基于巖溶地貌要素分形特征的鄭萬鐵路鄂西段隧道涌水量預(yù)測

發(fā)布時間：2020-04-05 06:42

【摘要】：鄭州至萬州鐵路全長748.084km,為構(gòu)建我國西南地區(qū)與中原、華北、東北地區(qū)快速客運(yùn)主通道,同時也是建設(shè)西南地區(qū)快速客運(yùn)網(wǎng),補(bǔ)充完善我國鐵路“四縱四橫”客運(yùn)專線網(wǎng)的重要組成部分。鄭萬鐵路沿線地形地質(zhì)條件復(fù)雜,工程艱巨,鐵路穿越神農(nóng)架穹窿復(fù)雜巖溶區(qū),隧洞施工所遇到的隧洞涌水問題是一個不得不解決的問題。巖溶區(qū)隧道涌水研究必須要注重對巖溶發(fā)育規(guī)律和巖溶形態(tài)分布特征的研究,巖溶區(qū)水文地質(zhì)條件一向復(fù)雜,巖溶形態(tài)和規(guī)模難以準(zhǔn)確探測。分形理論的提出,是巖溶地貌形態(tài)的定量化和研究巖溶發(fā)育規(guī)律的有力工具。本文從區(qū)域地質(zhì)背景、巖溶水文地質(zhì)條件的認(rèn)識出發(fā),采用常規(guī)統(tǒng)計和分形理論相結(jié)合,對研究區(qū)巖溶地貌要素進(jìn)行統(tǒng)計分析,并用分形方法對巖溶地貌進(jìn)行刻畫,建立巖溶地貌要素與地下巖溶發(fā)育情況的對應(yīng)關(guān)系,并從巖溶地貌發(fā)育程度影響匯水條件和入滲強(qiáng)度角度出發(fā),根據(jù)地貌分形特征選取隧道涌水量的計算參數(shù),探討一種新的隧道涌水量參數(shù)選取方法,并對鄭萬鐵路鄂西段隧道涌水量進(jìn)行預(yù)測。最后結(jié)合鐵路線路在不同地貌特征區(qū)穿越情況進(jìn)行驗(yàn)證,并預(yù)測穿越可溶巖地層各隧洞段的涌突水問題。主要研究成果有如下幾個方面:1)從研究區(qū)各可溶巖地層的巖性、出露情況、富水性、巖溶發(fā)育程度等幾個方面對比,可將寒武系上統(tǒng)婁山關(guān)組(∈_3O_1l),覃家廟組(∈_2q),震旦系上統(tǒng)燈影組(Z_2∈_1dn)概化為巖溶發(fā)育程度高的可溶巖;將奧陶系下統(tǒng)(O_1n~g),寒武系下統(tǒng)石龍洞組(∈_1sl),寒武系下統(tǒng)天河板組(∈_1t)概化為巖溶發(fā)育程度中等的可溶巖;奧陶系中上統(tǒng)(O_(2+3)b),寒武系下統(tǒng)石牌組(∈_1s),寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組(∈_1n),神農(nóng)架群石槽河組(Pt_2s)概化為巖溶發(fā)育程度低的含水巖組。2)依據(jù)巖溶水系統(tǒng)劃分依據(jù),將該巖溶水系統(tǒng)劃分為八個巖溶水系統(tǒng)。3)通過對研究區(qū)地貌元素常規(guī)統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律:研究區(qū)山脈整體走向(NE-SW)平行于區(qū)域大構(gòu)造新華斷裂,向穹窿核部靠近,山體分布越密集,頂點(diǎn)高程越高;研究區(qū)河流長度普遍10km,主要發(fā)育在400-1000m高程;研究區(qū)可溶巖地層共有147個洼地,其中81.6%的洼地面積0.1km~2。洼地發(fā)育個數(shù)受可溶巖地層巖性控制,地層可溶巖越純,發(fā)育的洼地個數(shù)越多。4)利用分形方法計算研究區(qū)峰體形態(tài),得出巖溶地貌發(fā)育屬于幼期~壯年期,具有繼續(xù)擴(kuò)大和向深發(fā)育的潛力;通過對研究區(qū)河流的分形計算,發(fā)現(xiàn)河流分維值與巖溶發(fā)育程度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。對研究區(qū)149個洼地分維值的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),發(fā)育在1300-1500m高程的山原期夷平面和會原期夷平面是洼地發(fā)育的集中區(qū)域。用公里網(wǎng)格將研究區(qū)地形線分割成塊,對每塊“公里網(wǎng)格”中地形線用二維網(wǎng)格覆蓋法進(jìn)行計算得出分維值。通過收集的研究區(qū)鉆孔資料,印證了研究區(qū)地形線分維值分為五個范圍(1,1~1.2,1.2~1.5,1.5~1.81.8),分別對應(yīng)巖溶微弱發(fā)育,巖溶較弱發(fā)育,巖溶中等發(fā)育,巖溶較強(qiáng)發(fā)育、巖溶極強(qiáng)發(fā)育。5)從巖溶地貌發(fā)育程度影響匯水條件和入滲強(qiáng)度角度出發(fā),擬合鐵路隧洞穿越不同區(qū)域地貌元素分形特征預(yù)測各隧洞段涌突水量。在計算涌水量的過程中,依據(jù)單元網(wǎng)格內(nèi)地形線分維值,用“范圍界值法”選取大氣降水入滲系數(shù)。預(yù)測楚烽隧道正常涌水量可達(dá)43483.7 m~3/d。預(yù)測新華隧道正常涌水量為30983 m~3/d。預(yù)測甘家山隧道和興山隧道正常涌水量分別為11365.58 m~3/d、10433.67 m~3/d。
【圖文】：

神農(nóng)架林區(qū),興山縣,神農(nóng)架,穹窿

第 2 章研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件2.1 自然地理概況2.1.1 交通位置研究區(qū)位于神農(nóng)架穹窿東南展布區(qū)域，由北向南經(jīng)過陽日鎮(zhèn)、大風(fēng)埡、神農(nóng)架林區(qū)的新華鎮(zhèn)到興山縣的古夫鎮(zhèn)，東經(jīng) 110°41′32″～110°58′26″，，北緯31°20′34″～31°43′46″之間，研究區(qū)總面積約 838km2。

水系分布,水系分布