铁路隧道涌水量计算.沈PPT课件.ppt

铁路隧道涌水量计算实用技术沈祥明 1 铁路隧道涌水量计算实用技术 系统地总结了近十多年来铁四院铁路勘察设计中隧道涌水量预测研究成果 并经隧道施工实践检验的隧道涌水量计算方法 这些方法的特点是 原理科学可信 方法实用可行 计算可操作性强 列举了11个工程实例 这些实例是从铁四院承担勘察设计 并已施工 或竣工 的隧道工程中精选出来的 可供工程技术人员在铁路勘察设计 施工及运营阶段中进行类比参考 2 讲述的内容 隧道涌水量计算技术标准隧道涌水量计算工作程序与计算方法的选择隧道涌水量计算参数隧道涌水量计算方法隧道涌水量计算精度级别及允许误差隧道涌水量计算的评价 3 隧道涌水量计算技术标准 铁路工程水文地质勘察规程 TB10049 2004 以下简称 规程 水电水利工程钻孔抽水试验规程 DL T5213 2005 水利水电工程钻孔压水试验规程 SL31 2003 技术手册1 铁路工程地质手册 第1版 铁道部第一勘察设计院人民交通出版社19752 铁路工程地质手册 第2版 铁道部第一勘察设计院中国铁道出版社19993 水文地质手册地质部水文 工程地质技术方法队地质出版社1978 4 隧道涌水量计算工作程序与计算方法的选择 涌水量计算工作程序隧道涌水量计算工作程序是指从接受任务 选择涌水量计算方法 确定涌水量计算参数并进行隧道涌水量计算 验证涌水量计算精度级别及允许误差 提出隧道涌水量计算成果及其分析说明等整个过程中各个阶段及其先后次序 5 隧道涌水量计算工作程序与计算方法的选择 涌水量计算方法的选择按隧道围岩的含水岩组类型 按工作阶段选择隧道涌水量计算方法 6 隧道涌水量计算参数 含水体渗透系数 K 地下径流模数 M 2降水入渗系数 地下水涌入系数 降雨量 W 隧道集水面积 A 2 及隧道涌水影响宽度 R 7 含水体渗透系数 K m d 定义 表征含水层透水能力的一个参数 指当水力坡度为1时地下水在介质中的渗透速度 渗透系数的取得 含水体渗透系数应根据现场水文地质试验 抽水 压水 注水 恢复水位试验 自由振荡法试验 取得 渗透系数的计算 应在分析隧道地区水文地质条件的基础上 合理地选用本文 1 所列技术标准 或技术手册 中的公式计算 选用不常见的公式 应注明其出处 8 渗透系数的取值原则 1 渗透系数取值应以现场试验成果值为主 2 同时具有现场抽水 压水和注水试验成果 宜以现场抽水试验成果为主 3 根据压水试验成果计算含水体各试段的渗透系数时 应符合 压水试验规程 附录C的有关规定 4 用于隧道涌水量及基坑涌水量计算的渗透系数 应采用试验的大值平均值 用于水位降落 疏干排水计算的渗透系数 应采用试验的小值平均值 用于供水工程计算的渗透系数 应采用抽水试验的平均值 9 地下径流模数 M m3 d km2 定义 单位时间内单位流域面积上排出的地下水量 地下径流模数的取得 1 地下径流模数可取自中华人民共和国 区域水文地质普查报告 1 200000 区域水文地质普查报告 中提供的地下径流模数 一般为枯季地下径流模数 应换算为年平均地下径流模数 M年 M年 M枯 2 70M枯式中 年平均地下径流模数的换算系数 2 70 10 2 在已知降水入渗系数 时 计算求得地下径流模数 M年 0 0317X l s km2 式中 X 多年平均降雨量 mm 降水入渗系数 11 降水入渗系数 定义 一个地区单位面积上降水入渗补给地下水的量与总降水量的比值 降水入渗系数的取得 1 降水入渗系数可取自中华人民共和国 区域水文地质普查报告 1200000 2 宜 昌 万 州 铁路科研项目 复杂岩溶隧道勘察及综合整治技术 成果 鄂西南地区碳酸盐岩类的降水入渗系数 0 15 0 80 3 降水入渗系数的经验数据 12 4 在有岩溶地下水观测资料的情况下 降水入渗系数可利用一个 或若干 水文年 一个 或若干 枯水期 平水期或丰水期 甚至是一次或若干场雨的地下河 岩溶泉 流域内排泄总量与降雨总量资料求得降水入渗系数 13 地下水涌入系数 无量纲 定义 涌入岩溶隧道的地下水量与地下水径流总量的比值 地下水涌入系数的取得 宜万铁路碳酸盐岩类含水体地下水涌入系数计算方法 宜万铁路科研项目成果 鄂西南地区碳酸盐岩类含水体地下水涌入系数 0 20 0 60 水电水利工程喀斯特工程地质勘察技术规程 DL T5338 2006 7 3 9条 地下水径流份额分配系数S S 0 10 0 40 铁路工程不良地质勘察规程 TB10027 2001 称之为岩溶水滞后系数 1 14 降雨量 W mm 定义 表示在一定地点 一定期间内降雨的厚度或深度 应向当地气象部门 或雨量站 搜集下列六项降雨量资料 多年平均降雨量 多年最大降雨量 多年月最大降雨量 或最大三十日降雨量 多年各月平均降雨量 多年最大一日降雨量 或最大24小时降雨量 年平均气温 15 隧道集水面积 A km2 隧道涌水影响宽度 R m 隧道集水面积 是隧道开挖后大气降水渗入隧道形成涌水的地表集水范围 非地表汇水面积 隧道涌水影响宽度 从隧道至由于涌水而形成的降落漏斗周边的平均距离 16 隧道涌水影响宽度计算 1 当透水边界 或补给边界 隔水边界 或排泄边界 与隧道中心线的距离 a 小于可能影响宽度时 2a R时 该侧的集水面积边界则以透水边界或隔水边界为界 反之 大于可能影响宽度时 应采用其它方法确定 2 当隧道通过含水体的长度L小于200m 其引用半径r 值 r 0 25L 不超过40 50m时 隧道涌水影响宽度可用 库萨金 集哈尔特公式计算库萨金 集哈尔特经验公式计算的精度一般相当于 D 级 误差大体在80 以内 3 当隧道通过含水体的长度L大于200m 其引用半径r 值 r 0 25L 大于40 50m 且隧道水位降深S较大时 隧道涌水影响宽度可用 库萨金变形公式 求得 适用于非承压水 横断面大和下降值大的隧道 4 隧道涌水影响宽度一般不超过2500 3000m 17 圈定隧道集水面积块段的原则及步骤 1 在1 50000 或1 10000 地形图上 先描出地表水系及分水岭 2 隧道集水面积的纵向边界一般是隧道进出口的横向沟谷 3 根据地下水位埋藏深度和隧道埋深 用库萨金公式或库萨金变形公式粗略地估算一下隧道涌水影响宽度 4 隧道集水面积横向边界的划定应综合考虑岩性 岩性控制富水性 构造 构造控制富水地段 地形地貌 地形地貌影响补给条件 岩体渗透结构类型 散体状 层状 带状 网络状及管道状结构 及隧道位置 埋藏深度等有关因素圈定出相应的隧道集水面积块段 18 四隧道涌水量计算方法 隧道分类 非岩溶岩类隧道 岩溶岩类隧道 按岩溶含水介质类型及其径流形式 接受降雨补给方式及岩溶发育强度级别分为两个类型 类和 类岩溶隧道 19 隧道涌水量计算方法 地下径流模数法降水入渗法地下水动力学法水文地质比拟法数理统计法流域水文模型法其它方法 评分法 同位素氚法 20 地下径流模数法 适用条件 适用于非岩溶岩类隧道 基岩裂隙水 及 类岩溶隧道 1 计算隧道正常涌水量 Qs Qs 2 70M枯 A 2 计算隧道最大涌水量 Qmax Qmax Qs式中 模比系数 多年最大降雨量 多年平均降雨量 的统计标准值约等于1 50 所以 隧道最大涌水量约为正常涌水量的1 5倍 21 降水入渗法 非岩溶岩类隧道 基岩裂隙水 及 类岩溶隧道 1 计算隧道正常涌水量 Qs QS 2 74 WAQS 1000 XA式中 Qs 隧道通过含水体地段的正常涌水量 m3 d 降水入渗系数 W 多年平均降水量 mm X 日平均降水量 mm A 隧道通过含水体地段的集水面积 km2 2 计算隧道最大涌水量 Qmax Qmax 1 50Qs式中 Qmax 隧道通过含水体地段的最大涌水量 m3 d 约等于隧道正常涌水量的1 5倍 Wmax 多年最大降水量 mm 22 降水入渗法 类岩溶隧道隧道涌水量的计算有两种方法 1 计算方法一 Q 1000 X A 式中 Q 隧道通过含水体地段的雨季涌水量或设计频率暴雨涌水量 m3 d 降雨入渗系数 A 隧道通过含水体地段的集水面积 km2 地下水涌入系数 X 设计频率降雨量 mm d 计算隧道雨季涌水量或设计频率暴雨涌水量时 降雨量值必须分别采用不同的设计频率降雨量 23 雨季涌水量 Qs 设计频率降雨量的取值 由于降雨引发的涌水事故的后果以其铁路隧道风险等级标准不超过中度等级 风险接受准则为可接受准则为准 可用隧道当地气象站 或雨量站 降雨频率为20 30 的多年中雨 或大雨 降雨量的平均值 长江以南地区一般为15 35mm 在宜万铁路 降雨量的安全警示值为25mm 也可选择下列二项日平均降雨量中的大值 a 多年月最大降雨量 或多年最大30日降雨量 的日平均降雨量值 b 雨季日降雨量 0 1mm最长连续日数及其量的日平均降雨量值 24 设计频率暴雨涌水量 Qmax 不同的工作阶段可采用不同的设计频率暴雨量值计算隧道设计频率暴雨涌水量 如 施工阶段 与施工期相对应的重现期为五年一遇 或十年一遇暴雨量值 运营阶段 五十年一遇暴雨量值 设计频率暴雨量值的查算 a 据各省2008年版 暴雨统计参数图集 年最大24小时点暴雨均值和变差系数Cv等值线图查出相应的 Cv值 再按下式计算 X t Hp点 t Kp 根据隧道所在地区历年一日最大降雨量 或最大24小时降雨量 进行理论频率统计 确定设计频率暴雨量 X Xcp Kp Xcp Cv 1 25 2 计算方法二 水电水利工程喀斯特工程地质勘察技术规程 DL T5338 2006 第7 3 9条 当洞室所在的喀斯特岩层直接出露地表时 可按下式计算洞室或洞室群的涌水量 Q 1000aAHSS 86400 式中 Q 洞室或洞室群涌水量 m3 s 降水入渗系数 一般可采用0 30 0 60 A 汇水面积 km2 Hs 降水量 mm 计算时段天数 S 涌入洞室水量占地下水径流总量的份额 一般为0 10 0 40 26 洼地渗入法 岩溶洼地入渗量计算 隧道位于垂直渗流带或水平径流带的季节变动带 当隧道顶部或隧道影响宽度内有大型岩溶洼地时 由于洼地底部常有漏斗 落水洞与地下岩溶形态相连 施工时如若揭穿了这些垂直岩溶形态 在枯水季节及雨季的非降雨时段 一般不会产生岩溶涌水 但在降雨时段 特别是暴雨 特大暴雨时段 大量的雨水携带泥砂通过垂直状态的岩溶形态 灌入 地下 可能会产生涌水 突泥 其涌水来源主要是区域性地下水位上升和局部 过路水 27 洼地渗入法 岩溶洼地入渗量计算 洼地入渗量根据隧道中线附近顶部洼地的集水面积或洼地内的积水面积 积水时间和水位观测值等参数求得 当洼地不积水或积水不到一日时 其表达式为 Qw 1000FX 式中 Qw 洼地入渗量 m3 d 28 地下水动力学法 适用条件 隧道围岩为松散岩类及非岩溶岩类的隧道皆可应用该方法 岩溶隧道 适用于 类岩溶隧道 即 1 不适于计算位于地下水垂直渗流带 包气带 地下水位季节交替带 季节变动带 水文网排泄作用范围内的水平径流带 完全饱和带 内岩溶隧道的涌水量 2 对位于不受附近水文网直接影响的深部循环带内的隧道涌水量可按其水文地质概念模型及相应的水文地质数学模型进行预测 3 裂隙岩溶含水体 隙流含水体 在同一水文地质单元内 有统一的地下水位 29 地下水动力学法 计算方法与步骤 1 计算方法 隧道涌水量计算稳定流 非稳定流理论公式及半理论半经验公式可查阅 规程 附录D 铁路工程地质手册 或 水文地质手册 有关章节 铁路工程地质手册 第2版 隧道涌水量计算式 水底隧道涌水量计算方法及计算公式详见 规程 条文说明 说明B 3 3 1 5式 2 计算步骤 确定隧道围岩含水体的水文地质边界条件 是无限含水体或是有限含水体 隧道一侧或两侧有透水边界或隔水边界 根据地下水的水力类型 潜水 承压水 含水体厚度 有限厚或无限厚 含水体隔水底板的产状 水平或倾斜 隧道工程类型 完整式或非完整式 隧道进水方式 隧道侧面进水 底部不进水 或隧道侧面及底部同时进水 等条件合理地选定计算模型 30 数理统计法 相关分析法 根据气象 水文资料 建立某要素 可以是主要影响因素 与隧道内地下水动态要素之间的关系 如 相应期降水量与隧道涌水量动态相关 相应期降水量与地下水压动态相关 前期降水量与后期隧道涌水量相关等 在报知相关要素 如降水 以后 代入回归方程式计算 推算其未来时刻地下水动态要素 隧道涌水量 水压动态 的变化 相关分析的主要任务是 一是解决变量 如 涌水量 降雨量 之间的联系形式 即建立回归方程 二是判别变量之间的联系密切程度 以便找出一个统计量 复相关系数及拟合度 来客观地反映回归方程的使用价值 31 数理统计法 相关分析法 第一 它可用来分析隧道涌水量与降雨量因素之间关系 区别降雨量的主要影响因素与非主要影响因素预测涌水量趋势 第二 回归分析对降雨量因子挑选有较大的余地 允许较多地考虑各种可能的影响因子建立多元回归方程 利用逐步回归方法 更可优选各回归方程 使涌水量评价进一步完善 第三 利用Excel或SPSS SPSS15 0forWindows 软件计算方便 可操作性强 评价结果易于验证 以及可以依据涌水量 降雨逐日观测资料对回归方程进行随时修正 使其趋于实际便于检查的特点 适用条件 预测施工 或运营 阶段岩溶隧道内涌突水点的涌水量 水压 近期变化趋势 据宜万铁路多个岩溶隧道降雨 隧道涌水相关预测的实践 相关分析法对雨季 特别是大雨 暴雨雨后隧道涌水变幅的预测 往往能获得比较满意的结果 32 数理统计法 相关分析法 多元线性随机模型的建立根据隧道涌水量 降雨量的长观资料 建立多元线性随机模型 作为预测隧道涌水量变化趋势的依据 Y b0 b1X1 b2X2 bmXm多元线性回归方程的验证对多元线性回归方程进行验证的目的是判别变量 涌水量 水压 降雨量 之间的联系密切程度 可通过复相关系数R 拟合度R2 显著性水平F三项指标 来客观地反映回归方程的使用价值 1 复相关系数R 2 拟合度R2 3 显著性水平F F 0 000 33 数理统计法 相关分析法 隧道涌水量变化趋势预测建立样本回归方程并通过统计检验后 就可以利用样本回归方程进行预测 预测就是给定自变量的特定值 利用样本回归方程对因变量的值进行估计 34 水文地质比拟法 根据已研究或有长期观测记录的既有隧道 矿井坑硐 隧道已施工的掘进段涌水资料 可以估算水文地质条件与其相似的隧道涌水量 所谓 水文地质条件相似 系指气候 地形地貌 植被 地质条件 岩性 构造 地下水动力性质 含水体岩性 含水介质类型 补给 径流 排泄以及渗透性等大体相似 35 流域水文模型法 宜万铁路多个隧道遭遇岩溶地下河系统 隧道袭夺了地下河原径流途径 岩溶地下河水成为隧道涌水最主要的水源 这些岩溶地下河系统通常以岩溶管道和岩溶洞穴 大型溶腔 等多种岩溶空隙介质体为主 其形态结构和地表河流具有一定的相似性 符合地表水系的发育 形成和演化规律 地下河流量动态变化特征与地表水流亦具有很好的相似性 都具有流量大 流速快 洪峰在数小时内完成的特点 隧道施工进程中 实时涌水洪水预报 提高洪水预报系统精度和增长预见期是施工阶段防洪减灾 安全生产的核心 但是 运用传统的水文地质隧道涌水量预测方法来实现岩溶隧道涌水峰值及涌水径流的水文过程 无论在理论 方法和技术手段等方面都遇到了挑战 36 流域水文模型法 适用条件 类岩溶隧道 即与隧道有联系的地下河流域岩溶强烈发育 岩溶含水介质管道化程度较高 其流量动态对降雨十分敏感 计算方法流域水文模型的理论基础就是产流 汇流计算 计算步骤如下 确定流域参数 设计暴雨 用瞬时单位线方法计算地面径流及地下径流