基于生态平衡的隧道地下水渗控方法及限排水标准研究

【摘要】隧道埋设于地下,往往被地下水所包围,对地下水的控制尤为重要。过量排放地下水易造成地下水位下降,生态环境破坏等危害,而对于地下水位较高的隧道,全封堵地下水衬砌无法承受过大水压力,如何确定一个合理的既能保护生态环境免遭破坏又使衬砌承受合理水压的地下水排放量是一直未能很好解决的问题。为此,本文以地下水动力学理论为基础,对隧道围岩涌水量计算方法进行研究；在考虑渗透系数随深度非线性变化的基础上,对非均质各向同性围岩涌水量计算方法进行了分析,并考虑了注浆圈及衬砌的影响；引入生态学、农学中有关植被生态需水的概念,采用井流理论、面井法等方法对维持生态平衡条件下地下水的限排量计算方法及隧道的限排水标准进行研究。通过以上理论推导及实例分析,主要取得了如下研究成果：(1)采用地下水动力学中的井流理论,基于地下水运动的质量守恒、能量守恒定律,推导考虑流速的涌水量计算公式,并进一步得出了隧道施作注浆圈及衬砌后的涌水量计算公式。通过分析得出考虑流速涌水量小于不考虑流速情况下涌水量,但流速效应对涌水量影响不显著,而考虑流速的衬砌水压力则大于不考虑流速情况下衬砌水压力。通过参数分析得出能经济有效降低隧道涌水量的注浆圈渗透系数及厚度的范围值。分析了衬砌外水压力与地下水排放量大小之间的关系。(2)考虑渗透系数随深度非线性变化,推导了非均质各向同性围岩涌水量计算公式,与已有计算方法结果较接近。通过分析得到考虑岩体渗透系数随深度非线性变化后涌水量的变化趋势及变化规律,所获成果可以对隧道的选址提供依据。得出考虑围岩渗透系数非线性变化情况下注浆堵水参数计算公式,由于渗透系数一般随隧道埋深增大而减小,在进行注浆堵水时应考虑到这种变化,以避免设计的注浆圈渗透系数大于围岩渗透系数而不能达到堵水的目的。(3)从地下水平衡的角度出发,引入生态学、农学中植被生态需水的概念,控制地下水位最大降深在植被正常生长所允许范围内,推导出地下水降水漏斗体积计算公式,结合隧道围岩参数得出地下水总排放量,与降雨补给量进行比较,得到恢复隧址区原始地下水位所允许的排放量。对于运营期隧道,推导了隧址区地下水位动态变化反分析公式,通过对堵水限排隧道排水量的监测,结合隧道围岩与初衬渗透系数等参数,可反分析得出地下水位,为地下水位的实时监控提供依据。(4)将井流理论中面井法引入到隧道地下水位降深计算中,得到隧道影响范围内任一点地下水位降深计算公式。提出了保持地下水平衡条件下地下水排放量确定方法。在考虑隧道双孔地下水位降深叠加的基础上得到分离式隧道限排量计算方法,对比分析了单孔隧道与分离式隧道限排量之间的关系。(5)在保护生态及维持地下水平衡的前提下,选取常见的岩土层渗透系数、给水度及地下水头高度范围值,应用排水量与地下水位降深关系式提出了对于地下水可有效控制情况下满足大多常见山岭隧道的地下水限排标准。对于地下水无法有效控制的隧道,提出了限制排水量确定方法。
【作者】程盼；
【导师】李亮；
【作者基本信息】中南大学，土木工程，2014，博士
【关键词】隧道工程；地下水环境；植被生态平衡；涌水量；疏干漏斗；限排水；

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