基于生态地下水位限制分离排水隧道:一个案例研究

文摘

隧道开挖后,在富水地区,地下水不断排入隧道。过度放电会导致地下水位下降,这将破坏植被的正常生长和生态平衡。为了保护生态环境,关键是要开发一个有效的方法来确定隧道排水。摘要排水隧道的极限的一种计算方法,提出了基于地区钻井方法和生态地下水位生态学的概念和农学。吸引一些结论如下。(1)当生态地下水位是常数,与地下水流量的增加,隧道的排水影响范围减少,降雨补充数量在排水影响范围内减少,地下水流量和总数量问_t也逐渐减少。由于减少的速度是比问_t,有一个单元排水,使地下水排放总量等于降雨的补充。(2)一个分离在建隧道福州市为例;排水的极限问₀分离的双隧道是0.48米³/ (m·d)考虑生态地下水位。

1。介绍

随着经济的发展,各地区交通设施的改善,建设大型隧道是逐年增加,这不仅带来了新的交通的发展和经济增长的机会,也带来了挑战当地生态、水文和地质环境1- - - - - -9]。在隧道开挖在富水区域和操作,通过隧道地下水泄露,所以地下水位下降8,10,11)如图1表面水,从而减少存储和连泉枯竭。在首尔,隧道施工后的年度排放地下水是6300万米³,地下水位从1996年的16.85下降到2003年的20.40 (12]。铁路隧道的建设通过瑞典西南部Hallandsas岭导致私人水井干涸,弹簧接近隧道轴由于地下水下降(6]。Zhongliangshan隧道的建设在重庆29地面坍塌和枯竭造成48泉(13]。地表水的影响区域是约7.2公里²,严重威胁当地居民的生活和生产用水14]。同时,减少造成的地表水和地下水水源的短缺在当地生态系统,导致植物生长的恶化。树木年轮的宽度的影响区域Zhongliangshan隧道在重庆继续下降(15),占主导地位的植物的增长率(马尾松,杉木纯林等)拒绝在不同程度上由于缺乏水16]。隧道开挖也减少了土壤含水量,然后改变了喀斯特地区植物水吸收模式(17]。

这些不利影响的隧道排水发生,因为waterproofing-drainage措施在过去隧道通过富水地区主要是自由排水减少水压力对衬砌结构的稳定性的影响(18- - - - - -20.]。随着环境保护意识的提高,pressure-regulated排水的指导思想已逐渐被应用于工程实践(21- - - - - -23]。pressure-regulated排水的原则是,允许一部分地下水排放出隧道,地下水的水平调节通过调节值或一个出油口。

隧道,已经有一些研究的计算方法和标准地下水排水。例如,允许排水Oslofjord跨海隧道在挪威决心根据排水能力和经济效益,和土地的最大允许排水部分在住宅和休闲区为0.288 m³/ (m·d) [24]。存在古代建筑的上部Storhaug隧道在挪威;排水范围设置为0.0432 - -0.144米³/ (m·d)保护他们25]。由于城市休闲区地下水排水的敏感性,最大允许Baneheia隧道排水在挪威决心是0.03024米³/ (m·d) [25]。为了保护水环境和植被,最大允许Geleshan隧道排水在中国是1.0米³/ (m·d),实际排水操作是0.95米³/ (m·d),满足了设计允许排水(26]。为了减少地表水的损失Qiyueshan隧道,允许的最大的排水是3.0米³/ (m·d),确定了基于工程地质条件,水文条件和设备的排水能力22]。基于植被的生态需水量,27]研究了排水漏斗隧道排水后,获得了计算方法对隧道排水保持植被和地下水的生态平衡。

目前,煤炭开采地下水的研究比较成熟,提出突水解决措施(28),并给予保护含水层(29日]。然而,没有相对统一的计算方法的隧道排水与广泛的适用性和限制标准;前面的隧道排水系统有自己的考虑和具体规定条款的使用功能和地质环境。在这个研究中,从植物的角度来看需求和利用地区钻井方法在地下水动力学,地下水下降和时间之间的关系,得到了和排水隧道的数量。然后通过分析地下水排放总量的平衡问_t地下水和总供给降雨入渗主要从供给,排水保持平衡的计算方法,提出了地下水。最后,在分离double-hole福州在建隧道为例,其限制确定排水。

2。地下水位和植被之间的关系

地下水为植物提供水、盐、有机营养和热量。足够时,地下水位下降,根系不能吸收足够的水的毛细区,导致植被退化。如果水短缺很长一段时间,植被将会消失。足够的浅地下水位时,它可能会导致土壤盐渍化和威胁植被的生长。根据这一现象,提出了生态地下水位的概念,这意味着地下水表满足植物的正常生长和植被退化的问题,土地沙漠化、土壤盐渍化不会出现在任何灌溉(30.]。

杨et al。31日昱伸煤矿区用于μ我们沙漠研究定量分析植被和地下水位之间的关系在不同的生态和地质(ecogeological)环境。刘等人。32)使用Yushenfu矿区为例;ecosafety地下水表确定为1.5∼5.0米是基于曲线描述地下水位和归一化植被指数之间的关系(归一化植被指数,通过光学卫星,是最受欢迎的指标之一,植被的状态)。霍顿et al。33]分析了三种不同植物的生理反应地下水位的变化,并提出了地下水位的范围保持两种植物的正常生长。纽曼et al。34]总结了许多学者的研究成果,提出了地下水与植被关系增长从生态水文学的角度。施等。35)研究了基于植被覆盖率和地下水与植被之间的关系提出了地下水位适合在不同地区不同植被的生长。程等。36]分析了不同群体之间的关系,植物覆盖率,和地下水位,指出,曝气区的地下水位和土壤含水量是影响植物生长的重要因素,并提出了地下水表适合不同的植被。

上述分析表明,植被地下水位密切相关。因此,在确定隧道排水时,有必要引入生态地下水位。地下水下降引起的隧道排水必须确保不超过生态地下水位保护植被的隧道。

3所示。理论方法计算隧道排水

基于生态地下水位、理论计算方法的具体进展隧道排水图所示2。首先,基于地区钻井方法在地下水动力学、地下水渗流模型,建立了单孔隧道,隧道,这揭示了水流入地下水位下降和数量之间的关系。第二,根据拟议中的地下水渗流模型,地下水的影响范围排水漏斗派生的前提下控制所需的最大范围内的地下水减少植被的正常增长。然后降雨补充数量在影响范围内获得通过降雨入渗系数的方法,然后比较总地下水排放数量问_t。通过调整地下水排放问₀为了使等于问_t,问₀是隧道的最大允许地下水流量的网站。

3.1。隧道排水和地下水下降之间的关系

3.1.1。下的地下水降排水的单孔隧道

由于隧道渗流和泵之间的相似性,目前的计算方法,地下水撤军后隧道排水通常是基于流理论在地下水动力学。在井流理论,假设是(1)直径是无穷小的;(2)是垂直;和(3)井口周围的减少发生。隧道相当于水平井,撤军漏斗将出现在隧道的顶部。因此,可以认为,隧道壁是由无限的抽水井,和无限的叠加抽水井被认为是如图3(14]。

无限叠加的抽水井,采用专业方法获得最终的地下水撤军。地区钻井的方法是,当井孔的流量分布相对均匀的在一定几何形状(矩形和圆等),以及组可以被视为一个整体,和泵从每个被认为是统一的“蒸发”的分布区域以及集团(37]。

如果地区钻井方法采用确定隧道排水,以下假设应该是:(1)隧道横截面被认为是标准的圆形,和整个隧道是圆柱形的。然而,隧道横截面的形状通常是马蹄形,需要转化成一个圆的面积等效原理。(2)水流入隧道墙上均匀,稳定,处处相等。

隧道的长度l和半径是R₀,如图4(一)。当隧道墙面扩展成一个平面,平面的大小l= 2l_x和宽度是2πR₀= 2l_y,如图4 (b)(27]。假设这架飞机是由无数微小的渗透表面,水流入在飞机上到处都是相等的。在任何一点上微量元素的作用米可以被看作是单一的作用,所以整个脸部的动作点吗米可以通过集成微量元素的作用。

假设每日每延米的隧道涌水量问单位时间内,总涌水量渗透表面可以表达的 在哪里问每日隧道涌水量(m³/ d);问是每日每延米的隧道涌水量(m³·d⁻¹米⁻¹);l隧道的长度(米)。

因此,单位面积上的水流入可以表达的 在哪里单位面积上的水流入(m / d)。

坐标系统,如图4 (b)。的坐标系统是微量元素的位置,坐标系统是减少计算点的位置。

因为它需要很长时间对隧道周围的地下水形成一个稳定的流动状态,不稳定的地下水流动的计算方法更符合实际情况。赛思井函数(38)是最广泛使用的公式涉及地下水的非定常流,表达的

和无量纲参数被定义为

函数定义的 在哪里年代是地下水下降(m);问每日隧道涌水量(m³/ d);T是传播性系数(m²/ d);一个压力传导系数,在哪里一个=T/μ,μ是特定的产量;t是时候从一开始泄漏(d);r地下水减少点之间的距离,(m)。

数学书替换函数执行。设置

然后我们得到的微分x所表达的

因此,方程(5可以表达的

然后,方程(8)(后井函数替换)带入方程(3),减少在任何时候可以表达的

假设有任何一点米(x,y)在隧道区域,减少渗流作用下表面放电问是通过下面的方法来解决。

在任何时候 为中心和微量元素渗透表面,水流动的微量元素 。点米(x,y微分的渗流作用下表面 ,其微分撤军ds可以表示由以下方程基于方程(9):

撤军的点米(x,y)的作用下渗流的脸可以通过集成在整个脸部,表达的

方程的数学代换(11)进行。设置

然后我们得到的微分所表达的

因此,可以得到以下方程: 在哪里 被称为高斯误差函数。

同样,方程(15)可以获得如下:

用方程(14)和(15)方程(11),注意到 ,方程(16)可以获得如下:

方程的数学代换(16)进行。设置 ,然后我们得到微分 ,与方程(16)转换成

定义以下功能:

然后,在任何时候撤军米(x,y)的作用下矩形区域可以表达的

在这里,一个_r表达的是 在哪里一个_r可以调用函数的矩形区域。在这篇文章中,一个程序计算 在任何范围的值和基于MATLAB开发。中心点的单孔隧道,设置x= 0和y在方程(= 019),地下水减少隧道的中心点可以表达的 在哪里年代_c的地下水减少隧道中心点。

显然,最大地下水撤军是中心的隧道,因此方程(21)的计算公式是最大的地下水位下降引起的隧道排水。年代_c是一个函数的t时,可以计算年代_c和隧道涌水量问给出了。

3.1.2。下的地下水降排水的分离Double-Hole隧道

分离double-hole隧道(图5(一个))、地区钻井方法也采用了和两个隧道相当于两个地区井,如图5 (b)。

单孔隧道,任意点的压降方程米(x,y)的作用下矩形面积井方程表达的是(1),(2),(19)和(20.)。撤军的隧道、分离点米是撤军的和排水造成的隧道,隧道,如图5 (b)。设置排水左隧道的数量问₁排水隧道数量的权利问₂。直径、长度和宽度的左隧道,隧道是相同的,和他们r,l和B,分别。左和右隧道之间的距离D,坐标原点设置左隧道中心,如图5 (b)。根据方程(1),(2),(19)和(20.),撤军年代₁由于左隧道排水点米表达的是

左边的隧道,隧道是相当于一个正确的翻译(D+B)在y协调的方向发展。因此,减少年代₂由于对隧道的渗漏点米表达的是

为减少年代的米点,年代=年代₁+年代₂是由叠加撤军的隧道,隧道。除了x和y独立变量和其他参数吗年代函数是常数,最大的价值年代出现在左边的中心隧道通过数学手段和正确的隧道。因此,选择的中心减少隧道地下水控制撤军。设定撤军左隧道控制中心的撤军,什么时候x= 0和y= 0,撤军的中心左侧隧道可以表达的 在哪里年代_l是地下水下降的中心左隧道由于左隧道渗漏。

同样,撤军的中心左隧道由于右隧道渗流可以表达的 在哪里年代_r是地下水下降的中心左隧道由于右隧道渗漏。

如果最大允许压降年代,时间吗t达到最大限度的减少可以通过方程(28)和(29日)。

3.2。排水隧道周围影响范围

3.2.1之上。水平影响范围

隧道网站没有明显的补给边界和分水岭,与地下水下降约0 m是影响范围的边界。泵送时间创建一个泵漏斗。根据井的流动特性,降漏斗上方会形成隧道时放电太高了。然而,不像哦,隧道的长度远远大于宽度;因此,把漏斗的形状是一个倒锥形椭圆。的椭圆范围地下水降落漏斗影响隧道的范围和降雨入渗补给区(27),如图6。

每个点的撤军是双通道的叠加;然后,隧道的影响范围在中间是最大的横向方向。地下水的协调水平下降约0 m是椭圆短半径b的影响范围。

以左隧道的中心点为原点,坐标系如图5 (b)。然后,撤军的表达在任何时候离开隧道之和的撤军_h1和隧道的撤军_h2。设置x= 0和y=−b在方程(24),地下水下降年代_h1在横向−b在半夜离开隧道的渗漏引起的隧道可以表达的

设置x= 0和y=−b在方程(27),地下水下降年代_h2在横向−b中间隧道引起的隧道的渗漏可以表达的

考虑到两个隧道的叠加后,地下水下降y=−b中间的隧道可以表达的

当年代_h= 0,b获得,即椭圆短隧道半径的影响范围。

3.2.2。纵向的影响范围

在纵向方向,考虑到对称性的左和右隧道,隧道地下水下降的中心线左隧道和右隧道是相同的。因此,一个地方的撤军大约0 m的方向x作为椭圆长轴半径l的影响范围。

设置x=l和y在方程(= 024),地下水下降年代_z1在纵向l由于左隧道渗流可以表达的

设置x=l和y在方程(= 027),地下水下降年代_z1在纵向l对隧道的渗漏引起的可以表达的

考虑到双隧道的叠加后,地下水撤军x=l可以表达的

当年代_z= 0,l获得,椭圆长半径的影响范围。

3.2.3。影响隧道渗流漏斗的范围

椭圆的短半径和长半径后分别由方程(32)和(35),隧道排水漏斗的影响范围可以确定,如图6。因此,椭圆区域F可以获得,表达了方程(36)。F的降雨入渗补给区:

3.3。确定降雨入渗补给

隧道工程,降雨入渗通常是地下水的主要补给来源。降雨入渗的一般过程是,首先雨水补充地下水水在上面的包气带表面,当水分在包气带到达领域水容量,雨水将补给地下水。为了准确地理解降水的补给地下水,雨水渗透系数是一个重要的评价参数。降雨入渗系数的比例是降雨渗透补充到相应的降水 ;也就是说, (39]。

山,平原和山地地区,当没有测试数据,含水层的降水入渗系数大约可以根据表确定1(40]。

降雨可根据当地气象数据。根据区域、年降雨量和渗透系数得到充电的地区,和每天充电的影响范围内,所表达的(39] 在哪里每日平均入渗供应(m³/ d);p降雨入渗系数;年降雨量;F由降雨渗透补充区域(m³)。

3.4。地下水平衡分析

在地下水的过程中减少计算,单位时间进水量问;然后,总进水量t可以表达的

降水的总供给t可以表达的

达到容许撤军后,排水的总量问_t和充电得到了。(1)如果问_t= ,地下水是平衡,地下水位将不再继续下降。(2)如果问_t> ,排水太大。在这种情况下,地下水枯竭和生态环境将受到影响。因此,应该减少进水量平衡放电和供应。(3)如果问_t< ,放电是合适的,不需要行动。

4所示。案例研究

4.1。隧道的描述

该隧道是一个分离double-hole隧道平均约20米的距离。左、右线的总长度是1176和1140,分别约1000人通过含水层。隧道的宽度为20.02米,高13.53米,和一个等效圆半径为10.8米。网站的主要围岩隧道是不稳定的完全风化花岗岩和中等风化花岗岩。地下蓄水层的平均厚度H= 30米。围岩的渗透系数是岩土工程勘察报告的详细调查阶段的延长线项目北福州市工业路(我节)(41]。本文的综合价值渗透系数为0.3 m / d,特定的收益率μ根据经验值= 0.02常见岩石的具体产量、含水层的导水系数T=kH= 9米²/ d。根据表2,福州的年平均降水量为1359毫米。这个区域的岩性相对破碎,所以降雨入渗系数被认为是p= 0.2。总结了容许排水计算参数表3。

4.2。生态地下水位

根据实地调查,隧道上方的主要植物樟脑树,芒果树,龙眼树,悦榕庄,其中樟树的直径是0.3米- 0.9米,芒果树是0.3 - -0.8 m,龙眼树是0.2 - -0.4 m,悦榕庄是0.7 - -1.5米。

目前,没有研究这些树木生态地下水位。因此,在综合考虑生态保护和建设成本、生态地下水位指的是5米表4(42]。

5。结果与讨论

5.1。时间t地下水位达到生态平衡的地下水

根据节4.2这个地区,最大允许地下水下降年代= 5米。

根据岩土工程详细勘察阶段的调查报告的延长线工程北福州市工业路(我节)(41),左隧道的正常涌水量543.77³/ d和最大涌水量是1882.91米³/ d。对隧道的正常涌水量是506.20米³/ d和最大涌水量是2011.31米³/ d。平均一个单孔隧道涌水量问= 1.24米³/ (m·d)。

考虑到问= 1.24米³/ (m·d)和容许撤军年代=年代_l+年代_r= 5 m,t撤军的中心的左隧道可以通过方程计算(28)和(29日)。之间的关系年代和时间t在隧道的中心是通过MATLAB编程,如图7。获得,允许压降达到5米的时候t= 9 d(整数)。换句话说,当没有供应,离开隧道的中心的地下水位下降5米时t= 9 d。

5.2。配置和扩展形式的地下水下降漏斗

为减少年代任何时候,年代=年代₁+年代₂是由叠加撤军的隧道,隧道。设置x= 0,地下水位的下降在隧道的横截面中心,如图8。

设置y= 0,地下水位的下降在隧道的纵向截面中心,如图9。

为了更直接观察地下水位变化的趋势随着时间的推移,一个三维图撤军是通过MATLAB,如图10。

从数据可以看出8- - - - - -10随着时间的增加,地下水位下降的增加不断,撤军的中心两个隧道是最大的。

5.3。隧道排水造成的影响范围

根据方程(32),当t= 9 d,集 。当年代_h< 0.01米,b= 260米,也就是说,椭圆的短半径隧道影响区域。

根据方程(35),当t= 9 d,集 。当年代_z< 0.01米,l= 720米,也就是说,椭圆长隧道影响区域半径。

这里的精度l和b是1e−2,满足工程计算的精度。

5.4。分析地下水平衡

5.4.1之前。测定地下水总放电

地下水的总排放是由方程(38),所以我们可以得到问_t= (问₁+问₂)= (问₁Lt+问₂Lt)= 22320³。

5.4.2。确定降雨入渗补给

首先,降水供应区域的面积是通过方程(36),所以我们可以得到 米³。

第二,每日供应降水影响区域可以通过方程(37),所以我们可以得到 米³。

第三,总降水供应9 d可以得到方程(39),所以我们可以得到 米³。

第四,它可以发现问_t大于 ,这表明长期排放将导致地下水枯竭,所以应采取适当措施减少地下水排放,从而达到地下水平衡。

5.5。确定平衡维持地下水排水

根据节5。4,当放电的单孔隧道问= 1.24米³/ (m·d),问_t大于 。因此,的价值问需要减少问_t= 。因为的范围问无法计算之前,获取和计算效率将是严重的,如果范围太大,所以采用对分法。

具体步骤:(1)首先确定的价值区间问(0,- 1.24)和0.62的区间的中值计算受审。在这种情况下,−问_t(m³)< 0。(2)确定的价值区间问(0,- 0.62),取中值0.31区间内试验计算。在这种情况下,−问_t(m³)> 0。(3)确定的价值区间问(0.31,0.62),以0.465的区间的中值为试验计算。在这种情况下,−问_t(m³)> 0。(4)确定的值范围问(0.465,0.62)。自问= 0.465米³/ (m·d),接近问_t,所以问= 0.48,问= 0.49,问选择= 0.50计算受审。当问= 0.48,−问_t= 1283³> 0。当问= 0.49,−问_t237 =−³< 0。表5和数字11- - - - - -13可以通过选择不同问试验值计算。

从数据11- - - - - -13可以看出,增加单位涌水量问₀,时间t需要达到一定的压降逐渐减少,表明地下水流量越大,地下水位下降越快。影响范围逐渐减少,因为影响范围是时间的函数t的减少t导致的减少隧道的影响范围。总充电和放电减少与增加的单位涌水量时达到既定的撤军。从图可以看出13,当问₀约0.48米³/ (m·d),总排放等于总充电,当问小于0.48米³/ (m·d),大于充电放电,这有利于地下水平衡,当问大于0.48米³/ (m·d),总大于充电放电,这意味着充电与放电不能达到平衡,所以单位涌水量问₀= 0.48米³/ (m·d)更适合放电。

一年的手术后的隧道,隧道上方的植被生长(图14),这证明了这个极限排水的计算方法是可靠的。

6。结论

通过引入生态地下水位生态的概念,基于地下水动力学的方法,考虑降雨补给,分析隧道地下水排水保持平衡的计算方法,并吸引了以下结论:(1)从保护的角度从破坏生态植被,地下水下降之间的关系和排水单孔隧道推导出基于地区钻井方法,如方程所示(19)。在此基础上,地下水下降之间的关系,推导出分离双隧道排水通过考虑叠加效应,如方程所示24)和(27)。目的是控制所需的范围内的地下水减少植物的正常生长和维持生态平衡的植被在隧道里。(2)基于地区钻井方法,水流入数量和地下水下降之间的关系。它也用来计算隧道的影响范围的减少大约0 m;因此,该地区通过降雨入渗补给是补充确定。基于降雨入渗系数、降雨渗透补充是获得,而地下水排放问_t。通过不断调整单位涌水量问₀,总地下水排放问_t降雨入渗和补充是相等的。当他们是相等的,单位涌水量问₀能保持地下水平衡。(3)根据实际的例子分离双隧道施工,提出了隧道的单位涌水量保持地下水平衡,这是0.48米³/ (m·d)。在分析的过程中,地下水的二维和三维图压降随时间变化所描述的MATLAB编程,使直观的了解地下水下降漏斗的形状。(4)地下水撤军是常数时,时间t和影响范围的增加逐渐降低单位涌水量问₀。总降雨量充电和隧道放电问_t还与单位涌水量的增加减少问₀。

数据可用性

数据是可用的。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是经济上的资助支持河北省高速公路Yanqing-Chongli建设办公室(批准号yc - 201903)。此外,作者要感谢福州市政建设发展有限公司有限公司(批准号20191061),它提供了建筑工地和地质勘探数据。

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