水库蓄水对铁路隧道安全的影响

2019-08-01 06:50尚海敏陈则连李国和
铁道勘察 2019年4期
关键词:蓄水梁山高程

尚海敏 李 翔 陈则连 李国和

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300142)

近年来,随着交通及水利工程的快速发展,我国山区修建了大量水库[1-6]。受线形、地质等因素的限制,某些隧道工程必须穿越水库所在山区。一方面,水库蓄水会对隧道结构稳定性产生影响;另一方面,隧道开挖将成为地表水和地下水新的集水廊道,改变了原有的地下水循环系统,也会影响水库的蓄水功能。目前,已有部分学者就水库蓄水对隧道的安全影响进行了相关研究。刘丹等[7]基于现场调查及资料分析,探讨了华蓥山隧道排水引起的岩溶泉枯竭、水质恶化、水土流失等一系列负效应产生的原因。赵东平等[8]从力学角度分析了水库蓄水对麻石山隧道安全的影响。侯伟等[9]基于GEO-SLOPE,分析了李家河水库对西合高速公路深埋隧道的渗流影响。Alessandro Graziani、Daniela Boldini[11]通过解析法与数值法相结合的方法,分析了深埋隧道应力—渗流耦合下的应力和应变问题[10-11]。段青龙等[12]从水库与隧址区地层岩性、地质构造及渗水特征等方面出发,研究了水库蓄水对隧道安全的影响。以下结合区域地质资料和勘探成果,应用经验理论评价法和数值分析法,分析大梁山隧址区施工期间地下水运移特征变化及重分布状态,定量评价水库蓄满水对隧道安全性的影响。

1 工程概况

大梁山隧道地处大梁山中山区及洪积扇区,走向为NE,是某新建铁路的控制性工程,隧道全长13.395 km,最大埋深为430 m,左侧紧邻在建的怀安县瓦沟台水库。隧址区水文地质条件复杂,沿线地形起伏较大,围岩从Ⅰ级到Ⅴ级均有分布(以Ⅳ级和Ⅴ级为主)。洞身范围内的岩体主要为强风化片麻岩,部分段落为花岗岩、闪长岩、辉绿岩和石英斑岩等,表层岩体受风化影响,呈碎块、砂土状。受阳高-天镇旋卷构造带及断层(约14条)的影响,节理裂隙发育,大部分具中等导水性,构成了隧道周边地下水的集水和导水通道。

瓦沟台水库位于大梁山隧道西北侧瓦沟台与大南沟之间(见图1),坝体两端位于基岩处,坝顶高程为1 038~1 040 m,库底高程为1 025 m,设计坝高15 m。河道宽约200 m,河床覆盖层大于25 m,下伏太古界斜长片麻岩,河谷两侧均出露基岩,水库周围无断裂构造。

图1 模拟区内隧道与水库的平面位置关系

隧道紧邻水库,最上游到隧道的垂直距离为

2.0 km,下游大坝到隧道的垂直距离为2.5 km。隧道底板低于蓄水位(按坝顶高程1 040 m考虑)的里程段为DK55+735~DK57+000段(设计高程为1 018~1 040 m),其中隧道在DK56+724处于F030断层分界(见图2)。

图2 隧址区工程地质纵断面(单位:m)

2 地下水流模型

隧道进口DK55+735~DK56+724段岩性主要为第三系泥岩,透水性差,洞身内几乎无地下水,且该段与水库之间被多条沟谷切断(沟底高程为1 016~1 050 m),起到一定的排水和阻水作用[16]。因此,水库蓄满水对大梁山隧道进口DK55+735~DK56+724段基本无影响。

本次模型范围为平面上围绕大梁山隧道(里程DK56+724~DK59+600),东临F030正断层,西为瓦沟台水库所在水系,南靠大梁山隧道南边的地表分水岭和沟谷,北至山前倾斜平原,总面积约8.63 km2。在垂向上,上部以地表为界,下部以节理裂隙不发育的基岩为界,总体模拟深度约为435 m。隧址区岩体节理裂隙发育,故假定模拟区内地下水运动符合线性达西定律。大气降水是模拟区地下水的主要补给源,山脊构成了隧址区地下水的分水岭。地下水接受大气降水补给后,由大梁山山脊向西北和东北两侧径流。区内构造较多,节理裂隙发育,使得地下水的排泄通道较多,不能以集中式泉水的方式排泄,而是多沿节理裂隙排泄于沟谷,成为区内沟谷地表水的主要来源。采用韩巍等[1]小流域、泉域水均衡法进行计算,确定研究区基岩山区大气降水等效入渗系数约为0.16。当地年均降水量约为665 mm,通过计算可得,大气降水入渗补给量约为106.4 mm/a。基于能量和质量守恒定律,模拟区地下水流数学方程为

(1)

式中,D为渗流区域;H为含水层水位高程/m;K为含水层的渗透系数/(m/d);B为潜水含水层底板高程/m;μ为潜水含水层在潜水面上的重力给水度;W为垂向水量交换强度/(m3/(d·m2));H0(x,y)为含水层的初始水位分布/m;q(x,y,t)为研究区第二类边界上的单宽渗流量/(m2/d);H1为研究区第一类边界已知水头函数/m;n为边界外法线方向;α、β为常数。

采用有限差分方法求解上述数学方程组,模型的识别与验证通过反复试错法完成,以校正模型的主要参数(包括渗透系数、给水度和弹性释水系数)。由于缺乏详尽的地下水位观测资料,模拟区初始稳定流场通过二维渗流有限差分的方法来模拟。本次校正选取了线位上观测孔的稳定水位,拟合结果见图3和表1。

图3 模拟区稳定初始流场(单位:m)

表1 实测水位与计算水位对比

由图3和表1可知,模拟的初始稳定流场与山体表面地形总体一致,反映了地下水的补、径、排特征;与观测孔实测水位对比,观测孔14-ZD-158的水位拟合绝对误差为0.46 m,观测孔14-ZD-153-1的水位拟合绝对误差为0.59 m,拟合误差小于1 m,精度较高。由此优选所得的水文地质参数见表2。水文地质参数与水文地质条件基本相符,能够反映模拟区内地下水含水系统特征。

表2 模拟区水文地质参数值

3 水库蓄水对隧道的影响分析分析

3.1 隧道开挖后地下水位平面分布

在隧道施工过程中,为了防止突水、涌水等灾害的发生,需及时将地下水位控制在隧道洞底以下。隧道DK56+724~DK57+000段洞底高程低于水库蓄满水高程(1 040 m),该段水位降至洞底以下的地下水流运动方向模拟情况如图4所示。由图4可知,地下水位降至洞底后,隧址区形成新的排水通道,周边地下水明显向隧道内汇集,隧道周边的水力坡度明显增大,等水位线分布密集。瓦沟台水库和隧道DK56+724~DK57+000段位于不同的地下水流系统中,它们之间的水力联系并不紧密。从地下水位降深(见图5)也可以看出,水位降深影响半径虽然跨越了大梁山分水岭,但未到达瓦沟台水库。

图4 降低水位后地下水流方向(黑线为从水库至隧道的剖面位置)(单位:m)

图5 降低水位后地下水位降深(单位:m)

3.2 隧道开挖后地下水位剖面分布

为了直观分析水库蓄满水后对周边地下水位的动态变化影响,以水库至隧道DK56+800的剖面为例,分别选取1年、2年、5年、10年来模拟地下水渗流场分布情况,结果见图6。

由图6可以看出,瓦沟台水库蓄满水后,其周边地下水位动态变化特征为初始上升速度较快,随后逐渐变缓直至稳定。

水库与周围地下水之间补排关系:在开始阶段,水库水位高于其周边地下水,在水力梯度作用下,水库水向库岸四周渗流,历时近2年后,水库水位低于其周边地下水,在水力梯度作用下,地下水向水库排泄。通过模拟计算,地下水平均流速为0.009 m/d,地下水从大梁山山脊流动到水库的等效时间约为440年,远大于水力联系发生转变的时间。因此,可以认为出水库水与大梁山山脊东侧地下水水力联系很弱。

图6 水库蓄水后地下水流场

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