摘 要：论述了隧道涌水预测的基本原理与方法，并重点结合岩溶地区特殊的地质条件对有关方法进行了阐述。
关键词：岩溶 隧道涌水 涌水量预测
一、前言
在隧道建设施工中,涌水灾害是隧道建设中备受关注的问题之一。它不仅影响隧道建设的正常施工,且会波及到隧道建成后的安全运营。因此,如何较为准确地预测隧道涌水量的大小,为隧道施工制定合理的防排水措施提供依据,成为众多岩土工程学者日益关注的课题之一。
隧道涌水的预测首先是从定性研究开始的,最早的预测只是通过查明隧道含水围岩中地下水的分布及赋存规律,分析隧道开挖的水文地质及工程地质条件,依据物探、钻探、水化学及同位素分析、水温测定等手段,确定地下水的富集带或富集区以及断裂构造带、裂隙密集带等可能的地下水涌水通道,并且用均衡法估计隧道涌水量的大小。随着技术水平和施工要求的提高,基于定性分析的隧道涌水预测研究,发展成为隧道涌水的定量评价和计算,主要体现在隧道涌水位置的确定与涌水量预测两个方面。在隧道涌水位置的确定方面,人们通过隧道围岩水文地质及工程地质条件的定性分析,发展了随机数学方法和模糊数学方法。在涌水量预测方面,人们根据隧道环境地下水所处地质体的不同性质、水文地质条件的复杂程度、施工的方式及生产的要求等因素,提出了隧道涌水量计算的确定性数学模型和随机性数学模型两大类方法。
岩溶区隧道涌水研究必须要注重水文地质条件的研究, 因为每一种方法、公式的提出都是基于地质条件的研究基础之上的。岩溶区地质条件一向比较复杂, 从隧道施工期发生的比较严重的涌水事件来看,岩溶区易发生涌水地质条件可以分以下四类:⑴向斜盆地形成的储水构造；⑵断层破碎带、不整合面和侵入岩接触面；⑶岩溶管道、地下河；⑷其他含水构造、含水体。以上只从宏观上列举了一些可能发生严重涌水的地质条件, 这是远远不够的, 对隧道涌水条件应进行详细研究, 这是其他隧道涌水研究工作的基础,必须予以重视。[1]
二、岩溶区隧道涌水量预测方法
目前涌水量预测计算方法很多, 主要有以下几种:
1.近似方法
这种方法主要包括涌水量曲线方程(一般称Q－S曲线)外推法和水文地质比拟法2 种。预测时前者以勘探阶段抽(放) 水试验的成果为依据,后者则应用类似隧道水文地质资料来计算,但两者共同的应用前提是水文地质资料相似性,前者要求试验阶段与未来掘进阶段条件相似,后者则立足于勘探区与借以比拟的施工区条件一致,因此,属于近似的预测方法。
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。我们知道岩溶的发育具有不均一性, 要查明一个地区的岩溶发育情况往往是很难的, 所以建议此种方法在岩溶区少用, 或最好不用。
2.专业理论方法
专业理论方法较多, 也是目前国内外应用较多的方法。这些方法可归纳为: 地下水动力学法、水均衡法和其他方法。
（1）地下水动力学法
地下水动力学法又称解析法, 是根据地下水动力学原理用数学解析的方法对给定边界值和初值条件下的地下水运动建立解析式, 而达到预测隧道涌水量的目的。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,根据这两大理论,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,前苏联的科斯加可夫公式、吉林斯基公式、福希海默公式以及其它的一些经验公式等。[2-5]
地下水动力学法是比较常用的方法, 但在工程建设中往往受地形、人力、物力、经费等诸因素影响, 使预测精度受到限制。地下水动力学法在岩溶区的应用有很大的局限性, 使用时必须根据具体情况进行适当的修正, 一般情况下最好不用, 如非用不可, 建议应与其他方法结合使用。
（2）水均衡法[7]
水均衡法是根据水均衡原理, 查明隧道施工期水均衡各收入、支出部分之间的关系进而获得施工段的涌水量。水均衡法能给出任意条件下进入施工地段的总的“可能涌水量”而不能用来计算单独隧道的涌水量。当施工地段地下水的形成条件较简单时, 采用水均衡法有良好的效果, 如分水岭地段、小型自流盆地等。水均衡法的关键是均衡式的建立即均衡要素的测定。但是在解决这问题时遇到了一个困难, 就是天然条件下的水均衡关系在隧道的施工过程中常常遭受强烈的破坏, 如强烈的降压疏干使地下水运动的速度和水力坡降增大等等。水均衡法虽然有种种不足, 但它有一个最大的特点, 就是能在查明有保证的根本补给来源的情况下, 确定隧道的极限涌水量值。因此在补给源有限时, 它可以作为核对其他方法计算结果的一种补充性计算方法。
（3）其他方法
其他方法主要有地下径流模数法、降水入渗法、地下径流深度法和地球物理化学法。
3.数值法
数值法是随着电子计算机的出现而迅速发展起来的一种近似计算方法。用它来求解描述疏干流场的数学模型有两种途径, 即有限元法和有限差分法。前者对求解区域通常采用三角形单元剖分, 用变分原理或卡辽金法或最小位能原理求解描述疏干流场单元节点上的近似值。而后者则一般采用方格形剖分单元并用差分代替微分方程, 通过求解节点上的差分方程获得近似解。这两种方法中以有限元法应用得最为广泛。有限元法的数学基础是能量守恒原理和分割近似原理。所谓能量守恒原理就是用能量的观点来研究平衡问题。对疏干流场而言, 它的平衡问题取决于水量的收支和存储, 而平衡过程中能量转换规律则服从渗透定律, 它是建立疏干流场数学模型的基础。分割近似原理运用在隧道涌水量预测中就是将反映实际疏干流场渗透运动的光滑连续水头曲面用一个彼此衔接无缝且不重叠的有限三角形拼凑起来的连续但不光滑的折面来代替, 从而可使复杂的非线性问题简化为线性问题。
4.随机数学方法[2]
该方法主要是根据灰色理论、模糊数学、数量化理论和虚拟变量多元回归方法等随机数学方法, 选取涌水灾害的影响因素, 先进行关联度分析, 然后按涌水程度进行分类, 最后进行涌水量预测。
5.非线形理论方法
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形的系统,认为系统本身是一个不断与外界环境进行物资、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,而用线形理论或线形化理论来研究属于非线形系统的隧道涌水系统是与客观实际相悖的,因此提出用非线形理论来进行隧道涌水的预测。目前,非线形理论应用于隧道涌水预测的还相对较少,常见的有神经元网络专家系统、系统辨识法等。[6]
由上可见, 隧道涌水量预测计算方法很多, 目前较为常用的主要是专业理论方法, 但其预测精度远远不够, 究其原因主要是岩溶系统是一个复杂的开放系统, 是非线性的, 目前人们对岩溶系统认识还不是很完善, 因此涌水量预测必需采用多种方法结合,、多学科交叉的手段, 以提高预测精度。
三、结论与建议
本文论述了隧道涌水预测的基本原理与方法，并重点结合岩溶地区特殊的地质条件对有关方法进行了阐述。但是隧道的涌水是一个复杂的过程,对于这样的一个复杂过程,任何的数学模型或计算机方法都只能是对实际情况近似模拟。从能量转换角度考虑,总收入应该等于总支出,问题关键在于总收入有多少转化为隧道的总支出,要解决这个问题,我们必须研究转化的中间过程。而对中间转化过程研究第一步应该是进行详细的地质调查,借助地理信息系统等,找出区域地下水(岩溶等) 的宏观发育规律,然后对隧道内进行详细调查,运用蒙特卡洛模拟等方法,找出隧道围岩水微观分布规律(如溶洞、地下河、断层及构造破碎带分布规律等) ,从而为隧道涌水数学模型的建立创造基本条件,提高隧道涌水预测的精度。
参考文献
[1] 蒙彦，雷明堂．岩溶区隧道涌水研究现状及建议．中国岩溶．2003(12)．
[2] 郑黎明．隧道涌水灾害预测的随机性数学模型方法．西南交通大学学报．1998,33(3)．
[3] 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．西南交通大学学报．1999,34(5)．
[4] 聂志宏，张弥，白李妍．用经验公式计算隧道涌水量．铁道标准设计．2000．
[5] 朱大力，李秋枫．预测隧道涌水量的方法[J]．工程勘察．2000(4)．
[6] 徐则民，黄润秋，罗杏春．特长岩溶隧道涌水预测的系统辨识方法[J]．水文地质工程地质．2002(4)．
[7] 董兴文．矿井最大涌水量计算与参数确定[J]．工程勘察．1995(4)． |
