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隧洞涌突水数值法预测研究现状及存在问题(3)

来源:工程勘察 作者:赵贵清;陈舟;周云;陈
发布于:2017-06-26 共13993字
  2. 2 突水预测。
  
  深埋隧洞涌突水现象对工程建设和施工人员的生命安全造成了严重的威胁,如果不能做出准确的预测,会造成不可挽回的后果。例如很多研究都没有考虑断层带、局部富水区、软弱夹层等非正常条件下涌水量计算,而这恰恰对在实际工程中减轻涌水危害极其重要。而且在进行数值模拟预测涌突水研究过程中要考虑隧道整体开挖,仅仅选取其中的某一段会带来一定的误差。因此这方面的研究变得不可或缺,Molinero[36]( 2002) 提出了一种动态模拟隧洞开挖过程中水文地质瞬态情况的数值模拟方法,成功模拟了sp硬岩实验室隧道的地下水渗流和水头特征。王芃 ( 2008)[37]在南梁隧道涌突水预测的数值模拟研究中将工程措施作为约束条件代入初始的数学模型,并对工程措施的有效性进行了量化评估。刘玮 ( 2014)[38]通过 MIDAS GTS 和FLAC3D程序,采用实体单元模拟隧道地层,进行流固耦合计算,在此基础上对隧道突水模型试验中隧道突水全过程进行了模拟,并对隧道突水过程中的结构应力等进行了分析。
  
  深埋隧洞突水具有随机性、复杂性和难以预测等特性,单一预测涌水量多少很难对施工有良好的指导意义。在勘测设计到施工的整个过程中都要进行隧道涌水预测计算,要不断反馈修正设计阶段的计算成果,来完善隧道涌水预测的准确性,从而提高涌水预报效果[39].
  
  2. 3 涌水量预测。
  
  深埋隧洞涌水量预测数值法的研究步骤为: 详细分析研究区水文地质和工程地质条件; 研究裂隙介质、岩溶等在平面和垂向上的发育规律; 计算水文地质参数 ( 包括渗透系数等) ; 建立含水介质空间结构模型 ( 二维渗流模型、三维渗流模型) ; 建立水文地质概念模型和数学模型 ( 边界条件的概化、模型的时间和空间离散) ; 预测涌水量; 检验校正和评估。
  
  在结合数值模拟软件对隧洞涌水量预测的过程中,众多学者尝试采取各种方法预测涌水量并提高其预 测 的 准 确 性,其 中 ModFlow 软 件 应 用 广泛[40 ~41].王建秀、杨立中等 ( 2001)[42]提出了用试算流量法计算深埋隧道涌水量,并建立了岩溶区涌突水的典型数学模型。根据变分有限元原理,最后推导出试算流量法离散方程,试算流量法的假定条件是隧道突水后没有采取堵水措施,隧道排水时间可以无限延长并且排放为主,水源补给主要来源于两侧,该方法对预测隧道的长期最大涌水量更加适用。毛邦燕 ( 2005)[43]利用有限差分数值模拟方法并借助地下水模拟软件 ModFlow 成功模拟了复杂岩溶介质矿井涌水量,得出了煤田区各矿井不同时间段、不同开采水平的涌水量预测。刘国、毛邦燕等 ( 2007)[32]利用 Visual-ModFlow 软件对合山煤田矿井涌水量进行了数值模拟,其对模型的边界条件、模型的时间和空间离散、含水介质的水文地质参数确定进行了重点研究和探讨,提出了一种涌水量预测检验标准,该标准利用数学模型的反馈调节功能,通过调试涌水量与水位拟合。刘永良等( 2009)[44]以放水试验及其所取得的大量观测数据为基础,建立了岩溶水 Visual-ModFlow 三维渗流数值模型,模拟了放水试验形成的渗流场及水位动态变化,正确预测了设计疏降水平涌水量。
  
  深埋隧洞的地质条件往往非常复杂,以上任何步骤分析不全面都会导致最后的模拟失真,因此在不断提高预测水平的基础上,还要辅以其他常用方法 ( 水均衡法、解析法) 进行对比分析。表 2 对现有结合具体实例给出确切深埋隧洞涌水量预测量的文献资料进行总结,列出研究具体实例所用的软件、研究方法和预测值与其他方法的对比情况。具体可见表 2.
  
  【12】  
  由表 2 可知,其研究基本基于三维渗流数值模型或多场耦合理论,模型对于散岩类孔隙介质地下水的涌水预测结果较为准确,对于裂隙型特别是岩溶型介质地下水的涌水预测结果有一定误差。
  
  3 主要结论与建议。
  
  3. 1 主要结论。
  
  本文主要总结了目前常用的深埋隧洞涌水量预测模型,对比分析了各模型的结构特征和使用环境,并对近年广泛应用数值模拟软件计算涌水量和模拟突水过程的研究进行归纳整理,希望为今后深埋隧洞涌水量预测模型的建立和发展提供参考。
  
原文出处:赵贵清,陈舟,周云,陈长生,张科正. 深埋隧洞涌水量预测数值模型研究进展[J]. 工程勘察,2017,(04):27-34.
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