大斷面黃土隧道地下水滲流分析

李彥民

1 計算目的

通過理論計算,分析隨著時間的推移引起的地下水位變化情況,為進行地下水位改變后圍巖對隧道結構影響的分析提供依據。

2 計算程序及計算內容

采用大型巖土工程有限元分析軟件PLAXIS系列的2DFLOW滲流模塊進行分析。用6節點的三角形單元對連續的土體進行離散化,模擬復雜工程地質條件下的滲流情況,模擬隨著時間的推移地下水孔隙水壓力和水位的變化。

3 計算模型建立及結果分析

3.1 研究對象

隧道排水條件下,地下水位隨之降低,此處選取隧道某處斷面為研究對象,該斷面隧道埋深為96 m,原地下水位距隧頂為21 m。

3.2 基本假定

1)土層各向同性;2)地下水滲流符合達西定律;3)假定隧道襯砌為完全不透水材料;4)為了模擬實際工程中的降水措施,在隧道兩側設置了2個排水管,其排水量是根據現場實測數據而來。

3.3 幾何模型及邊界

根據降水影響半徑確定滲流計算的幾何模型及邊界。邊界左側為(-100;-7.65)～(-100;130),右側邊界為(200;-7.65)～(200;130)。

模型幾何尺寸:高×寬=137.65 m×300 m。

根據隧道縱斷面圖可以得到土層分布及隧道布置。

計算幾何模型和網格剖分見圖1,圖2。

3.4 土層粒徑級配和材料參數

根據試驗報告,圍巖范圍內土層為粘質黃土(Q2)。其孔隙比e=0.67,有效粒徑 d10=0.001 9 mm,限制粒徑 d60=0.019 mm,不均勻系數粒徑級配見表1。

3.5 滲透系數

計算中滲透系數的確定,主要根據地勘報告和經驗估算法,并認為kx=ky。

1)根據隧道地勘報告,推薦值為:

2)根據HAZEN提出的用有效粒徑 d10估算的經驗公式,可得:

3)根據 U.Smoltczyk在《Grundbau-Taschenbuch》中的推薦,結合土層性質和粒徑級配,利用土的不均勻系數,進行內插確定。

當 Cu=10時,得到 k=1.8×10-6m/s。

綜合考慮后,滲透系數 k取為1×10-7m/s,即0.008 64 m/d。

表1 粒徑級配

3.6 排水量和降水影響半徑

山體內滲水通過襯砌后面縱向排水管匯集,再通過橫向排水管流入路面下中央主排水管排走。根據施工現場的實測數據,中央主排水管的排水量為0.78 m3/(d·m)。

有限元分析中的幾何邊界,必須建立在降水影響半徑的基礎上。對于降水影響半徑的確定:根據綜合考慮,降水的有效影響半徑確定應小于150 m,因此確定計算模型橫向幾何邊界尺寸為300 m。

3.7 排水管布置

排水管位于(42;23)及(58;23)處,對稱布置在隧道兩側,見圖2。

3.8 有限元計算方案

根據試算和類比工程的經驗,可以認為,抽水時間五年后地下水滲流基本處于穩定狀態,由此確定了有限元計算方案,見表2。

表2 有限元計算方案

3.9 初始地下水位

初始地下水位位于y=54.9處,即距隧道頂部為21 m,初始地下水位狀態及孔隙水壓力分布見圖3。

3.10 降水一年

計算結果見圖4,圖5。

3.11 降水兩年

計算結果見圖6,圖7。

3.12 降水五年

計算結果見圖8,圖9。

4 結語

1)通過計算,給出了地下水位在降水后一年、兩年和五年地下水位曲線分布圖,從而為進行地下水位改變后圍巖及地面的沉降和對隧道結構影響的分析提供依據。

2)由模擬可知,在降水過程中,地下水位線不斷在降低,由在隧道頂部以上,降到隧道底部以下。由于采取了降水措施,地下水位降低,圍巖含水量變化,土層的物理參數和力學參數發生改變,使圍巖和隧道支護結構產生附加應力和變形,在施工和設計中,應該充分考慮。

3)由于降水,在降水前,最大孔隙水壓力為606.72 kPa;降水一年后,最大孔隙水壓力為587.20 kPa;降水兩年后,最大孔隙水壓力為586.19 kPa;降水五年后,最大孔隙水壓力為583.97 kPa。由模擬可知,在降水過程中,孔隙水壓力并沒有發生太大的變化。

4)由于降水,可能對周圍居民的生活和生產帶來一定的影響,在隧道設計和施工過程中要做考慮,并在施工中注意環保。

5)在對上述結果的引用時,應注意到上述計算結果中出現的排水點附近區域中“負水壓”情況。

6)由于富水黃土特有的親水性和實際滲透系數的各向異性,最終出現降水曲線和影響范圍可能應該小于上述計算結果。建議通過現場實測來檢驗上述結果的正確性。

[1]艾 杰,李玉平,歐陽天烽.關子隧道防排水設計[J].山西建筑,2008,34(32):334-335.