集水面积计算方法及隧道涌水量计算方法

摘要

本发明提供了一种集水面积计算方法及隧道涌水量计算方法，涉及地质勘测领域。该集水面积计算方法及隧道涌水量计算方法，通过确定隧址区的地质条件、地形地貌以及隧道在地质构造中所处的位置；再依据所述地质条件、地形地貌以及隧道在地质构造中所处的位置圈定集水面积；按照预设定的比例绘制集水面积图，最后依据绘制的集水面积图及所述预设定的比例计算出集水面积。该集水面积计算方法综合考虑了隧道与地质条件空间展布和地下汇水构造形态，从而较为精确的圈定集水面积，从而集水面积的测量结果更为接近于实际值，最终得出的隧道涌水量值更为精确。

说明书

技术领域

本发明涉及地质勘测领域，具体而言，涉及一种集水面积计算方法及隧道涌水量计算方法。

背景技术

在大力建设国家交通网络过程中，受地形条件约束，常通过修建隧道等方式来满足线路工程。我国隧道穿越山区地质条件复杂，隧道涌水事件屡见不鲜。目前，大气降雨入渗法(水均衡法)作为一种基础计算方法，在隧道涌水量预测中应用广泛，主要原因是大气降雨入渗法运用简单，预测的涌水量值较宏观，多用在可行性研究或初测阶段，加之山区地下水排泄量大致等于其补给量。因此，运用大气降雨入渗法预测隧道涌水量是较为科学的，并且依据大气降雨入渗法计算涌水量的关键在于集水面积的有效确定。

现有技术中的集水面积的圈定主要依据隧址区含水层裸露于地表的平面分布面积和地表分水岭圈闭区域来确定，而没有综合考虑隧道与地质条件空间展布和地下汇水构造形态，同时，由于隧址区地质条件的复杂性，集水面积的选取一直存在模糊性，从而导致遗漏计算部分集水面积，造成集水面积的测量结果不准确。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种集水面积计算方法及隧 道涌水量计算方法。

第一方面，本发明实施例提供了集水面积计算方法，所述集水面积计算方法包括：

确定隧址区的地质条件、地形地貌以及隧道在地质构造中所处的位置；

依据所述地质条件、地形地貌以及隧道在地质构造中所处的位置圈定集水面积；

按照预设定的比例绘制集水面积图，依据绘制的集水面积图及所述预设定的比例计算出集水面积。

第二方面，本发明实施例还提供了一种隧道涌水量计算方法，所述隧道涌水量计算方法包括：

确定隧址区的地质条件、地形地貌以及隧道在地质构造中所处的位置；

依据所述地质条件、地形地貌以及隧道在地质构造中所处的位置圈定集水面积；

按照预设定的比例绘制集水面积图，依据绘制的集水面积图及所述预设定的比例计算出集水面积；

依据降雨入渗系数、年降雨量以及集水面积计算出隧道涌水量。

与现有技术相比，本发明提供的集水面积计算方法及隧道涌水量计算方法，通过确定隧址区的地质条件、地形地貌以及隧道在地质构造中所处的位置；再依据所述地质条件、地形地貌以及隧道在地质构造中所处的位 置圈定集水面积；按照预设定的比例绘制集水面积图，最后依据绘制的集水面积图及所述预设定的比例计算出集水面积。该集水面积计算方法综合考虑了隧道与地质条件空间展布和地下汇水构造形态，从而较为精确的圈定集水面积，从而集水面积的测量结果更为接近于实际值，最终得出的隧道涌水量值更为精确。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种集水面积计算方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的地质条件为埋藏向斜式，且地形地貌为单峰双谷型的地质模型图；

图3为图2的平面示意图；

图4为本发明实施例提供的地质条件为埋藏背斜式，且地形地貌为双峰单谷型的地质模型图；

图5为图4的平面示意图；

图6为本发明实施例提供的地质条件为埋藏单斜式，且地形地貌为临河单谷型的地质模型图；

图7为图6的平面示意图；

图8为本发明实施例提供的地质条件为裸露单斜式，且地形地貌为双峰单谷型的地质模型图；

图9为图8的平面示意图。

图10为本发明实施例提供的一种涌水量计算方法的流程图。

其中，附图标记与部件名称之间的对应关系如下：含水层201，隔水层202，地表分水岭203，地下分水岭204，断层面205。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步 定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参图1，本发明实施例提供的一种集水面积计算方法，所述集水面积计算方法包括：

步骤S101：确定隧址区的地质条件、地形地貌以及隧道在地质构造中所处的位置。

具体地，本实施例中以4种地质条件作为举例说明。其中，上述4种地质条件分别为埋藏单斜式、埋藏背斜式、埋藏单斜式以及裸露单斜式。其中，该埋藏单斜式的地形地貌为单峰双谷型，隔水层202上覆于含水层201且含水层201裸露于地表负地形，槽谷切割含水层201；埋藏背斜式的地形地貌为双峰单谷型，隔水层202上覆于含水层201且含水层201裸露于地表负地形，横谷切穿隔水层202；埋藏单斜式的地形地貌为临河单谷型，且断层切穿隔水层202，隔水层202上覆于含水层201且含水层201裸露于地表负地形；裸露单斜式的地形地貌为只包括含水层201且含水层201裸露于地表。

步骤S102：依据所述地质条件、地形地貌以及隧道在地质构造中所处的位置圈定集水面积。

具体的集水面积的圈定方式可以为：

如图2所示，若所述地质条件为埋藏向斜式地质构造且含水层201出露地表形成地表负地形，并且山峰覆盖有隔水层202，该埋藏单斜式的地形地貌为单峰双谷型，且该隧址区包括有隧道f1、隧道f2以及隧道e。隧道f1平行穿过埋藏向斜式地质构造的含水层并且隧道f1位于两个负地形之间，同时隧道f1的海拔位于两地表负地形最低点之间时，如图3所示， 将所述集水面积圈定为地表分水岭203与出露含水层201边界间圈闭面积A1和隧道f1排水后形成的地下分水岭204与出露隔水层202边界间的圈闭面积A2之和。本实施例中，该埋藏向斜式地质构造的整体地下水位线形态与地形一致，汇水区(即负地形)与隧道f1形成局部分水岭，集水面积应以地下汇水区域面积为准，即为地表分水岭203与出露含水层201边界间圈闭面积A1与出露隔水层202边界间的圈闭面积A2之和。本实施例中，地表分水岭203是指山岭的最高点所连成的线段；地下分水岭204是指位于隧道的含水层201泄水后形成的含水层201的最高点连成的线段。

隧道f2平行穿过埋藏向斜式地质构造的含水层并且隧道f2位于两负地形之间，隧道f2的海拔低于地表负地形的最低点时，如图3所示，将所述集水面积圈定为两个地表分水岭203分别与出露含水层201边界间圈闭面积A1、A4和隧道f2排水后形成的两个地下分水岭204分别与出露隔水层202边界间的圈闭面积A2、A3的和。本实施例中，隧道f2穿越高程且低于两侧地表负地形，同时隧道f2位于地下汇水区，隧道f2涌水量来源于两汇水地形降雨入渗补给，因此集水面积为高、低汇水区域面积之和，即为两个地表分水岭203分别与出露含水层201边界间圈闭面积A1、A4和隧道f2排水后形成的两个地下分水岭204分别与出露隔水层202边界间的圈闭面积A2、A3的和。

隧道e1垂直穿过埋藏向斜式地质构造的地表分水岭203、地表负地形的含水层201且隧道e1的海拔低于地表负地形的最低点时，如图3所示，将所述集水面积圈定为两个地表分水岭203分别与出露含水层201边界间圈闭面积A1、A4和隧道e2排水后形成的两个地下分水岭204分别与出露隔水层202边界间的圈闭面积A2、A3的和。由于隧道e1穿越高程且低于相应两侧地表负地形，同时接受两汇水负地形降雨入渗补给，故集水面积 为f2相同，即为两个地表分水岭203分别与出露含水层201边界间圈闭面积A1、A4和隧道f2排水后形成的两个地下分水岭204分别与出露隔水层202边界间的圈闭面积A2、A3的和。

本实施例中，大气降雨通过两侧负地形入渗补给地下水，分别沿向斜面两翼向核部径流和局部分水岭向两侧径流，最终位于左侧的集水区的降水排泄至隧道f1中，位于右侧的集水区的降水排泄至隧道e1、隧道f2。

如图4所示，若所述地质条件为埋藏背斜式地质构造且含水层201出露地表形成地表负地形，并且山峰覆盖有隔水层202，地形地貌为双峰单谷型，且该隧址区包括有隧道f3、e2。隧道f3平行穿过埋藏背斜式地质构造的含水层201且隧道f3的海拔高于地表负地形的最低点时，如图5所示，将所述集水面积圈定为隧道f3排水后形成的两个地下分水岭204间圈闭面积。隧道f3泄水时，使得原始地下分水岭204向远离隧道f3的方向偏移，同时隧道f3另一侧形成临时分水岭并远离隧道f3，最终两侧地下分水岭204稳定，其间地下汇水区域面积则为f3类隧道集水面积。因此，当两地下分水岭204均位于两地表分水岭203之间时，则集水面积为B1；当两地下分水岭204位于两地表分水岭203以外时，则集水面积为B1、B2以及B3的和；当其中一个地下分水岭204位于两个地表分水岭203之间、另一个位于两个地表分水岭203之外时，集水面积为B1与B2的和；当地下分水岭204与地表分水岭203近似重合时，集水面积为B4、B5以及B6的和。

隧道e2垂直穿过埋藏背斜式地质构造的地表分水岭203、地表负地形的含水层201且隧道e2的海拔低于地表负地形的最低点时，如图5所示，将所述集水面积圈定为两个地表分水岭203分别与出露隔水层202边界间圈闭面积和地表分水岭203间出露含水层201圈闭面积的和。由于隧 道e2低于地表汇水地形，集水面积为B4、B5以及B6的和。

如图6所示，若所述地质条件为埋藏单斜式地质构造且含水层201出露地表形成地表负地形，地形地貌为临河单谷型，地表负地形的下方形成有断层面205。隧址区包括有隧道f4与f5。隧道f4平行穿过埋藏背斜式地质构造的含水层201且隧道f4的海拔低于地表负地形的最低点时，如图7所示，将所述集水面积圈定为两个地表分水岭203与出露隔水层202边界间圈闭面积和地表分水岭203间出露含水层201圈闭面积的和。由于隧道f3低于负地形和断层面205，地表汇水入渗后更易通过隧道f3排泄，形成涌水，因此汇水区域面积应为集水面积，即为两个地表分水岭203与出露隔水层202边界间圈闭面积C1、C3和地表分水岭203间出露含水层201圈闭面积C2的和。

隧道f5平行穿过埋藏背斜式地质构造的含水层201且隧道f5的海拔高于地表负地形的最低点时，如图7所示，将所述集水面积圈定为0。由于隧道f5高于地表汇水地形，隧道f5涌水主要来源于地下水径流上游区的补给而地表汇水区汇聚降雨、入渗形成地下水后直接顺岩层径流并排泄至河流，对f5隧道涌水贡献甚微，因此该地表汇水区域不应算作隧道f5的集水面积，即将所述集水面积圈定为0。

如图8所示，若所述地质条件为裸露单斜式地质构造且含水层201全部露出地表，地形地貌为双峰单谷型，隧址区包括有隧道f6与隧道e3。隧道f6与隧道e3穿过裸露单斜式地质构造的含水层201且隧道f6与隧道e3的海拔低于地表负地形的最低点时，如图9所示，将所述集水面积圈定为地表汇水区域面积D1。由隧道f6与隧道e3穿越含水层201，且均低于地表汇水区，隧道f6与隧道e3直接通过地表负地形接受大气降雨入渗补给，形成涌水，因此隧道f6与隧道e3集水面积为地表汇水区域面积 D1。

步骤S103：按照预设定的比例绘制集水面积图，依据绘制的集水面积图及所述预设定的比例计算出集水面积。

在将集体面积圈定后可按照一定的比较绘制集水面积图，通过绘制的集水面积图及所述预设定的比例即可计算出集水面积。

请参阅图10，本发明实施例还提供了一种隧道涌水量计算方法，需要说明的是，本实施例所提供的隧道涌水量计算方法，其部分基本原理及产生的技术效果和上述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的实施例中相应内容。所述隧道涌水量计算方法包括：

步骤S1001：确定隧址区的地质条件、地形地貌以及隧道在地质构造中所处的位置

步骤S1002：依据所述地质条件、地形地貌以及隧道在地质构造中所处的位置圈定集水面积。

步骤S1003：按照预设定的比例绘制集水面积图，依据绘制的集水面积图及所述预设定的比例计算出集水面积。

步骤S1004：依据降雨入渗系数、年降雨量以及集水面积计算出隧道涌水量。

本实施例中，步骤S804包括依据Q＝2.74α·w·A计算出隧道涌水量。其中，Q为隧道通过含水体地段的涌水量；α为降雨入渗系数；w为年降雨量；A为隧道通过含水体的集水面积。

综上，本发明提供的集水面积计算方法及隧道涌水量计算方法，通过确定隧址区的地质条件、地形地貌以及隧道在地质构造中所处的位置；再 依据所述地质条件、地形地貌以及隧道在地质构造中所处的位置圈定集水面积；按照预设定的比例绘制集水面积图，最后依据绘制的集水面积图及所述预设定的比例计算出集水面积。该集水面积计算方法综合考虑了隧道与地质条件空间展布和地下汇水构造形态，从而较为精确的圈定集水面积，从而集水面积的测量结果更为接近于实际值，最终得出的隧道涌水量值更为精确。

本实施例中，以一实际集水面积圈定为例以验证上述的集水面积计算方法计算出的集水面积的准确度。例如：隧址区地形上总体呈“两山一槽”的地貌形态，区内褶皱构造以背斜为主，走向北东-南西，核部为三叠系嘉陵江组灰岩，两翼由老到新依次为三叠系雷口坡组白云岩、灰岩、三叠系须家河组砂岩、侏罗系砂泥岩，其中雷口坡组与嘉陵江组地层为含水层，须家河组与侏罗系地层为隔水层，隧道斜穿背斜及槽谷，槽谷岩溶洼地发育，背斜南侧被河流切穿，地下水接受大气降雨入渗补给，由北东向南西径流，最终排泄至深切河流。隧道穿越含水层长度为2.5km，降雨入渗系数为0.2，年降雨量为1141.8mm，实际隧道涌水量为325000m3/d。

隧道集水面积的确定：该实例与上述的地质条件为埋藏背斜式地质构造且含水层出露地表形成地表负地形，地形地貌为双峰单谷型的地质条件与地形地貌类似。隧道穿越背斜后，成为隧址区的临时排泄边界，隧道涌水主要来源于地表汇水区域汇聚的大气降雨，入渗后由北东、南西侧向隧道排泄。虽然从地表看隧道穿越的汇水区域里分布隔水层，但是从空间上看平面隔水层区域中隧道穿越的是含水层，穿越含水层区域面积大于地表出露含水层区域的面积。因此，如果以传统方式将地表出露的含水层区域面积圈定为集水面积，为36km2；以本发明实施例提供的集水面积计算方法将整个隧道穿越含水层所对应的地表汇水区域(包括含水层与隔水层)圈定为集水面积，为50km2。将现有技术计算出的集体面积与本本发明实 施例提供的集水面积计算方法算出的集水面积带入算式Q＝2.74α·w·A计算相应涌水量，与实际涌水量对比。本发明实施例提供的隧道涌水量计算方法得出的集水面积相应涌水量结果为31285.32m3/d，现有技术的方法得出的集水面积相应涌水量结果为22525.4304m3/d。可以看出本隧道涌水量计算方法算出的涌水量值与实际涌水量值更加吻合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者 暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。