考虑生态保护的山区隧道地下水排放控制研究

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我国是一个多山的国家,各级公路与铁路隧道的建设不可避免地穿越各种高山峻岭,其中不乏生态敏感区和高水头富水地区。在以往的隧道建设中,处理地下水的方式主要是以排为主,一方面富水隧道的长期大量排水会对围岩与衬砌稳定性造成影响,另一方面当隧道长期疏干地下水且地下水得不到及时补给时,隧址区的地下水位会下降,使得隧址区植被生长用水受限进而导致隧址区生态环境的恶化。因此在隧道建设或运营过程中对地下水排放进行控制并确定一个合理的排水量尤为重要。本文以确保隧址区地表植被正常生长为前提,结合“主动堵水,限量排放”的思想,在植被生态水位的基础上考虑衬砌的安全性综合确定隧道的限排量。本文依托G351国道开化段上的横坞隧道,采用现场调研、理论分析和数值模拟的方法对生态敏感区隧道不同的防排水措施给渗流场及地表植被生长带来的影响进行分析,在确定生态水位的基础上提出适用于横坞隧道的限排量,该限排量的确定过程可为类似的山岭隧道的设计、施工和防排水措施提供参考,取得的主要成果如下:(1)通过对横坞隧道工程水文地质相关资料的收集和现场调研,掌握了隧址区的地质地貌、大气条件和植被种类。在此基础上,使用数值模拟的方法,建立了流固耦合作用下隧道施工阶段的渗流模型,分析了隧道施工过程对隧址区渗流场和应力场的影响。并通过设置不同的二衬渗透系数来模拟不同的防排水措施,分析了二次衬砌背后水压、地下水位和涌水量等因素在其影响下的变化规律,阐明了限量排水是生态敏感区隧道较为合适的地下水处理方式。建立了衬砌外水压力与隧道排水量之间的关系,为后续从衬砌外水压力角度验证考虑生态保护的限排量的可行性提供依据。(2)以隧址区杉木的根系区土壤水基质势为切入点,通过Hydrus-1D软件建立了隧址区的土壤-植被-大气连续体模型,分析了不同环境(如土壤质地、地下水位埋深及地下水位变化速率等因素)对植被生长状态的影响。在此基础上以隧道附近林地为例,分析了其在隧道建设期间生长状态的变化,得出隧道建设对该位置处杉木影响较小的结论。此外,还提出了以相对蒸腾比为指标(即植物的实际蒸腾量比上潜在蒸腾量)来衡量植物在某段时期内的生长状态,将相对蒸腾比与地下水位埋深拟合建立函数关系,预测得到满足隧址区杉木生长最低要求的生态水位。(3)以地下水动力学中的面井法建立了隧道排水量与水位降深之间的联系,通过理论计算得出隧道排水的影响范围,并引入水分胁迫响应时间,以上文确定的隧址区生态水位为允许的最大水位降深,考虑隧址区地下水的动态平衡,即满足一段时间内地下水的排放量小于或等于地下水的补给量,综合计算出满足上述条件的隧道排水量。结合该排水量时的衬砌外水压力,经考虑确定出横坞隧道的排放控制标准。(4)考虑到不同山岭隧道所处的环境差异较大,本文选用了常见范围内的水位高度、围岩渗透系数和降雨量,计算出能在一定范围内适用的山岭隧道排放控制标准,该标准可为类似工程的排水量确定提供参考。对于无法用生态水位控制排水量的高水位情况,则需要根据实际情况进行取舍。对于生态敏感区,需以生态水位控制的排水量为依据,采取注浆、对衬砌结构进行加固或改变衬砌断面形状等措施来满足高水位对衬砌结构提出的要求;对于偏远地区或对生态环境要求不高的地区,则可以满足一般衬砌结构承载能力要求为出发点来对隧道排水量进行控制。
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