隧道涌渗水诱发地下水位动态变化及其影响机制研究

The destruction of vegetation and eco-environment induced by tunnel construction happens frequently, the essential reasons are the drawdown of groundwater induced by water gushing. However, the method is lack for calculating groundwater table effectively, and the relationship between water inflow and groundwater table is not clearly established. Focusing on the above problems, the main contents are as followed: 1) Based on theory of groundwater dynamics and areal-well method, the seepage model of tunnel will be established and the conversion from well-flow to tunnel-flow will be realized, then the method for calculating groundwater table variation will be established; 2) According to the transformed seepage model, the resolution of dynamic variation of groundwater will be achieved under the conditions of different groundwater table, geological, recharge, and boundary condition; 3) 3D seepage numerical model with complex fractured rock mass will be established to analyze the variation of groundwater saturation line, then the results will be compared with analytical solution for revising and simplifying the analytical solution; 4) The flow experiment will be carried out to analyze the relationship between groundwater table and water inflow, the analytical solution will be completed on the basis of the mutual authentication among theoretical, numerical and experimental results. After the above theory and experiment research, the dynamic variation law between groundwater inflow and groundwater table will be mastered, and the influencing mechanism of the drawdown and the scope of groundwater will be confirmed. Ultimately, the method for calculating drawdown of groundwater table will be proposed, which can provide the guidance for the environment protection of tunnel.

隧道施工导致隧址区植被生态环境破坏常有发生，其本质原因是隧道涌渗水诱发地下水位下降，目前缺乏隧道地下水位有效计算方法，且隧道涌渗水与地下水位动态变化关系尚未建立。针对上述问题开展研究，主要内容包括：1）基于地下水动力学方法，建立隧道渗流模型，通过面井法实现井流与隧道渗流模型转换，构建隧道地下水位随涌水量变化关系计算方法；2）基于转换的隧道渗流模型，考虑不同地下水位形态、地质条件、补给条件及边界条件，获得地下水位动态变化理论解析；3）建立复杂裂隙围岩条件下三维渗流数值模型，分析地下水浸润线形态变化，通过对比，修正、简化理论解；4）开展隧道渗流模型试验及现场试验，分析地下水位随时间及涌水量变化情况，与理论解及数值解相互验证，完善理论解答。基于上述理论及试验研究掌握隧道涌渗水与地下水位动态变化规律，确定地下水位降深及降水漏斗范围影响机制，提出隧道地下水位降深计算方法，为隧址区环境保护提供依据。

随着“一带一路”及交通强国战略的推进及深化，高速公路及高速铁路蓬勃发展，为经济提供了极大的发展契机，给人民生活带来极大便利。为保证高速列车平稳性，桥隧比超过50%的线路已较普遍。而隧道通常埋置于地下，往往被地下水包围，尤其在南方山区。隧道开挖形成新的地下水排泄通道，如果对地下水处治不当，可能造成大量地下会流失从而诱发地下水位大幅下降，导致隧址区植被生态环境被破坏。建立隧道涌渗水量与地下水位变化之间的关系，能够在隧道开挖过程中对地下水涌渗水量进行有效的处治，从而避免植被生态破坏风险。针对上述问题，课题组采用理论推导、数值模拟、试验研究，开展了隧道涌渗水诱发地下水位动态变化及其影响机制研究，通过地下水动力学方法，建立了井流与隧道渗流转换模型，使得地下水位降深关系模型更符合实际；基于转换的渗流模型，通过面井法，建立了隧道涌渗水量与地下水位动态变化关系，基于上述关系式，通过数值计算获得地下水位二维形态及三维形态图；建立了隧道孔隙水压力及地下水位变化数值计算模型，获得了地下水渗流场变化及地下水位浸润线变化情况；通过上述解析结果与数值模拟结果，获得了隧道涌渗水量与地下水位变化规律；在单孔隧道地下水位变化规律基础上，通过理论分析获得双孔隧道涌渗水量与地下水位变化规律，为隧道建设工程中地下水位的计算及地下水的处治提供了一定理论基础及参考。基于隧道涌渗水与地下水位动态变化关系，能够在隧道设计及施工过程中通过控制地下水的渗漏量，从而控制地下水位降深，能有效避免隧址区植被生态遭到破坏，实现工程建设与生态环境协调发展的目的。所以，上述研究成果对隧道建设及生态环境保护具有较大的理论及科学意义。