莪園隧道滲流模擬及正常涌水量預測

王 朝 國

(中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東 東營 257000)

我國是一個多山的國家，山丘約占國家面積的60%，西部地區(qū)更是山嶺重重。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，天然氣、石油作為國家的經(jīng)濟命脈的重要性日益突出，為了保證其運輸?shù)陌踩?、穩(wěn)定性和長久性，山嶺地區(qū)穿越方式逐漸向隧道開挖方式轉(zhuǎn)變。但是無論是前期的隧道開挖階段還是后期的運營維護階段，地下水一直是個老大難問題。

1 隧道地下水滲流研究現(xiàn)狀

長期以來，無論在理論上還是實踐中，工程界對地下水的勘察、設(shè)計和研究都是有限的。在勘察過程中，對地下水的認識僅限于通過鉆孔觀察地下水位，許多大型隧道工程含水區(qū)段沒有專門的水文地質(zhì)試驗，對水文地質(zhì)條件沒有系統(tǒng)的分析[1]。

自20世紀末隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，滲流計算數(shù)值方法得到迅速發(fā)展，為隧道水文勘察提供了新的方法，尤其是對于地下水的各向異性和非均介質(zhì)的研究進入了一個全新的階段。

2 地下水對隧道巖體的作用

莪園隧道修建后，破壞了山體地下水的初始平衡狀態(tài)，致使隧道成為穿越山體地下水的聚集通道，如果隧道開挖前后防水設(shè)施、加固方法不完善，則有可能發(fā)生破壞。二者相互作用主要包括水巖的物理作用、水巖的化學作用和水巖的力學作用三個方面。

地下水對圍巖的物理作用主要有潤滑、分割、崩解、泥化、軟化、凍融和熱熔等，表現(xiàn)為地下水對巖體的綜合軟化效應(yīng)。水巖的化學作用主要有溶蝕、水解和離子交換等。水巖的力學作用主要表現(xiàn)為地下水對巖土體骨架的兩種壓力，即孔隙水壓力和滲透壓力[2]。巖體在孔隙水壓力作用下，其穩(wěn)定性取決于有效應(yīng)力抗剪強度，見式(1)。

τ=(δ-u)tanφ+c

(1)

由式(1)可知：在總應(yīng)力不變的情況下，孔隙水壓力存在降低了巖體的抗剪強度。當其抗剪強度低于巖體的極限強度時，巖體發(fā)生剪切破壞。由于巖體裂隙的復雜性和不穩(wěn)定性，滲透壓力的大小和作用范圍很難確定，工程設(shè)計中滲透壓力大小取決于水力梯度，方向與滲流方向一致，見式(2)。

f=γwJ

(2)

當滲透壓力大于巖體阻力時，它對巖體施加一種拉拽力。如果固體顆粒的粘聚力和內(nèi)摩阻力較小(如土質(zhì)隧道)，則易在滲流出口附近發(fā)生管涌或流土的滲透破壞。隨著土體內(nèi)細小顆粒不斷的被排出土體，土體內(nèi)將形成空腔，應(yīng)力重分布，在空腔頂部和底部產(chǎn)生拉應(yīng)力，兩邊產(chǎn)生剪應(yīng)力，當二者大于土體的極限強度時，則發(fā)生垮塌破壞。

實驗表明，相對于高強度結(jié)晶巖，硅質(zhì)膠結(jié)、泥質(zhì)膠結(jié)、鐵質(zhì)膠結(jié)和有機質(zhì)膠結(jié)的軟巖更容易在水的作用下軟化破壞。

3 莪園隧道slide二維滲流模擬

3.1 邊界條件

莪園隧道上方有一魚塘，巖土體受自重荷載和滲透壓力。取垂直于隧道軸線的橫剖面作為研究對象，利用 slide模塊模擬隧道開挖前后滲流場的變化。假設(shè)模型為各向同性巖土體，取140 m×80 m建立模型分析。滲流邊界條件為：兩端為水頭40 m的定水頭邊界，隧道為水頭等于標高的溢出面邊界，底部為不透水邊界，水位自由面根據(jù)迭代計算確定。

3.2 模型參數(shù)

巖體采用摩爾—庫侖強度準則，地下水采用van Genuchten模型[3，4]，見式(3)～式(5)。

(3)

(4)

(5)

其中，Se為飽和度；h為壓力水頭，m；α，n，m均為模型參數(shù)；K為滲透系數(shù)，cm/s；KS為飽和滲透系數(shù)，cm/s。模型物理力學參數(shù)和水文力學參數(shù)見表1。

表1 模型物理水文力學參數(shù)

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

數(shù)值模擬結(jié)果見圖1～圖4。

由圖1和圖2可看出：隧道開挖前總水頭等值線比較稀疏，開挖后山體上部等值線仍比較稀疏，隧道區(qū)域附近卻較密集，且為低水壓區(qū)，隧道內(nèi)外形成高水頭差。這是因為地表附近區(qū)域的水流場基本沒有受到隧道開挖的影響，其滲流場仍與自然條件下的流動規(guī)律類似，而隧道附近區(qū)域卻產(chǎn)生變化。

由圖3和圖4可看出：山體上部土體的水力梯度較小，而下附巖體的水力梯度較大，且在巖性變化處發(fā)生明顯變化，此外在不同巖土體中的水力梯度都隨深度的增加而減小。這是因為上部土體的滲透系數(shù)較大，水體流動克服的摩阻力較小，而下附基巖的滲透系數(shù)較小，水體流動克服的摩阻力較大[5]。水力梯度的縱向降低受水頭差變化的影響。隧道開挖后，下附基巖的水力梯度隨深度迅速增加，且在離隧道3倍洞徑范圍內(nèi)水力梯度變化幅度最大，在1倍洞徑處達到最大值，此后迅速降低。這是因為隧道開挖后應(yīng)力重分布，應(yīng)力的影響范圍在3倍洞徑內(nèi)最為顯著，在環(huán)向應(yīng)力作用下巖體張拉破壞，產(chǎn)生裂隙，降低了水流動需要克服的摩阻力。

圖中細實線為潛水面線，隧道開挖前水位線位于基巖上部的巖土層內(nèi)，開挖后水位線下降，局部潛水面降至基巖內(nèi)。這是因為隧道開挖后山體內(nèi)部與外部形成了一個聯(lián)通的“腔體”，出現(xiàn)水位臨空面，改變了該區(qū)域水流方向，由原來頂部流向兩側(cè)的山腳，變成了基本垂直向下流向隧道內(nèi)部，通過隧道排出。經(jīng)計算知單位隧道長度流量為0.57 m3/d 。

同時軟件分析：地下水滲流場的影響范圍隨時間的增加而增大，240 d后才會基本趨于穩(wěn)定。為了硐室的穩(wěn)定性可以采用超前小導管注漿和縮小鋼拱架間距的施工方法。

3.4 隧道涌水常規(guī)預測

地下水常規(guī)預測主要有大氣降水入滲法、地下水徑流模數(shù)法和地下水動力學法[6]。西南交通大學碩士研究生高如通過對比發(fā)現(xiàn)，地下水動力學法裘布依公式計算結(jié)果更符合實際情況[7]。本文主要通過此法和《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》的經(jīng)驗公式預測隧道涌水量。裘布依公式和經(jīng)驗公式見式(6)和式(7)。

(6)

Qs=L×K(0.676-0.006K)

(7)

(8)

其中，Qs為正常涌水量，m3/d；K為隧道通過不同含水體的滲透系數(shù),取1.95e-7 m/d；L為隧道通過含水體的長度，取1.0 m；H為隧道通過含水體的靜止水位至洞深橫斷面等價圓中心的距離，取42 m；h為洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深，取0.2 m；R為隧道涌水引用補給半徑，根據(jù)式(8)取76.0 m；r為洞身橫斷面等價圓半徑，取2.0 m。

由計算可知裘布依和經(jīng)驗公式得到正常涌水量分別為0.53 m3/d和0.55 m3/d。通過對比發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗公式計算值稍大于裘布依公式計算值。二者均小于軟件模擬值，主要是因為：

1)常規(guī)方法沒有考慮上部黃土狀土高滲性的影響。

2)常規(guī)方法沒有考慮隧道下透水層厚度的影響。根據(jù)佐藤邦明公式：當隧道下透水層厚度小于60 m，隧道涌水量隨透水層厚度的增加而遞減增加，最終趨于穩(wěn)定[8]。所以slide數(shù)值大于常規(guī)值。

相對于常規(guī)預測法，slide軟件雖然不能預測最大涌水量，但是作為水文勘察的補充為隧道地下水的勘察提供了一種新的思路。通過軟件分析可以更加直觀的了解地下水的滲流變化。實際勘察中只需要通過鉆孔的水位觀察和巖土體的物理水文參數(shù)，便可以軟件模擬。

4 結(jié)語

1)通過地下水對莪園隧道圍巖的破壞機理可知，其破壞主要是因為地下水對巖土體的軟化效應(yīng)，致使巖體的抗拉和抗剪強度低于巖體的極限強度，發(fā)生破壞。

2)數(shù)值模擬法相對于常規(guī)預測方法增加了計算參數(shù)，增大了地下水影響范圍，因此更符合實際情況。而且具有常規(guī)方法不能比擬的優(yōu)點：a.涌水量的預測不再受限于近圓形硐室；b.可以直觀的看到隧道開挖前后的滲流場變化。

3)通過軟件分析知道飽和巖土體隧道開挖后，在無防水措施下地下水滲流場穩(wěn)定周期較長，建議在破碎區(qū)要盡早做防水支護和二次襯砌。