CN109113788A - 一种岩溶隧道涌水预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩溶隧道涌水预测方法,通过高分辨率的降雨和岩溶地下暗河管道流量的动态监测，掌握不同降雨量、降雨强度条件下岩溶水系统的响应特征，分析确定各岩溶子流域汇流的滞后时间，并将其运用于构建流域水文模型中，有效提高岩溶隧道涌水量的预测精度，可进行地质超前预报，对隧道岩溶水害防治极为重要，克服了以往隧道涌水量评价中的不足，对工程施工更具有实际的指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及岩溶隧道工程突涌水灾害预测防治技术领域，尤其涉及一种岩溶隧道涌水预测方法。
背景技术
近年来，随着山区高速铁路、高速公路隧道工程建设大力开展，为了防止隧道工程建设过程中出现重大突涌水事故，特别是在岩溶地区，岩溶及岩溶水导致的突水、突泥等地质灾害具有突发性和不确定性，对铁路工程构成重大威胁；长期以来岩溶地区隧道涌水量预测的方法和理论一直是水文地质工作者研究的重点和难点。由于岩溶区隧道穿越空间的复杂性、多变性和特殊性，加之地区差异性和水文循环系统的不确定性，致使准确预测岩溶区隧道涌水量大小很困难。
相关技术中，由于模拟者对实际对象的水文地质条件的认知程度和勘察精度不够，以及缺乏长期高精度的水文观测资料，导致预测计算岩溶隧道涌水量的方法和模型预的测结果远达不到实际工程需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种通过高分辨率的降雨和岩溶地下暗河管道流量的动态监测，掌握不同降雨量、降雨强度条件下岩溶水系统的响应特征，分析确定各岩溶子流域汇流的滞后时间，有效提高岩溶隧道涌水量预测精度的岩溶隧道涌水预测方法。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案是，一种岩溶隧道涌水预测方法，包括以下步骤：
(1)对目标区域进行岩溶水文地质调查：对目标区域地质概况、水文地质条件及岩溶发育特征进行查阅资料及实地野外调查，然后进行岩溶流域系统划分；
(2)水文监测工作布设：根据划分的岩溶流域系统设置水文监测站，分别包括降雨监测站、复式矩形流量堰监测站及钻孔水位监测站；
(3)研究区岩溶水系统发育特征：根据所述降雨监测站、复式矩形流量堰监测站及钻孔水位监测站监测得到的流量、降雨量及水位信息得到各子流域汇流滞后时间，并对各洪水期流量衰减规律进行分析，得出岩溶水系统含水介质特征、各储水空间所占比例及各项水文地质参数；
(4)隧道涌水量预测：根据所述岩溶水系统含水介质特征、各储水空间所占比例及各项水文地质参数对隧道涌水量和涌水规律进行预测；
(5)超前地质预报：将隧道涌水量和涌水规律的预测结果传输至终端处理器，对隧道涌水洪峰流量和滞后时间进行超前地质预报。
优选地，所述岩溶流域系统划分为单级岩溶流域系统、双级岩溶流域系统或多级岩溶流域系统。
优选地，根据建立的所述流域水文模型对隧道涌水量和涌水规律进预测模拟，拟合得到系统汇总流量预测；并得到校订洪峰滞后时间与降雨强度关系。
与相关技术比较，本发明实施例提供的技术方案的有益效果是，本发明实施例的一种基于分布式流域水文模型的岩溶隧道涌水预测方法，对目标岩溶区域进行地质调查、划分岩溶流域系统、布设高分辨率水文监测站，通过水文监测站监测降雨量、流量、水位等信息对降雨-地下水文响应特征进行分析研究，得到精确的岩溶水系统的水文地质参数，将得到的水文地质参数运用于水文模型之中，大大提高了岩溶隧道涌水量的精度，同时还得到了隧道涌水的过程曲线，其中的峰值流量以及峰值滞后时间这两个关键参数，并传输至终端处理器进行地质超前预报，对隧道岩溶水害防治极为重要，克服了以往隧道涌水量评价中的不足，对工程施工更具有实际的指导意义。
附图说明
图1是本发明实施例的方法流程示意图；
图2是本发明实施例的单级岩溶流域系统示意图；
图3是本发明实施例的双级岩溶流域系统示意图；
图4是本发明实施例的多级岩溶流域系统示意图；
图5是本发明实施例的复式矩形堰流量监测站结构示意图；
图6是本发明实施例的流量衰减曲线及分段示意图；
其中：降雨监测站1、复式矩形堰流量监测站2、复式矩形流量堰21、监测装置22、钻孔水位监测站3、左侧堰体4、右侧堰体5、基底6、复式矩形堰口7、第一层薄壁堰口71、第二层砌砖堰口72、不锈钢板73、水位监测装置孔8、不锈钢管81、小孔82。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，一种岩溶隧道涌水预测方法，包括以下步骤：
(1)对目标区域进行岩溶水文地质调查：对目标区域地质概况、水文地质条件及岩溶发育特征进行查阅资料及实地野外调查，然后进行岩溶流域系统划分；
参照附图2、3、4，具体地，所述岩溶流域系统划分根据圈定分水岭后确定的汇水面积进行划分；所述岩溶流域系统划分为单级岩溶流域系统、双级岩溶流域系统或多级岩溶流域系统；所述单级岩溶流域系统即仅有一个流域系统，所述双级岩溶流域系统为两个子流域系统，所述多级岩溶流域系统有多个子流域系统；
(2)水文监测工作布设：根据划分的岩溶流域系统设置水文监测站，所述水文监测站分别包括降雨监测站1、复式矩形流量堰监测站2及钻孔水位监测站3；根据单级岩溶流域系统、双级岩溶流域系统或多级岩溶流域系统设置相应的水文监测站；在所述岩溶流域系统中设置一个钻孔水位监测站3、降雨监测站1，相应的流域系统均设置一个复式矩形流量堰监测站2；
参照附图5，具体地，所述复式矩形堰流量监测站2包括复式矩形流量堰21及监测装置22，所述复式矩形流量堰21包括左侧堰体4、右侧堰体5和基底6，所述左侧堰体4与右侧堰体5为对称结构，所述左侧堰体4包括紧邻河沟岸的矩形结构及呈阶梯型的矩形结构；所述左侧堰体4、右侧堰体5和基底6形成复式矩形堰口7，所述监测装置12位于所述复式矩形堰口7的上游；所述监测装置22的监测步长为5min，水位监测的精度为1mm，通过复式矩形流量堰21的监测的水位变化得到各级流域系统的水流量、降雨量数据信息；
所述复式矩形堰口7的上游挖设有水位监测装置孔8，所述水位监测装置孔8中埋设不锈钢管81，所述不锈钢管81的管身上均匀设置小孔82，所述不锈钢管81中安装所述监测装置22；所述不锈钢管81的外径为5cm，壁厚4mm；
所述复式矩形堰口7包括第一层薄壁堰口71、第二层砌砖堰口72，所述第一层薄壁堰口71采用不锈钢板73制作成薄壁堰口；所述不锈钢板的厚度为3mm～5mm；所述第二层砌砖堰口72的厚度为9cm～11cm；
(3)研究目标区域岩溶水系统发育特征：根据所述降雨监测站1、复式矩形流量堰监测站2及钻孔水位监测站3监测得到的流量、降雨量及水位信息得到各子流域汇流滞后时间，并对各洪水期流量衰减规律进行分析，得出岩溶水系统含水介质特征、各储水空间所占比例及各项水文地质参数；
具体地，将监测的降雨量、水流量、水温及水位数据信息传输至终端处理器进行数据处理，计算入渗系数、滞后时间、地下水径流模数进行岩溶含水介质特征识别；
通过所述复式矩形流量堰21监测的信息得到流量数据，所述入渗系数为流量与汇水面积之比；所述洪峰滞后时间为总流域系统洪峰出现时间与子流域系统洪峰出现时间之差；地下水径流模数为总流域系统的流量与汇水面积之比；
流量根据所述复式矩形流量堰21的堰前水位与最大堰顶高度之间的关系采用不同的计算方式；当所述堰前水位小于最大堰顶高度采用公式(1)计算流量，所述堰前水位大于最大堰顶高度采用公式(2)计算流量；
其中：Q为流量，单位为每秒每立方米；m为流量系数；B1为所述第一层薄壁堰口71的宽度，单位为米；B2为所述第二层砌砖堰口72的宽度，单位为米；g为重力加速度；H为堰前水位，单位为米；P1为所述第一层薄壁堰口71对应的小堰上游坎高，单位为米；h1为最大堰顶高度，单位为米；P2为所述第二层砌砖堰口72对应的大堰上游坎高，单位为米；
所述岩溶含水介质特征通过暗河流量衰减方程(3)中的衰减系数α识别；
其中：衰减期任意时刻—t；衰减开始时刻—t0；t时刻相应的流量—Qt；t0时刻相应的流量—Q0；衰减系数—α；
得到衰减系数为：
其中，α的范围为n×10-1～n×10-4；
参照附图6，由于岩溶含水介质的高度非均质性，根据衰减系数值将岩溶水的衰减动态分解为若干个衰减段，判断岩溶水水流状态；
AB段：曲线较陡，α值较大，在n×10-1～n×10-2之间，表明在流量衰减初期各种泄水通道的总和，但水量主要来自大型的岩溶管道和地下暗河或洞穴的快速排泄，地下水流速大，流量衰减快，持续时间较短，仅几天至十几天，水流常呈现紊流状态；
BC段：曲线坡度较AB段有所变缓，α值也相应减小，一般在n×10-2～n×10-3之间；表明相应的反映来自大型岩溶管道和洞穴的水量有限，主要排泄的是岩溶化的大裂隙及其他溶洞裂隙系统的水，由于流量衰减速度减小，使得该段可以保持较长期的衰减趋势；
CD段：坡度变得更缓，其α值也更小，大多在n×10-3～n×10-4之间，表明地下水水力坡度大大减缓，以层流为主，主要是排泄细小裂隙、层间裂隙、节理中的储水；由于排泄速度进一步减慢，因而延长期比前两亚动态更长；
DE段：曲线趋于水平，α值最小，一般为n×10-4数量级甚至更小，相当于较稳定的排泄充满于细小裂隙系统及洞穴充填物孔隙中的水；
利用地下暗河或流量衰减曲线分析含水层储水空间的性质及其各占总储水量的比例；
由dV＝-Qtdt (5)
当t＝0时V＝0 (6)
故
如果衰减曲线是由几个亚动态迭加，则应为其积分之和，各亚动态贮水量(Vi)对总贮水量(V0)的百分比为：
(4)隧道涌水量预测；根据所述岩溶水系统含水介质特征、各储水空间所占比例及各项水文地质参数对隧道涌水量和涌水规律进行预测；
所述洪峰滞后时间与降雨强度关系为y＝-7.362ln(x)+17.564，y为滞后时间，x为降雨强度；通过岩溶水系统含水介质特征、各储水空间所占比例及各项水文地质参数建立分布式水文模型，根据各项参数数据利用上述水文模型进行隧道涌水量和涌水规律的预测；
(5)超前地质预报；将隧道涌水量和涌水规律的预测结果传输至终端处理器，对隧道涌水洪峰流量和滞后时间进行超前地质预报。对隧道工程选线、线路调整及后期施工设置可提出更合理的指导建议以及对隧道施工现场的合理时间安排，提高安全性。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种岩溶隧道涌水预测方法，包括以下步骤：
(1)对目标区域进行岩溶水文地质调查：对目标区域地质概况、水文地质条件及岩溶发育特征进行查阅资料及实地野外调查，然后进行岩溶流域系统划分；
(2)水文监测工作布设：根据划分的岩溶流域系统设置水文监测站，分别包括降雨监测站、复式矩形流量堰监测站及钻孔水位监测站；
(3)研究区岩溶水系统发育特征：根据所述降雨监测站、复式矩形流量堰监测站及钻孔水位监测站监测得到的流量、降雨量及水位信息得到各子流域汇流滞后时间，并对各洪水期流量衰减规律进行分析，得出岩溶水系统含水介质特征、各储水空间所占比例及各项水文地质参数；
(4)隧道涌水量预测：根据所述岩溶水系统含水介质特征、各储水空间所占比例及各项水文地质参数对隧道涌水量及涌水规律进行预测；
(5)超前地质预报：将隧道涌水量及涌水规律的结果传输至终端处理器，对隧道涌水洪峰流量和滞后时间进行超前地质预报。
2.根据权利要求1所述的一种岩溶隧道涌水预测方法，其特征是，步骤(1)中，所述岩溶流域系统划分为单级岩溶流域系统、双级岩溶流域系统或多级岩溶流域系统。
3.根据权利要求1所述的一种岩溶隧道涌水预测方法，其特征是，步骤(2)中，所述复式矩形堰流量监测站包括复式矩形流量堰及监测装置，所述复式矩形流量堰包括左侧堰体、右侧堰体和基底，所述左侧堰体与右侧堰体为对称结构，所述左侧堰体包括紧邻河沟岸的矩形结构及呈阶梯型的矩形结构；所述左侧堰体、右侧堰体和基底形成复式矩形堰口，所述监测装置位于所述复式矩形堰口的上游。
4.根据权利要求3所述的一种岩溶隧道涌水预测方法，其特征是，步骤(2)中，所述复式矩形流量堰监测站监测的流量根据所述复式矩形流量堰的堰前水位与最大堰顶高度之间的关系采用不同的计算方式；当所述堰前水位小于最大堰顶高度采用公式(1)计算流量，所述堰前水位大于最大堰顶高度采用公式(2)计算流量；
其中：Q为流量，单位为每秒每立方米；m为流量系数；B1为所述复式矩形堰口的第一层薄壁堰口的宽度，单位为米；B2为所述复式矩形堰口的第二层砌砖堰口的宽度，单位为米；g为重力加速度；H为堰前水位，单位为米；P1为所述复式矩形堰口的第一层薄壁堰口对应的小堰上游坎高，单位为米；h1为最大堰顶高度，单位为米；P2为所述复式矩形堰口的第二层砌砖堰口对应的大堰上游坎高，单位为米。
5.根据权利要求4所述的一种岩溶隧道涌水预测方法，其特征是，步骤(3)中，所述岩溶含水介质特征通过暗河流量衰减方程中的衰减系数值进行识别；所述暗河流量衰减方程及为：
其中：衰减期任意时刻--t；：衰减开始时刻--t0；t时刻相应的水流量--Qt；t0时刻相应的水流量--Q0；衰减系数—α；
得到衰减系数为：
其中，α的范围为n×10-1～n×10-4。
6.根据权利要求5所述的一种岩溶隧道涌水预测方法，其特征是，步骤(3)中，所述储水空间所占比例通过各亚动态贮水量(Vt)对总贮水量(V0)进行计算得到；所述亚动态贮水量(Vt)及总贮水量(V0)为：
各储水空间所占比例Ki为：
7.根据权利要求6所述的一种岩溶隧道涌水预测方法，其特征是，步骤(4)中，根据所述岩溶水系统含水介质特征、各储水空间所占比例及各项水文地质参数得到所述洪峰滞后时间与降雨强度关系为y＝-7.362ln(x)+17.564，y为滞后时间，x为降雨强度。
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