色季拉山隧道工程岩体渗透特征及涌水预测研究

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川藏铁路是继青藏铁路之后的第二条进藏"天路"。川藏铁路东起雅安市,西至林芝。其中拟建的色季拉山隧道为川藏铁路昌都至林芝段的关键性控制工程,隧道进口位于鲁朗兵站,出口位于林芝镇尼池村附近,隧道穿越色季拉山山脉,全长37896 m,隧道最大埋深为1673 m。沿线水文地质条件复杂,穿越有断层及节理密集带,在施工过程中会引发涌突水问题,以及对周边环境造成影响。鉴于此,本文进行色季拉山隧道水文地质条件及岩体渗透特征研究、隧道涌水预测及水环境影响分析,为隧道施工提供一定的依据。本文通过查阅地质背景资料、现场水文地质调查、水化学成分分析、钻孔抽水试验、裂隙测量法、数值模拟等手段对色季拉山隧道的水文地质条件分析并研究隧址区岩体渗透特征,在此基础上运用解析法和数值法预测隧道涌水量以及渗流场变化特征,分析隧道施工对水环境的影响。主要的研究成果如下:(1)隧址区地下水类型以基岩裂隙水为主,根据其岩性不同可划分为变质岩类裂隙水与岩浆岩类裂隙水,按照含水介质类型可划分为风化带网状裂隙水及构造裂隙水;隧址区内地下水以大气降雨和冰雪融水补给为主,通过地表径流及裂隙运移,在地势控制下,最终向区内最低排泄基准面汇聚。根据水化学分析表明水化学类型为SO4-Ca·Na与HCO3-Ca型,呈弱碱性,矿化度低,均为淡水且水质较好。隧址区内以色季拉山岭脊为界,岭脊以东属于鲁朗河水文地质单元,以西属于尼洋河水文地质单元。(2)基于隧址区内岩体裂隙发育的空间组合特征,确定岩体渗透结构类型为主要由走向不同的裂隙构成的网络状渗透结构以及由断层破碎带、节理密集带构成的带状渗透结构,根据裂隙参数划分渗透结构等级,区内以I-III级为主;在隧址区内抽水试验及渗透张量的计算分析基础上,对岩体渗透性能进行概化分层:裂隙渗透张量计算结果表征地表全-强风化层渗透系数在0.044~0.459 m/d之间,混合孔抽水试验结果表征区内弱风化岩体渗透性能,渗透系数介于0.0048-0.0849m/d之间。(3)运用Visual Modflow软件模拟隧址区在不同工况下地下水渗流场动态变化情况。模拟的地下水渗流场与实践情况基本吻合,模型结果显示:在隧道施工完全排水状态下,沟谷及浅埋段地下水地下水位变化较大,沟谷部位钻孔在隧道施工半年内水位降深为149.56 m,速率可达0.82 m/d,随后降深曲线趋于平缓,5年后其降深为147.33 m;隧道所穿越山体处钻孔其水位降深随时间逐渐变大,一年后降了52.19 m,但相对于沟谷处钻孔,降深趋势较为稳定,保持相对不变的速率,五年后降深为54.37 m。隧道施工五年后对其封堵处理继续运行模型,完工后1年,隧道所穿越的断层影响带附近钻孔地下水水位已从4122.5 m恢复至4270.4 m,速率可达0.539 m/d,3年后水位恢复至施工前状态;隧道所穿越山体处孔地下水水位以相同的速率持续恢复,较沟谷处钻孔恢复慢,3年后恢复至3452.9 m,隧址区内地下水渗流场基本恢复至隧道施工前状态。(4)基于解析法进行隧道涌水量及影响范围预测。运用大气降雨入渗法、地下水径流模数法、地下水动力学法(科斯加科夫公式、铁路勘测规范中经验公式)预测隧道涌水量,并与数值模拟法进行对比分析,预测隧道正常涌水量介于88011.03-96626.27 m3/d之间;最大涌水量介于165111.22-190198.77 m3/d之间。采用解析法预测隧道施工影响半径,并结合数值法分析得知,隧道深埋段的影响半径约为600 m,对水环境影响轻微;而隧道穿越断层沟谷的浅埋段,水环境影响范围明显扩大至2.5 km,使沿着断层沟谷以及相交断层及其破碎带周边的地下水水位造成大幅度下降。
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