南水北调东线穿黄河工程过河隧洞开挖涌水预测分析-研究

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1、第一章绪论地质灾害本质上是由水、岩、热、气等固体、准流体及流体构成的复杂地质系统对开挖扰动做出的响应或反馈，响应的方式和程度不同，灾害的类型和规模也就不同，具体灾种包括硬岩岩爆、软岩大变形、高压突涌水、高地温及有害气体突出等。本课题试图以南水北调东线穿黄河工程过河隧洞为例，根据南水北调东线穿黄河隧洞的地质条件，在已开挖穿黄探洞的基础上，主要研究在开挖隧洞涌水的可能性，预测涌水的部位、涌水量的大小以及应采取的主要措施等，为工程设计和施工提供资料。1．2国内外研究现状隧洞是水利工程特别是调水工程中重要的水工建筑物之一，其长度短则数百米，长则数公里，甚至数十公里，经

2、常需要穿越不同的地质单元，因此隧洞所处的地质环境和地质条件复杂多变，带来隧洞的工程地质问题多种多样，开挖突涌水就是隧洞的主要工程地质问题之一皿，3】。特别是位于地表水体(海、湖及河流等)以下的隧洞，该问题更加突出。国内外对隧洞开挖涌水问题一向非常重视，如已竣工的英法英吉利海底隧道、日本青函海底隧道，正在实施的南水北调中线穿黄河工程隧洞、长江沿岸城市过江隧道以及设想中的台湾海峡海底隧道等，均无一例外地需要研究这一问题。突涌水属于隧洞施工中遇到的流体地质灾害类型之一。其具有以下特点：(1)发生几率高。由于地下水的高度流动性、在地壳表层中分布的普遍性以及大多数隧洞都

3、处于地下水富集带附近或其以下，只要存在导水通道，就可能发生涌水，因此，其发生条件要宽松得多。据不完全统计，在我国1996年建成运营的4800余座隧洞中，约三分之一发生过涌水问题，其中30余座属于大型涌水，每座的涌水量均超过1．0×104m3／d，最大的达20．6X104m3／d。(2)给施工造成巨大影响。隧洞发生涌水，轻则停工，造成人员伤亡和设备损失，影响施工周期，重则会影响整个工程方案，甚至造成工程报废。(3)引发环境地质问题。一旦发生大规模的隧洞涌水，不仅施工本身第一章绪论会严重受阻，而且可能引起浅层地下水及地表水枯竭，甚至引起地面塌陷等伴生的环境地质问题

4、。如襄渝铁路中梁山隧道涌水造成地表l4km2范围内的井泉干枯、农田漏水，给当地三个乡的人畜饮水造成极大困难；再如衡广铁路复线的南岭隧道施工涌水、涌泥，连溪河水全部灌入隧道，造成大面积地面塌陷，引起京广线既有铁路和l07国道路基严重下沉一j。也正是由于上述原因，无论是在隧道勘测设计阶段还是施工阶段，涌水都是重点研究和解决的施工地质灾害之一，研究的核心则在于超。-前预测。20世纪50年代后期，日本学者高桥彦治(在修建北陆隧道中)，首次提出了简便的隧道涌水量计算方法。此后，许多学者在涌水(量)的室内模拟和涌水量的计算方法方面进行了大量的研究工作。从60年代后期开始，

5、日本学者伊腾洋、佐腾邦明等利用室内渗流槽对水下隧道的涌水量预测问题进行了模拟试验研究；80年代初，另一日本学者基于模拟试验，提出了隧道涌水量预测的非稳定流方法；前苏联学者阿拉文(V．I．ARVIN)和努米洛夫(S．N．NUMEROV)基于模拟试验结果提出用复数速度势理论计算水底条形渗渠的涌水量。几十年来，国外学者提出了许多涌水量预测模型和试验方法。l987年，日本学者将隧道涌水量的预测方法分为：以经验或统计资料为基础的预测方法、以水力学公式为基础的预测方法和依据水的汇入排出模拟建立的预测方法。我国学者在引进、吸收国外涌水量预测方法的基础上，也提出了一些预测模型

6、。目前，在我国隧道涌水方面所用的模型基本上可以分为：非确定性统计模型、确定性数学模型和随机数学模型三大类。无论采用何种预测模型、什么预测方法(甚至包括比拟法)，隧洞围岩渗透特性都是涌水量、涌水水头压力计算中必须采用或考虑的关键性水文地质参数。从某种程度上可以说，如果查明了围岩渗透性的空间分布，涌水预测问题也就基本解决了。1．3主要研究内容和技术路线收集南水北调东线工程的地质资料(包括区域地质、工程地质，重点是水文地质资料)、工程设计资料(7-程布置、施工方法等)、穿黄探洞设计、施工的资料、探洞维护期资料、除险加固设计施工资料等，第一章绪论对上述资料进行综合分析

7、，根据本工程的特点(隧洞最大的工程地质问题为隧洞施工存在“三水相通问题”)，结合目前国内外水利水电行业隧洞施工涌水问题的研究成果，并参考其它行业(如铁路、公路、矿山及国防等)的资料，运用水文地质学、地下水动力学等理论对本工程隧洞开挖时可能的涌水部位、涌水量以及相应的处理措施进行研究。鉴于自上世纪七十年代开始至今，本工程已积累了大量翔实、全面系统的资料，经过多次国内外专家的论证，而且在八十年代末至九十年代初开挖了穿黄探洞，为隧洞的设计施工奠定了坚实的技术基础。因此本课题研究可行。通过对本课题的研究，进一步完善前人对类似工程的研究成果，达到预测、分析水下隧洞开挖涌

8、水的目的。‘主要研究以下主要内容：(1