富水复杂地层城市隧道地下水连通试验方法及其工程应用研究

论文摘要

在富水复杂地层,如断层破碎带区修建山岭城市隧道,一个很大的问题就是如何防止地下水流失,减少施工对周围水环境的影响。在保证隧道安全开挖的同时,要防止地表湖泊水、库水等通过断层破碎带形成的渗漏通道流入隧道内,造成隧道周围水环境的变化。即使出现轻微渗水,在渗水长期作用下,渗漏通道越变越大,也会造成湖泊、库水流失,而且渗漏水长期浸泡隧道也会影响其结构安全。为了不破坏当地的水土环境以及后期运营不出现安全隐患,隧道的设计和施工要求采取“以堵为主,限量排放”的原则。采取什么措施限量、限量程度、是否有必要对渗漏水部位进行二次注浆以及注浆材料的选择等问题,都需要验证渗漏水是否与隧道上方区域地表水存在明显的水力联系,因而开展在建隧道尤其是修建于富水复杂地层中的山岭城市隧道地下水连通性验至关重要。本文基于富水断层破碎带区修建山岭城市隧道的工程实践,在大量文献资料的调查研究基础上,探讨分析了国内外地下水连通试验技术的种类和适用条件,重点结合Visual MODFLOW有限差分软件系统,建立一种基于连通示踪试验的地下水集中渗漏通道数值模型,分析断层破碎带区地下水溶质运移规律,对基于氢氧稳定性同位素、水化学分析和水样系统聚类分析三种天然示踪以及人工示踪地下水连通试验的方法和机理进行了研究,并结合现场连通试验结果对隧道内渗漏水采取了相应的应对措施。研究结论如下:（1）断层破碎带的构造因素在隧道渗漏水事故中扮演着极为重要的角色,而断层构造的富水性、导水性是有众多因素决定的。当地下水在断层破碎带形成的大裂隙中运动时,其运动形式将更为集中,流动比较快速、受干扰少,沿裂隙的流量较大。（2）Visual MODFLOW软件系统模拟的结果显示,示踪剂投放后,基本上在断层破碎带形成的集中渗漏通道里运移前行,在邻近断层破碎带周围的地层中向外有所扩散,但扩散范围不大,其运动形式相对集中。在不同透水层中,由于渗透系数不同,示踪剂随着地下水运移速度是不同的,在强透水层中运移速度明显比在弱透水层的运移速度要快。（3）数据回归分析得出厦门地区氢氧稳定性同位素大气降水线方程:δD = 7.48δ18O +4.42,相关系数R=0.9926,与我国大气降水线方程相似度较高,可用以判断隧道内渗水、涌水的补给来源。分析得出,隧道内渗水、涌水氢氧稳定性同位素δD与δ18O值落于大气降水线两侧且偏离不大,基本上在一条直线上,说明隧道内渗水、涌水同位素组成特征与大气降水相似,从而表明该区隧道内渗水、涌水起因于大气降水,是由大气降水的入渗补给的。（4）由于Cl-和SO42-具有很强的水迁移能力,其稳定特性可作为天然示踪剂。如果库水与隧道内渗水、涌水中Cl-或SO42-的浓度分别是一样的,说明库水与隧道内渗水、涌水之间的水力联系比较高,反之,如果隧道内渗水、涌水中Cl-或SO42-的浓度比库水低,则两者水力联系弱。试验结果表明,隧道内各渗水、涌水点中的Cl-和SO42-离子浓度低于库水,说明库水与隧道内渗水、涌水水力联系弱。（5）利用派帕三线图进行水化学组成分析,可看出水样的一般化学特征以及各种离子的相对含量。将一个地区的水样标在图上,可以分析地下水化学成分的演变规律。通过分析知,隧道内渗水、涌水的水化学类型为HCO3-—Na+Ca2+型水,大气降水、库水以及隧道内渗水、涌水水样水化学成分在派帕三线图中间菱形区域各分属一块,说明库水与隧道内渗水、涌水水力联系弱,没有补给关系。（6）基于Spass17水样系统聚类分析法,分别采用欧式距离与明科夫斯基距离公式计算样品类与类之间的距离,选取不同的样品指标进行聚类分析得到的聚类结果却是相同的。即隧道内渗水、涌水与大气降水所选取的聚类样品在聚类过程中差异性小,而与库水差异性较大,说明库水与隧道内渗水、涌水不存在水力联系,渗水、涌水补给来源为降水入渗的裂隙潜水。这也验证了基于氢氧稳定性同位素和水化学分析的地下水连通性试验结果。（7）若采用天然示踪连通试验判断出库水与隧道内渗水、涌水之间有补给关系以及水力联系较强的话,还应进行人工示踪连通试验,进一步确认其连通性,查明渗漏通道。试验结果表明库水与隧道内渗水、涌水的水力联系较弱,隧道内渗水、涌水补给来源最终为大气降水入渗的裂隙潜水,也就无需进行人工示踪地下水连通试验了。但鉴于隧道内出现渗漏水的实际情况,施工过程中对渗漏水处采取一定措施进行了治理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 地下水连通示踪方法
• 1.2.1 地下水连通天然示踪方法
• 1.2.2 地下水连通人工示踪方法
• 1.3 本文研究内容与技术路线
• 第二章 富水断层破碎带集中渗漏通道模型研究
• 2.1 断层构造的富水性、导水性分析
• 2.1.1 断层两盘岩性结构
• 2.1.2 断层的工程力学性质
• 2.1.3 断层的活动性
• 2.1.4 断层的规模及空间结构
• 2.1.5 断层破碎带地下水的埋深
• 2.2 断层破碎带地下水集中渗漏通道物理概念模型
• 2.2.1 集中渗漏通道的渗透特性
• 2.2.2 集中渗漏通道物理概念模型
• 2.3 水力连通示踪试验集中渗漏通道模型的数值模拟
• 2.3.1 解决溶质运移问题的Visual MODFLOW 软件系统简介
• 2.3.2 水力连通示踪试验集中渗漏通道数值模型建立
• 2.3.3 数值模拟结果
• 2.4 本章小结
• 第三章 富水断层破碎带城市隧道地下水连通试验方法研究
• 3.1 基于氢氧稳定性同位素的地下水连通试验方法[21,25,34,106-115]
• 3.1.1 稳定同位素质谱测试
• 3.1.2 氢氧稳定性同位素的取样要求
• 3.1.3 氢氧稳定性同位素分布规律
• 3.1.4 应用氢氧稳定性同位素的地下水连通试验原理
• 3.2 基于水化学分析的地下水连通试验方法
• 3.2.1 地下水的水文地球化学特性
• 3.2.2 派帕三线图
• 3.3 水样系统聚类分析
• 3.3.1 系统聚类分析法基本原理
• 3.3.2 系统聚类分析法步骤
• 3.4 基于人工示踪的地下水连通试验方法
• 3.4.1 氯化钠示踪剂简述
• 3.4.2 氯化钠示踪剂检测方法
• 3.4.3 单管流场数学模型
• 3.5 地下水连通综合试验方法
• 3.6 本章小结
• 第四章 富水断层破碎带城市隧道地下水连通现场试验
• 4.1 工程背景[135-136]
• 4.1.1 文兴隧道与东山水库的关系
• 4.1.2 地形、地貌及气候条件
• 4.1.3 工程地质构造
• 4.1.4 水文地质条件
• 4.2 地下水连通试验方案
• 4.3 试验结果分析
• 4.3.1 同位素和水化学组成特征
• 4.3.2 隧道内渗水、涌水成因的同位素及水化学分析
• 4.3.3 隧道内渗水、涌水氢氧稳定性同位素δ值与水化学指标的关系探讨
• 4.3.4 水样系统聚类分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录文兴隧道施工现场照
• 详细摘要