CN102930357B - 岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法，其包括：（1）计算点雨量；（2）根据点雨量确定面雨量；（3）根据面雨量计算净雨量；（4）计算时段单位线；（5）根据时段单位线计算净雨时段单位线；（6）根据净雨量和净雨时段单位线计算地面径流；（7）计算地下径流；（8）将各时段的地面径流与相应时段的地下径流相加得到洪水量；（9）对洪水量的值进行拟合得到洪水过程线；（10）从洪水过程线上获得洪峰峰值及对应的峰值时间，并根据洪峰峰值及对应的峰值时间确定岩溶隧道的施工时间。本发明能准确预测隧道内涌水洪峰峰值以及洪峰到达时间，从而能合理安排隧道施工时间，保证人员的生命安全和机械设备的安全。

Description

岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法

技术领域

本发明涉及地下岩溶隧道暗河暴雨径流过程以及涌水预警领域，尤其涉及一种岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法。

背景技术

铁路隧道施工时，通常会遭遇岩溶地下河系统。岩溶地下河系统通常以岩溶洞穴等多种岩溶空隙介质体为主，其形态结构和地表河流具有一定的相似性，符合地表水系的发育、形成和演化规律，地下河流量动态变化特征与地表水流也具有很好的相似性，都具有流量大、流速快、洪峰在数小时内完成的特点。在隧道施工的过程中，隧道袭夺了地下河原径流途径，岩溶地下河水成为隧道涌水最主要的水源。因而，在隧道施工的过程中，实时进行涌水洪水预报、提高洪水预报系统的精度和增长预见期是施工阶段防洪减灾和安全生产的核心。

目前，常用的对隧道涌水量进行预测的方法是降雨入渗法、地下水动力学法等传统方法。然而，采用传统的水文地质隧道涌水量预测方法来实现岩溶隧道涌水洪峰峰值及峰值时间时，无论在理论、方法和技术手段等方面都遇到了挑战。

因此，有必要提供一种岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法，能准确预测隧道内涌水洪峰峰值以及洪峰到达时间，从而根据预测的洪峰峰值和洪峰到达时间，安排隧道施工时间，进而保证施工人员的生命安全以及施工机械设备的安全，为隧道的安全快速掘进和保证隧道如期贯通创造条件。

为了实现上述目的，本发明提供了一种岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法，包括如下步骤：(1)计算点雨量；(2)根据点雨量确定面雨量；(3)根据面雨量计算净雨量；(4)计算时段单位线；(5)根据时段单位线计算净雨时段单位线；(6)根据净雨量和净雨时段单位线计算地面径流；(7)计算地下径流；(8)将各时段的地面径流与相应时段的地下径流相加得到洪水量；(9)对洪水量的值进行拟合得到洪水过程线；(10)从洪水过程线上获得洪峰峰值及其对应的峰值时间，并根据洪峰峰值及其对应的峰值时间确定岩溶隧道的施工时间。

较佳地，所述步骤(1)具体为：根据公式计算点雨量，其中，为1、6、24小时的点暴雨量均值，k_p为皮尔逊Ⅲ型频率曲线的模比系数。

较佳地，所述步骤(2)包括：(21)根据地形图按照1:5000的比例量算出岩溶隧道附近流域的流域面积；(22)当流域面积＜25km²时，H_t面＝H_t点，其中，H_t面为面雨量，H_t点为点雨量；当流域面积≥25km²且10分钟≤t＜60分钟时，当流域面积≥25km²且1小时≤t＜6小时时，当流域面积≥25km²且6小时≤t≤24小时时，在公式(a)、公式(b)和公式(c)中， H_t面为面雨量，H_24面为24小时的设计面暴雨量，H_1面为1小时的设计面暴雨量，H_6面为6小时的设计面暴雨量，H_10′面为10分钟时的设计面暴雨量。

较佳地，所述步骤(3)具体为：根据公式计算净雨量，其中，H_t面为面雨量，I₀为初损雨量且为24小时的总径流深，Δt为净雨时段。

较佳地，所述步骤(4)包括：(41)根据地形图按照1:5000的比例算出岩溶隧道附近流域的主河道长度和主河道平均比降；(42)根据公式计算第一汇流参数，其中，F为岩溶隧道附近流域的流域面积，L为岩溶隧道附近流域的主河道长度，J为岩溶隧道附近流域的主河道平均比降，F_天为岩溶隧道附近流域的天坑率；(43)根据公式p₁＝0.69F^0.224J^0.092计算第二汇流参数，其中，F为岩溶隧道附近流域的流域面积，J为岩溶隧道附近流域的主河道平均比降；(44)根据公式计算瞬时单位线，其中，k为线性水库的调蓄系数且Γ(n)为n的伽马函数；n为线性水库的个数；(45)根据公式计算时段单位线，其中，u(0·t)为瞬时单位线，u(0·(t-Δt))为错开一个时段的瞬时单位线。

较佳地，根据公式计算净雨时段单位线，其中，F为岩溶隧道附近流域的流域面积，h为净雨深度，u(Δt·t)为时段单位线。

较佳地，所述步骤(6)具体为：通过净雨时段单位线q(Δt·t)分别乘以顺次错开一个时段的各段净雨量的值相加计算地面径流。

较佳地，所述步骤(7)具体为：当t≤T时，根据公式计算地下径流；当t＞T时，根据公式Q_t＝Q_g·e^-β(t-T)计算地下径流；在上述两个式子中，Q₀为起涨流量且Q_g为地下径流洪峰值且f_c为稳渗率且 为24小时的总径流深，F为岩溶隧道附近流域的流域面积，t_c为净雨历时，β为退水指数且β＝0.133F^-0.28,T为地面径流过程线底宽且T＝t_c+D-Δt,D为时段Δt的单位线底宽。

与现有技术相比，本发明的岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法具有以下优点：

1、采用的模型结构简单、计算方便且所需的原始资料数据比较容易获得；

2、充分考虑到铁路隧道岩溶地下河(也称“暗河”)流量动态变化特征，在流域尺度范围内，对降雨径流形成过程进行综合模拟，从而实现了流域水文响应的目的；

3、可根据降水量、通过获得的洪水过程线预测涌水量、涌水量峰值、涌水量峰值到达的时间、涌水量峰值过后的衰减规律以及水压动态等给出进洞、出洞规避的建议，以保证施工人员的生命安全以及施工机械设备的安全，从而为隧道的安全快速掘进和保证隧道如期贯通创造条件；

4、可进行实时涌水预报，以提高洪水预报系统精度和增长预见期，为施工阶段防洪减灾和安全生产提供保障；

5、可预测铁路岩溶隧道地下河降雨洪峰峰值涌水量及峰现时间，以达到安全预警、保障施工安全作业的重要作用；

6、将流域水文模型法应用到岩溶区隧道涌水量的预测中，是一种新的尝试，该方法应用于复杂深埋岩溶隧道突水洪峰预警时间预测为国内首创且对类似隧道暗河涌水预测具有借鉴作用和推广价值。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法的主流程图。

图2为采用本发明宜万铁路岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法获得的中鹿箐隧道洪水过程曲线的示意图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

参考图1，本实施例岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法包括如下步骤：

步骤S1，根据公式计算点雨量，其中，为1、6、24小时的点暴雨量均值，k_p为皮尔逊Ⅲ型频率曲线的模比系数；

步骤S2，根据地形图按照1:5000的比例量算出岩溶隧道附近流域的流域面积；

步骤S3，当流域面积＜25km²时，H_t面＝H_t点，其中，H_t面为面雨量；

当流域面积≥25km²且10分钟≤t＜60分钟时，

当流域面积≥25km²且1小时≤t＜6小时时，

当流域面积≥25km²且6小时≤t≤24小时时，

在公式(a)、公式(b)和公式(c)中， H_t面为面雨量，H_24面为24小时的设计面暴雨量，H_1面为1小时的设计面暴雨量，H_6面为6小时的设计面暴雨量，H_10′面为10分钟时的设计面暴雨量；

步骤S4，根据公式计算净雨量，其中，H_t面为面雨量，I₀为初损雨量且I₀＝22.5,为24小时的总径流深，Δt₀为净雨时段；

步骤S5，计算时段单位线；

步骤S6，根据公式计算净雨时段单位线，其中，F为岩溶隧道附近流域的流域面积，h为净雨深度，u(Δt·t)为时段单位线；

步骤S7，通过净雨时段单位线q(Δt·t)分别乘以顺次错开一个时段的各段净雨量的值相加计算地面径流；

步骤S8，当t≤T时，根据公式计算地下径流；

当t＞T时，根据公式Q_t＝Q_g·e^-β(t-T)计算地下径流；

在上述两个式子中，Q₀为起涨流量且Q_g为地下径流洪峰值且f_c为稳渗率且 为24小时的总径流深，F为岩溶隧道附近流域的流域面积，t_c为净雨历时，β为退水指数且β＝0.133F^-0.28,T为地面径流过程线底宽且T＝t_c+D-Δt,D为时段Δt的单位线底宽；

步骤S9，将各时段的地面径流与相应时段的地下径流相加得到洪水量；

步骤S10，对洪水量的值进行拟合得到洪水过程线。

步骤S11，从洪水过程线上获得洪峰峰值及其对应的峰值时间，并根据洪峰峰值及其对应的峰值时间确定岩溶隧道的施工时间。

需要说明的是，步骤S1中的1、6、24小时的点暴雨量均值可从各省市的“暴雨统计参数图集”中的“1、6、24小时点暴雨均值和变差系数C_v等值线图”中查得。k_p可从“皮尔逊Ⅲ型频率曲线k_p值表”中查得。步骤S2中的岩溶隧道附近流域的流域面积指隧道涌水点断面以上地下河的集水面积，单位为km²。步骤S3中，H_1面、H_6面和H_24面可从“1、6、24小时设计暴雨参数表”上查得。H_10′面可从各省市“最大十分钟点雨量等值线图”上查得。步骤S4中，可从“暴雨统计参数图集”中查得，Δt为根据实际情况人为设定。步骤S5中，S(t)和S(t-Δt)可从“暴雨统计参数图集”中的“S(t)曲线查算表”中获得。步骤S7具体为先计算顺次错开一个时段的多个时间段的净雨量，再用净雨时段单位线q(Δt·t)分别乘以上述多个时间段的净雨量，最后计算它们的和即得地面径流。

步骤S5具体包括：

S51，根据地形图按照1:5000的比例算出岩溶隧道附近流域的主河道长度和主河道平均比降；

S52，根据公式计算第一汇流参数，其中，F为岩溶隧道附近流域的流域面积，L为岩溶隧道附近流域的主河道长度，J为岩溶隧道附近流域的主河道平均比降，F_天为岩溶隧道附近流域的天坑率；

S53，根据公式p₁＝0.69F^0.224J^0.092计算第二汇流参数，其中，F为岩溶隧道附近流域的流域面积，J为岩溶隧道附近流域的主河道平均比降；

S54，根据公式计算瞬时单位线，其中，k为线性水库的调蓄系数且Γ(n)为n的伽马函数；n为线性水库的个数；

S55，根据公式计算时段单位线，其中，u(0·t)为瞬时单位线，u(0·(t-Δt))为错开一个时段的瞬时单位线。

需要说明的是，步骤S51中，岩溶隧道附近流域的主河道长度是指隧道涌水点沿地下河主管道至地表分水岭的长度，单位为km；岩溶隧道附近流域的主河道平均比降是指主河道各高程转折点分段坡降的加权平均值，单位为‰。步骤S51中，岩溶隧道附近流域的天坑率可通过统计计算得到。

下面以宜万铁路中鹿箐隧道施工为例，详细说明一下本发明岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法。

宜万铁路穿越深山峻岭、地形险峻、沟壑纵横、地质复杂，是我国铁路建设史上地质最复杂、施工最困难的一条铁路，尤其是野三关、大支坪、云雾山、马鹿箐、齐岳山等长大深埋岩溶隧道，其水文地质条件复杂，岩溶及地下水发育，施工风险巨大，被国内专家定为I类风险隧道。在如此复杂的地质环境下修建隧道，被工程界、地质界多位院士和专家称为世界级难题。

中铁第四勘察设计院集团有限公司负责宜万铁路的勘察与设计工作，为解决世界级的难题，特别是隧道涌水预测的问题，尝试采用了一些新的方法取得了很好的效果。马鹿箐隧道施工至PDK255+978时遭遇地下暗河，涌水不断，特别是雨后发生突发性涌水达19次之多，施工安全受到了极大的威胁，其安全预警就是一个重要问题，后应用本发明的岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法预测其暗河峰值涌水量及发生时间，到达了提前预警的作用。

PDK255+978溶腔岩溶水系统隶属于小溪河地下河系统上游箐口子系统的分支－小马滩地下河系统，溶腔埋深386m、顶板标高1014m。小马滩地下河系统上游油竹坪岩溶台原、洼地区为补给区，岩溶台原、洼地区出露地层与溶腔为同一地层，大气降水通过多个洼地内发育的岩溶裂隙、落水洞、溶缝等岩溶形态渗入地下，于小马滩沟南约1.0km处的溶洞(标高约1375m)流出地表，又由小马滩落水洞伏流沟谷之下，经凉风洞竖井、龙潭天窗到蝌蚂口(标高989m)流出地面，长度约7.5km。

以2009年5月12日暴雨引发突水为例。2009年5月12日6：00开始降雨，8：00～9：00降雨16.5mm，9：00～10：00降雨23.2mm，至21：00累计降雨71.4mm。12日上午，泄水洞水位在9：25突然增大至1.2m(31312.8m³/h)，洪峰水位最高达到3.3m(14.28×104m³/h)，持续约30min后，流量开始减小，11：50流量6.74×104m³/h，至13日8：00，流量3900m³/h，估算泄水总量约80×104m³。

一、确定流域参数

泄水洞“+978”溶腔至小马滩落水洞、再至小马滩沟头小马滩地下河出口总长度6750m即主河道长度为6750m，流域面积为8.83km²，主河道平均比降38.55‰，流域内岩溶面积为7.5km²，天坑率为85％。

二、计算点雨量和面暴雨量

12日降雨71.4mm，与频率75％雨量76mm相当。点暴雨和面暴雨的参数从《湖北省暴雨统计参数图集》获得。计算得到的点雨量和面暴雨量参见表1。

表1频率75％的点雨量及面雨量表

三、计算净雨量

流域面积小于20km²，净雨历时t_c选取6小时，净雨时段Δt₀＝30分钟，设计雨型选用《湖北省暴雨径流查算图表》中地区综合概化雨型。净雨过程采用6小时雨量不扣初损只扣稳损。计算得到的净雨量参见表2。

表2净雨量计算表

四、汇流计算

汇流计算包括时段单位线、净雨时段单位线、地面径流和地下径流的计算以及洪水过程线的计算。

本流域属湖北省第十水文分区(清江流域、恩施地区)，汇流参数m₁、n₁和k分别为：m₁＝1.87，n₁＝1.573，k＝1.189。

根据汇流参数按瞬时单位线法计算无因次单位线并转换为时段单位线配以相应的净雨过程，推求地面径流过程。地下径流由经验公式计算。将地面径流过程与地下径流过程叠加即可得到设计洪水过程，计算结果参见表3。

表3设计洪水过程表

五、设计洪水过程曲线

按照前述方法设计的洪水过程曲线即隧道“+978”突水过程曲线参见图2。如图2所示，突水洪峰出现在开始降雨的雨后4小时，洪峰流量17.2万m³/h，计算泄水总量63万m³，洪水过程约16.5小时。设计频率P从99.99～20％的洪峰流量参见表4。

2009年5月12日降雨71.4mm，据表4，洪峰流量为16.31*10⁴m³/h，与实际突水过程相比，计算峰现时间同实际峰现时间4小时，峰值流量误差12.4％，计算精度级别相当“A”级。

表4马鹿箐隧道泄水洞设计频率洪水流量表(不扣初损I_m＝0)

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (5)

1.一种岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法，包括如下步骤：

(1)计算点雨量；

(2)根据点雨量确定面雨量，该步骤具体包括：

根据地形图按照1:5000的比例量算出岩溶隧道附近流域的流域面积，

当流域面积＜25km²时，H_t面＝H_t点，其中，H_t面为面雨量，H_t点为点雨量；

当流域面积≥25km²且10分钟≤t＜60分钟时，

当流域面积≥25km²且1小时≤t＜6小时时，

当流域面积≥25km²且6小时≤t≤24小时时，

在公式(a)、公式(b)和公式(c)中， H_t面为面雨量，H_24面为24小时的设计面暴雨量，H_1面为1小时的设计面暴雨量，H_6面为6小时的设计面暴雨量，H_10′面为10分钟时的设计面暴雨量；

(3)根据面雨量计算净雨量，该步骤具体为：

根据公式计算净雨量，其中，H_t面为面雨量，I₀为初损雨量且I₀＝22.5,为24小时的总径流深，Δt为净雨时段；

(4)计算时段单位线，该步骤具体为：

根据地形图按照1:5000的比例算出岩溶隧道附近流域的主河道长度和主河道平均比降；

根据公式计算第一汇流参数，其中，F为岩溶隧道附近流域的流域面积，L为岩溶隧道附近流域的主河道长度，J为岩溶隧道附近流域的主河道平均比降，F_天为岩溶隧道附近流域的天坑率；

根据公式p₁＝0.69F^0.224J^0.092计算第二汇流参数，其中，F为岩溶隧道附近流域的流域面积，J为岩溶隧道附近流域的主河道平均比降；

根据公式计算瞬时单位线，其中，k为线性水库的调蓄系数且Γ(n)为n的伽马函数；n为线性水库的个数；

根据公式计算时段单位线，其中，u(0·t)为瞬时单位线，u(0·(t-Δt))为错开一个时段的瞬时单位线；

(5)根据时段单位线计算净雨时段单位线；

(6)根据净雨量和净雨时段单位线计算地面径流；

(7)计算地下径流；

(8)将各时段的地面径流与相应时段的地下径流相加得到洪水量；

(9)对洪水量的值进行拟合得到洪水过程线；

(10)从洪水过程线上获得洪峰峰值及其对应的峰值时间，并根据洪峰峰值及其对应的峰值时间确定岩溶隧道规避风险的施工时间。

2.如权利要求1所述的岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：

根据公式计算点雨量，其中，为1、6、24小时的点暴雨量均值，k_p为皮尔逊Ⅲ型频率曲线的模比系数。

3.如权利要求2所述的岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：

根据公式计算净雨时段单位线，其中，F为岩溶隧道附近流域的流域面积，h为净雨深度，u(Δt·t)为时段单位线。

4.如权利要求3所述的岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法，其特征在于，所述步骤(6)具体为：

通过净雨时段单位线q(Δt·t)分别乘以顺次错开一个时段的各段净雨量的值相加计算地面径流。

5.如权利要求4所述的岩溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值时间的预测方法，其特征在于，所述步骤(7)具体为：

当t≤T时，根据公式计算地下径流；

当t＞T时，根据公式Q_t＝Q_g·e^-β(t-T)计算地下径流；

在上述两个式子中，Q₀为起涨流量且Q_g为地下径流洪峰值且f_c为稳渗率且 为24小时的总径流深，F为岩溶隧道附近流域的流域面积，t_c为净雨历时，β为退水指数且β＝0.133F^-0.28,T为地面径流过程线底宽且T＝t_c+D-Δt,D为时段Δt的单位线底宽。