溶洞條件下隧道地下水分布規(guī)律研究

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

一、前言

富水區(qū)山嶺隧道由于長期處于高水壓條件下，通過對裂隙圍巖中地下水在襯砌結(jié)構(gòu)背后水壓的相關(guān)理論研究，可以明確當(dāng)隧道上方分布溶洞時以及隧道周圍存在斷層情況時的滲流場分布情況，可為后續(xù)相關(guān)研究提供理論支持。

二、特殊地質(zhì)條件下圍巖滲流場分布

裂隙圍巖地下水滲流的計算由于其自身的復(fù)雜性，難以在解析式中將所有特性進(jìn)行一一體現(xiàn)，因此目前尚沒有較為精確的解析解，大多采用模型類比的方法進(jìn)行計算。由于現(xiàn)有勘探技術(shù)的限制，網(wǎng)格裂隙模型中所需要的參數(shù)不能直接測量得到或者根本無法測量，因此在對富水區(qū)山嶺隧道地下水進(jìn)行分析時，常采用數(shù)據(jù)更加容易獲得的等效連續(xù)介質(zhì)模型進(jìn)行。

(一)隧道附近有溶洞

隧道附近的溶洞內(nèi)部一般存在恒定的水量補(bǔ)給源頭，補(bǔ)給水量可能隨著降雨等因素的變化而發(fā)生變化，并造成隧道內(nèi)部的涌水量發(fā)生變化。為了通過解析的方法判斷隧道內(nèi)部涌水情況，可以運用“圓島模型”對隧道內(nèi)部的水頭值等參數(shù)進(jìn)行求解。

隧道與溶洞之間距離為2d，隧道的排水量為Qs，溶洞的水量補(bǔ)給量為Qr，坐標(biāo)原點位于隧道與溶洞中間處且Y軸與隧道和溶洞的連線一致。另外取一點P，P點的坐標(biāo)為P(x,y)。因為均勻井流流場的勢函數(shù)滿足如下形式[1]：

(2.1)

隧道排水滿足如下勢函數(shù)形式：

(2.2)

在地下水頭遠(yuǎn)端，可測得勢為Φ0，設(shè)隧道排水量Qs和溶洞蓄水量Qr相等，即Qr=Qs，帶入式2.2，可得：

(2.3)

(2.4)

令Φ為常數(shù)值Φk，則式2.4可以寫為：

Φk=Φ0+kΔΦ

(2.5)

式中：

k=0,1,2，……。

(2.6)

(2.7)

(2.8)

(2.9)

(2.10)

(2.11)

由式2.11可知，當(dāng)隧道周圍存在溶洞時，隧道與溶洞之間的勢函數(shù)為圓心不在原點的圓，當(dāng)θ取值一定時，根據(jù)式2.11可以作出隧道與溶洞之間的勢函數(shù)分布情況。當(dāng)k分別取0,1,2,……時，可以作出隧道與溶洞之間的勢函數(shù)圖形，如圖1所示。

圖1 隧道與溶洞之間的勢函數(shù)示意圖

根據(jù)王君連[2]在工程地下水計算中的研究可知，無界承壓含水層完整井的地下水流函數(shù)滿足如下形式：

(2.12)

令θ取為π/2,根據(jù)式2.12可得：

(2.13)

當(dāng)Ψ=Q/8時，根據(jù)式2.12可得：

(2.14)

(x+d)2+(y-d)2=2d2

(2.15)

當(dāng)Ψ=Q/4時，根據(jù)式2.12可得：

(2.16)

函數(shù)圖像為以(0，d)為圓心，d為半徑的圓。

當(dāng)Ψ=3Q/8時，根據(jù)式2.12可得：

(2.17)

(x-d)2+(y-d)2=2d2

(2.18)

當(dāng)Ψ=Q/2時，根據(jù)式2.12可得：

函數(shù)圖像與y軸重合。依據(jù)上述分析結(jié)果，可以分別作出當(dāng)Ψ=Q/8、Q/4、3Q/8、Q/2時任意角度下溶洞與隧道之間的流函數(shù)圖形，當(dāng)Ψ取-Q/8、-Q/4、-3Q/8、-Q/2時可依據(jù)上述推導(dǎo)過程作出流函數(shù)圖。

富水區(qū)山嶺隧道上方存在溶洞時，溶洞內(nèi)部水量隨著降雨等因素的改變會發(fā)生較大的變化，通過對隧道上方分布溶洞這種地質(zhì)構(gòu)造形式的流函數(shù)及勢函數(shù)的理論研究，能夠了解溶洞與隧道之間地下水遷移的形式，為后續(xù)地下水智能防治技術(shù)的研究提供理論支持。

三、總結(jié)

通過對富水區(qū)裂隙圍巖的地下水在襯砌周圍的分布規(guī)律研究，可以明確襯砌結(jié)構(gòu)背后水壓力的分布形式，為地下水的治理提供理論指導(dǎo)。同時，通過上述分析可知：當(dāng)隧道周圍存在溶洞時，襯砌結(jié)構(gòu)背后的水壓勢函數(shù)和流函數(shù)分布情況與隧道與溶洞之間的連線呈對稱分布規(guī)律。勢函數(shù)圖像在隧道與溶洞之間分布更加密集，說明在隧道與溶洞之間勢函數(shù)的降低趨勢更加明顯，這符合實際情況。流函數(shù)在隧道與溶洞的連線附近更加密集，且流量更大，說明溶洞中的流向隧道中時主要通過更為直接的方式進(jìn)行。