岩溶隧道地下水化学动力学及分形特征研究

Karst tunnel projects usually were suffered by geological disasters as water gushing and sudden mud bursting, which seriously threaten construction and operation safety of tunnel engineering. The key to solve the problems of karst tunnel was how to accurately forecast Karst and karst groundwater. So, it's necessary to do the study of the karst aqueous medium and physiological mechanism in-depth. In this project, different karst forms and groundwater revealed by tunnel construction were looked as the research objects, by means of on-site monitoring, theoretical analysis, laboratory simulation ,etc. the research methods were combined with karst groundwater dynamics, water chemistry, water-rock interaction theory and fractal theory. On the basis of analysis on environmental effects of karst dynamic system, research were carried out with chemical kinetics characteristics of karst groundwater, fractal features of karst forms, correlation with karst groundwater chemical kinetic parameters and karst forms. The evaluation model for karst development degree was established on the basis of water chemical kinetics parameters and the fractal index of karst forms. Thus, the evaluation technology was gain for karst development degree, by means of water chemical kinetics parameters and fractal index of karst forms, which were very important to improve the accuracy of karst geology and groundwater prediction with theoretical and practical guiding significance.

岩溶涌水、突泥等地质灾害严重危及隧道工程施工和运营安全，岩溶及地下水的准确预报或探测是解决问题的关键，为此需要对岩溶含水介质特性及其作用机理开展深入研究。本项目以隧道开挖揭露的岩溶形态和地下水为研究对象，通过现场监测、理论分析和室内模拟等手段，将岩溶地下水动力学、水化学、水-岩相互作用理论和分形理论相结合。在岩溶动力系统环境效应分析基础上，开展岩溶地下水的化学动力学特性、岩溶形态的分形特征、以及岩溶地下水化学成分与岩溶形态之间的相关性研究，建立基于水化学动力学参数和岩溶形态分形指数的岩溶发育程度评价模型，提出岩溶发育程度的水化学动力学-分形指数评价技术，对岩溶及地下水预报技术的提高具有重要理论和工程实际指导意义。

我国铁路建设中遭遇了大量岩溶隧道涌水、突泥等地质灾害问题，教训深刻。众多工程实践表明，长大隧道岩溶涌水、突泥等地质灾害问题已成为倍受关注的国际性难题，其中岩溶及地下水灾害的预测预报准确性问题还未解决。我国中西部地区正在建设的蒙华、渝怀二线、黔张常等多条铁路均存在长大岩溶隧道，面临或遭遇不同程度、规模的岩溶地质灾害问题。为此，需要在现有预报技术基础上深入开展岩溶及岩溶地下水作用机理研究，准确认识和评价岩溶发育规律和岩溶发育程度，为解决岩溶地质灾害问题的关键技术提供基础理论或方法。. 在国家自然基金委的资助下，开展面上项目《岩溶隧道地下水化学动力学及分形特征研究》（批准号：41372334）工作。项目研究以隧道开挖揭露的岩溶形态和岩溶地下水为研究对象，通过现场监测、理论分析和室内模拟实验等手段，将岩溶地下水动力学、水化学、水-岩相互作用理论和分形理论相结合，在岩溶动力系统环境效应分析基础上，开展岩溶地下水的化学动力学特性、岩溶形态的分形特征、以及岩溶地下水化学成分与岩溶形态之间的相关性研究，建立基于水化学动力学参数和岩溶形态分形指数的岩溶发育程度评价模型，开展岩溶发育程度的水化学动力学-分形指数评价技术研究。. 项目研究取得的创新性成果包括：提出岩溶隧道地下水动力学参数的水化学动力学表达形式；通过探索岩溶地下水化学动力学参数与岩溶发育程度分形指数的相关性，指出隧道揭露岩溶水的水化学动力学特性与岩溶形态分形特征的相关性；建立基于水化学动力学参数和岩溶形态分形指数的岩溶发育程度评价模型，提出岩溶发育程度的水化学动力学-分形指数评价技术，包括岩溶发育程度评价的分级标准、指标体系和评价方法。取得的其他成果包括：专利 1 项、学术论文 5 篇、专著一部、培养硕士研究生3 名。. 研究成果具有重要的工程实际指导意义，为提高岩溶及地下水预报准确性提供了新的理论和方法，对隧道岩溶地质灾害防治问题的解决具有很好的应用前景。