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(shí)以及隧道周圍存在斷層情況時(shí)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(jì)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(jì)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(shí)，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(yùn)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(diǎn)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(diǎn)P，P點(diǎn)的坐標(biāo)為P(x,y)。因?yàn)榫鶆蚓髁鲌龅膭莺瘮?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(shí)，隧道與溶洞之間的勢函數(shù)為圓心不在原點(diǎn)的圓，當(dāng)θ取值一定時(shí)，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(shí)，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(jì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)，溶洞內(nèi)部水量隨著降雨等因素的改變會(huì)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(shí)，通過上述分析可知：當(dāng)隧道周圍存在溶洞時(shí)，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(shí)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(shí)主要通過更為直接的方式進(jìn)行。