基于多源信息融合的隧道施工期突涌水来源判别方法

本发明属于隧道突涌水灾害防治，具体涉及一种基于多源信息融合的隧道施工期突涌水来源判别方法。

背景技术：

1、隧道突涌水问题一直是困扰隧道工程建设和日常安全运营的难题。突涌水来源及充水通道的识别是解决隧道突涌水问题的核心，对涌水量预测、防治工程建设等起决定性作用。随着国家在基础项目领域投入持续增长，大量的公路和铁路等基础项目陆续投入建设，隧道工程数量在急剧增长，遭遇突涌水事故案例不断增加。以往研究一般是在隧道选线阶段，针对拟建隧道，通过地质条件分析，辅以少量勘察，进行隧道突涌水的风险预测，这种预测是定性的，准确度也有限，而对于已经发生重大突涌水的在建隧道，就需要增加工作手段，查明隧道突涌水的补给来源和充水通道，为隧道突涌水防治提供科学依据，因此，本项技术对于遭遇突涌水工况的在建隧道具有重要的指导意义。

2、研究隧道突涌水来源的方法主要有水文地质钻探法、水化学同位素分析法、示踪试验法、地球物理勘探法等方法。水文地质钻探法通过揭穿含水层可以直观的分析含水层富水性及地下水流向，但成本高、施工周期长，在基岩山区地下水非均质性强的地区效果差；示踪试验法，可以刻画出径流通道的类型和水力学参数，但是需要较为丰富的调查资料支撑，只有在基本掌握水力联系通道的条件下才能取得较好的效果，且周期长，环境影响难以控制；地球物理勘探法，可以直观的刻画出径流通道，但物性参数的解译需要地质条件的支撑，且具有多解性；水化学同位素法是目前隧道突涌水来源判别最常用且最有效的方法，通过特征的相似性识别水源，但该方法是一种定性的方法，不能量化补给来源，而且也具有多解性。隧道突涌水补给来源的判别涉及多种学科，利用一方面或者几方面信息往往得出不准确的结论，亟需从地球系统科学的视角，以确切的地质学原理为依据，提出一种融合多源信息的判别方法，克服单一方法的局限性，提高水源判别的准确度。因此提出一种基于多源信息融合的隧道施工期突涌水来源判别方法是十分有意义的。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于多源信息融合的隧道施工期突涌水来源判别方法，采用该方法能够准确高效的判别隧道突涌水补给来源及充水通道。

2、本发明所采用的技术方案是，基于多源信息融合的隧道施工期突涌水来源判别方法，具体包括如下步骤：

3、步骤1，收集隧道逐日突涌水量数据，得到隧道突涌水流量-时间(q-t)过程曲线；结合采集数据测试突涌水的3h值，判别隧道突涌水主要补给来源是不是地下水静储量；

4、步骤2，采集隧道突涌水及隧址区地下水、河水、湖水样品，测试水温、水化学及同位素指标；得到水化学特征、δd-δ18o关系、水温特征，进一步判别隧道突涌水主要补给来源是地下水、河水或湖水；

5、步骤3，收集隧道参数、气象水文、地质构造等资料，得到多年平均降水量、隧道高程、周边河水面高程和河水面宽度、大气降水入渗系数和渗透系数经验值等水均衡计算参数；根据隧道所在的流域及突涌水时间，划定均衡区及均衡期；根据得到的水均衡参数，计算大气降水入渗补给量、河水渗漏补给量和河水侧向补给量等补给项，隧道稳定排水量等排泄项；进行水均衡分析，量化各补给来源的比例；

6、步骤4，利用步骤3收集的隧道参数、气象水文、地质构造资料，分析断层、可溶岩与非可溶岩接触带、硬岩和软岩接触带等充水通道与补给水源的空间关系；开展受充水通道影响的河水断面测流，分析疑似充水通道上下游河水断面流量是否渗漏；在河水流量明显渗漏地段进行地球物理探测，查明充水通道位置。

7、进一步地，所述步骤1的具体过程为：

8、若隧道突涌水q-t曲线呈衰减型，甚至逐渐降低到接近0，其3h值小于2tu，判定隧道突涌水补给来源以地下水静储量为主；若隧道突涌水q-t曲线呈动态稳定型，其3h值大于2tu，则判定隧道突涌水补给来源以地下水动态补给量、河水或者湖水补给为主。

9、进一步地，所述步骤2的具体过程为：

10、步骤2.1，根据ph、tds、k+、na+、ca2+、mg2+、hco3﹣、co32﹣、so42﹣和cl﹣质量浓度测试结果，计算得到其摩尔当量浓度，并计算各离子摩尔当量百分比，按照舒卡列夫分类，将含量大于25％的阴离子和阳离子进行组合，确定水化学类型，并绘制水化学类型piper图；具体计算公式如下：

11、

12、

13、式中，ni为水体中第i种离子的毫摩尔当量浓度，meq/l；vi为第i种离子的化合价，无量纲；mi为第i种离子的质量浓度，mg/l；mi为第i种离子的相对分子质量；ai为第i种离子的毫摩尔当量百分比，计算时阴离子和阳离子分开计算；

14、水化学特征相似的水体表明二者补给来源相似；

15、步骤2.2，根据测试的不同水体δd和δ18o值，单位为vsmow，‰，在excel中绘制δd-δ18o散点图，其中δd为y轴，δ18o为x轴，并添加全球雨水线，方程为δd＝8×δ18o+10；分析不同水体在δd-δ18o散点图的分布特征，位置重叠或者相近的水体表明二者补给来源相似；

16、步骤2.3，根据测试的不同水体的温度值，绘制不同水体温度箱线图，分析隧洞突涌水和其他水体温度的相似性。

17、进一步地，所述步骤3的具体过程为：

18、步骤3.1，均衡项确定；对于具有稳定排水量的隧道，补给项一般包括大气降水入渗量、河水渗漏补给量、河水侧向补给量，排泄项一般为隧道稳定排水量；

19、步骤3.2，大气降水入渗量qp，其计算公式如下：

20、qp＝2.74×α×p×f                      (3)；

21、式中：p，多年平均降水量(mm)；α，降水入渗补给系数；f，计算区面积(km2)；

22、步骤3.3，当有河水穿过隧道地表时，需要计算河水垂向渗漏补给量qs，其计算公式如下：

23、

24、式中：kv，含水层垂向渗透系数(m/d)；l，河流高程高于隧道涌水点高程的总长度(m)；w，河流宽度(m)；m，含水层厚度(m)；h，河流水位(m)；h，隧道轨面高程(m)；

25、步骤3.4，当隧址区周边有河流，且河水水位高于隧道轨面，则计算河水侧向补给量ql，其计算公式如下：

26、ql＝kh×j×m×b                        (5)；

27、式中：kh，含水层侧向渗透系数(m/d)；j，河水至隧道水力梯度，无量纲；m，含水层厚度(m)；b，河水侧向补给宽度(m)；

28、步骤3.5，隧道稳定排水量，q排，根据隧道排水量历时曲线读取；

29、步骤3.6，开展水均衡分析；计算总的补给量q补＝qp+qs+ql，总的排泄量q排；

30、若q补≈q排，则进一步计算各项补给量占总补给量的比例ηi；

31、ηi＝qi/q补，qi为qp、qs、ql；

32、若q补远小于q排，则隧道突水还有别的补给来源，即有河水或者湖水通过管道/裂隙等径流至隧道。

33、进一步地，所述步骤4的具体过程为：

34、步骤4.1，分析充水通道，为断裂带；

35、根据步骤3收集的地质条件资料，确定区内存在的可溶岩、硬质岩和软质岩；

36、根据步骤3收集的构造资料，确定区内断裂带的分布；

37、步骤4.2，在可溶岩与非可溶岩接触带、硬质岩与软质岩接触带、断裂带线性条带与河水/湖水接触位置，外扩后进行河水断面测流，对比河水上下游断面流量，判断是否存在河水的直接渗漏补给；

38、步骤4.3，在河水流量明显渗漏地段进行地球物理探测，确定充水通道位置；在基岩山区，选择大地电磁法和瞬变电磁法；瞬变电磁法的勘探深度集中在300-400m；大地电磁法的勘探深度集中在700-800m。

39、进一步地，所述断裂带为活动断裂带、可溶岩与非可溶岩接触带、硬质岩与软质岩接触带或向斜/背斜的核部中的一种。

40、进一步地，所述断裂带为活动断裂带。

41、进一步地，所述可溶岩为碳酸盐岩，包括石灰岩、白云岩、硅质灰岩和泥灰岩及大理岩；所述硬质岩包括岩浆岩、沉积岩、变质岩，所述岩浆岩包括未风化-微风化的花岗岩、闪长岩、玄武片；所述沉积岩包括铁质/钙质胶结的砾岩、砂岩、火山岩；所述变质岩包括片麻岩、石英岩；所述软质岩包括页岩、泥岩、泥质砂岩以及强化风-全风化的硬质岩。

42、本发明的技术方案，具有如下优点：本发明针对遭遇突涌水工况的在建隧道，提出了一种融合隧道突涌水动态、水化学同位素、温度分析、水均衡分析、地质条件分析、地球物理探测等多源信息的隧道突涌水补给来源及充水通道判别方法，依据地球系统科学理论，从补给水源的定性判别，定量计算，到结合地质条件判别充水通道，充分利用了目前最常用最有效的方法，每个步骤都有确切的地质学理论依据，得到最终的隧道突涌水补给来源和充水通道。相较于利用地质条件、水化学同位素、突涌水动态等一方面或者几方面的信息进行隧道补给来源判别的方法，本发明提出的突涌水补给来源判别方法充分考虑了能收集到的各种信息，并将各种碎片式的信息有机融合，依据地质学原理，逻辑缜密的进行隧道突涌水补给来源判别，并定量给出各补给来源所占的比例，克服了单一信息存在的误差，为在建隧道突涌水防治提供靶向目标。