（地质工程专业论文）大相岭隧道典型地段水文地质模型及其涌水量预测研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在隧道工程建设中，地下水是影响隧道施工安全、工程质量及工程结构稳 定的主要因素，也是隧道使用过程中的主要隐患。通常，隧道地区地质构造十 分复杂，在长大隧道工程建设过程中可能发生突水、岩爆、塌陷等地质灾害， 其中尤以涌突水最为普遍和严重。因此掌握隧址区含水围岩中地下水的分布和 赋存规律，建立水文地质模型，对隧道涌水位置和涌水量进行准确的定量评价 和计算，就显得尤为重要。 本论文针对大相岭隧道火山岩形成机理的特殊性，分析整理了各钻孔资料、 压水试验、水文地质等相关资料，通过研究地下水的补给、径流、排泄特征， 确定了地下水的含水介质特征及其断裂构造带、裂隙密集带等可能的地下水涌 水通道。掌握了研究区围岩中地下水赋存特征以及影响隧道涌突水的影响因素， 在此基础上，建立了研究区的水文地质模型。 通过对研究区水文地质条件的综合分析，把研究区划分为三个独立的水文 地质单元，对可能发生涌突水点位置进行了具体预测。运用f l a c 3 d 建立了研 究区的三维数学计算模型，对各水文地质单元及可能发生的涌突水断面进行了 涌水量预测，并和常规方法的预测结果进行对比分析，确保了预测结果的可靠 性。 关键词：水文地质模型；地下水；隧道涌水；数值模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第r i 页 _ _ _ - _ _ - i - l i _ i _ l i - - _ l l _ l i i i - _ i - l iii ii ii _ a b s t r a c t i nt h et u n n e lc o n s t r u c t i o n , g r o u n d w a t e ri st h em a i nf a c t o ri m p a c t i n gt h es a f e t y ， q u a l i t ya n de n g i n e e r i n gs 臼u c t l l r es t a b i l i t yo ft h et u n n e lc o n s t r u c t i o n , w h i c hi sa l s o t h em a i np o t e n t i a ld a n g e r g e n e r a l l y , i ti sv e r yc o m p l e xf o rt h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r eo ft h e r e g i o nt h a tt u n n e l sp a s st h r o u g h t h ed i s a s t e rs u c ha sw a t e ri n r u s h , r o c kb u r s ta n d c o l l a p s em a yo c c u rd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no ft h et u n n e lt h a th a sl o n gl e n g t ha n d l a r g ew o r k l o a da n dt h ew a t e ri n r u s hi st h ec o m m o na n ds e r i o u sp r o b l e m s oi ti s m o r ei m p o r t a n tf o ru st om a s t e rt h er u l eo ft h ed i s t r i b u t i o na n dr e s e r v eo f g r o u n d w a t e ri nt h et u n n e lz o n ea n dt oe s t a b l i s ht h eh y d r o g e o l o g i c a lm o d e lt h a tw e c a ne x a c t l ye v a l u a t et h ep l a c ea n dt h eq u a n t i t yo ft h ei n r u s h i nt h i sp a p e r b a s i n go nt h es p e c i f i c i t yo fv o l c a n i cr o c kf o r m a t i o nm e c h a n i s mo f t u n n e ld a x i a n g l i n g ，i ta n a l y z e dt h eb o r e h o l ed a t ac o l l a t i o n , w a t e r p r e s s u r et e s tp u m p ， h y d r o - g e o l o g i c a le v e no t h e rr e l e v a n ti n f o r m a t i o n i ta s c e r t a i n e dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ew a t e rb e a r i n gm e d i u ma n dt h ef a u l tz o n e ，触c t u r ez o n ee v e nt h ep o s s i b l e i n r u s hr o u t et h r o u g ht h es t u d yo f g r o u n d w a t e rr e c h a r g e ，r u n o f f , d i s c h a r g er e l a t i o n s a tl a s t , i te s t a b l i s h e dt h eh y d r o - g e o l o g i c a lm o d e la f t e rm a s t e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ew a t e rb e a r i n gm e d i u ma n dt h em a i nf a c t o r st h a te f f e c t e dt h et u n n e li n r u s h t h er e s e a r c ha r e ai sc l a s s i f i e di n t ot h r e es i n g l eh y d r o g e o l o g i c a lu n i t sa n dt h e p o t e n t i a li n r u s hp l a c eh a sb e e nf o r e c a s t e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec o m p r e h e n s i v e h y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s t h et h r e e d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e n e s t a b l i s h e di no r d e rt of o r e c a s tt h eq u a n t i t yo ft h ei n r u s ha n dt h eh y d r o g e o l o g i c a l u n i t sa n dt h er e s u l tu s i n gt h em o d e lc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so fc o n v e n t i o n a l m e t h o d si no r d e rt oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo fr e s u l t sw e g e t k e yw o r d s ：h y d r o g e o l o g i c a lm o d e l ；g r o u n d w a t e r ；t u n n e li n r u s h ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密凼，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) - 9 位论文作者签名： 日期：渺衫夕，i 切 虎亿 圣f 名” 鹤7 师 老 ： 导期 指日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位敝作者虢觎冉式 日期：v zj ，弓 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 选题的研究意义 在铁路、公路、水电、采矿工程的隧道工程建设中，地下水是影响隧道施 工安全、工程质量及工程结构稳定的主要因素，也是隧道使用过程中的主要隐 患。通常，隧道地区地质构造十分复杂，在长隧道工程建设过程中可能发生涌 突水、突泥、软岩大变形、岩爆、塌陷等地质灾害，其中尤以涌突水最为普遍 和严重。而要对隧道涌水的位置和涌水量进行准确的定量评价和计算，就必须 依据钻探、物探、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，掌握研 究区含水围岩中地下水的分布和赋存规律，建立水文地质模型。此外隧道工程 的建设还会引起地表水、地下水、岩土环境逐渐发生改变，并可能使该区域的 地下水系统产生永久性破坏，这就需要对隧道工程水文地质模型进行专门的研 究。 大相岭隧道地处四川盆地与青藏高原过渡的盆地边缘山区，位于大渡河与 青衣江两大水系的分水岭地带。隧址区地处四川盆地中亚热带季风湿润气候与 青藏高原大陆性干冷气候的交界地带，泥巴山是重要的气候分界线的天然屏障； 北部( 隧道雅安端、荥经一侧) 湿润多雨，南部( 隧道石棉端、汉源一侧) 气 候干燥，干湿季节分明。隧址区出露地层主要为各种成因的第四系覆盖层，元 古界震旦系下统流纹岩、安山岩、花岗岩段，震旦系、寒武系、奥陶系和二叠 系碎屑岩( 页岩、泥岩和砂岩等) 和碳酸盐岩( 灰岩、泥灰岩、白云岩等) 。隧 址区断裂、褶皱、构造破碎带、节理裂隙发育，各种构造相互交切、穿插、复 合、改造，致使区域内地质构造十分复杂，岩浆活动剧烈而频繁。隧址区常年 湿润，植被茂密，补给充足，但因区内地形陡峻，地下水交替循环快，径流、 排泄畅通，具就近补给就近排泄的特点，地表水大部分转化为地表水流走。隧 道洞身主要穿越火山岩( 流纹岩、安山岩) ，仅出口段有碎屑岩和碳酸盐岩，出 口地表覆盖厚度较大。 。 拟研究区岩性主要由火山岩构成，火山岩的岩石类型复杂，区域分布状况 不均衡，由于火山作用和火山岩形成机理的特殊性，火山岩储水层主要以孔隙 和裂隙为主，二者交织在一起形成复杂的结构空间。由于构造应力场的存在， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 形成与大规模断裂相伴生的构造裂隙，成为大相岭火山岩地下水的主要渗流通 道和储集空间。因此，大相岭隧道多个地段存在突( 涌) 水的可能。应该说， 火山岩地区水文地质结构与其他成因的岩石类型的水文地质结构有很大的不 同，分析研究火山岩裂隙性地下水储层规律是分析火山岩地区水文地质结构及 隧道高压突水问题难度最大的因素之一。由于火山岩喷发的旋回性和喷发时期 的不规律性，加之后期构造和溶蚀作用的改造，使火山岩的岩石类型复杂，裂 隙分布状况不均衡，火山岩地区水文地质结构的勘探及分析难度更大。因此火 山岩裂隙性地下水储层构造应该是当今水文地质研究的一个新领域，也是火山 岩地区对隧道涌突水预测的一个新挑战。 控制研究区构造为大相岭n w 向构造带，展布于区域中部，宽3 0 , - 一4 5 k m ， 延伸长近百公里，区域内断裂、褶皱及构造破碎带均有发育。区内地下水补给 丰富，水文地质条件复杂，多处存在涌水的可能。以往在隧道修建过程中，涌 水给隧道施工以及运营带来了极大的危害，因此针对大相岭隧道研究区的水文 地质条件，通过系统分析整理各类钻孔、水文等相关资料，通过研究地下水的 补给、径流、排泄特征，建立水文地质模型，并对研究区隧道涌突水进行预测 研究就尤为关键，此外对今后相关问题的研究也有着十分重要的理论意义和实 际意义。 1 2 国内外研究现状 1 、国内外对地下水运动特征研究 人类对地下水运动规律的认识经历了一个漫长的历史过程。在1 9 世纪以 前、还谈不上对地下水进行科学的定量计算。1 8 5 6 年，法国人达西根据水在砂 中的渗透试验，提出了水在孔隙介质中的层流线性渗透定律，即著名的达西定 律。这个定律是定量认识地下水运动的开始。1 8 6 3 年，裘布依( j d u p u i t ) 以 d a r c y 定律为基础，结合天然状态下含水层中地下水稳定运动的特征，推导出 了地下水单向和平面径向稳定流公式，奠定了地下水稳定运动的理论基础。裘 布依公式的出现，对当时水文地质计算理论的发展和生产实践起了推动作用， 直到今天仍有一定的实用价值。但稳定流理论仅仅是在特定条件下，地下水运 动经过较长时间所达到的一种平衡状态，它不包括时间这个变量，因而不能反 映不断发展、变化的地下水实际运动状态。 随着地下水开发利用规模的扩大，地下水运动状态随着时间不断变化，稳 定流理论在这方面是无能为力的，这就促进了非稳定流理论的产生和发展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 9 2 8 年，迈因策尔通过试验研究，说明承压含水层是可压缩的，且具有弹 性，并说明由于抽水，承压水头下降，含水层产生释水；1 9 3 1 年，温策尔根据 大量长期观测资料分析，解释了潜水含水层中发生非稳定运动过程与含水层被 疏干等有关。迈因策尔、温策尔在三十年代初就为承压水和潜水的非稳定运动 准备了比较丰富的实践基础；而热传导理论的发展又为非稳定流理论准备了数 学工具，这样为非稳定流理论出现打下了基础。 1 9 3 5 年，泰斯( c v t h e i s ) 在此基础上提出了地下水流向承压水井的非 稳定流公式。t h e i s 公式的出现开创了现代地下水运动理论的新纪元。 1 9 4 0 年雅各布( c e j a c o b ) 提出了承压含水层弹性释水理论。紧接着1 9 5 4 年，博尔领( n s b o u l t o n ) 提出了重力疏干给水理论，并发表了潜水非稳定流 第一公式。1 9 5 5 年，汉图什( n s h a n s t u s h ) 和雅各布提出了越流承压含 水层的越流理论，进一步发展了非稳定流理论。1 9 5 9 年，汉图什提出了定降深 非稳定流抽水公式。1 9 6 1 年，汉图什又提出了非完整井非稳定流抽水公式。1 9 6 3 年，博尔顿提出了滞后给水理论，并发表了潜水非稳定流第二公式，进一步改 进了潜水非稳定流理论。1 9 6 4 年，汉图什提出了考虑强透水层释放水的非稳定 流抽水公式。1 9 6 7 年，帕帕多布洛斯( i s p a p a d o b u l o s ) 首先提出了考虑抽水 井容量的非稳定流抽水公式。1 9 6 9 年，纽曼( s p n e u m a n ) 和威瑟斯庞提出 了双层承压含水层、越流含水层水流通用理论。1 9 7 2 年，纽曼提出了潜水含水 层的延滞反应理论；三年后，他又提出了潜水含水层的非稳定流理论。从而逐 渐形成了泰斯一博尔顿一汉图什一纽曼的非稳定流抽水试验的理论与方法。他 们的研究极大地丰富了地下水运动理论的内容。 我国对地下水的大规模研究是从上世纪5 0 年代开始的。1 9 5 8 年，张有龄 对稳( 定) 流与非定稳流抽水试验进行了理论分析，最早引入了非稳定流抽水试 验的理论。在此后的几十年里，我国水文地质工作者在地下水运动方面做了许 多工作，并在求解新方法上做了大量探索和研究。 2 、涌水量预测研究现状 在涌水量预测问题上，人们根据隧道环境地下水所处地质体的不同性质、 水文地质条件的不同复杂程度、施工的不同方式及生产的不同要求等因素，提 出了隧道涌水量预测计算的确定性数学模型和随机性数学模型两大类方法。 其中确定性数学模型方法包括水文地质类比法( 比拟法、径流模数法) 、水均衡 法、解析法和数值模拟法等。随着技术水平和施工要求的提高，基于定性分析 的隧道涌水量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 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 涌水位置的确定和涌水量预测两方面【2 j 。 国外已有许多学者根据地下水动力学中以1 8 7 5 年的裘布依公式为代表的 稳定流理论和以1 9 3 5 年的泰斯公式为代表的非稳定流理论，提出了许多隧道涌 水量预测的经验量化公式，比较常见的有：日本的左藤邦明公式、落合敏朗公 式；前苏联的科斯嘉可夫公式、吉林斯基公式、福希海默公式等【3 l 。1 9 3 7 年 m u s k a t 首次利用解析法解出了地下水流问题的一系列解析解，1 9 5 5 年由j a c o b 扩展了解析法的概念来处理从弱透水层越流补给入含水层的水量【4 l ；1 9 5 9 年 c a r s l a w 及j a e g e r 的著作中收编了大量用于热流的表达式子，这些方法可以在 大多数情况下直接应用于求解隧道涌水量【5 】。1 9 6 5 年斯托尔曼将数值方法引入 地下水文学，并提出了一种用对承压水进行数值分析以确定含水层渗透系数的 方法【6 j ；1 9 6 5 年k l u t e 等人用一种迭代数值方法已解非线性水流方程； l i a k o p o u l s 把隐式交替方向法用于同时通过孔隙介质的水和空气一维流问题， 并假定与流体压强和含水量相关的函数以及渗透系数和压强相关的函数是已经 确定的，使问题大大简化1 7 ；1 9 6 8 年鲁宾将迭代交替方向法用于水平入渗及渠 道渗漏研究中的非稳定状态不饱和水流；1 9 6 4 年f i e r i n g 首次利用数值法计算 地下水含水层对抽水的反应，采用了迭代隐式方法及从质量平衡推导出来的有 限差分近似方程组【8 】；1 9 6 5 年e s h e t t 及l o n f f e n b a u g h 采用高斯消去法来解一个 均质各向同性含水层中水流的基本二维非线性二阶偏微分方程的有限差分近似 解。该模型可以用来处理具有不透水侧向边界或者诸如河流式的定水头边界的 潜水含水层；1 9 6 7 年比廷杰等人简要地描述了数值模型的数学原理以及用来解 产生的代数方程的各种计算方式，并描述了可能遇到的各种边界条件；1 9 6 7 - 1 9 8 8 年间，l o u i s 、k n n e h k o 、n e u z a l 、w i t h e r s p o o n 、m o r e n o 先后提出了粗糙 面单裂隙中地下水渗流公式；1 9 8 2 年n o o r i s h a d 等对非连续节理岩体渗流与应 力耦合进行了分析，提出了以节理元为基础的有限元法【9 j 。1 9 8 4 年k i l l s a l l 等研 究了地下洞室开挖后围岩渗透系数的变化，提出了渗透系数与应力的关系；1 9 8 5 年m e i r i 基于地下水非稳定流理论，运用有限单元法，提出地下水自由流动的 计算模型1 1 0 1 ；1 9 8 5 年b a r t o n 对工程岩体地下水渗流场、应力场与温度场之间 的耦合作用进行了初步的探讨性研究，但只是针对工程岩体的稳定性和冻土地 区隧道涌水问题进行了个别应用研究i l l j ；1 9 8 6 年o d a 运用渗透率张量和应力张 量法，提出了岩体渗流场与应力场耦合分析的等效连续介质模型【1 2 】；1 9 9 5 年美 国h e u e r 根据钻孔水压力试验结果，运用半经验方法预测隧道涌水量【1 3 1 。 二十世纪8 0 年代初，我国出版了几本有关地下水流动问题数值方法的专 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 著，它们对推广数值方法在水文地质中的应用起到了积极的作用，在应用中发 展很快，但是主要采用一维或二维流( 平面流) 地下水运动原理【1 4 j 。 到了9 0 年代初期，一些水文地质学界专家和学者对地下水三维流原理和模 型作了一些初步的研究和探索，如长春科技大学宿青山教授在大庆市和哈尔滨 市小范围内应用地下水三维模拟和优化管理模型，并取得了良好的成效。目前 国内许多高校和科研单位，广泛开展了地下水三维流理论和应用的研究。 在国外，地下水流三维模拟和优化管理模型理论和三维有限差数值求解方 法发展迅速，在实际应用方面，也开发研制出功能强大的相应专业系统软件， 如管理系统软件。地下水管理软件( i 通m a x ) 包括：地下水三维模拟软 件( m o d f l o w ) 、模拟模块( s i m u l a t i o n ) 、预优化模块( p r e o p t i m i z a t i o n ) 、优化模块 ( o p t i m i z a t i o n ) 、分析模块( a n a l y s i s ) 五部分，可以根据研究区具体的水文地质特 征，确定模型区范围和剖分计算单元，选择利用m o d f l o w 软件系统中的软件包， 按照固定格式和要求输入数据文件。首先利用m o d f l o w 软件来进行模型识别和 验证，直到模型拟合较好后，再根据具体的管理方案来确定管理目标和约束条 件，输入相应的控制文件和参数，逐步运行r e m a x 软件四大模块，就会得到 满意的结果i l 引。 在国内也出现了一批学者致力与这方面的研究，1 9 9 5 年至1 9 9 9 年，许彦 卿先后提出了考虑温度场的岩体渗流场与应力场祸合分析的等效连续介质模 型、改进的等效连续介质模型、狭义和广义双重介质模型以及裂隙网络介质模 型【1 酬。1 9 9 9 年，黄涛、杨立中提出了渗流与应力耦合环境下以及渗流场、应力 场与温度场耦合环境下，裂隙围岩特长大埋深隧道涌水量预测计算的确定性数 学模型，并用一隧道实例进行计算验证【1 7 、18 】。2 0 0 0 年王媛等人对应力场渗流 场之间的耦合作用作了较为细致的研究工作1 1 9 】。由于岩溶隧道更易发生涌水灾 难，而成为山区隧道水文地质学研究的关注点。1 9 9 8 年，贾疏源等学者通过对 处于岩溶地区华蓥山隧道西口左洞的暴雨突水及有关区域水文地质资料的收集 与整理，探讨了暴雨涌突水系的形成演化，进而分析了该暴雨涌突水系活动的 特点，并预测了涌突水对隧道的影响【2 0 1 。2 0 0 1 年，王建秀等学者通过对典型岩 溶蓄水构造及其对地下工程施工运营的影响分析，给出了大型地下工程中岩溶 涌突水的典型模式，并对岩溶区大型地下工程防水工作的程式进行了初步探讨 【2 l 】。2 0 0 2 年，刘高等通过对岩溶山区深埋长大隧道涌突水条件及影响因素的分 析，指出各种破碎带( 特别是断裂破碎带) 更是隧道涌突水( 泥) 最常见的出现部 位，其涌水具有突发性和水量大的特征，整治难度大【2 2 】。2 0 0 4 年，徐则民等提 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 出了充水水源为地下暗河、充水通道为管状、板状及裂隙网络3 种条件下深埋 岩溶隧道涌水水头压力的近似计算公式【2 引。2 0 0 5 年，蒋忠信考虑了深埋岩溶隧 道水压力受地下水水头损失和地下水与衬砌接触面的双重影响，通过调整隧道 水头的折减系数，对隧道的水压力模式进行了分析【2 4 1 。2 0 0 5 年，白明洲等探讨 了岩溶形成条件的综合判识、水平钻探与地质雷达相结合而进行岩溶地区隧的 道突水突泥灾害超前预测预报的方法【2 5 | 。 在确定性模型中，为了能够求解，方程式中的变量不能考虑太多，常常人 为地把某些因素加以删减或简化。有时由于认识上的错误，还会把主要因素遗 漏掉，这必然会给确定性模型的应用带米一定的局限性。特别在一些研究程度 较低、地质、水文地质条件尚未全面了解的隧址区，要建立预报隧道涌水量确 定性模型非常困难1 2 6 1 。在这种情况下，可以运用概率统计方法来分析隧道涌水 量的影响因素，以区别主要影响因素与非主要影响因素，由此建立的随机模型 比勉强建立的确定性模型更切合实际情况。 1 9 6 1 年布鲁克斯( b r o o k s ) 和1 9 6 9 年辛( s i n g l y ) 推导出特定非线性问题的解 析解，c o o p e r 与r o r a b a u g h ( 1 9 6 3 ) 、g l o v e r ( 1 9 6 7 ) 、v e n e t i s ( 1 9 7 1 ) 、h a l l 与 m o e n c h ( 1 9 7 2 ) 通过对方程式的线性化求得随机模型的确定性解；1 9 6 9 年s i n g h 、 h o r b e r g e r 等在他们的著作中论述了几种非线性裘布依方程的数值解法。然而在 某些情况下，含水层性质的空间变化在含水层对各种输入的响应方面具有重要 影响。1 9 6 9 年布耶维奇等人( b u y e v i c h ) 分析了多孔介质中的渗流与随机变化的 孔隙度的关系问题；1 9 7 0 年埃里克逊和杰克逊等人将谱分析用于地下水水位、 降水量和温度等时间序列的定性解释方面。随机模型经过国内外学者近二三十 年的发展，取得了很大的成果。自从g e p b o x 和g m j e n k i n 于1 9 7 0 年写了 ( ( t i m es e r i e sa n a l y s i s ：f o r e c a s t i n ga n d c o n t r 0 1 ) ) 一书后，时间序列分析就逐渐应 用于电信、水电、气象、水文等系统，以后h i p e l 、m e l e o d 、s a l a 、a k i k e w 等 人对模型识别、参数估计、诊断检验等方面的研究进一步完善了时间序列分析 【2 7 】；由中国学者邓聚龙在1 9 8 2 年首创的灰色系统理论，在科学上有较大突破， 受到国内外许多权威学者的重视。灰色系统理论是指部分信息清楚、部分信息 不清楚的系统，相对于黑色和白色系统而言，它更加真实地更为广泛地反映了 自然和人类社会的现象，己在工程控制领域取得了可喜的成就。在水文地质界 内有人把灰色系统理论在隧道涌水量预报方面的应用作了一些尝试，并且取得 了令人满意的成果【2 8 、2 9 】；1 9 9 8 年，郑黎明根据灰色理论、数量化理论和虚拟 变量多元回归方法，提出了一套以隧道水文地质条件为变量，以涌水等级、涌 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 水量为预测指标的随机性数学模型方法【3 0 1 。2 0 0 2 年，李兴高、刘维宁、张昀青 等以大瑶山隧道涌水量的实测数据为基础，应用随机过程的理论和方法，建立 了隧道渗涌水量的平稳序列预测模型，并将预测值与实测结果进行了对比【3 。 2 0 0 4 年，刘丹、李启彬运用模糊聚类方法预测秦岭特长隧道( ) 线涌水量， 并提出了影响隧道涌水量的主要因素及其量化公式【3 2 1 。目前，国内外对隧道涌 水灾害主要侧重于确定性方法，随机性预测方法的研究相对较少。 综上所述，隧道涌水量的预测计算是水文地质学科中的一个重要的理论问 题，迄今为止尚无成熟的理论和公认的准确计算方法。由于隧道所处的特殊地 质环境、水文地质条件的高度复杂性及受深部勘探的经济技术、施工工期等因 素的限制，用传统的隧道涌水量预测预报方法预测的隧道涌水量与实际涌水量 的差异一直较大，预测的隧道涌水量与实际涌水量发生差异的主要原因是：传 统的隧道涌水量计算和预测方法多采用水均衡法、地下水动力学法( 解析法) 、 水文地质比拟法等方法，这些方法对客观地质和水文地质条件简化较多。 1 3 研究内容及拟解决的关键问题 本文主要通过野外调查、实测资料收集、理论分析和数值模拟等研究手段， 建立水文地质模型，并对大相岭隧道研究区涌水量进行预测研究。 2 研究主要内容及关键问题： ( 1 ) 控制地下水运动和赋存的主要因素分析； 影响地下水运动和赋存的主要因素有岩性特征、构造因素、地形地貌、隧 道埋深、水文气象等。 ( 2 ) 研究区岩体透水性及含水介质特征分析； 包括研究区水文地质单元划分，各钻孔资料压水试验分析、含水介质特征、 地下水水流系统等。 ( 3 ) 建立水文地质模型； 在收集已有资料的基础上，分析水文地质条件，建立水文地质模型，明确 水文地质特征及岩性、构造与地下水的关系。 ( 4 ) 在建立水文地质模型的基础上，运用f l a c 3 d 和常规方法对大相岭 隧道研究区涌水量进行对比预测研究。 1 4 研究思路及方法 根据野外调查，整理分析野外勘查资料、压水试验、钻孔资料，以及相关 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 的室内外试验，获得大相岭隧道典型地段水文地质条件、地下水特征和影响因 素，结合研究区域内地质条件及实测数据分析，划分水文地质单元，建立水文 地质模型，在此基础上，对大相岭隧道研究区涌水量运用常规方法和数值模拟 方法进行综合对比预测。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章大相岭隧道工程地质条件 2 1 大相岭隧道工程简介 大相岭隧道位于四川省雅安市荥经县和汉源县交界处的泥巴山高中山区， 是雅安石棉泸沽高速公路项目控制性工程之一。左线k 5 3 + 8 0 4 m - - k 6 3 + 7 5 0 m ，长9 9 4 6 m ，进口高程约为1 5 2 6 5 4 m ，出口高程为1 5 4 0 4 1 m ；右线 y k 5 3 + 7 7 3 m y k 6 3 + 7 8 0 m ，长1 0 0 0 7 m ，进口高程约为1 5 2 5 8 8 m ，出口高程约 为1 5 4 0 2 1 m 。隧道穿越的最大埋深约1 7 0 0 米，属于深埋特长越岭公路隧道。 拟建中隧道进口位于荥经县凤仪乡高桥河右岸斜坡，属荥经县凰仪乡，距荥经 县城约4 0 k m ；出口位于汉源县九襄镇双溪乡施查沟，距汉源县城约3 2 k m ，属 汉源县九襄镇，具体位置见图2 1 所示，大相岭隧道剖面图见图2 2 。 图2 1 大相岭隧道交通位置图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 2 自然地理条件 图2 - 2 大相岭隧道剖面图 22 1 地形地貌 本区位于四川盆地与青藏高原过渡的西南缘，地貌分区属于峨眉山中山区。 大相岭横亘于北段，受南北走向的康滇地轴和凉山褶皱带控制。总体走向北西， 岭脊呈s 型弯延起伏，山顶浑园，为大渡河与青衣江水系的分水岭。主要由中 生代红色砂泥岩、古生界、元古界的碎屑岩，碳酸盐岩及岩浆岩构成，高程 2 0 0 0 3 4 0 0 m ( 背后山海拔3 3 8 83 m ) ，山势雄伟，外运力以流水侵蚀作用为主， 同时伴有生物风化及寒冻风化( 高海拔地带) 作用。岭谷延伸较长，沟谷深切， 切割深度达2 1 0 0 m 。 南坡岭谷平行发育，谷与谷之间距离2 3 k m ，与构造线近于垂直，高程 2 0 0 0 m 以上沟谷呈v 型，沟谷陡直，谷底狭窄，沟床纵坡降大，谷坡陡峻，一 般 3 5 。，近谷底坡角可达6 0 一7 0 。谷坡多为残坡积、崩坡积物覆盖，基岩零 星出露，多成悬崖陡壁，谷坡植被茂密，2 0 0 0 m 以下，冰水堆积物发育，被沟 谷切割成独立的台地，沟谷形成宽阔的槽谷，冰水堆积物构成的谷坡近于直立， 高数十至近百米，谷底满布漂砾块石。 北坡沟谷发育方向与构造线垂直或平行，多形成树枝状水系，沟谷呈v 型， 谷坡一般 3 5 。，近谷底坡角一般 5 0 。，沟床纵坡降大，除沟谷交汇处谷底 较为宽阔外，沟谷一般狭窄，谷底满布漂砾块石，谷坡基岩零星出鳝，多成悬 崖峭壁，谷坡植被茂密。 研究区地形陡峭，多悬崖陡坡，沟谷发育，坡面物质移动强烈，崩塌、滑 坡、泥石流经常发生。 研究区地形起伏大，地面坡度陡，大气降水易成为地表迳流流走，不利于 地下水的补给，另外由于切割深，地面坡度陡，水力坡度相应较大，地下水循 环交替强烈，多为就地补给，就近排泄，补给地表水。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 对于潜水来说，地下水的汇水面积与地表水的汇水面积通常是一致的，由 于大相岭隧道研究区沟谷发育地形切割破碎，各沟谷的汇水面积相应减小，地 下水的补给量也就减少。 2 2 2 气象及水文 隧址区地处四川盆地中亚热带季风湿润气候与青藏高原大陆性干冷气候的 交界地带。泥巴山为天然的屏障，是一条重要的气候分界线。荥经一侧湿润多 雨，汉源一侧气候干燥，干湿季节分明。荥经一侧降雨量平均1 3 0 0 m m ，最大 1 7 6 0 m m ，最小9 2 8 m m ，雨季占降水量的8 3 ，相对湿度8 1 ；最高气温3 5 ，最低气温一5 ，年平均气温1 5 ，最大积雪厚度8 c m 。汉源一侧降雨量 平均7 4 2 m m ，最大9 2 0 m m ，最小5 4 5 m m ，雨季降水量占全年8 3 。相对湿度 6 7 。平均气温1 8 ，最高气温4 0 ，最低气温一3 3 ，积雪少量。 大相岭岭脊为隧址区地表分水岭。其北东属青衣江水系，其南西属大渡河 水系，隧址区东部木沟岩沟、高桥河属青衣江流域的荥河、经河上游支流；西 部施查沟、青林沟、狮子沟属大渡河水系流沙河支沟。沟内均长年有水，水量 较丰富，大多被地方用于梯级小水电开发。 隧址区大多属天然林保护区，泥巴山东西两坡植被发育存在一定差异，东 坡( 萦经侧) 森林茂密，以高大乔木为主，植被覆盖率8 0 - - 9 0 ；西坡( 汉源 侧) 森林较茂密，以灌木、杂草为主，植被覆盖率6 0 - 7 0 。 2 2 3 地震 地震活动是现今构造活动的重要标志。隧址区位于四川西部“y 字型构 造三岔口的南东部，三大断裂的现今活动性，导致断裂带沿线发生地震活动。 隧址区邻近鲜水河强震带南东段和安宁河地震带北段，北邻龙门山地震带，南 靠马边地震带。以上四个地震带是我国西部重要的强地震危险区，不同时期， 不同区段，不同强度的地震活动，对隧址区将会产生不同程度的影响。除此之 外，隧址区的九襄西、汉源附近及北侧的荥经附近曾发生过三次小于6 级的历 史地震，其震中烈度度。 根据四川省地震局工程地震研究所对大相岭隧道的地震危险性分析，隧址 区距鲜水河活动断裂带东南段约4 2 k m ，距安宁河活动断裂带北段约4 2 k m ，距 龙门山活动断裂带西南段约2 8 k m ，距荥经马边活动断裂带约1 9 k m 。隧址区处 于上述几条大活动断裂带之间的相对稳定的大相岭菱形地块内。 大相岭隧道的区域稳定性由所处的大相岭菱形地块的稳定性所决定，区域 最大应力受鲜水河( 磨西) 断裂带及大渡河断裂带的多次阻滞，强震活动主要 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 集中在西部高原磨西一带，包括菱形地块北部- - f g 山深大断裂控制构造带所受 的区域应力作用亦削弱，其次菱形地块东西边界断裂( 保新一凰仪断裂、金坪 断裂) 虽将- - f i g 山断裂斜切错开，其活动性较强，但就构造形迹表现和热释光 绝对年龄测试，主要活动期仍在中更新世晚期，而且远离西部磨西构造变形带， 并向南东撒开。菱形地块自身结构相对其西部地壳有较大的韧性蠕变，所以现 今活动性较差，历史强震亦无记载，仅属上述主要地震带的影响区，尤其隧址 区位于菱形地块的腹心地带，因此隧址区区域稳定性属次稳定基本稳定。 地震危险性概率分析结果是：5 0 年超过1 0 的地震烈度为度。隧址区地 震动峰值加速度为o 1 2 9 ，地震动反应谱特征周期为0 4 0 s 。 2 。3 工程地质特征 2 3 1 地层岩性 大相岭隧道通过地层主要为震旦系下统安山岩岩段、流纹岩段，震旦系上 统开建桥组，震旦系上统灯影组以及第四系地层。 表2 1 隧址区主要穿越的地层表 界系统 组 代号厚度( m ) 岩性简述 粘砂土、砂土、砂砾石、漂卵 全新统 q 4 o 一4 l 石、碎块石、碎块石土 新第 粘土、砂质粘土、砾卵石层、 生四 更 q 3 0 一 3 碎块石土 界系新 粉土、砂质粉土充填的砾卵石 统 q 1 2 0 一 1 0 0 层、泥砾层 兀灯影组 z b d n 7 6 8 8 9白云岩 古上 页岩夹白云岩、底为砂岩、 砾 观音崖组 z b g 1 0 2 2 界统岩 震 开建桥组z k 0 1 2 2砂岩、泥岩、砾岩 日 流纹岩段z a l 2 7 8 0流纹岩、凝灰岩、火山角砾岩 系安山岩、安山斑岩、安山质角 下 安山岩段 z a 4 1 8 5 4 砾岩、凝灰岩、集块岩 统 玄武岩、安山玄武岩、玄武质 玄武岩段z a 9 9 0 2 火山角砾岩等 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 界系统组代号 厚度( m )岩性简述 晋宁期 y2 花岗岩、闪长岩侵入体 研究区出露的岩石分主要为岩浆岩以及第四系全新统坡残积层和崩坡积 层，主要岩石特征分述如下： 1 玄武岩 呈暗灰绿色、暗灰紫色，斑状结构或无斑隐晶微粒结构，块状、杏仁状构 造，部分略显层状构造。其中微晶玄武岩和安山玄武岩柱状节理和层状节理较 发育，常显层面构造；斑状玄武岩和杏仁状玄武岩常构成巨厚韵律层，层面多 为隐性；多斑玄武岩一般出露于韵律玄武岩下部。安山玄武岩在下震旦统中呈 夹层出露，在s z k l 钻孔内揭露厚度3 8 5 5 m 。 2 安山岩 岩石为灰绿色、暗灰紫色，斑状结构、玻晶隐晶质结构，致密块状构造， 少数呈杏仁状、流纹状和层状构造。可发育柱状节理，部分显层面构造，是下 震旦统安山岩段的主体岩性，在流纹岩段中呈夹层出现。 3 流纹岩 岩石颜色多样，可呈肉红色、紫红色、砖红色、紫灰色等，蚀变后为浅灰 色，玻璃质玻基斑状结构，块状构造，部分具清楚的流纹构造，可见球粒状构 造。根据斑晶含量的多少可进一步分为流纹岩、斑流岩、英安岩。岩层可发育 柱状节理( 如图2 3 ) 、层节理和斜节理，部分层面构造明显。岩石坚硬，性较 脆，岩层一般完整。流纹岩在研究区大面积出露，在s z k l 、s z k 2 中均有揭露。 4 第四系地层 ( 1 ) 全新统坡残积层 碎石角砾质土：紫红、肉红、灰黄、灰色。稍湿饱和，松散稍密。粗 粒成分以强弱风化的流纹岩、花岗岩、安山岩为主。粒径 2 0 0 m m 约占 4 0 5 0 ，2 0 0 - - - 6 0 m m 约占2 0 - - 3 0 ，6 0 2 m m 占1 0 - - - 2 0 ，余者为砂及粉、 粘粒。颗粒多呈棱角状，分选性差，厚0 1 0 m ，主要分布于隧址区斜坡及分 水岭地段。 ( 2 ) 全新统崩坡积层 块石夹土：紫红、肉红、灰色。稍湿饱和，松散。粗粒成分以弱风化的 流纹岩及花岗岩为主。一般粒径 2 0 0 m m 约占4 0 5 5 ，2 0 0 - - 6 0 m m 约占2 0 - - 3 0 ，6 0 2 m m 占1 0 - - 2 0 ，余者为砂、粉粒，结构不均，最大块径可达5 m 以上，颗粒多呈棱角状，分选性差，厚0 - - - - , 2 0 m ，主要分布于隧址区陡崖、陡 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 坡下。 研究区似层面为韵律层界面，主要为隐性的、硬性的层面，层间界面清楚， 结合紧密，在无构造改造时不会形成破碎或张裂，力学较好。 。俐。7 图2 - 3 流纹岩中柱状节理图2 _ 4 火山岩似层面结合特征 2 3 2 地质构造 隧址区所在的构造单元为泥巴山北西向构造带，展布于区域中部，主要由 金坪断裂、保凰断裂和泥巴山背斜、宜东向斜组成，而泥巴山背斜则是近隧址 区的控制性构造。 泥巴山背斜总体构造形式较为特殊和复杂，背斜两翼火山岩逆冲于碎屑沉 积岩和碳酸盐岩之上，造成碎屑沉积岩和碳酸盐岩岩体倒转，变形强烈，岩体 破碎，背斜内部火山岩变化多通过流纹和柱状节理表征，在背斜n e 侧，似层 面产状整体倾向e ，在背斜s w 侧，似层面产状整体倾向w ，且两翼局部有次 级背、向斜存在。泥巴山背斜核部两侧的保凰断裂和曹大坪断裂附近是强变形 集中带，尤其对断层下盘的沉积岩岩系影响最大，使之发生强烈倒转，而变形 向两侧逐渐减弱，形成两翼大致对称，轴部局部开阔平缓近似呈扇形的背斜， 也称“f 2 ”型背斜。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 5 泥巴山背斜的构造形式 通过钻探、物探等资料，发现隧道穿越较大的构造破碎带和断层共计1 5 条，分别为：f 3 、f 5 、f 6 、f 7 ，物探揭露并经过验证的f w l 、f w 2 、f w 3 、f w 4 、 f w 5 、f w 6 、f w 8 ，以及f x l 、f x 2 、f x 3 和f x 4 。 在平面上，断裂和构造带的走向大多为近s n 、n w 、n n w ，其中犹以n w 向为主，反映了区域构造格局的控制作用。从断层性质方面来看，以逆断层和 逆平移断层为主，同样反映了与区域构造变形的协调性，其中在隧址区所确定 的断层中，压扭性断层有1 1 条，约占7 3 。其余为逆冲断层。其中近e w 向 的收缩变形体制和n w 向的走滑构造是影响本区构造变形的主要因素。大相岭 隧道研究区主要断层分述如下： ( 1 ) f 3 断层 该断层位于隧址区中东部，发育于流纹岩地层中，断层带呈灰白、浅灰色， 控制长5 k m 。断层走向近南北向，倾向西，为逆断层，产状为9 5 1 0 0 。z 5 0 - - 6 0 。，发育劈( 片) 理化构造角砾岩和初碎裂岩，结构较松散，劈( 片) 理产 状( 倾角) 较陡，与主