。

(3)虽然目前提出了许多新的方法,但效果如何还很少有人问津,这也是为什么虽然提出了许多方法,但仍然无法解决涌水量误差较大这一问题的原因之一。根据岩溶发育的特殊性和复杂性以及目前的勘探技术水平和铁路工程勘察的特点,笔者认为岩溶隧道的涌水量预测必须以水均衡法为核心,同时选择适合具体隧道岩溶水文地质条件和勘探程度的评价方法进行综合预测,不能一味追求方法的新颖而忽视方法的适用性,脱离具体的岩溶水文地质条件和勘察精度。

参考文献:

[1]朱大力,李秋枫.预测隧道涌水量的方法[J].工程勘察,2000,

(4):18-22.

[2]聂志宏,张弥,白李妍.用经验公式计算隧道用水量[J].铁道标

准设计,2000,20(6-7):48-49.

[3]黄卓广,黄钟焕,黄梅新.比拟法在矿区矿坑涌水量预测应用实

例[J].西部探矿工程.2006,(3):93-94.

[4]董兴文.矿井最大涌水量计算与参数确定[J].工程勘察,1995,

(4):24-28.

[5]蒙彦,雷明堂.岩溶区隧道涌水研究现状及建议[J].中国岩溶,

2003,22(4):287-292.

[6]黄涛,杨立中.渗流—应力—温度耦合下裂隙围岩隧道涌水量的

预测[J].西南交通大学学报,1999,34(5):554-559.

[7]毕焕军.裂隙岩体数值法预测计算特长隧道涌水量的应用研究

[J].铁道工程学报,2000,(1):59-62.

[8]郑黎明.隧道涌水灾害预测的随机性数学模型方法[J].西南交

通大学学报,1998,33(3):273-278.

[9]程学军,蔡美峰,李长洪.灰色—突变模型及其在声发射监测预

报中的应用[J].中国矿业,1997,6(2):37-39.

[10]吴慈生,白勤虎,王新元.基于模糊聚类分析的矿井突水预测及

危险性评价[J].中全科学学报,1995,5(增刊):78-83. [11]王玉振,王连国,周文安.用数量化理论建立矿井涌水危险性评

价模型[J].系统工程理论与实践,1996,(4):75-81.

[12]王延福,勒德武,曾艳京,等.岩溶矿井煤层底板突水系统的非线

性特征初步分析[J].中国岩溶,1998,17(4):331-341.

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