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下巖溶地下水系統(tǒng)隧道工程論文
1隧道工程條件下巖溶地下水系統(tǒng)變化特征
本文以上述影響因素為基礎(chǔ)對(duì)西南地區(qū)隧道工程條件下巖溶地下水系統(tǒng)的變化進(jìn)行特征分析。依據(jù)系統(tǒng)邊界的變化及隧道涌水匯水面積，將隧道工程下巖溶地下水系統(tǒng)的變化歸納為3種類型。隧道穿越巖溶類型(巖溶含水巖組的埋藏條件)、構(gòu)造特征、補(bǔ)給特征以及巖溶水徑流方式不同的巖溶地下水系統(tǒng)時(shí)，地下水系統(tǒng)邊界及隧道涌水匯水面積邊界的變化可大致歸于上述3種類型中的某一種。其中，Ⅰ類常見于裸露型巖溶區(qū)隧道穿越背斜構(gòu)造、向斜構(gòu)造及單斜構(gòu)造，裸露－覆蓋型巖溶區(qū)隧道穿越背斜構(gòu)造、向斜構(gòu)造，亦可見于裸露－埋藏型巖溶區(qū)隧道橫向穿越向斜構(gòu)造或隧道走向與巖層走向垂直穿越單斜構(gòu)造;Ⅱ類常見于裸露型巖溶區(qū)隧道穿越背斜構(gòu)造，亦可見于裸露－埋藏型巖溶區(qū)隧道走向與巖層走向平行穿越單斜構(gòu)造;Ⅲ類可見于裸露－覆蓋型或裸露－埋藏型巖溶區(qū)隧道縱向穿越背斜構(gòu)造、向斜構(gòu)造或隧道走向與巖層走向平行穿越單斜構(gòu)造。
2典型案例分析
研究區(qū)位于黑龍?zhí)丁俣蓴嗔岩詵|，滇池北東岸，緊鄰昆明市區(qū)。區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造以大凹子背斜為主，背斜走向北東—南西，核部為寒武系地層，兩翼產(chǎn)狀較平緩，依次為泥盆系、石炭系、二疊系地層。選擇研究區(qū)金汁河地下水系統(tǒng)(Ι)作為隧道工程巖溶地下水系統(tǒng)典例。本文假設(shè)3種隧道穿越方案，分別將不同隧道穿越方案影響下的巖溶地下水系統(tǒng)與天然巖溶地下水系統(tǒng)的特征進(jìn)行對(duì)比分析，并初步預(yù)測(cè)隧道涌水量及其涌水危險(xiǎn)性。
2.1天然巖溶地下水系統(tǒng)特征
金汁河地下水系統(tǒng)(Ι)位于研究區(qū)西北側(cè)，靠近昆明盆地邊緣。該系統(tǒng)北側(cè)以金汁河和盤龍江的地下水分水嶺為界，西側(cè)以第四系和基巖的接觸界線為界，東側(cè)和南側(cè)均以地下水分水嶺為界。金汁河地下水系統(tǒng)(Ι)可劃分為九龍灣地下水系統(tǒng)(Ι－1)、莊科地下水系統(tǒng)(Ι－2)和石頭山地下水系統(tǒng)(Ι－3)3個(gè)子系統(tǒng)。九龍灣地下水系統(tǒng)(Ι－1)位于金汁河地下水系統(tǒng)的北西側(cè)，大凹子背斜的北西翼，其北東側(cè)以金汁河和盤龍江的地下水分水嶺為界，南西側(cè)以第四系與基巖的接觸界線為界，北西側(cè)以地表分水嶺和可溶巖與非可溶巖的接觸界線為界，南東側(cè)以可溶巖與非可溶巖的接觸界線為界。主要的含水巖組為P1Y、C2w和D3z地層。系統(tǒng)內(nèi)可溶巖和非可溶巖呈單斜構(gòu)造互層狀出露，呈北東—南西向展布。莊科地下水系統(tǒng)(Ι－2)位于金汁河地下水系統(tǒng)的中部、大凹子背斜的北西翼，其北側(cè)、西側(cè)與東側(cè)以可溶巖與非可溶的接觸界線為界，巖層近南北向展布，主要的含水巖組為1l地層。石頭山地下水系統(tǒng)(Ι－3)位于九龍灣地下水系統(tǒng)與莊科地下水系統(tǒng)之間，以可溶巖與非可溶巖的接觸界線為界，主要的含水巖組為1l地層。
2.2隧道工程下巖溶地下水系統(tǒng)變化特征
2.2.1方案一隧道穿越P1y可溶巖地層，其走向與巖層走向近于平行。該區(qū)域地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，為單斜構(gòu)造，無斷裂發(fā)育。P1y碳酸鹽巖上覆P2β巖漿巖，巖層呈北東—南西走向，傾向北西。從天然巖溶地下水系統(tǒng)劃分來看，隧道屬于P2β巖漿巖地下水系統(tǒng);從剖面上看，因隧道的開挖，隧道成為Ι－1系統(tǒng)新的排泄點(diǎn)。隧道施工影響范圍內(nèi)，地下水循環(huán)發(fā)生改變。在隧道工程的影響下，將Ι－1系統(tǒng)北西側(cè)以滲透系數(shù)低于隧道所在位置天然圍巖的1/10的緩沖帶邊界為邊界進(jìn)行調(diào)整(圖2a)，隧道涌水匯水面積的勾畫可與天然巖溶地下水系統(tǒng)的劃分相同。
2.2.2方案二隧道平行于斷裂走向穿越1l可溶巖地層，斷層性質(zhì)為逆斷層，且導(dǎo)水。因斷層的錯(cuò)動(dòng)，使1l可溶巖地層再一次出露地表。D2h、2d地層相對(duì)隔水，被圈閉的1l地層形成一相對(duì)獨(dú)立的巖溶地下水系統(tǒng)(Ι－3)。從天然巖溶地下水系統(tǒng)劃分來看，隧道屬于Ι－3系統(tǒng);從剖面上看，隧道在開挖過程中，以隧道為中心形成新的勢(shì)匯，同時(shí)襲奪Ι－2系統(tǒng)與Ι－3系統(tǒng)的水量，系統(tǒng)內(nèi)地下水的運(yùn)動(dòng)特征和補(bǔ)排關(guān)系發(fā)生改變。在隧道工程的影響下，應(yīng)調(diào)整天然巖溶地下水系統(tǒng)邊界，將Ι－2系統(tǒng)與Ι－3系統(tǒng)合并為一個(gè)完整的地下水循環(huán)體系，此時(shí)隧道涌水的匯水面積增大。
2.2.3方案三隧道走向與單斜地層走向近于垂直，且隧道穿越兩個(gè)相互平行的巖溶地下水系統(tǒng)(Ι－1，Ι－2);隧道在非可溶巖段施工時(shí)，及時(shí)襯砌止水。從隧道縱剖面上看，隧道在開挖過程中，成為系統(tǒng)新的排泄點(diǎn)。隧道施工破壞了原有的滲流場(chǎng)平衡，致使地下水的運(yùn)動(dòng)特征和補(bǔ)排關(guān)系發(fā)生改變。在隧道工程的影響下，將Ι－1系統(tǒng)和Ι－2系統(tǒng)北西側(cè)以隧道線路所在平面與非可溶巖層面相交線在平面上的投影為邊界進(jìn)行調(diào)整，隧道涌水匯水面積的勾畫可與天然巖溶地下水系統(tǒng)的劃分相同。
2.3隧道涌水量預(yù)測(cè)及危險(xiǎn)性分析
假設(shè)隧道涌水過程已經(jīng)與改變之后的巖溶地下水系統(tǒng)循環(huán)過程相平衡，采用基于水均衡原理的降雨入滲系數(shù)法初步預(yù)測(cè)計(jì)算隧道的涌水量。從表2中可以看出:隧道工程的施工使地下水系統(tǒng)的邊界發(fā)生了移動(dòng)，但隧道涌水匯水面積的勾畫，方案二改變，方案一和方案三與天然巖溶地下水系統(tǒng)的劃分相同。由此可知，方案一、方案三屬于隧道工程下巖溶地下水系統(tǒng)變化類型Ⅱ，方案二屬于隧道工程下巖溶地下水系統(tǒng)變化類型Ⅲ。方案二中，因匯水面積的增大，隧道總正常涌水量增加1813.61m3/d，雨季最大涌水量增加3627.22m3/d，單位長(zhǎng)度正常涌水量增加2.78m3/(dm)，單位長(zhǎng)度最大涌水量增加5.56m3/(dm)，隧道發(fā)生涌突水的危險(xiǎn)性顯著提高。
3討論
(1)地下河管道系統(tǒng)發(fā)育的地區(qū)，地下河是該區(qū)地下水主要的運(yùn)移通道，也是巖溶地下水系統(tǒng)主要的徑流、排泄通道。為了分析隧道與系統(tǒng)天然排泄點(diǎn)間的補(bǔ)、排關(guān)系，明確隧道施工對(duì)滲流場(chǎng)的擾動(dòng)范圍，本文將較短小的地下河管道視作“天然排泄點(diǎn)”。
(2)隧道施工造成開挖空間周圍應(yīng)力重新分布，致使圍巖發(fā)生變形與破壞。圍巖變形范圍內(nèi)應(yīng)存在某一點(diǎn)，該點(diǎn)處的滲透系數(shù)與隧道所在位置天然圍巖的滲透系數(shù)成某一比例，致使在該點(diǎn)向隧道內(nèi)與隧道外方向的巖層中，地下水流線變化明顯。實(shí)際工程應(yīng)用中，隧道開挖破壞地下水水流系統(tǒng)，形成的地下水分水嶺是難以確定的。因此，可以依據(jù)隧道圍巖的變形范圍來考慮一個(gè)緩沖帶，以該緩沖帶的邊界作為隧道工程下巖溶地下水系統(tǒng)的劃分邊界。
(3)隧道工程引起大范圍地下水系統(tǒng)邊界的變化是一個(gè)長(zhǎng)期的過程。隧道涌水量的計(jì)算需要在隧道涌水過程已經(jīng)與地下水循環(huán)動(dòng)態(tài)平衡的前提下進(jìn)行。
(4)本文僅對(duì)巖溶類型(巖溶含水巖組的埋藏條件)、構(gòu)造特征、補(bǔ)給特征、巖溶水徑流方式與隧道工程特點(diǎn)相組合的簡(jiǎn)單模式進(jìn)行系統(tǒng)變化特征的歸納。而對(duì)于考慮復(fù)合構(gòu)造、強(qiáng)徑流帶特征、排泄特征、隧道施工方法等的復(fù)雜情況，還需要進(jìn)一步深入探討。
4結(jié)論
本文提出隧道工程下影響巖溶地下水系統(tǒng)特征的主要因素:隧道走向與巖層走向的關(guān)系、隧道埋深與系統(tǒng)天然排泄點(diǎn)高程的關(guān)系和隧道與重要構(gòu)造的空間關(guān)系。根據(jù)系統(tǒng)邊界的變化與隧道涌水匯水面積的勾畫，隧道工程下巖溶地下水系統(tǒng)的變化可歸納為3種類型。隧道穿越巖溶類型、構(gòu)造特征、補(bǔ)給特征以及巖溶水徑流方式不同的巖溶地下水系統(tǒng)時(shí)，地下水系統(tǒng)邊界及隧道涌水匯水面積邊界的變化可大致歸于上述3種類型中的某一種。由典例分析可知，巖溶地下水系統(tǒng)邊界的劃分將對(duì)隧道涌水量的預(yù)測(cè)及危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)產(chǎn)生一定的影響。本文依據(jù)西南地區(qū)巖溶地下水系統(tǒng)主要特征及隧道工程特點(diǎn)，歸納總結(jié)隧道工程條件下巖溶地下水系統(tǒng)的變化特征，以期為巖溶隧道地質(zhì)災(zāi)害的正確評(píng)價(jià)與防治提供一定的參考作用。
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