基于植被生态需水的隧道排水量确定方法研究.pdf

第 3 5卷第 7 期 2 0 1 3年 7月 铁 道 学 报 J OURNAL OF THE CHI NA RAI LWAY S OCI ETY Vo l _ 3 5 No 7 J u l y 2 0 1 3 文 章 编 号 ：1 0 0 1 8 3 6 0 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 1 0 7 0 7 基于植被生态需水的隧道排水量确定方法研究 程 盼 ， 李 亮 ， 邹金锋 ， 赵炼恒 ， ( 中南大学 土木工程学 院 ， 湖南 长沙4 1 0 0 7 5 ) 罗 伟 摘 要 ：隧道地下水大量渗漏易造成洞顶影 响范 围内生态 环境破坏 ， 针对 如何确定 合适 涌渗水 量以确保 生态平 衡问题 ， 引入 生态学、 农学 中有关植被生态需水概念 ， 通过调研分析确定 隧址 区植被所允许 的最 大地下水位降深 ， 结合地下水动力学方法 以及经验公式 ， 确定隧道涌渗水后地下水达到最大 降深 时疏 干漏 斗范 围及体积 ； 并通过疏 干漏斗体积 、 涌渗 水量 以及储 水系数关系确定隧道所允许排 放的最大 水量 。结合算例 并与实 际工程 中设计 排水 量进行对 比， 在考虑隧址区实际工程地质 、 水文地 质条件情况下 ， 所提 出方法计算得 出的排水标 准与实 际工程接 近 。该方法能够达到隧道工程与地下水环境生 态平衡 ， 可为隧道建设提供参考 。 关键词 ： 植被生 态需水 ； 涌水量预测 ； 疏干漏斗 ； 排水量 中图分类号 ： U 4 5 3 6 1 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 8 3 6 O 2 0 1 3 0 7 0 1 8 De t e r m i na t i o n M e t h o d f o r W a t e r Di s c h a r g e o f Tu n ne l Ba s e d o n t he Ec o l o g i c a l W a t e r Re qu i r e me nt o f Ve g e t a t i o n CHENG Pa n， LI Li a n g， ZOU J i n f e n g， Z HAO Li a n h e n g， LUO W e i ( Sc h o o l o f Ci v i l En g i ne e r i n g，Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y，Cha n gs h a 4 1 0 0 7 5，Ch i n a ) Ab s t r a c t：Th e l a r ge qu a n t i t y l e a ka g e of g r ou nd wa t e r d ue t o t un ne l c o ns t r u c t i on wi l l r e s ul t i n t he e c o l og i c a l de s t r uc t i o n i n t he t op a r e a of m o un t a i n Th us，t o a ppr o pr i a t e l y p r e d i c a t e t he q ua n t i t y o f wa t e r t ha t s e e ps o ut of t un ne l i s s i gni f i c a nt t o t he e c o l o gi c a l b a l a nc e Th e e c o l og y a nd a g r on o m y wi t h r e s p e c t t o t he e c o l o g i c a l wa t e r r e q ui r e me nt s o f v e g e t a t i o n we r e i nt r o du c e d i n t hi s pa pe r Fu r t he r ，t h e ma xi mum a l l owa bl e gr o und wa t e r l e v e l d r a wd o wn o f t h e v e g e t a t i o n i n t h e t u n n e l s i t e wa s d e t e r mi n e d t h r o u g h i n v e s t i g a t i o n& a n a l y s i s Th e n ，c o mb i ni n g t he g r o un dwa t e r d yn a m i c s a n d t h e r e l a t e d e mpi r i c a l f o r m ul a，t he a r e a a n d v o l u m e o f d e wa t e r i n g f un ne l we r e o bt ai ne d whe n t h e d r a wd own gr o un dwa t e r t a b l e r e a c he d t h e m a xi m u m v a l u e a f t e r s e e p a g e M o r e o v e r，t he a l l o wa bl e m a x i m u m a m o unt o f d i s c ha r ge wa s de t e r m i n e d by t he f o r m ul a whi c h e xp r e s s e d t he r e l a t i o ns h i p a m o ng t he vo l ume o f d e wa t e r i n g f u nn e l ，wa t e r d i s c h a r ge a nd s t or a t i v i t y Compa r i n g t he n um e r i c a l e xa mpl e wi t h e ngi n e e r i n g pr a c t i c e， t h e c a l c u l a t e d d r a i na ge s t a nd a r d i s f ou nd c l o s e t o t he s t a nd a r d a d op t e d i n e n gi n e e r i n g p r a c t i c e whe n r e a l g e o l o gi c a l a nd hy d r o g e o l o gi c a l c on di t i o ns a r e t a ke n i n t o c o ns i de r a t i o n f o r t he r e s e a r c h a r e a The pr e s e nt e d m e t ho d c a n ba l a n c e t u nne l e ngi ne e r i ng c on s t r u c t i on a nd e c o l og i c a l g r ou nd wa t e r e n vi r o nme nt ， t he r e b y of f e r i ng r e f e r e nc e t o t u nn e l e ngi ne e r i ng c on s t r u c t i on Ke y wo r d s ：e c o l o g i c a l wa t e r r e q u i r e me n t o f v e g e t a t i o n；wa t e r i n f l o w f o r e c a s t ；d e wa t e r i n g f u n n e l ；d i s c h a r g e o f W i ：t tPr 高速铁路在穿 山越岭 过程 中， 为缩短距离和避免 大坡道， 会修建大量隧道 。一般而言 ， 无论在施工过程 中还是运营后 ， 隧道结构时刻处于地下水包 围之 中， 隧 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 9 0 9 ；修回 日期 ： 2 0 1 2一 1 5 基金项 目：国家 自然科学基 金项 目( 5 1 2 0 8 5 2 3 ， 5 1 2 0 8 5 2 2 ) ； 贵州省 交通运输厅科技项 目( 2 0 1 0 1 2 2 0 0 9 ) ； 湖南省研 究生科 研创新项 目( C X 2 0 1 1 B 0 9 8 ) 作者 简介 ： 程盼( 1 9 8 5 一) ， 男 ， 湖北钟祥人 ， 博士研究 生。 E ma i l ： c h e n gp a nl 0 2 0 1 6 3 c o rn 道衬砌渗漏 、 变形 ， 洞顶地表塌陷， 隧道影 响范 围内生 态环境恶化 ， 施工期间突水 、 突泥等问题都与地下水有 关 ， 而且水位越高 ， 危害越大l_ 1 。 衡广复线大瑶 山隧道班古坳地区因突水引发地面 塌陷 1 0 0余处 ， 井 、 泉及水库枯竭 ， 影响范围数平方公 里 ， 对地 面环 境造 成 严 重 影 响 。施 工 虽然 采 用 排 水 管 1 O 8 铁 道 学 报 第 3 5 卷 引排的方式使工程得以安全通过 ， 但施工期造成 了地 面沉降与开裂 ， 地表水位下降等问题 。建成后时隔 1 1 年 ， 排水已造成地面塌陷、 溪沟断流、 农 田无法耕种、 山 顶居 民搬 迁 的后果 ， 对 当地 自然环 境造 成严 重影 响 2 。 武广 客运 专线 隧道 施工 大量 抽排 地下 水严 重破 坏 了金 沙洲区域 自然状态下地下水平衡状态 ， 致使金沙洲区 内共 发 生塌 陷 1 9处 ， 地 面沉 降变 形 1 3处 ， 并造 成 巨大 经 济损失 。解 决 隧道设 计施 工 与环境 协调 发展 问题 已 迫 在眉 睫 。 随社会发展 ， 人们对环境保护意识 日益增强， 表现 在 隧道 建设 中即 由以前“ 以排 为主” 的建设 策 略转 变为 现在“ 以堵为主、 限量排放” 的原则 。其 主要 目是为防 止隧道涌渗水量过大而导致隧址 区生态环境破坏。近 些 年 ， 在“ 以堵为 主 、 限量 排 放 ” 思 想 指 导 下 ， 相 关 学 者 与工作者从理论与实践上对修建隧道过程中地下水 限 量排放做了研究l ， 但并没有形成一个系统 的可以指 导 工程 实践 排水 量 的 确 定方 法 。本 文 引入 农 业 、 生 态 学 中植 被需 水概 念 ， 从 植 被生 长 与 地 下 水埋 深 关 系研 究 地 下水排 放量 确定 方法 。 1 分析计算模型及方法 分析计 算 模型见 图 1 。地下 水 对 植 被生 长 起 重要 图 1 计算模型 图 作用 ， 对某一特定地区而言 ， 一种植被通常有适合其生 长的地下水位 ， 一旦地下水低于该地下水位 ， 植被将出 现枯萎、 衰败甚至死亡。该水位为“ 地下水生态平衡水 位埋深” 。隧道涌渗水后引起地下水位下降， 趋于稳定 后会形成一条新地下水位线 ( 浸润线 ) ， 而在隧道设计 中地下水位最大埋深即为“ 地下水生态平衡埋深” 。隧 道排水与大口径抽水类似 ， 将在洞顶含水层中形成疏 干漏斗， 隧洞排水引发洞顶环境灾害主要发生在疏干 漏斗范围内 【 。通过疏干漏斗范围与地下水降深以及 地层参 数 可 以确 定保 持植 被正 常生 长状 态 的隧道 最大 排水 量 ， 见 图 2 。 初始地下水位 l 也 下水生态平衡埋深 l 疏干漏斗范围 f l 疏干漏斗体积 J 排水量确定 图 2 隧道最大排水量的确定步骤 2 植 被与地下水关 系 地下水生态平衡埋深具体意义可理解为 ： 保持天 然土壤剖面的含水量 ， 保持 当地正常降水入渗和蒸发 蒸 腾量 情况 下 ， 无 论 是 自然 环 境 变 化 还是 人 为开 采 地 下水或灌溉 ， 使地下水位下降或上升 ， 都要保证植物正 常生 长不 破坏生 态 平衡 ， 这 时地 下 水 埋 藏 深度 的最 小 值即为防止盐渍化的“ 临界深度” ， 最大值 即为地下水 埋深加毛细带高度应等于或略小于指示植物的根系深 度 。 国内外不 少 学 者 研 究 地 下 水 与 植 被 相 互 作 用 关 系 。张惠 昌 通 过 对 河 西走 廊 沿 线 的植 被 长势 、 地 下 水位 埋深 、 土 地沙 漠化 等情况 调研 分析 ， 得 出不 同植物 根 系对地 下 水 埋 深 适 应 性 ， 提 出“ 地 下 水 生 态 平 衡 埋 深 ” 概念 ， 即“ 在无 灌溉 天然 状态下 ， 不 致发 生植 被退 化 问题， 而保持生态平衡的地下水埋藏深度” 。该深度为 一 地下水 位 变动带 ， 在 变动 带 内植 被 发育状 况 良好 ， 越 出此深 度则 生态破 坏 。故存 在一 个保 持植 被正 常生 长 状 态 的下 限 值 。美 国学 者 J o n a t h a n L Ho r t o n等 针对植 物 在不 同地 下水 位 埋 深 的 生理 反 应 进 行 研究 ， 提 出植 物进 行光 合 等 生理 作 用 的 地下 水 位 埋 深 阈值 。 石瑞花等_ 8 调查不同区域天然植被种类 、 数量 、 盖度等 因子 与不 同水分 关 系 ， 得 出河 畔 区适 宜 植 被 生 长 的地 下水 埋深 范 围为 0 5 2 4 m。湖 畔 区离 湖 1 3 k m 范 围 ， 随离 湖距 离增 加 ， 土壤 水 分 减 小 ； 适 宜 植 被生 长 的地下水埋深范围为 0 5 5 7 m。金晓媚等 。 。 。 。 借 助遥感方法 ， 结合地下水观测数据 ， 在区域尺度上定量 地研究我 国黑河下游地 区植 被发育与地下水埋深关 系 。结果表明： 适宜植被生长的地下水埋深范 围约为 2 -5 m， 当地下水埋深超过 5 5 m 时， 由于植被根系 缺水 ， 不 能维 持冠层 正 常生长 ， 几 乎没 有植被 发 育 。国 外学者 Ke l b e等 “ 、 Ma i t r e 等 、 Ne wma n等 以 及国内学者郭 占荣口 、 张长春等l_ 】 、 张丽等_ 】 、 郭 占 荣等 、 郑丹等口 、 金 晓媚l 2 、 严 登华等 、 赵传燕 第 7期 基于植被生态需水 的隧道排水 量确定方法研究 1 0 9 等 。 、 程东会等 采用不 同方法 ， 对 不同区域植被 及地 下水 情况 进行 调 查 研 究 ， 得 出植 被 生长 与 地 下 水 埋 深 之 间的关 系 。将该 研究 成果 引入 到 隧道工 程建 设 中 ， 既能 够避 免植 被遭 到 破 坏 ， 保 持 生 态 平衡 ， 又 能 减 少施工过程中对地下水排水量 的盲 目设计 ， 降低成本 ， 达 到 工程建 设 与环境 协 调发展 的 目的。 通过调研分析或根据 已有资料， 可确定所研 究区 域地下水生态平衡埋深下限值 。 3隧道涌水量预测 隧道涌 水量 预测 方法 较多 。 日本学 者将 隧道 涌水 量预测分为 ： 以经验或统计资料为基础的预测方法 、 以 水力 学公 式 为基 础 的预测方 法 和依据 水 的汇入 排 出水 均衡 模 型建立 的预测方 法 。我 国学者 将 隧道涌 水方 面 所用模型基本分为 3类 ： 非确定性模型 、 确定性模型、 随 机数学 模 型l 2 引。在 隧道涌 水量 预 测 中 ， 常用 方 法 主 要有降水入渗法、 地下 径流模数法、 地下径流深度法、 地下水动力学方法 ( 大 岛洋志公式、 佐藤邦明公 式、 落 合 敏 郎公 式 、 福 希海 默公 式等 ) 、 比拟法 、 规 范经 验公 式 等 。无论 在施 工 阶段还 是在 运 营 阶段 ， 都 会 发 生 隧 道涌水 ， 而其计算方法也有些许差异， 下面分别考虑施 工 阶段 和运 营后 隧道 涌水 量计 算方 法 。 3 1 施工 阶段 涌水 量 的预测 对于潜水非完整式埋藏条件的隧道， 通常采用佐 藤邦明法确定单位长度隧道最大涌水量 q 。 、 正常涌水 量 q 以及 自最 大 涌 水 量 开 始 衰 减 至 某 时刻 t的涌 水 量 q ： 2 丁 【 K ( H r ) m 一 rr ( 2 H - 3 r O一) c o t r o q o q o o一 0 5 8 4 e K r 。 。 一e 等 。 ( 1 ) ( 2) ( 3 ) 式中： K为含水体渗透系数 ， m d ； H 为静止水位至隧 洞底 高度 ， I n r c 为 隧洞 横截 面等 价 圆半 径 ， m； m 为 转 化 系数 ， 取 0 8 6 ； h 为 含 水 体 总 厚 度 ， r n ； 为 实 验 系 数 ， 一 般取 1 2 8 ； t 为 t 。 间 的任 意递减 时 间 ， d ， t 一 ； 为含水体 给水度 ( 裂 隙度) ； B为衬砌前 Ar 洞体宽度 ， I l l 。 对于深埋于承压含水层 中的隧道， 可采用大岛洋 志公式 、 落合敏郎公式以及规范经验公式进行预测 2 K ( H 一 ) m ， 、 q 百 二 4 q 。 一 一 0 0 2 5 5+ 1 9 2 2 4 KH (5) = K + q s 2 一 KH ( 0 6 7 6 0 0 6 K) (7) 式 中 ： R 为 隧 道 涌水 影 响 半 径 ， I n ； h 。 为洞 内排 水 沟 假 设 深度 ， 1 T I 。 3 2 运营后隧道涌水量的预测 对 于隧道 地下 水有 全排 放 以及 限制排 放 的处理 措 施 。全排 放则 是未 对 围岩 做 防水 处 理 的 ， 而 限 制 排 放 则是 对 围岩进 行堵 水处 理 。 根据 相关 文献 _ 2 研究 ， 涌 水量 趋势 见 图 3 。 图 3 隧道涌水量趋势图 涌水量从开挖开始增大， 到达峰值后减小 ， 最后趋 于稳 定状 态 ， 而稳 定 状 态 涌水 量 即为 经 常 涌 水 量 。隧 道在衬砌施工完成投入运行后 ， 对于不做任何防水处 理的隧道 ， 围岩裂隙在长期渗水过程 中由于水力损伤 等作用有可能会扩张， 从而导致其渗透系数增 大， 影响 围岩渗透特性 ， 但对于非岩溶地区， 其影响程度相对较 小。虽然衬砌背后施做防水布 ， 但其作用只是防止水 进入 衬砌 而不 能达 到堵 水 效 果 ， 所 以运 营 后 隧 道 涌水 量可 以近 似用经 常 涌水量 表示 ， 即式 (2) 、 式 (6) 、 式 (7) 。另外 ， 王秀英等l_ 】 针对山区高水位隧道 ， 提 出 一 种可 以计 算 隧 道 排 水 量 和 衬 砌 上 水 荷 载 的 简 化 模 型， 经过理论推导得出隧道在有 、 无注浆情况下排水量 以及衬 砌 、 注浆加 固圈外水 压力 解析 式 ： 无 注浆 情况 下 Qh一 _ (8 ) Qh一 _ _ = 一 () 箸 + n ，r 2 有 注浆情 况下 Q l = _-(9) Qh一 一 () 1 n + 1 n + l n r g 患g rl 意I r 0 式 中 ： Q 为 隧道 排水 量 ； H 为地 下 水 头高 度 ； k 为 围岩 渗透系数 ； k 为衬砌渗透系数 ； k 为注浆体渗透 系数 ； 为衬砌 内径 r 1 为衬砌外径 ； r 为注浆圈半径； r 。 为远 场距离， 在数值上等于 H。 实际工程中， 由于衬砌与围岩并不能做到处处密 贴， 且衬砌背后通常设有防水布， 所 以对于衬砌基本没 有防水作用， 透过围岩水直接通过排水设施排至隧道 铁 道 学 报 第 3 5 卷 外 ， 于是可以将衬砌渗透 系数 忌 看作无 限大， 则上述 公 式 转换 为 Q 一 ( 1 。 ) 其中 l n r 1 Q 一 ( 1 1 ) l n + l n r g 患g 7 1 式 ( 1 0 ) 即为没 有注 浆情 况下 运 营后 隧道涌 水量 预 测公式 ， 可作为无注浆情况下运营后 隧道涌水量计算 方 法之 一 。 对 于施 作 防水处 理 ( 注浆 等 ) 的 隧道 ， 其 涌 水 量 预 测则要涉及到防水处理后 围岩渗透系数等参数变化 ， 式 ( 1 1 ) 考 虑 了注浆 圈 以及 衬 砌 参 数及 性 能 ， 所 以可 以 作为 隧道 经过 注浆处 理后 涌水 量 预测方 法 。 对于隧道涌水量计算 ， 由于隧道现场工程地质、 水 文地 质情 况复 杂 ， 往 往 没 有 一 种方 法 能 准 确 反 映 现 场 情况 ， 通 常采 用 多 种 方 法 进 行 计 算 ， 最 后 通 过 相 互 验 证 、 校核 得到 一个 相对 准确 的涌水 量 。 4 含水层疏干 在隧道施工建设过程中， 大量抽排地下水 ， 势必会 引起地下水位下降， 严重者将疏干地下水 ， 破坏当地植 被等生态环境。根据地下水运动基本理论 ， 在含水层 中采用井点降水 ， 经长时间定流量抽水后 ， 在井附近形 成相对稳定的降落漏斗， 漏斗形状近似一个倒 圆锥体。 而隧道渗流情况与大 口径抽水类似， 也会形成一个大 的降落漏斗， 通过降落漏斗范围与体积计算 ， 结合地层 参数可得出在既定降深情况下隧道总涌水量 。 4 1 疏 干漏 斗范 围 隧道涌渗水所引发的生态环境破坏主要发生在疏 干漏 斗影 响范 围 内 ， 确 定 疏 干漏 斗范 围就 能 够 了解 隧 道施 工所 引发 灾 害 的大 小 以及 影 响范 围 ， 为 设 计施 工 提供参考。同时 ， 就隧道排水而言 ， 确定 了疏干范围， 疏干范围内总地下水量便可求得 ， 即疏干地下水量。 对 于隧道 ， 疏 干漏 斗范 围长度 均远 大 于宽度 ， 其疏 干范围近似于一倒椭 圆锥体， 其地面范围近似于椭圆 形 。将倒椭圆锥体非标准径向流近似于倒圆锥体的标 准径 向流 ， 则 R应 近似于降落漏 斗的地面影 响半 径 尺 。而 洞顶 含水 层 中疏 干漏 斗引 用半 径 R 。 一R+ B 2 c 。 在稳定降水漏斗形成以前 ， 地下水均处 于非稳定 流状态 。则疏干半径 R( ) 应 以非稳定流公式为基础 计算。 根据泰斯( Th e i s ) 公式_ 3 。 。 s 一 w ( “ ) ( 1 2 ) “一 一 ( 1 3 ) “一 亍一 v ( ) 一l d 一 一 0 5 7 7 2 1 6 一 l n “ + 一 J “ ( _ 1 ) ( 1 4 ) 式 中： s 为抽水影响范围内任一点任一时刻水位降深 ， r n ； Q为 t 时刻流量， m。 d或 m。 h； T为承压含水层 导水系数 ， m。 ( d m) ； t 为 自开始渗漏到计算 时刻的 时 间 ， d ； r为距 隧 洞 壁 平 均 距 离 ， m； 为 含 水 层 贮 水 系数 ； w( “ ) 为井函数 。 雅各 布 ( J a c o b ) 在 允 许 误 差 范 围 内 ， 当 “ 0 0 5 时， 将井函数用级数 的前两项代替 ， 对泰斯 ( T h e i s ) 公 式进 行简 化得 一 1 n ( 1 5 ) r 因假设在影响半径最大处降深为 0 ， 所 以令 s 一0 既得 R 一 1 5 ( n ) ( 承压水 ) ( 1 6 ) R 一1 5 ( Kt ) ( 潜水 ) ( 1 7 ) 雅各布近似式仅适用于 0 0 5的情况。由于隧 洞 在衬 砌前 的涌水 时 间 t 不 长 ， 而 “ 一r ( 4 T t ) ， 故 “值较大 ； 同理 ， 在距 隧洞水平距离 r较大处 ， “值更 大。则传统雅各布近似式不再适用。蒋 忠信 在井 函数曲线拟合基础上， 提出泰斯公 式在 “值较大时 的 直线解析法 ， 即当 “ 一0 0 0 1 1时 ， 最贴合泰斯 曲线的 近似式为 w( “ )一1 0 9 5 0 4 u 0 6 5 7 5 1 O 8 5 ， 其 中井 函 数w( “ ) 一l e d u。由此导出水位降深 s 和地面影 响半 径 R 分 别 为 g 一 q ( 4 n T) ( 1 0 9 5 0 4 u 0 6 6 7 5 1 0 8 5 )( 1 8 ) R 一2 1 4 5 ( n ) ( 承压水 ) ( 1 9 ) R 一2 1 4 5 ( Kt ) ( 潜水 ) ( 2 O ) 由式 ( 1 9 ) 式 ( 2 O ) 按各 含水 层单元 分 别求 出影 响 半径 R ， 进而绘 出地面椭圆形疏干范围： 椭圆长径 ( 沿隧道走向) R1 2 尺 + L( 2 1 ) 椭圆短径 ( 垂直隧道走 向) R，一 2 R + B ( 2 2 ) 4 2疏干 漏斗体 积 已知地下水的最大允许 降深 s ， 通过地下水动力 学法确定疏干漏斗形态 ， 便可通过数学方法计算疏干 漏斗体积 ， 再根据 Q ， 最终确定疏干范围总水 第 7期 基于植被生态需水 的隧道排水量确定 方法 研究 量 ， 为隧道允许排放量计算提供依据 。 由于隧道疏干漏斗形状近似于两端 2个倒半圆锥 体以及中间的“ V” 形槽体。两端倒半圆锥体近似构成 一 个完整锥体 ， 利用式( 1 8 ) 近似式计算疏干漏斗体积 。 标准倒圆锥体疏干漏斗体积 、 ， 为 V 一 r s d r ( 2 3 ) 由式 ( 1 8 ) 得 V 一l 2 7 c r q ( 4 n T ) ( 1 0 9 5 0 4 u 一 。 一1 0 8 5 d r ( 2 4 ) 将式( 1 3 ) 代入式 ( 2 4 ) 得 V 一3 2 0 9 9 ( q T) ( T t ) R 。 一 2 7 1 2 5 q R T ( 2 5 ) 设 中间“ V” 形槽 体积为 。 一AL， AA + A ， 其中 ， A 为倒圆锥体疏干漏斗截 面积 ， m ， A 为洞 壁降深 5 与隧洞宽度 B之积。 A 一I 2 s d r 一2 1 9 9 3 ( 吼 Y ) ( n ) 叫 R 。 一 1 7 2 7 7 q R T ( 2 6 ) 故 AA +A 一2 1 9 9 3 ( q r) ( Tt ) 。 R 踮一 1 7 2 7 7 q R T+ B s l ( 2 7 ) 所 以 = A L一 2 1 9 9 3 ( q T) ( ) 0 0 6 5 7 5 R 。 踮一 1 7 2 7 7 q R 丁 L+B s 1 L ( 2 8 ) 由式( 2 5 ) 、 式( 2 8 ) 得洞顶疏干漏斗体积 为 + 一 ( q r ) ( n ) 卯 R ( 3 2 0 9 9 R+2 1 9 9 3 L) 一 R( 2 7 1 2 5 R+ 1 7 2 7 7 L) +B s 1 L( 2 9 ) 4 3地下 水总 排放 量 对于各 向同性含水层 ， 其储水系数 为 ， 则漏斗 总体积与总释水量关系为 Q 一 ( 3 0 ) 通 过式 ( 3 0 ) 得 出漏斗 总体积 乘 以储 水 系数 ，则可知达到最大降深时所排放的总水量 。 5 算例 本算 例 主要 目的是 计算 隧道 最大 所允 许排 放 的水 量， 为隧道在开挖前或者是在施工过 程中对隧道 中水 的处理方式提供依据 ， 所 以暂不考虑运 营后隧道涌水 情 况 。 某区一新建隧道 ， 全长 2 3 4 9 m， 为非完整式埋藏 条件 ， 其 中隧道中段 1 0 2 0 m通过承压含水层 ， 岩性为 泥岩 、 粉砂岩 。承压水水头高 H一2 4 0 m。含水层各 参数 为： 含水层厚度 h 一4 5 0 m， 渗透 系数 K一0 0 2 5 8 m d ； 储水系数 一0 0 5 6 ； 承压含水层导水系数 T一 1 8 7 2 。隧道横截面等价 圆半径 r 。 为 6 8 5 m， 洞体宽 度 B一1 2 8 m。 通过对该 区植被生态情况调查分析 ， 得 出该区允 许地下水最大降深 s 为 3 0 m。 ( 1 )涌 水量计 算 采用式(1) 式 (3) 计算 ， 得出： 单位长度最大涌水量为 q o o一7 7 2 m。 ( dm) 正常涌水量分别为 q 。一6 4 0 m。 ( dm) q 卜 I o一 7 7 1 m。 ( dm) 由于时间对涌水量 以及体积计算影响较小 ， 所 以 假定该隧道在开挖后 5 d地下水位降深达到最大降深 S = = = 3 0 m。按 式 (4) 式 (7) 校核 ， 得 q o l 一7 7 0 m。 ( dm) q 0 21 1 9 3 m。 ( dm) q 一 1 1 1 6 0 m ( dm) q 一 2 4 1 8 m。 ( dm) 将上述 q 。 一 值 、 q 。 一 z 值代入式(3) ， 分别得 q H 一 7 6 9 m。 ( dm) q 2= = = 1 1 9 2 m。 ( dm) 综 合平 均后 取 q o一9 1 2 m。 ( dm) q 一7 3 9 m。 ( dm) q 一9 1 1 r n 。 ( dm) ( 2 )疏干漏斗计算 按式 ( 2 O ) 式 ( 2 2 ) 计算疏干半径得 R 一6 9 1 i n ， 从 而得 出疏 干漏 斗顶 部 椭 圆长 径 R 一1 1 5 8 2 m， 椭 圆短径 R 一1 5 1 m。由于 “一 ( 4 T t ) ， 而 式 ( 1 8 ) 适用范围为 一0 0 0 1 1 ， 对应影响半径范围为 2 6 8 1 8 m， 即适用 最小 距 离 为距 洞 壁 2 6 m。所 以 在计 算 A 时 ， 隧道宽度 B一1 2 8 +2 6 2 1 8 m。 由式 ( 2 3 ) 式 ( 3 1 ) 得标 准倒 圆锥体体积 V一5 6 2 6 0 3 4 6 m3 。 ( 3 )隧 道允许 排放 地下 水量 含水层储水系数 一0 0 5 6 ， 由式 ( 3 2 ) 得出隧道 允许 排放水 量 为 Q一 5 6 2 6 0 3 4 6 0 0 5 6 3 1 5 0 5 7 9 m 3 。 采用本文方法 ， 参考文献 3 2 中圆梁山隧道各项 参数对其进行计算。文献 3 2 中计算距洞壁 1 4 m 降 深为 9 3 3 m， 采用本文计算方法假设距 洞壁 1 4 m 的 降深为 9 3 3 m 来计算 时， 得 出降水 漏斗总体积为 6 8 7 7 5 4 1 8 m。 ， 允许排水量值为 3 9 8 8 9 7 4 m。 ， 将其换 算成隧道每天每米排水量为 1 3 O m。 ( m d ) 。文献 1 中 圆 梁 山 隧 道允 许 排 放 量 控 制 标 准 为 5 m ( m d ) ， 与本文计算结果有 出入 ， 但是考虑到 圆梁 山 隧道高水压 、 岩溶裂隙发育等特殊情况 ， 且本文计算方 法暂时未能考虑岩溶裂 隙情形， 所 以对本文方法计算 l 1 2 铁 道 学 报 第 3 5卷 结果适当增大后 比较接近圆梁山隧道设计允许值。 若假设降深为 3 0 r n时， 降水漏 斗体积 为 2 3 3 5 7 6 6 8 IT I 。 ， 允许排水量值为 1 3 5 4 7 4 r n 。 ， 同样换算成 每天每米排水量为 0 4 4 r n 。 ( m d ) 。挪威 Os l o f j o r d 跨海通道_ 1 对位于陆地居 民区和休 闲区的隧道， 环保 当局提 出的允许排放量为 0 2 8 8 r n 。 ( i nd ) ， 重庆歌 乐山隧道最大允许排放量 1 r n 。 ( m d ) ， 在综合考虑 隧址区具体情况对本文计算结果进行调整后与上述隧 道排水标准 比较接近， 从侧 面说 明本文计算方法有一 定参考价值 。 6 结论 (1)引 入 生 态 学 、 农 学 中 对 植 被 生 态 需 水 的研 究 ， 通过控制地下水位最大降深确定 隧道开挖后所允 许的最大排水量 ， 从而使环境达到平衡状态 。 (2)在传统地下水动力学方法 以及经验公式基 础上 ， 提出施工阶段 以及运营后隧道涌水量计算方法 ， 并推导出涌渗水后降水 漏斗体积公式 ， 结合隧道工程 地质水文地质参数得出允许最大降深情况下涌渗水总 量 。 (3)由于传统地下水动力学公式都是在一定假 设前提下得出， 不能完全反映隧道实际情况 ， 在进行现 场计算时应结合隧址区实际情况 以及涌渗水量进行调 整， 以达到符合现场实际情况的要求。 由于还未能付诸于工程实践 ， 上述方法有待在以 后应用中不断改进完善 。 参考文献 1 王 秀英 ， 王梦恕 ， 张弥 山岭隧 道堵水 限排衬砌 外水 压力研 究 J 岩土工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 1 ) ： 1 2 5 1 2 7 W ANG Xi u yi n g， W ANG M e n g s h u， ZHANG M i Re s e a r c h on Re gul a t i ng W a t e r Pr e s s u r e Ac t i ng on Moun t a i n Tu n n e l s b y B l o c k i n g Gr o u n d W a t e r a n d L i mi t i n g Di s c h a r g e J C h i n e s e J o u r n a l o f G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g ，2 0 0 5 ， 2 7 ( 1 ) ： 1 2 5 1 2 7 I- 2 干昆蓉