富水區(qū)隧道區(qū)域水流場動態(tài)分析及涌水量預(yù)測

蒲 實， 譚因軍， 張志強

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

山區(qū)地質(zhì)環(huán)境多變，隧道施工難度大、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險高，其中富水區(qū)隧道的安全問題尤為突出。富水區(qū)隧道施工中易產(chǎn)生突泥涌水等具有突發(fā)性災(zāi)害，造成施工人員傷亡、機具設(shè)備損毀、沖垮現(xiàn)有支護段和堵塞隧道重大事故。

Nastev等(2005年)建立了加拿大魁北克省蒙特利爾市西北地區(qū)地下水流模型，研究了區(qū)域地下水流特征，而且對地下水資源可開采量以及地下水動力學(xué)參數(shù)進行了定量評價。譚志豪等以在建中的曾文水庫引水隧道工程為例，結(jié)合隧址之地理、地層、地質(zhì)構(gòu)造及地下水文條件，并應(yīng)用MODFLOW建立水文地質(zhì)概念模式來評估隧道施工期間的可能涌水量。

本文結(jié)合都府隧址區(qū)域水文地質(zhì)及施工資料，采用Visual-Modeflow軟件建立水文地質(zhì)模型，通過研究隧址區(qū)完整的水文年穩(wěn)定流計算模擬，驗證模型的參數(shù)的正確性；模擬有無止水措施情況下隧址區(qū)域地下水的滲流場分布及變化規(guī)律，評估隧道運營后周邊區(qū)域的地下水環(huán)境恢復(fù)情況，預(yù)測臨近斷層區(qū)域時的涌水量并初步評判掌子面穩(wěn)定性。

1 Visual MODFLOW地下水模型

1.1 模型

地下水環(huán)境的模型是采用數(shù)學(xué)的方式描述自然水文地質(zhì)系統(tǒng)的基本屬性。在地下工程中，需要在建立研究區(qū)域水文地質(zhì)概念模型后，再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。水流場則是在代入初始條件、邊界條件以及地下水文荷載后，通過流動控制方程式予以求得。建立三維模型模擬地下水流如圖1所示。

圖1 模擬區(qū)域的三維模型

1.2 初始水位

根據(jù)鉆孔的地表高程和水位高程進行線性回歸分析。根據(jù)都府隧道隧址區(qū)域鉆孔資料分析能得到地表高程與地下水位高程關(guān)系見圖2。

圖2 地表高程與地下水位關(guān)系

從圖2可得地下水位高程與地表高程之間的關(guān)系式為：地下水位高程=0.9792地表高程+16.188。

可看出地下水位與地表高程的相關(guān)性系數(shù)為0.971 7，滿足計算需要，據(jù)此可計算研究區(qū)域內(nèi)地下水分布情況。

1.3 模型離散化

建立的模型尺寸的范圍X方向為3 308m，Y方向為1 400m，在平面部分共劃分150×200個單元，垂直向上劃分為31層，總計930 000個單元。模型底板取水平面，根據(jù)研究區(qū)域水文地質(zhì)縱橫斷面剖面圖、鉆孔資料將模型劃為相應(yīng)的層。根據(jù)降雨量、蒸發(fā)量、地表徑流、氣象條件等綜合判斷，把完整的水文年離散成12個應(yīng)力期，再將每個應(yīng)力期又細分為10個時間步。

1.4 模擬參數(shù)選取

等效多孔介質(zhì)理論是本文計算的基礎(chǔ)。將復(fù)雜的巖層及地質(zhì)構(gòu)造簡化為多個水文地質(zhì)單元，將地勘資料和試驗獲得各水文地質(zhì)單元的相關(guān)參數(shù)賦給相應(yīng)的水文地質(zhì)單元。綜合分析本地區(qū)的地形地貌特征、地表的植被覆蓋及地表土層的情況，得到表1反復(fù)試算的相關(guān)參數(shù)。

表1 工程區(qū)域內(nèi)各巖層透水物理參數(shù)

1.5 模型檢驗與參數(shù)識別

通過對物理模型進行校驗，以保證結(jié)果的可靠性。因為觀測資料的缺乏，只有將線性回歸得到的初始水頭賦予該物理模型，進行穩(wěn)定流計算，然后把穩(wěn)定流模擬得到的水頭作為物理模型的初始水頭。模擬結(jié)果見圖3。

圖3 穩(wěn)定流自然條件下地下水流場模擬平面(單位：m)

如表2所示，觀測井得到的水位模擬值與工程實際觀測值的對比；從中可得出，都府隧址區(qū)地下水位實際值與模擬值誤差較小，說明模型的邊界條件、參數(shù)賦值比較合理，可繼續(xù)用該模型對研究區(qū)域進行隧道開挖的研究。

表2 觀測點誤差統(tǒng)計表 m

2 區(qū)域地下水流場分析

2.1 無止水措施區(qū)域水流場分析

在無止水措施的條件下，采用非穩(wěn)定流模擬隧址區(qū)地下水流場分布規(guī)律。模擬計算結(jié)果見圖4與圖5。

圖4 隧道貫通后軸線總水頭等值線分布縱剖面(無止水措施，單位：m)

圖5 自然狀態(tài)總水頭等值線平面(單位：m)

由圖4、圖5可知無止水措施條件下隧道貫通后隧址區(qū)域的地下水滲流場發(fā)生了明顯的變化。由于山體開挖形成的臨空面，使隧址區(qū)域的地下水流動的方向發(fā)生了變化，原來向山峰兩側(cè)流動路徑改變?yōu)榛敬怪毕蛳铝鲃舆M入隧道內(nèi)部。由于隧道埋深較小，隧道的貫通對隧址區(qū)地下水流場的影響較大，對隧道半徑方向的影響范圍大約為500m，由此可見隧道開挖對隧址區(qū)域的水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了比較大的影響。隨著開挖時間的增加，隧址區(qū)地下水滲流場逐漸趨于穩(wěn)定，隧道開挖后300d地下水流場就基本不發(fā)生變化了。

2.2 有止水措施區(qū)域水流場分析

在有止水措施的條件下，采用非穩(wěn)定流模擬隧址區(qū)地下水流場分布規(guī)律。計算結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 隧道貫通后左幅軸線總水頭等值線分布縱剖面(有止水措施，單位：m)

圖7 左幅隧道貫通后軸線總水頭等值線分布平面(有止水措施，單位：m)

由圖6、圖7可知施加止水措施后，地下水不能自由流出山體，地下水水位也逐漸恢復(fù)到原來狀態(tài)。隧道開挖后30d，對地下水流場影響的范圍在隧道半徑方向大約150m；隧道開挖后150d，對地下水流場影響的范圍在隧道半徑方向大約50m。將在無止水措施條件下隧道貫通后軸線總水頭等值線剖面圖與非穩(wěn)定流自然狀態(tài)下隧道軸線總水頭等值線剖面圖進行對比，隧道施加止水措施后對整個地下水滲流場影響很小，逐漸恢復(fù)到自然條件下地下水流場狀態(tài)。

2.3 隧道施工涌水量預(yù)測

都府隧道涌水量預(yù)測主要參考《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》，并根據(jù)勘察和試驗取得的參數(shù)綜合分析確定。

(a)無止水措施

(b)加止水措施圖8 隧道正常涌水量(單位：m3/d)

由圖8可以看出，隧道開挖至YK12+350斷面時，隧道未加止水措施與加止水措施的涌水量預(yù)測結(jié)果分別為3 537.23m3/d和2 508.10m3/d。

表4 掌子面穩(wěn)定性識別判據(jù)

計算得到換算掌子面涌水量為116.12L/min，隧道開挖至YK12+350斷層時，掌子面可能發(fā)生坍塌。

3 結(jié)論

采用MODFLOW軟件，模型賦予水文地質(zhì)參數(shù)進行參數(shù)驗證和隧道開挖計算。最終得到的結(jié)論如下：

(1)在隧道未進行開挖時，地下水環(huán)境沒有受到擾動，隧址區(qū)的地下水滲流場基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)由于山體開挖形成的臨空面，使隧址區(qū)域的地下水流動的方向發(fā)生了變化，由原來基本向山峰兩側(cè)流動轉(zhuǎn)而基本垂直向下流入隧道內(nèi)部，然后排出隧道。對隧道半徑方向的影響范圍大約為500m。

(3)隧道施加止水措施后對整個地下水滲流場的影響減小，地下水流場逐漸恢復(fù)到自然條件下地下水流場的狀態(tài)的，所以隧道在開挖后，要及時止水，減小地下水的流失。

(4)需要對隧道穿越斷層破碎帶的過程進行進一步研究，探明掌子面失穩(wěn)破壞的過程，及配套對應(yīng)的掌子面穩(wěn)定技術(shù)，為順利穿越斷層提供保障。