深埋岩溶隧道涌水最大水头压力评估

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1、第19卷增刊地球科学进展Vol.19Suppl.2004年6月ADVANCEINEARTHSCIENCESJun.，2004文章编号：1001-8166（2004）增-0363-05곘深埋岩溶隧道涌水最大水头压力评估1211徐则民，黄润秋，范柱国，吴培关（1.昆明理工大学土木工程系，云南昆明650224；2.成都理工大学工程地质研究所，四川成都610059）摘要：深埋隧道涌水最大水头压力的预测具有重要的实际意义。提出了充水水源为地下暗河、充水通道为管状、板状及裂隙网络3种条件下深埋岩溶隧道涌水水头压力的近似计算公式。关键词：深埋隧道；涌水；水头压力中图分类号：P642文献标识码：A近年来，我国

2、铁路、公路系统为了有效地缩短线间的高差，γ为水的容重。路里程、改善运营条件，相继建成了一大批深埋特长工程实践表明，用（1）式估计的涌水压力过于隧道；水电行业也在跨流域调水及大型水电工程中，粗糙。长9.95km的天生桥二级水电站引水隧洞，兴建了许多特长引水隧洞。今后，随着施工技术的岩溶管道水水位高出隧洞底板400m，没有发生大发展，这些特长隧道将会越来越多，长度也将越来越规模涌水，涌水的水头压力也很低；长16.88～［1，2］大。深埋特长隧道所遇到的最主要的灾害问题18.82km的锦屏二级水电站引水隧洞的最大埋深达之一是（涌）突水，而在各类隧道中，以碳酸盐岩中2500m，岩溶管道水位比隧洞标高至

3、少高出400m，的岩溶隧道的涌水问题最为突出，如广渝高速公路勘探平洞3948m处突水，喷水距为35～37m，实测华莹山隧道、川藏公路二郎山隧道等。涌水包括2水头压力达到6.5MPa。也就是说，p与ΔH之间并个方面的问题，第一是涌水量，第二是涌水的水头压非是简单的线性关系，用（1）式来计算水头压力往力。过高的水头压力不仅直接威胁施工人员及设备往是不可靠的。的安全，而且将严重影响衬砌施工。这种现象在岩溶隧道特别是深埋岩溶隧道中表现得尤为突出。主要原因在于岩溶含水层中不仅水量丰富而且分布很不均匀，隧道的大埋深往往使得地下水位高出洞顶几百米。台湾双线高速公路隧道全长12.9km，地下水位高出隧道中线3

4、00m；渝怀线某特长隧道，地下暗河水位高出隧道顶板近400～500m；山西引黄图1多级排泄基准面控制的多序次岩溶水系统工程南干线7号水工隧洞全长47km，最高地下水Fig.1Multi-classKarstwatersystemcontrolledby位高于岩溶隧道300m。到目前为止，隧道涌水压multi-classdischargedatumplanes力还没有象涌水量那样受到人们的普遍关注，一般是用下式对其进行大致的估算岩溶洞穴（管道）发育深度的准确判定是水头p＝ΔHγ（1）压力预测的基础。一般地说，岩溶洞穴发育深度和式中p为水头压力，ΔH为地下水位与隧道标高之岩溶水水平循环带的下限基本

5、上是一致的，该深度收稿日期：2004-04-10．곘*基金项目：教育部科学技术研究重点项目（地方02140）资助．作者简介：徐则民（1963-），男，教授，博士生导师，主要从事斜坡稳定及长大隧道施工地质灾害研究．E-mail：zeminxu＠vip.km169.net）364地球科学进展第19卷以下，由于地下水径流缓慢甚至停滞，岩溶不发育；摩擦阻力，因为τ对称于管轴线，故在流管表面均匀岩溶洞穴发育深度受控于岩溶水排泄基准面的高分布。程，但在某些情况下，由于多级径流系统（图1）的存因为流管内的水流为均匀流，水流作匀速直线在，使得岩溶洞穴发育深度问题变得较为复杂。运动，沿水流方向上各个力相平衡。如

6、果，岩溶洞穴发育深度判断准确的话，用（1）（P1－P2）A＋Gcosθ－τlc＝0式来估计水头压力所产生的误差主要是由于它忽略（P1－P2）A＋γA（z1－z2）－τlc＝0了地下水运移过程中的各类水头损失而产生的。对上式除以γA，得τc[P1][P2]l＝z－z1水的运移与沿程水头损失γ1＋2＋Aγγ任何形式的水流，无论是地下水、地表水还是管对于均匀流，流速沿程不变，故流速水头相等，所以，路水，它们的运动都是在一定的介质中进行的。由从断面1到断面2的水头损失（Δh）为于水是一种粘滞性液体，它在运动过程中必然和介△h＝[zP1]－[zP2]1＋2＋γγ质之间产生摩擦，从而消耗其能量。由于水头是

7、描所以，有述水流能量的最常见的方式，因此，水的运动必然伴［3］cl随水头损失。△h＝τγA－43设流管半径为R，引入常数C＝2×10m/Pa，则有C△h＝lτ（2）R（2）式表明，径流途径上两点之间的水头损失与路径长度和空隙（管）壁的摩擦系数成正比。从（2）式可以写出隧道涌水水头压力的表达式[C]P＝△H－lτγ（3）R[C]τP＝△Hγ1－（4）Rsinα［4］图2沿程水头损失与介质摩擦阻力［4