隧道涌水处理

A. 隧道施工涌水漏水的危害及处理

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B. 矿坑和地下洞室的涌水

开采煤矿、金属矿等埋藏在地下的矿产，需要开挖坑道。如果坑道揭穿了含水层或导水通道，地下水将以渗出或涌出的方式进入坑道。为了防止坑道被淹没、避免坑道水流对采矿活动的干扰，一般需要将进入坑道的地下水抽排到地表。如何判断地下水流向矿坑的途径以及如何预测地下水的排泄强度，就是矿坑涌水问题。类似的问题同样出现在道路工程、水利工程的地下洞室开挖过程中，所以又称为巷道涌水或隧道涌水问题。

在地下水强烈活动地区，防止突然的、大流量的矿坑涌水，是保证采矿顺利进行的关键。有时候，矿坑周围的岩体突然破坏，大量的地下水在很短的时间内涌入，这种现象被采矿行业称为矿坑突水事故。矿坑突水是导致煤矿发生矿难的“杀手”之一，我国在2000～2006年间发生重特大煤矿突水事故435起，事故死亡及失踪人数达2199人。因此，矿坑在开挖之前必须进行仔细的地下水调查，确定可能发生突水的条件（水的来源与通道），预测计算矿坑涌水量，并制订合理的开挖方案。矿坑开挖之后还必须加强顶板和底板岩体的保护，使强透水的含水层或含水带与矿坑之间有足够的阻水构造。2005年8月7日，广东省兴宁市大兴煤矿发生特大突水事故，造成121人死亡（赵苏启等，2006）。据分析，这次突水事故是由于大兴煤矿坑道上部110m厚的隔水煤层发生冒落造成的。如图10.4所示，位于隔水煤层顶板上的含水层厚度达442m，地下水主要充填在早期开挖的采煤坑道中，隔水煤层是关键的阻水构造。当隔水煤层被破坏之后，大量地下水在极短的时间内就涌入大兴煤矿，淹没了矿坑。实际上从2005年3月开始这一带就发生了煤柱跨落的现象，对突水事故有一定的预警作用，但没有引起重视。

图10.4 广东大兴煤矿突水事故分析剖面图

（据赵苏启等，2006）

矿坑和地下洞室涌水的治理主要采取堵、排、抽这三种措施。堵就是对围岩进行防渗处理，如灌注水泥浆堵塞裂隙和断裂，使洞室附近的围岩形成一圈阻水屏障，但同时也必须能够承受较强的外水压力。排就是利用坑道的高低起伏特征，在坑道底部开挖排水沟，将渗出的地下水排到最低的地方去，再抽至地面。某些洞室工程还特意在围岩中布设排水管，主动排放地下水，降低含水层的水头。抽就是在矿坑或地下洞室的汇水区用泵将地下水抽到地表排放。这三种措施往往在地下工程中使用其中一项或联合使用。

C. 朱家岩隧道涌水物理模拟

4.3.1 物理模拟基本原理

岩溶管道水系统物理模拟是用等效水箱（水能储存单位）与变径管束（水能输送单位）组合的模拟模型来逼近真实的岩溶地下水系统。按水力相似原理，以一定的时空比例来组装模拟模型，通过动态模拟，寻求岩溶管道水系统含水介质体和地下水运动特征，求取水文地质参数，为岩溶地下水系统定量评价和水量预报提供依据。

岩溶管道水系统进行物理模拟要进行一定的概化和时空缩小等多方面的处理。概化与处理必须遵循一定的规律，即满足力学相似条件。力学相似条件是指系统与模型内的水流中同类运动要素（例如某点速度或阻力）之间存在一定的比例关系。力学相似包括几何相似、运动相似、动力相似、边界相似等四个方面。

岩溶地下水系统的物理模拟以力学相似定律为基础，同时结合系统自身的结构与水流运动特征，建立相应的相似准则。

岩溶管道水系统中地下水的运动受控于水力梯度与介质空隙空间体形态及其组合。经分析与总结前人的研究成果表明，在系统中，重力和紊动阻力作用是影响地下水运动状态的关键因素。因此，系统物理模拟需同时建立重力相似准则与紊动阻力相似准则。

据水力学推导，紊动阻力相似要求两个水流沿程阻力系数对应相等。沿程阻力系数仅与管壁粗糙度有关。紊动阻力相似准则是模型中管壁粗糙度与原型中对应点管壁粗糙度之比是模型与原型线性比的1/6次方倍^[1]。

4.3.2 岩溶管道水流物理模拟过程

岩溶管道水系统物理模拟，包括了对岩溶储水介质的模拟、对岩溶导水介质的模拟以及对其二者的混合模拟。其中对岩溶导水介质水流的模拟是整个系统模拟的关键，又是一个极其复杂的过程，难度很大，它涉及水能转换、质量守恒及介质对水流的阻力等问题。同时，由于岩溶管道介质的复杂多变性，其模拟技术很值得研究。

在对岩溶管道水流物理模拟中，首先通过对野外资料，特别是水位与水流的关系资料进行分析，然后考虑如何对其进行模拟。在一般情况下，岩溶管道可采用变径管束来对其进行模拟，用阻力元件模拟管道阻力，实现对实际管道的模拟仿真，其模拟过程如图4.4所示^[2]。

图4.4 岩溶管道水流物理模拟过程

4.3.2.1 管道流量-水位曲线分析

在整个岩溶管道水系统中，管道断面很不规则，是一个很难测量的量，这给岩溶管道水流流速的研究带来了困难。而水流流量中已经包含了水流断面和流速的信息，它是水流速率与断面面积的乘积。如果已知管道流量和某断面面积，也就等于知道了流速。另外，由于水的不可压缩性，当管道全部充水时，管道内各断面的流量都是相同的。因此，为了简化所研究的问题，在物理模拟时，以水流流量作为基本量。

在岩溶管道系统中，管道的流量与流速一样，它与管道的长度、水力半径、水的密度、水动力黏度系数、管道的粗糙度、水流流态等因素有关。在这众多的影响因素中，大多数因素是难以知道的。因此，在研究岩溶管道的流量与介质的关系时，应先将上述因素用管道的综合流量参数加以表示，然后，有条件时，再逐步深入，研究其他具体的影响因素。

在单一的岩溶管道里，其流量与其驱动水头的关系如下^[3]：

q_v（t）=α[H（t）-H₀]^1/n（4.8）

式中：H（t）、H₀为某瞬时管道进、出口的水位；ΔH=H（t）—H₀为某瞬时管道的驱动水头；q_v（t）为某瞬时通过管道的流量；α为管道的综合流量参数；n为流态指数，当管道流态为紊流时n=1.75～2，当管道流态是层流时n=1。

ΔH-Q的特征曲线见图4.5。从图中知道，当流量参数α较大时，其流量较大，曲线远离ΔH轴，说明管道的阻力小、导水能力强；反之当流量参数α较小时，其流量较小，曲线靠近ΔH轴，说明其管道阻力大、导水能力弱。依据单一管道流量特征曲线，很容易采用单一管道来模拟单一的岩溶管道。在模拟时，可采用模拟管道中的阻力元件来模拟实际管道阻力。在多数情况下，其模拟结果能达到异构同功的效果。

图4.5 单一岩溶管道流量与驱动水头关系曲线

4.3.2.2 岩溶管道的等效箱-管组合模拟

在自然界里，岩溶管道往往都不是以孤立、单一的形式存在，而是以组合交叉或网络等形式存在，这时就要用管道组合来模拟，或者说等效箱-管组合模拟。这是因为岩溶管道还是一个灰箱或黑箱系统，因而只能在过水能力和过水方式上进行等效模拟。模拟时，根据实际资料所提供的信息，包括管道的空间状态、流量动态、通道条数及过水能力等作为模拟初值。在对岩溶管道水流模拟中，以机控水箱来模拟储水空间，以玻璃管来模拟管道。而模拟结果则是要确定管道系统是单一（主）通道或是多通道（包括管束或有差异的导水介质）以及管道（或导水介质）间的组合方式，求出综合流量参数。因此，首先要对管道的q_v=f（ΔH）特征曲线作分析，绘出其流量与驱动水头的特征曲线，如果该管道是单一管道，则其流量与驱动水头的关系满足于式（4.8）；反之则实测曲线与模拟曲线相差甚大，此时要考虑用等效箱-管来组合模拟。经过反复切换管道组合模式，最终确定一种模拟结果较理想的组合模式。

4.3.3 物理模拟的应用

郭纯青等^[1]对广西北山铅锌黄铁矿区岩溶管道水系统进行了物理模拟，选取1983年6月百年一遇的双洪峰（21日、22日），以及S2、S18、903、10A2四个观测孔水位资料及1号、2号、3号、4号泉溢洪洞四个观测资料，将北山矿区岩溶管道水系统概化为4个等效水箱，经多次反复模拟实验，实现了对8个主要水文点水位及流量的最佳拟合，拟合精度较高。对桂林岩溶水文地质试验场S31泉子系统进行了物理模拟，将该子系统概化为3个等效水箱，选取1989年4月13日8时至4月15日12时共60 h为模拟时段，模拟了降雨退水段，求取了管道水动力参数。

4.3.4 物理模拟装置

采用的模拟装置是由郭纯青教授设计的“岩溶管道水系统模拟装置”。该装置是目前国内外唯一一个岩溶管道水系统物理模拟装置。本套模拟装置依托传统的物理模拟方法，采取微电子技术与计算结合的方式，建立岩溶管道水系统物理模拟模型，是一套全自动水流控制系统。主要由液位检测传感器、液位压力传感器、流量传感器、A/D变换器、CPU监控中心和流量控制器等器件组成。实验装置简图如图4.6。岩溶管道水系统物理模拟装置主要包括两大部分——等效实体模型部分和数据采集监控部分。

图4.6 “岩溶管道水系统模拟装置”简图

4.3.4.1 等效实体模型

根据物理模拟建模要求，概化岩溶管道水系统多重含水介质体及水流特征为水能储存单元和输送单元的组合，采用等效水箱与变径管束的模拟装置建立等效实体模型，实现对岩溶管道水系统的水动力特征及系统转换功能的模拟目的。

系统被概化为水能贮存单元的亚系统，必须取得该单元出口端附近上游水位及流量的动态信息：

Q（t）=f_i[h（T）]（4.9）

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

h（t）=f_z（t）（4.11）

单元的水位与流量必须是同步的，流量可能是多端同时输出，包括季节性的分级溢洪泉。一般情况下，水能贮存和输送两单元总是配套组合模拟，等效水箱的容积也是将两者统一概化在内。对于水箱贮存量的计算，有如下两种方法。

用圈定岩溶体积几何空间的方式计算：

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

式中：V为岩溶管道水某子系统在h₁与h₂两标高范围内的贮存总体积；A（h）为不同标高等效水箱面积；h为水箱出口端有代表性的水位。

由于A（h）面积函数在实际中是不易求得，它不仅包括含水体所圈定的范围，也包括岩溶率在内的空间变量函数。

采用系统动态信息反求贮存体积：

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

当子系统的水位和流量动态处于无入渗状态单调下降情况下，可以选取适合的时段将流量动态做分段（时段和相应的标高段）积分求和，可求得总体积和分段体积：

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

式中：t_i、t_i+1为针对水位变化比较一致的相邻时段。

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

式中：

、

为不同水位时水箱出口的流量；

、

为不同水位时的相应时间间隔。

式（4.8）是式（4.7）的离散式。等效水箱的建立，由于经过上述动态分析，已经可以求出分段的ΔV_i的体积，由此可以通过式（4.5）的变换求得等效水箱分段的底面积：

A_i（h）=ΔV_i/（h_i-h_i+1）（4.16）

面积函数A_i（h）的下标i与标高段h_i是相应的。据此，等效水箱的空间容积就被完全确定，可以按照既定的模拟比值缩制模型。

4.3.4.2 数据采集监控系统

（1）数据采集子系统

数据采集子系统主要用于对岩溶管道水系统物理模拟模型运转过程的检测及运行情况的显示；同时对采集到的输入和输出数据，与野外实测数据对比并作预测分析。

测试元件主要通过微压差传感器对水箱测压管即文杜里流量计以及孔口流量计等进行水头压力（或压差）测量；以求得等效水箱水位与管间流量的测试，数据采集主要通过A/D板将传感器采集到的物理信号转换为数字信号与计算机共同完成（图4.7）。

图4.7 数据采集子系统示意

通过多通道的信号输入，计算机可以按照规定的间隔时间，对全部被测试点的压力（或压差）数据做瞬时同步采集。

（2）数据监控子系统

物理模拟装置中的数据监控子系统，包括带控制程序的微机，以及执行微机指令的可控水箱的进水装置。监控子系统的功能是通过对各测试元件所采集模拟模型的信息，反馈控制水箱进水量，实现对岩溶管道子系统的水能储存和释放的模拟。

可控水箱进水装置由电磁阀构成，根据微机指令的数字信号通过D/A板转换为电讯号，经放大控制电磁阀开关。

物理模拟过程的微机控制程序包括以下两个方面：

1）识别模拟阶段：根据模拟模型中对储能单元在空间变化（水位的函数）规律，编制出不同标高段相应的进水量的控制程序。

2）预报模拟阶段：控制程序编制根据预报期内的降水有效入渗，转化为水能储存单元在规定的模拟时段接受随机滞后输入量的控制。

通过微机将数据采集与监控两子系统耦合构成模拟模型的重要组成部分。

4.3.5 朱家岩隧道涌水物理模拟

4.3.5.1 研究区隧道涌水物理模型概化

根据水动力相似原理，按朱家岩隧道实际水文地质条件，选取线性相似比例系数1/103，从而面积相似系数为1/106，体积相似系数为1/109，时间相似系数为1/10，流速相似系数为1/10，流量相似系数为1/107。

研究区补给面积取8×10^-2km²，范围为硐身及其两侧附近地带，其中包括可能与隧道沟通的汇水洼地、落水洞等地带，由1/10000岩溶水文地质图上量取。根据资料综合分析，隧道硐身均在饱气带，枯水期为表层岩溶带、垂直下渗带和季节交替带，厚度为230～355m，丰水期为表层岩溶带和垂直下渗带，厚度为210～305m。因此，水箱（储水介质）概化为面积为800cm²，枯水期高度为35cm，丰水期高度为30cm的垂向变体积水箱。由于研究区以管道流为主，对各子系统之间以裂隙方式的面状水量变换，可以等效到管道连接部分合并处理。对岩溶管道（包括箱间连接管道及排泄通道）的模拟，先根据地质、水文地质及岩溶发育条件的分析给出初值（包括管道空间状态、流量分配及阻力状况等），然后根据动态模拟结果反复调整。初值的给出，遵循下列约束条件：第一，管道条数，根据流量衰减分析的结果，初步确定管道条数为3条，如果模拟结果跟实际相差很大，则重新选择管道条数。第二，管道位置高度。第三，管道流量约束，水箱补给管道水量应近似于降水补给研究区的水量，管道总排泄量应近似于隧道涌水量。经多次反复模拟试验，实现对朱家岩隧道涌水过程的最佳模拟，拟合程度最好的即为该区管道组合结构。

研究区补给面积为8×10^-2km²，远小于红岩泉地下河系统的汇水面积（10.5km²），而实测隧道最大涌水量为3400m³/d，即39.4L/s，也远小于红岩泉洪水期的流量（1000～2000L/s），隧道涌水虽然对红岩泉地下河系统造成了一定的影响，但是影响不大，又由于缺乏长观资料，因此不考虑红岩泉流量，只是对隧道涌水系统进行了研究。

4.3.5.2 朱家岩隧道岩溶管道涌水的物理模型研究

根据8月15日的降水量、涌水量资料（因4月30日和6月15日的涌水衰减量不大，有些管道可能没有参与衰减过程，故采用8月15日的数据进行物理模拟），建立朱家岩隧道包气带岩溶管道水系统物理模拟模型，用等效箱-管模型来组合模拟，经过反复使用1条、2条、3条切换管道的组合模拟，最终确定采用3 条切换管道，模拟结果才较为理想，模型见图4.8。这一结果跟流量衰减分析的结果“该区管道发育程度有三个级别”相一致，验证了衰减分析的可靠性。

图4.8 朱家岩隧道物理模型装置示意

应用该模型来模拟朱家岩隧道8月15日涌水的时间-流量过程线如图4.9，图4.10所示。8月16日至9月4日的结果见表4.4。

图4.9 时间—流量曲线

图4.10 时间—流量曲线

表4.4 模拟最接近实测数据的一次实验数据

表中8月19日和8月20日1号、2号流量的大小关系与别的时段的大小关系不一致，可能是由于模型概化时水箱边界条件的选取不是很精确而造成的，在以后的工作中会予以重视。

据文字记载，湖北宜昌市最大日降水量为385.5mm（1935年7月5日），将此降水量值输入该模型，经过反复实验，求得最大涌水量为9800m³/d。

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