滇东南特长隧洞涌突水预测研究——以滇中引水工程大坡子隧洞为例

摘要

涌突水危害历来是岩溶山区隧洞工程建设面临的重大挑战，历史上已发生多起岩溶隧洞大规模涌突水灾害，这些灾害造成了大量施工设备损坏和人员伤亡。因此，准确的涌突水预测则成为岩溶山区隧洞工程顺利进行的重要保证。本文研究对象为滇中引水工程的大坡子隧洞，全长19490m。这类特长隧洞工程涉及研究范围广，地形及地质构造条件复杂、穿越地质单元较多。且隧洞位于斜坡中、下部，岩溶发育强烈，不同地质单元内，隧洞与地下水位置关系不同，施工过程所面临的水文地质问题也存在区别。因此，对于特长隧洞按各段水文地质条件进行合理分析，选择合适的方法对其涌突水进行正确预测分析。
　　根据大坡子隧洞复杂岩溶发育特征及水文地质条件，提出研究区隧洞工程在穿越垂直入渗带和水平径流带时可能遭遇的水文地质问题。垂直入渗带主要问题为大气降雨造成的涌突水灾害;而水平径流带内含水层介质则分为穿越单一介质和复合介质两大类。此时，既要考虑隧洞开挖涌突水量预测，又要对渗流场的影响作出评价。本文采用数值模拟预测与解析法相结合进行研究得出如下研究成果:
　　(1)研究区地处云南高原山区，位于红河水系和南盘江水系的分水岭以北。该区地壳抬升作用强烈，沟谷向下切割较深。地形上呈西高东低、南高北低的总体趋势，主要为中低山岩溶侵蚀地貌。
　　(2)结合区域地表分水岭及主要河流，将研究区划分为两个水文地质单元:畔山-大田山水文地质单元、普雄-石榴坝暗河水文地质单元。畔山-大田山水文地质单元内岩溶水向北或北西向径流，地下水存在分层排泄的特点，地下水类型主要为裂隙-管道型;普雄-石榴坝暗河水文地质单元地下水主要为溶洞-管道型。
　　(3)大坡子隧洞穿越垂直入渗带的段落基本都位于普雄-石榴坝暗河水文地质单元。基于5万地形图和google earth遥感图，通过对该单元进行洼地统计，得出藤子寨一带属于洼地高密度区，独头山一带、万家庄-老云山一线为中等密度区，其余地区为低密度区。为大气降雨入渗法计算涌水量提供依据，大坡子隧洞垂直入渗带全段落最大涌水量为65294 m3/d，正常涌水量则为2457m3/d。第3段最大涌水量达到43680m3/d，其余均小于10000 m3/d。
　　(4)大坡子隧洞穿越水平径流带的段落均位于畔山-大田山水文地质单元。采用解析法与三维数值模拟对涌水量分别进行预测。对于复合介质中隧洞涌水量预测，数值模拟预测存在明显的优势，数值模拟考虑到隔水层的相对性，涌突水量也包括了玄武岩裂隙水对岩溶水的补给。数值模拟方案对于准确预测涌水量也十分关键，方案二更接近于实际施工流程，因此其得出的涌水量预测结果更为合理。边施工边封堵体现出了岩溶发育区或汇水条件好的区段袭夺其他段水量的这一特点。
　　(5)大坡子隧洞穿越水平径流带的段落施工开挖造成地下水位下降，以隧洞为轴线，形成了明显的降落漏斗。进口段影响半径最大，约为930m。马家山泉位于降落漏斗中心，该点地下水位降深为全段最大，达到90m。因此马家山极有可能由于隧洞开挖被疏干。此外，YH161+165～YH164+975施工对玄武岩裂隙水和岩溶水均有影响，但由于岩溶水位略高于隧洞，且玄武岩垂向补给较弱，故该段影响范围较为有限，半径约为400m。隧洞施工完成后，立即对隧洞做全面封堵。继续模拟封堵5年后渗流场恢复情况，地下水位基本恢复至施工前的状态，仅在马家山一带，由于其本身受到开挖影响最大，恢复则相对较慢。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 选题依据与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 滇东南岩溶地质特征

1．2．2 隧洞涌水量预测研究

1．2．3 地下水三维数值模拟研究

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 研究区地质背景条件

2．1 自然地理

2．1．1 地理位置

2．1．2 地形地貌

2．1．3 气象水文

2．2 地层岩性

2．4 地质构造

2．5 新构造运动

第3章 研究区岩溶发育特征及水文地质条件

3．1 可溶岩的分布与出露特征

3．2 岩溶发育类型及发育程度分级

3．2．1 岩溶类型

3．2．2 岩溶发育程度分级

3．3 地下水含水岩组划分及富水性

3．4 地下水补、径、排及动态特征

3．4．1 地下水的补给特征

3．4．2 地下水的径流特征

3．4．3 地下水的排泄特征

3．5 水文地质单元划分及其特征研究

3．5．1 畔山-大田山水文地质单元

3．5．2 普雄-石榴坝暗河水文地质单元

第4章 特长隧洞工程水文地质问题

4．1 隧洞工程概况

4．2 隧洞工程水文地质问题

4．2．1 隧洞穿越垂直入渗带水文地质问题

4．2．2 隧洞穿越水平径流带水文地质问题

第5章 垂直入渗带隧洞工程水文地质问题

5．1 岩溶发育特征

5．1．1 岩溶洼地密度分区

5．1．2 普雄-石榴坝暗河管道系统特征分析

5．2 隧洞涌水量预测

5．2．1 涌水量预测方法

5．2．2 涌水量预测结果

第6章 水平径流带隧洞工程水文地质问题

6．1 解析法预测隧洞涌水量

6．1．1 解析法方法简述

6．1．2 解析法涌水量预测结果

6．2 隧洞涌突水三维数值模拟

6．2．1 水文地质概化模型

6．2．2 模型的建立

6．2．3 模型校验

6．2．4 隧洞涌水量模拟预测

6．3 隧洞涌水量结果对比研究

6．4 隧洞工程施工对渗流场的影响评价

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果