火山岩体围岩隧道断层带涌水量计算方法综合研究:以青云山隧道为例

以某火山岩体围岩隧道为研究对象,分析了隧道区蓄水构造类型与隧道涌水特征,运用多种解析方法和数值模拟方法对隧道区典型断层带涌水量进行了计算,并与实测数据进行了对比,总结出各种方法的适用性。研究结果表明:火山岩体围岩隧道涌水表现为断层带控水的分段涌水特征;传统的地下水动力学法较降雨入渗法和氚同位素法更适合于用于此类隧道的隧道涌水量计算,而数值模拟法在计算隧道涌水量上有一定的优越性。此外,隧道断层带水文地质调查的程度与参数刻画的准确度对计算结果精度影响很大。      

示踪实验在湾潭隧道涌水突泥判别中的应用

以宜来高速湾潭隧道为研究对象, 通过现场调查、地下水示踪实验、地下水流量监测, 以及采用大气降雨入渗法计算隧道的平均涌水量和丰水期涌水量, 同时采用RFPA渗流软件对隧道涌突水的可能性进行判别。现场调查及示踪试验结果显示湾潭隧道岩溶管道为多支, 混合型岩溶管道, 水文地质条件复杂, 丰水期涌水量约为平均隧道涌水量的4.6倍。数值模拟结果表明, 隧道涌水突泥破坏要历经裂隙萌生、裂隙扩展、裂隙进一步扩展、贯通破坏阶段。同时当岩溶管道处的过水流量达到初始值(37 248 m3/d)约2.7~3.5倍之间时便可出现涌水突泥破坏, 也即出水口2流量达到10 000~13 000 m3/d时, 湾潭隧道具有极高的涌水突泥风险。      

基于岩溶演化模型的隧道突水危险性评价

岩溶隧道是否发生涌突水,主要取决于洞身岩溶发育程度和岩溶系统结构类型,而这与岩溶系统的演化过程密切相关。岩溶系统的发育演化始于具有侵蚀性的水对可溶性岩体中裂隙的溶蚀扩展。基于此,本研究耦合了渗流模型和溶蚀扩展模型,并结合鸡公岭隧道区水文地质背景资料,建立了隧道区岩溶系统岩溶演化模拟模型,模拟再现了隧道区岩溶含水介质的发育情况。结果显示:随着岩溶系统的发育演化,整个系统中裂隙不断被溶蚀扩展,差异性溶蚀越来越显著,岩溶含水介质的非均质性越来越强;同时随着埋深的增加,岩溶发育程度及非均质性越来越弱;浅部和深部裂隙的平均溶蚀扩展率相差近1 500倍;鸡公岭隧道洞身标高处岩溶发育微弱,裂隙溶蚀扩展较小,仍为裂隙岩体,其等效渗透系数为0.51m/d,岩溶突水概率极低,隧道发生涌水时的涌水量为127.9m3/d,对隧道施工影响较小。      

贵州省毕节市米底河地热特征及形成机理

研究地热资源形成机理及水化学特征可为资源综合利用与开发提供参考。通过采集贵州省毕节市米底河水样进行水化学特征分析,采用Piper三线图、地温温标法和音频大地电磁等手段对米底河地下热水水化学和形成机理进行了研究。研究表明,该地区受平寨穹窿构造影响穹窿内节理构造极其发育,利于深部热水向穹窿内承压相对低区域运移,形成褶皱穹起构造对流型地下热水资源;通过区域断层探测,推断该区域存在5条断层破碎带(或者裂隙),其中F₄与F₁₃断层产状较陡,向下延伸较浅;F₉比较明显,倾向北西;F₁走向近似南北向,倾向北西,延伸较深;F₁₇与F₁₈反映较为明显,但是延伸较浅,推断F₁断层具有良好的控热性,是地下热水上涌的有利位置;在平寨穹窿边部环带接受大气降水入渗补给后径流至2 500 m深度内获得围岩的加热,并在上覆寒武系碎屑岩隔水、保温盖层的作用下,于震旦系灯影组白云岩中形成深部承压热储;水化学特征分析得出地热水属低矿化度水,地热井水源中Na⁺     

音频大地电磁法在某隧道勘察中的应用

新建池州到黄山铁路是一条致力服务于旅游业的高速铁路,全线隧道比超过60%,该铁路设计多条长大隧道,其中某隧道全长8986m,洞身距离地表的最大高差达775m,一般的勘探方法很难达到这个深度,而且隧道沿线沟壑纵横、地貌多变,断裂构造非常发育,地下暗河众多,地质情况极其复杂。音频大地电磁法勘探深度较大、施工成本低、对低阻分辨率较高,它装备轻便,通过性好,目前已成为国内外用于山区长大深埋隧道勘察的主要方法。该文介绍了音频大地电磁测深法的工作原理、野外技术方法和资料处理流程,阐述了该方法在某隧道勘察中的实际应用效果。该隧道的音频大地电磁测深工作野外数据采集精度较高,数据处理方法得当,基本查明了隧道沿线地层分布情况及断层等不良地质体特征,推断成果与钻探结果吻合较好,圆满完成了预期任务,依据物探结果对地层完整性进行了评价,对隧道围岩进行了分级划定,为下一步隧道施工提供了可靠的地球物理依据,也为今后类似工作起到了一定的借鉴作用和参考价值。     

乌蒙山地区岩溶地下水流系统结构及其找水应用

为推动乌蒙山贫困缺水区生态环境建设、地下水资源合理利用,以昭通市作为重点调查区,基于地质调查、泉流量统计、水质检测,展开岩溶地下水富集规律及物探找水方法的研究。结果表明:①研究区岩溶地下水系统以条带岭谷型、埋藏型为主。条带岭谷型岩溶地下水系统以现代岩溶为主,目标含水层多、发育深度有限、岩溶发育及富水程度差异大,富水块段为背斜核部及两翼、向斜核部、断层影响带;埋藏型岩溶地下水系统以古岩溶为主,目标含水层单一、发育深度较深且极不均匀,富水块段为断陷谷盆埋藏的古岩溶。②地下水化学类型以HCO₃型、HCO₃·SO₄型为主,条带岭谷型、埋藏型岩溶水分别占96.73%,92.93%,水质总体较好,综合水质评价Ⅰ~Ⅲ类水占比分别为80.84%,64.41%。③建议对>50 L/s大泉进行提引、丰储冬用,对富水块段进行综合物探探测和钻探验证的方法找水。④综合物探找水方法:先通过高密度电法、联合剖面法查明岩溶破碎带及断层,再激电测深确定极化率高的含水层,最后综合测井和钻孔揭露确定具体出水段及涌水量,找水成功率为86.67%,适用于条带岭谷型及浅埋岩溶地下水。      

基于机器学习的参考作物蒸散量估算研究

参考作物蒸散量（Reference Evapotranspiration, ET₀）的准确估算对区域水资源管理和分配、流域水量平衡以及气候变化等研究具有重要作用。新疆地处我国西北干旱地区,水资源供需矛盾尖锐,精确估算该地区的ET₀有助于其科学合理地调配水资源,缓解水资源供需压力。FAO推荐的Penman-Monteith法是计算ET₀的标准方法,但该方法需要多项气象因子,而新疆地区气象站点较少且分布不均,精确完备的气象数据在新疆大部分区域难以获取。因此,如何使用有限气象因子获取高精度的ET₀在新疆地区备受关注。本文基于中国气象数据网提供的新疆地区1980—2019年的地面气候资料日值数据集,在日和月尺度下,通过对最高气温T_max、最低气温T_min、平均气温T_avg、风速U₂、相对湿度RH和日照时数n共6项气象因子进行敏感性分析,形成不同的气象因子组合;然后使用SVM、RF、GBDT和ELM 4种机器学习算法,以FAO-56 PM计算值为标准值,对新疆地区的ET₀进行了拟合建模;最后,从拟合精度、稳定性和计算代价3个方面对模型进行评价。研究表明：① 在新疆地区,ET₀对RH、T_max和U₂敏感系数级别为高,平均敏感系数分别为-0.516、0.283和0.266;n为中等,平均敏感系数为0.124;T_min和T_avg为低,平均敏感系数分别为-0.016和-0.003;② 在日尺度,各算法在RH、T_max、U₂和n这4项气象因子为输入时精度较高（RMSE<0.5 mm/day,R²>0.95）,可对ET₀进行精确估算;在月尺度,各算法使用RH、T_max和U₂这3项参数便可对ET₀进行精确估算。SVM和GBDT这2种算法在日尺度和月尺度都有较好的适用性,可在相应尺度下使用较少气象因子替代FAO-56 PM公式对ET₀进行估算。     

大直径深埋顶管施工对地表沉降的影响

顶管施工因非开挖或少开挖而在城市建设中应用广泛, 但顶管施工引起的地表沉降不容忽视。依托佛山市某电力隧道顶管工程, 通过现场实测、数值模拟及Peck经验公式的方法研究了顶管施工引起的地表沉降规律, 探讨了管-土摩擦、注浆压力及支护压力对地表沉降的影响。结果表明: 顶管施工引起的横向地表沉降在距轴线约4倍管径范围内变化较大, 管-土摩擦的改变对横向地表距轴线约3倍管径范围内的地表沉降影响较大, 对纵向地表距开挖面约1倍管径范围内的地表沉降影响较小; 注浆压力的增大能够抑制地表沉降; 支护压力的改变对横向地表距轴线约2倍管径范围内的地表沉降影响较大。研究结果可为控制顶管施工引起地表沉降措施的制定提供参考; 同时, 实测值、模拟值及Peck经验公式所得到的地表沉降变化趋势和大小相近, 验证了数值模拟及Peck经验公式在实际工程中预测地表沉降的可行性。      

基于内外功率比的非直线坡面型边坡的稳定系数研究

在边坡稳定性上极限分析中, 由于考虑了材料的理想弹塑性本构关系与相关流动法则, 相比极限平衡法更符合岩土材料的特征。在以往的二维边坡极限分析上限法中, 要求坡面形态为规则的直线, 而无论是天然边坡还是人工边坡, 边坡的坡面形态往往并非规则的直线。此外, 以往的边坡极限上限分析中得到的稳定数N_s=c/γH主要针对土坡的临界高度计算, 且未考虑孔压等外力对边坡施加的外功率。不同于传统极限平衡法采用静力学的平衡条件, 本研究针对非直线型坡面边坡稳定性问题, 假定滑动面为对数螺旋线, 基于极限分析上限定理和虚功原理, 提出了一种边坡发生旋转破坏时旋转中心的确定方法, 推导出了非直线型坡面边坡的重力虚功功率和能量平衡方程的解析解, 并提出了基于内、外功率之比的稳定系数K用以评价边坡的稳定性。通过算例比较了不同形态天然边坡的稳定性和人工削坡对边坡稳定性的影响, 并分析了边坡的坡度(β)、土体的内摩擦角(φ)、黏聚力(c)以及孔压系数(r_u)对稳定系数K的影响规律。对于坡度较大的边坡, 通过削坡改变坡面形态提高了边坡的稳定系数K。稳定系数K随黏聚力的增加而非线性增大, 随孔压系数的增加而降低。当黏聚力相对于孔压系数对边坡稳定性影响更大时, 稳定系数K随内摩擦角的增加而增大; 反之, 稳定系数K则随内摩擦角的增加而减小。以上结果符合对边坡稳定性分析的普遍认知, 验证了模型的合理性。另外, 通过将该方法与传统的Bishop法的计算结果进行对比, 发现安全系数F_s=1与稳定系数K=0的临界状态物理意义相同, 稳定系数K随黏聚力非线性增加, 更符合边坡的渐进破坏过程。      

最小二乘法估算Pearson-Ⅲ型分布参数的改进

Pearson-Ⅲ曲线分布在气象、水文和农业等领域有广泛的应用,其概率密度函数包含形状参数\begin{array}{c}\left(\alpha \right)\end{array}、尺度参数\begin{array}{c}\left(\beta \right)\end{array}和起始值\begin{array}{c}\left({\alpha }_0\right)\end{array}3个待估计参数。应用Pearson-Ⅲ分布来估算强度的关键在于这3个参数估算的精度。由于原有最小二乘法在估算参数时未考虑各参数的有效区间,参数\begin{array}{c}{\alpha }_0\end{array}可能小于0,并导致估算强度出现负值,从而使雨强、水速、水位等强度估算出现异常值。经理论推导证明,若Pearson-Ⅲ概率密度函数中的参数\begin{array}{c}{\alpha }_0\end{array}非负,则估算出的强度值不会出现负值。以该推导为基础,提出了一种改进的Pearson-Ⅲ分布三参数估算算法。首先根据最小二乘法估算迭代计算一系列参数组合;然后按离差平方和的大小排列各组参数;接着利用各组参数分别计算\begin{array}{c}{\alpha }_0\end{array}值,过滤使\begin{array}{c}{\alpha }_0\end{array}小于0的参数组合;最后在剩下的参数中选取离差平方和最小的一组作为最优参数。以估算暴雨风险值作算法测试实验,结果表明改进算法模拟得到的\begin{array}{c}{\alpha }_0\end{array}值始终大于等于0,估算出的暴雨风险值均在合理范围之内。对比改进算法与传统算法的参数分布拟合检验结果,发现改进算法能使更多的气象站点通过了置信度为0.05的分布拟合检验。因此,利用改进后的算法估算出的Pearson-Ⅲ概率密度函数参数更合理,且强度估算结果更准确,对编制城市暴雨强度公式有一定的参考价值。     

黄陵背斜东北翼岩溶水系统特征及其对引调水隧洞工程的影响

陵背斜东北翼地层以碳酸盐岩和碎屑岩相间的组合形式出现,碳酸盐岩分布区岩溶发育强烈,岩溶突涌水是该区地下工程建设的重要影响因素。以某重大引调水工程黄陵背斜段为研究对象,综合采用岩溶水文地质调查、示踪试验、水文地球化学等多种方法对研究区岩溶水系统特征及隧洞突涌水条件进行了识别和分析。结果表明:区内存在4个子含水系统,垂向上构成了透水性强-弱相间的结构,发育了浅部快速循环、中间快速循环和深部慢速循环的多级水流系统,断裂构成各子含水系统间发生水力交换的垂向通道。工程输水隧洞主体在深部灯影组(Z₂dn)和天河板组-石龙洞组(∈₁t+sl)子含水系统中穿越,岩溶发育总体较弱,但在穿越店垭断裂时存在导通上部娄山关组-南津关组(∈₃l-O₁n)强岩溶子含水系统而发生较大规模高压突涌水的可能。施工支洞穿越∈₃l-O₁n子含水系统中白龙洞水流系统的排泄区,遭遇管道式突涌水事故的风险高。多种水文地质方法的联合解译可提高识别岩溶水系统特征和突涌水条件的精度。      

峡口隧道间歇性岩溶涌突水过程及来源解析

岩溶涌突水问题勘察与防治一直是隧道工程建设面临的难题。峡口隧道有着较长的岩溶涌突水历史,为了查明间歇性涌突水来源,探究岩溶水系统结构对涌突水过程的控制作用,综合利用水文地质调查、水文学和水文地球化学等方法对涌突水来源和过程进行了识别与分析。结果表明:在研究区孟家陵一带存在地下水分水岭,北部和南部的地下水分别向响龙洞和峡口洞排泄。在集中涌水事件中,次涌水总量与次降雨量具有显著的线性正相关关系,集中涌水与4条盲沟排水在水文地球化学特征上具有同源性,均来自于隧道北部的岩溶水;在隧道稳定排水期间,右洞北侧盲沟主要排泄隧道北部的岩溶水,其他3处盲沟排水则主要来源于碎屑岩裂隙水;集中涌水点位于峡口岩溶水系统的饱水带附近,强降雨导致隧道上方整体处于充水状态,涌水点截断了岩溶通道的快速流而发生涌突水,并且混合了小比例的基流。在岩溶涌突水问题研究中,综合利用多技术方法和多信息渠道验证可提高涌突水来源分析的准确性。      

基于地下水流系统理论的岩溶隧道涌突水来源及路径分析

双龙洞是国家重点风景名胜区，拟建金华山隧道位于浙江省金华市双龙洞景区北东向约12 km处，金华山隧道的开挖将可能导致双龙洞景区岩溶水的疏干，同时隧道也可能遭受岩溶涌突水的安全隐患。基于地下水流系统理论，结合研究区水文地质条件调查成果，岩溶地下水流系统的划分，隧道出口段关键岩溶分布区地质结构的分析，以及水文地球化学测试分析结果，对双龙洞与隧址区之间各岩溶地下水流系统间的水力联系及涌突水可能性进行了分析。结果表明，隧道出口段开挖若揭露至其所处岩溶含水层并进行排水，影响的只是周边有限的岩溶水及裂隙水，不会直接连通研究区西侧大规模岩溶地下水流系统；隧道施工和运行期间对双龙洞景区的岩溶水基本不会产生影响，同时双龙洞岩溶水也不会对隧道出口段形成直接的涌突水威胁。在岩溶区隧道涌突水来源的研究中，基于地下水流系统理论合理划分岩溶地下水流系统并分析各系统间水力联系，是分析涌突水来源及防范涌突水灾害的必要前提。      

Detection and treatment of water inflow in karst tunnel: A case study in Daba tunnel

In a karst tunnel, fissures or cracks that are filled with weathered materials are a type of potential water outlet as they are easily triggered and converted into groundwater outlets under the influence of high groundwater pressure. A terrible water inrush caused by potential water outlets can seriously hinder the project construction. Potential water outlets and water sources that surrounding the tunnel must be detected before water inflow can be treated. This paper provides a successful case of the detection and treatment of water inflow in a karst tunnel and proposes a potential water outlet detection (PWOD) method in which heavy rainfall (>50 mm/d) is considered a trigger for a potential water outlet. The Daba tunnel located in Hunan province, China, has been constructed in a karst stratum where the rock mass has been weathered intensely by the influence of two faults. Heavy rain triggered some potential water outlets, causing a serious water inrush. The PWOD method was applied in this project for the treatment of water inflow, and six potential water outlets in total were identified through three heavy rains. Meanwhile, a geophysical prospecting technique was also used to detect water sources. The connections between water outlets and water sources were identified with a 3-D graphic that included all of them. According to the distribution of water outlets and water sources, the detection area was divided into three sections and separately treated by curtain grouting.     

基于水动力量化因子的岩溶强发育深度研究

地下水垂向循环水动力条件是岩溶发育深度的主要控制因素。为探求川东背斜构造岩溶区多级水流系统控制下的岩溶强发育深度，采用地理信息系统（GIS）技术，选取地形指数和水动力坡降构建岩溶水动力强弱的量化因子F_HQ，并结合钻孔数据推求假角山背斜构造区地下岩溶强发育深度。研究显示:水动力因子F_HQ与地形指数、水动力坡降在空间上呈明显正相关关系，同时可指示岩溶水流系统向深循环的深度，以此推求背斜构造区地下岩溶的强发育深度下限。假角山背斜两翼F_HQ集中在0.1~0.4之间，岩溶水动力整体偏弱，深沟F_HQ值整体高于浅沟。东、西翼深沟控制下的地下岩溶强发育深度分别约40~100 m和110~180 m；浅沟控制下的地下岩溶强发育深度分别约15~60 m和10~90 m。研究成果可进一步丰富川东背斜区岩溶发育评价方法体系，为隧道工程岩溶突水灾害预测防治提供理论依据。      

岩溶水流系统识别方法及其在引调水工程隧洞选线中的应用

某国家重大引调水工程引水隧洞将穿越聚龙山向斜可溶岩地层，可能面临严重岩溶涌突水问题。为了查明隧洞突涌水条件，选择岩溶水害风险较低的引水方案，综合采用岩溶水文地质调查、水化学与同位素分析等方法对聚龙山向斜岩溶水流系统特征进行了识别。结果表明:聚龙山向斜含水系统具有"两含夹一隔"的多层结构，下部二叠系主要为埋藏型岩溶弱发育区，而上部三叠系裸露型岩溶区中发育了具有多级水流系统的巨型岩溶汇水盆地。穿聚龙山向斜段工程论证的3个方案中，A线方案从向斜西段岩溶水系统的补给区穿越，隧洞穿可溶岩段长度短、且全部为埋藏型岩溶，剖面上绕避了三叠系岩溶汇水盆地，发生岩溶涌突水的风险低；而B线方案和C线方案均进入了三叠系岩溶汇水盆地，穿越裸露型可溶岩段的长度大，遭遇高压岩溶突水的风险高，故推荐A线引水方案。研究成果可为引水隧洞线路比选提供科学依据，对类似深埋长隧洞工程建设也具有参考价值。      

Formation mechanisms of water inrush and mud burst in a migmatite tunnel: a case study in China

This paper presents a case study of water inrush and mud burst occurring in a migmatite tunnel to study its formation mechanisms. The geological investigation and mineralogical analysis showed that water inrush and mud burst in the migmatite was closely related to the component of the host rock. High content of soluble minerals, e.g., calcite and dolomite, would make the migmatite rock prone to be fragmentized, isintegrated and eventually form different sorts of connected or semi-connected veins. The field exploration revealed most cavities in the magmatite tunnel were eroded by groundwater and formed large interconnected networks. The two faults and the dike in the magmatite tunnel became the preferred paths and provided great convenience for plenty of precipitation and mud slurry. Due to high water pressure and blast disturbance, the cavities can soon connect each other as well as all sorts of veins, forming a complex ground channel for water inrush and mud burst. To estimate the potential occurrence of water inrush and mud burst, the water bursting coefficient was employed. The results showed the water bursting coefficient of the magmatite tunnel was much bigger than the threshold values and it can be used to explain the accident of water inrush and mud burst occurring in the magmatite tunnel.     

武汉两湖隧道岩溶水系统结构及水循环规律

武汉市两湖隧道是国内最长、世界规模最大的城市湖底隧道, 其东湖段穿越岩溶区, 识别其岩溶水系统结构对隧道建设和运营安全具有重要意义。为查明区内岩溶水系统结构及水循环特征, 综合利用地质及水文地质勘探、水文地球化学分析等方法刻画了岩溶含水系统边界, 总结了岩溶发育规律, 识别了洞穴沉积物来源, 分析了岩溶水与孔隙水和地表水之间的水力联系, 探讨了岩溶水循环模式。结果表明: 研究区可划分为南北2个岩溶含水系统, 北段岩溶含水系统的岩溶发育程度强于南段岩溶含水系统, 北段和南段岩溶含水系统由断层带连通而具有统一的水力联系。洞穴沉积物主要来源于第四系残积层和洞穴围岩风化。第四系冲洪积层孔隙水与下伏岩溶水的水力联系较弱, 而第四系残积层孔隙水与下伏岩溶水的联系紧密。本研究利用多种技术方法精细刻画湖底隧道的岩溶水系统结构, 可服务于隧道工程的涌突水风险评价和安全施工。      

Measuring the internal velocity of debris flows using impact pressure detecting in the flume experiment

Measuring the internal velocity of debris flows is very important for debris flow dynamics research and designing debris flow control works. However, there is no appropriate method for measuring the internal velocity because of the destructive power of debris flow process. In this paper, we address this problem by using the relationship between velocity and kinetic pressure, as described by surface velocity and surface kinetic pressure data. Kinetic pressure is the difference of impact pressure and static pressure. The former is detected by force sensors installed in the flow direction at the sampling section. Observations show that static pressure can be computed using the formula for static water pressure by simply substituting water density for debris flow density. We describe the relationship between surface velocity and surface kinetic pressure using data from seven laboratory flume experiments. It is consistent with the relationship for single phase flow, which is the measurement principle of the Pitot tube.