山岭地区隧道涌水量预测计算方法的应用分析

2011 年 12 月 第 12 期(总 159) 铁 道 工 程 学 报 JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETY Dec 2012 NO． 12(Ser． 159)  收稿日期:2011 － 10 － 13 作者简介:毛建安，1963 年出生，男，高级工程师，现任西安铁一院工程咨询监理有限责任公司副总工程师。 文章编号:1006 － 2106(2011)12 － 0074 － 06 山岭地区隧道涌水量预测计算 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的应用分析  毛建安  (西安铁一院工程咨询监理有限责任公司， 西安 710065) 摘要:研究目的:山岭地区隧道基岩裂隙水的涌水量计算，至今仍是一项需要不断深入研究的课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。传统的地 下水动力学法，与实践中应用的地下径流模数法、水文学法、降水入渗法均经过模型概化，或以均质介质进行 解析，显然存在一定的缺陷。 研究结论:为使涌水量的预测计算更趋于实际、合理与科学。结合工程实践认为，在考虑到裂隙的折减、 边界条件等的不对称性时，稳定流宜采用分部叠加法计算，非稳定流宜选择符合实际的渗透系数和含水层厚 度进行计算;地下径流模数法应以分析地貌、构造条件为基础，利用有效汇水面积预测涌水量;水文学法具有 宏观估算作用，不宜用于定量评价;条件具备时，应建立数值模型计算方法，尤其是三维流的数值模型计算。 关键词:山岭隧道;涌水量计算;应用分析 中图分类号:U452． 1 + 1 文献标识码:A Applicable Analysis of Calculation Method for Prediction of Water Bursting Volume of Mountain Tunnel MAO Jian － an (China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd，Xi＇an，Shanxi 710065，China) Abstract:Research purposes:The calculation of water bursting volume from the fissure of the foundation rock of mountain tunnel is a matter to be further studied． The traditional underground water dynamic method，underground runoff simulation method，hydrology method and precipitation method have some defects because of the model generalization or homogenized medium resolution． Research conclusions:In order to make the prediction of water bursting volume more closed to the real situation，more reasonable and more scientific，on consideration of the strength reduction factor of the fissure and the asymmetry of the boundary condition，the calculation should be made for the steady flow with the parcel superposition method，the calculation should be made for the non － steady flow with the osmotic coefficient that conforms to the real situation and thickness of the water － bearing stratum，the water bursting volume should be predicted by using the effective catchment area when the underground runoff method is used on the base of the analysis the topographic and structural conditions， and the hydrology method has macro estimate role，so it is unsuitable to be used for the quantitative evaluation． When the condition is allowable，the numerical model should be established for calculation，especially to establish the 3D flow numerical model． Key words:mountain tunnel;calculation of water bursting volume;applicable analysis 工程实践证明，山岭地区隧道基岩裂隙水的涌水 量计算，至今仍是一项需要不断深入研究的课题。因 为，基岩裂隙水具有非均质、各项异性和三维流的特 征。所以，反映基岩裂隙水特性的水文地质计算方法， 显然需要很多水文地质参数，而且，这些参数是不能以 简单方法求得的。 工程设计有时急需水文地质参数数据，但受工期 紧，勘探试验量小的制约，又不具备大量采集水文地质 数据的条件。所以，必须寻求简单易行而又科学、符合 实际的涌水量计算方法。为使简易的计算数据趋于准 确，应结合水文地质条件综合选取设计所需数据，采用 多种方法互相参照、互相印证，使之涌水量的预测计算 更趋于实际、合理。据此，必须对涌水量预测计算采用 的公式解析方法的应用条件，以及存在的局部缺陷进 行深入的分析和修正。 1 涌水量预测常用的水文地质计算方法 常用的隧道涌水量预测水文地质计算方法有 4种。 1． 1 地下水动力学法 该法是一种常规的、传统的水文地质计算方法。分 为稳定流计算———主要预测隧道稳定涌水量;非稳定流 计算———预测隧道的瞬时涌水量，即突然涌水预测。 1． 1． 1 稳定流计算 采用公式为:Q = KL H2 － h2 R － r + π(H － h) ln 4R[ ]W (1) 式中 Q———隧道稳定涌水量(m3 /d) ; K———由隧道地段钻孔抽水试验取得的渗透系 数(m/d) ; L———隧道长度(m) ; H———含水层厚度(m) ; h———隧道内排水侧沟水深(m) ; R———隧道涌水影响半径(m) ; W———隧道断面宽度(m) ; r———r =W /2。 稳定流计算图如图 1 所示。 图 1 稳定流计算图 1． 1． 2 非稳定流计算 1． 1． 2． 1 初始瞬时涌水量 q = 2πmKh2 ln［tan π(2h2 － r0) 4hc cot πr0 4hc ］ (2) 式中 q———t = 0 时的隧道涌水量(m3 /d) ; K———含水岩体段渗透系数(m/d) ; hc———含水岩体段厚度(m) ; r0———以隧道断面换算成等价圆的半径(m) ; h2———h2 = hc － r0; m———系数，一般取 0． 86。 非稳定流计算图如图 2 所示。 图 2 非稳定流计算图 1． 1． 2． 2 随时间变化的递减涌水量 qt = q － ε — K3·r20 μ·W·q ·t (3) 式中 qt———随时间 t 变化单位长度的递减涌水量 ［m3 /(s·m) ］; q———t = 0 时的隧道初始涌水量(m3 /d) ; ε————常数; K———含水岩体渗透系数(m/d) ; r0———以隧道断面换算成等价圆的半径(m) ; μ———含水岩体给水度，其值为: μ = ε—Q /V; 其中 V———降落漏斗的体积; Q———隧道涌水量(m3 /d) ; W———隧道断面宽度(m) ; t———时间(s)。 qt 随着时间的延续，涌水量最终应趋近于隧道的 稳定涌水量。 1． 2 地下径流模数法 地下径流模数是指单位时间内单位流域面积上的 地下水流量值。必须在枯水时期内，地下水无降水入 渗，无地表水补给的情况下，测量流域内的地表径流 量。认为此时地表径流的来源只能是地下水溢出补 给。 57第 12 期 毛建安:山岭地区隧道涌水量预测计算方法的应用分析 M = Q枯 /F (4) 式中 M———测区某沟溪流域的地下径流模数［m3 / (d·km2) ］; Q枯———测区某沟溪流域枯水期的地表径流 (m3 /d) ; F———测区某沟溪流域地表水汇水面积 (km2)。 该法简便易行，实用价值较高。弥补了因钻孔数 量有限，抽水试验参数不能满足地下水向隧道涌水预 测计算方法的应用缺陷。 1． 3 水文学法 实际上属于地下径流模数法的一种类型。该法需 要测出勘测区内地表水多年平均径流深度、同一区域 的降水量、蒸发量及地表流域面积，按式(5)计算。 Q = 2． 74hA (5) h =W － H － E (6) 式中 Q———隧道涌水量(m3 /d) ; h———地下径流深度(mm) ; A———隧道所经流域的面积(km2) ; W———所测流域多年平均降水量(mm) ; H———所测流域沟峪多年平均地表径流深度 (mm) ; E———所测区域多年平均蒸发量(mm)。 1． 4 降水入渗法 降水入渗法是只考虑大气降水入渗来评价一个区 域的地下水量的计算方法。计算比较简单，参数也较 少。 Q = 2． 74α·W·A (7) 式中 Q———大气降水入渗补给量(m3 /d) ; α———入渗系数(可从区域资料中查出) ; W———多年平均降水量(mm) ; A———隧道所经流域面积(km2)。 应用该法可以进行区域性地下水储量评价和与其 它计算方法的印证。 2 水文地质计算方法的应用分析 上述 4 种方法都不是尽善尽美的，均存在着一定 的缺陷。为使计算更趋合理，必须对这些计算方法进 行应用条件的深入分析，加以补充完善，以满足工程 需要。 2． 1 地下水动力学法的应用分析 稳定流计算解析公式，是以渗渠计算理论为基础 推演出来的。其适用条件为均质岩层;它是经过模型 概化，经钻孔抽水试验取得 K 值。所以，代表了一定 深度和范围的渗透性，可以成为隧道稳定涌水量计算 的一种形式。但是，这种计算存在着一定的缺陷。 (1)以均质介质公式解析裂隙水的水文地质参 数，不可能达到准确的参数取量，只能是大致的参量计 算。公式本身也较粗糙。 (2)边界条件按经验取值(例如，R 取值 500 m 等) ，存在不合理性。因为，外边界在隧道地带有明显 的不对称性。 (3)公式解析不能反映基岩裂隙水的非均质各向 异性、静水压力的影响及裂隙向深部折减的特性。这 样，就使隧道下部入水边界过大。例如在采用 R =500 m 时，也影响到下部边界，使计算公式(1)中的后部分取 值过大。即:π(H － h)/ ln(4R /W)中，包含着 2πR 的 因素，这就可能造成隧道下部边界在 R = 500 m 时，达 到 3 km多的范围，显然是不合理的。 结合工程实际特征，在考虑到裂隙的折减、边界条 件的不对称性时，将公式解析加以改善时，会使计算更 为合理，亦更为科学。如图 3 所示，在 R1≠R2，裂隙在 隧道下的发育深度为 M0 时，隧道涌水量则由三部分 组成。 图 3 R1≠R2，隧道涌水量则由三部分组成计算图 Q = Q1 + Q2 + Q3 Q1 = K H21 － h 2 2(R1 － r) ; Q2 = K H22 － h 2 2(R2 － r) ; Q3 = πK(H3 － h) ln M0 πr + πR1R2 M0(R1 + R2( )) (8) H3 = H 2 1 － R1 R1 + R2 (H21 － H 2 2槡 ) (9) 式中 Q———隧道中单宽总涌水量; Q1、Q2、Q3———隧道两侧及底部的分部单宽涌 水量; K———由钻探抽水试验及综合测井，按水文地 质条件筛选、分析取得的渗透系数; H1、H2———隧道两侧地下水水头高度; R1、R2———隧道两侧地下水向隧道入渗的外边 界宽度; 67 铁 道 工 程 学 报 2011 年 12 月 h———当隧道内地下水位降低至排水侧沟顶面 时的深度; r———隧道断面半径(断面宽度 /2) ; M0———隧道下部透水裂隙发育的深度。 这种以各个方面隧道涌水量的迭加，计算隧道稳 定涌水量的方法，把原来的公式解析提高了一步，使其 趋于精细、合理，也较为科学。如果以整体的计算方法 解决隧道稳定涌水量的计算时，公式(1)也需要加以 修正才能使用，如图 4 所示，在隧道两侧地下水补给边 界对称、隧道四周均有地下水入渗时: Q = K H20 － h 2 w L α (10) α = 1 1 + hw L A ; A = 1． 17lg 1 sin π(r + Δh)2hcp ; hcp = H0 － hw 2 (11) 式中 Q———隧道单宽涌水量［m3 /(d·m) ］; K———由试验、测试分析筛选取得的渗透系数 (m/d) ; H0———地下水头高度(m) ; hw———隧道下部透水裂隙深度(m) ; L———隧道两侧地下水补给边界(m) ; α———系数，α ＜ 1; hcp———平均水位降(m) ; r———隧道断面宽度的一半; Δh———隧道内排水侧沟水深(m) ; A———从单侧排水沟涌水量计算推演的系数。 图 4 地下水动力学法应用分析图 非稳定流计算，对于隧道开挖产生突然涌水的计 算有重大意义。工程实践中，使用具有天然流量补给、 抽水边界无限的计算公式(2)解析瞬时涌水量，有很 大的应用价值。但是 K 值的选取，不能用单一的钻孔 试验参数，必须应用多个钻孔的测试参数及各种试验 方法取得的数据，通过水文地质条件的分析、归纳、筛 选出合理的 K值，才能使公式解析合理。hc 是反映含 水岩体的厚度的。对于裂隙岩体来说，不仅要考虑裂 隙发育的程度、深度，还应考虑裂隙发育深度的增减 性。因为，有水文地质意义的裂隙和裂隙发育深度，才 是合理的 hc 值。所以，钻孔试验不宜过少，其代表性 要强。 随时间变化递减的涌水量 qt，最终趋近于稳定涌 水量。但公式(3)则不可能达到这种结果。从公式 (3)可以看出，qt ～ t 曲线是直线关系，即随时间的延 续，qt 会达到零乃至负值，而并非是接近稳定流涌水量 的曲线，如图 5 所示。 图 5 涌水量曲线图 所以，在使用公式(3)时，应做进一步的修正。 2． 2 地下径流模数法的应用分析 地下径流模数法可以消除地下水动力学中 H、R、 K等参数取值不精确的影响。 以枯水期地表水量比拟地下水的溢出量的机制理 论是合理的、科学的。其计算公式(4)中，虽然参数很 少，但其来源是多次枯水期流量的测量统计的结果。 只要运用得当、量测地表径流量准确，地下径流模数值 也是准确的。因此，采用该法计算隧道涌水量，具有很 大的优势和实际应用价值，可以作为设计参量。 运用地下径流模数计算隧道涌水量时，必须对隧 道通过的各沟谷流域的水文地质条件和隧道埋深与附 近地表水之间的关系，进行细化分析研究。不能笼统 的进行分段计算，否则，会造成设计参量在某些地段的 偏差，如图 6 所示。在未考虑隧道埋深与附近地表水 位的关系时，会使埋深在河、沟地表水位以上的隧道涌 水量偏大;使埋深在河、沟地表水位以下的隧道涌水量 偏小。其次，M 值的计算，应当考虑所计算流域的地 貌条件和构造裂隙的发育程度并以此进行适当的折 减。否则，会出现陡峭的沟谷 M 值偏大;开阔的沟谷 M值偏小的误差。第三，根据上述情况，各沟谷的有 效汇水面积边界，应以当地的水文地质条件来确定;不 能简单地以地貌分水岭做为边界。另外，枯水期地表 水的径流量测量，应当是多点的、定位的多次测量，同 77第 12 期 毛建安:山岭地区隧道涌水量预测计算方法的应用分析 时，还需与当地的气象观测资料对比，最后选定枯水期 地表径流量数值。这样计算的 M值才会接近实际。 图 6 地下径流模数法应用分析图 在使用有效汇水面的同时，枯水期地表径流量 Q 可采用基流分割法选定地表径流量，如图 7 所示。这 样，地表径流量的测定可以不完全限定在各次枯水期 进行。 图 7 地下径流模数基流分割法应用分析图 2． 3 水文学法和降水入渗法的应用分析 从本质上说，这两种方法都是属于水文学计算的 范畴。其公式解析，都是经验公式。从公式(5)、(7) 中不难看出，计算中把大气降水作为地下水的唯一来 源。因此，计算是粗略的，可作为大面积的宏观评价地 下水接受补给量的估算;适用于普查、初测阶段的定性 分析。此外，该法要有多年的地表水、气象观测的资料 作保证，其系数的使用也是区域性的经验数据。因此， 在隧道涌水量定量评价中，这两种公式解析法，起不到 应有的作用。 3 结论 通过对上述涌水量预测计算方法的应用分析，得 出以下结论: (1)地下水动力学方法和地下径流模数法，在隧 道排水水文地质预测计算中，具有实际应用价值。两 种方法计算后应进行相互印证、对比。使用地下水动 力学法的稳定流计算隧道稳定涌水量时，应采用迭加 法进行计算。计算中，隧道断面宽度参数的取值，应采 用衬砌后的数值。用非稳定流计算突然涌水量，具有 一定的实际意义，隧道断面参数的使用应当是开挖过 程的断面数值。在预测计算随时间变化递减涌水量 qt 时，对计算公式要加以修正。 (2)对基岩裂隙水来说，构造节理裂隙发育深度、 密度对各种计算方法中计算参数的取值有很大影响， 是各种计算方法某些参数、系数选择或折减程度的确 定依据。同时，也是数值模型方法计算隧道涌水量的 基础。 (3)不论采用何种水文地质计算方法，水文地质 边界条件的确定，应当依据隧道通过地带的地貌、地质 构造、节理裂隙发育程度、隧道附近地表水径流的影响 程度等水文地质条件确定。绝不能不加以分析隧道工 程区域的水文地质条件，而根据经验选取隧道两侧影 响半径 R的宽度值，作为计算解析的边界。 (4)地下水径流模数法有明显的实际应用价值。 使用过程要严格、谨慎。应以分析地貌、构造条件为基 础，汇水面积参数的使用，要利用有效汇水面积。 (5)水文学法和降水入渗法所计算的隧道涌水 量，只具有宏观估算作用，不宜用于定量评价。 (6)为了使地下水动力学法的计算选择更确切， 必须以多孔试验、多种方法测试的参数为基础。所以， 勘察中隧道钻孔均需作综合测试，对测试程序要严格 规定。 (7)为满足复杂的脉状或网状基岩裂隙水的隧道 涌水量的预测，在深埋特长隧道通过的地带，应开展基 岩裂隙张量的量测、统计分析，建立数值模型计算方 法，尤其是三维流的数值模型计算。以反映非均质基 岩裂隙水的运移特征，这时参数 K值的三维变化为: K = Kxx Kxy Kxz Kyx Kyy Kyz Kzx Kzy K   zz 相应的水头梯度的三维变化为: ΔH = HX i  + H Y j  + H Z k  用这样一些参数组成一个描述非均质各向异性的 基岩裂隙水特征的二阶张量 v → = － K·ΔH 的点积模 型。同时，完善脉状或网状基岩裂隙水涌水量的数值 模型，以较准确地预测隧道涌水量，使隧道涌水量的预 测计算方法更趋于科学、合理。 参考文献: ［1］ 成都地质学院水文系水文地质教研室． 地下水动力学 ［M］．成都:成都地质学院水文系水文地质教研室，1980． 87 铁 道 工 程 学 报 2011 年 12 月 Chengdu College of Geology Department of Hydrology Department of Hydrogeology Compiled． Groundwater Dynamics［M］． Chengdu:Chengdu College of Geology Department of Hydrology Department of Hydrogeology Compiled，1980． ［2］ 毛建安．双封隔器压水试验新技术在秦岭隧道工程中的 应用［J］．水文地质工程地质，1996(3) :54 － 55． Mao Jianan． Double Packer Water Pressure Test New Technology in the Qinling Tunnel Engineering［J］． Hydrogeology and Engineering Geology，1996(3) :54 － 55． ［3］ 毛建安，等． 秦岭隧道涌水量的综合勘察与预测计算法 的综合应用［J］．铁道工程学报，1998(1) :91 － 98． Mao Jianan， etc． Qinling Tunnel Water Inflow Comprehensive Survey and Forecast Calculation of Integrated Applications ［J］． Journal of Railway Engineering Society，1998(1) :91 －98． ［4］ 贺鹏旭，毛建安．隧道裂隙含水围岩非均质各向异性渗透 张量应用分析［J］．西部探矿工程，2004(8) :104 － 105． He Pengxu， Mao Jianan． Tunnel Anisotropic Heterogeneous Fractured Rock Aquifer Permeability Tensor Application Analysis［J］． Western Exploration Engineering，2004(8) :104 －105． ［5］ TB 10049—2004，铁路工程水文地质勘察规程［S］． TB 10049—2004，Railway Hydrogeological Investigation of Order［M］． (编辑 吕 洁 檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨 ) (上接第 73 页) 构可以采用桥台基坑纵向放坡开挖来解决此问题;对 于明挖段长度比较短的洞门结构，桥台纵向基坑应采 用挖孔灌注桩防护的形式来解决此问题; (5)隧道挡翼墙式明洞门或单压式明洞门桥隧对 接时，在挡(翼)墙结构基础下设桩基 + 托梁结构型 式，并将挡墙结构设计成锚杆挡墙，能妥善解决基坑开 挖对洞门挡(翼)墙结构的影响。 参考文献: ［1］ TB 10002． 5—2005，铁路桥涵地基和基础设计 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ［S］． TB 10002． 5—2005，Code for Design on Subsoil and Foundation of Railway Bridge and Culvert［S］． ［2］ TB 10003—2005，铁路隧道设计规范［S］． TB 10003—2005，Code for Design on Tunnel of Railway ［S］． ［3］ TB 10621—2009，高速铁路设计规范(试行) ［S］． TB 10621—2009， Code for Design of High Speed Railway［S］． ［4］ TB 10025—2006，铁路路基支挡结构设计规范［S］． TB 10025—2006， Code for Design on Retaining Structures of Railway Subgrade［S］． ［5］ TZ 331—2009，铁路隧道防排水施工技术指南［S］． TZ 331—2009，Construction Code for Waterproffing and Drainage of Railway Tunnel［S］． ［6］ 王飞． 山区高速公路桥隧相连技术的研究与应用［J］． 交通 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化，2008(11) :1 － 4． Wang Fei． Research and Application of Link between Bridge and Tunnel of Highway in Mountainous Areas ［J］． Communications Standardization，2008(11) :1 － 4． ［7］ 叶茂． 铁路客运专线桥隧相连段桥式 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的选择［J］． 城市道桥与防洪，2010(5) :39 － 41． Ye Mao． Selection of Bridge Scheme in Bridge and Tunnel Connecting Section of Railway Passenger Transporting Special Line［J］． Urban Roads Bridges ＆ Flood Control，2010(5) :39 －41． ［8］ 陈列． 武广客运专线桥隧相连地段混凝土简支箱形梁施 工方案［J］． 铁道工程学报，2007(10) :40 － 43． Chen Lie． Design and Research on the Construction Scheme of Concrete Simply Supported Box Girder in Bridge － Tunnel Connection Section on Wuhan － Guangzhou Passenger Dedicated Line［J］． Journal of Railway Engineering Society，2007(10) :40 －43． (编辑 曹淑荣) 97第 12 期 毛建安:山岭地区隧道涌水量预测计算方法的应用分析