引漢濟渭引水隧洞穿椒溪河段突涌水數值模擬

李立民 劉國平 許增光 肖瑜

摘要：陜西省引漢濟渭工程引水隧洞突涌水問題是制約工程順利開展的關鍵技術問題之一。針對橫穿椒溪河段的典型區段突涌水問題，采用ADINA軟件建立水文地質概念模型，計算不同工況下該區段的地下水位、流速矢量、涌水量等。結果表明：斷層位置受開挖擾動影響較大，出現了集中滲漏，因此在斷層位置極易形成滲漏通道，發生突涌水。

關鍵詞：突涌水;數值模擬;引水隧洞;引漢濟渭

中圖分類號：TV672; U459.6

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.02.025

近年來，突涌水問題對工程建設的影響越來越大，是制約工程順利開展的關鍵技術問題之一。在建的秦嶺引水隧洞屬于長大深埋水工隧洞，隧洞穿越地域范圍廣，地形、地質條件復雜，沿線穿越斷裂、破碎帶、軟巖、巖溶等各種不良地質，尤其是在隧洞進口端穿越多個破碎帶，其圍巖類別低，巖溶發育，地下水豐富，滲流路徑多樣性造成在多個斷裂及破碎帶處突水突泥發生的概率增大，預測難度增大，對施工影響較大[1-3]。由于地質條件復雜，難以通過勘察手段明確地質災害體的分布情況，常常會帶來突水涌泥等災害，給隧洞開挖和運行造成嚴重的威脅[4-6].因此突涌水的研究變得越來越重要。

筆者收集整理了秦嶺輸水隧洞地質資料，在此基礎上針對秦嶺隧洞橫穿椒溪河段典型區段的突涌水問題進行了分析研究，利用ADINA軟件建立了水文地質數學模型，計算了不同工況下該區段的地下水位、流速矢量、涌水量等變化規律。

1 秦嶺隧洞突涌水數學模型

研究的重點是分析秦嶺隧洞滲流場特征及突涌水數值模擬。對于穩定滲流分析，將壩體及裂隙巖體按等效連續介質來處理[7-10]。對于裂隙巖體，若裂隙較發育，表征單元體（REV）存在且不是過大，則一般認為該模型是有效的。巖體中水流流速一般不大，因此可以認為地下水運動服從不可壓縮流體的飽和穩定達西滲流規律。下面給出等效連續各向異性介質模型的滲流有限元基本格式。

2 樁號K2+771-K2+881段突涌水數值分析

2.1 計算模型

秦嶺隧洞樁號K2+771-K2+881段橫穿椒溪河，計算模型位置見圖1，有限元模型及剖分網格如圖2所示。

在圖2三維有限元計算模型中，選取模型底部為坐標原點，底部高程為500 m。模型范圍x×y×z為88mxll0 m×87 m.隧洞兩側圍巖范圍取4倍洞徑以上，滿足計算需要。模型分為基巖、風化層及斷層三部分，被剖分的節點總數為15 134個，風化層單元數2 340個，斷層單元數470個，被剖分的單元總數為13 470個。計算模型左右兩側（y方向）施加定水頭邊界，按照地質剖面中地下水位線施加。假設隧洞周圍邊界為透水邊界，并在河道施加相應的河道水位。

2.2 計算參數和計算工況

根據工程地質勘察成果，隧洞所處山體圍巖從上到下依次為強風化大理巖夾石英片巖、弱風化大理巖夾石英片巖及微風化大理巖夾石英片巖：對于隧洞計算模型而言，隧洞沿縱向延伸方向需要穿過的圍巖依次為Ⅲ、Ⅳ及V類圍巖[11]。由于本次計算模型中Ⅲ、V類圍巖的范圍與Ⅳ類圍巖相比較短，因此為了簡化計算，本次數值計算對整個模型按照Ⅳ類圍巖進行處理。圖2所示的計算模型中基巖滲透系數取1.5 x10m/s，風化層滲透系數取4.5×10 m/s[12]。隧洞K2+771-K2+881段按照斷層滲透系數劃分6個計算工況，見表1。

2.3 地下水涌水計算結果及分析

通過地下水涌水數值計算，采用ADINA軟件得到模型各工況的總水頭云圖、隧洞中軸線剖面水頭等值線及流速分布（工況一模擬結果見圖3～圖7），各個工況的模擬圖發展趨勢大致相同。

由地下水涌水計算結果可以看出，在不同斷層滲透系數下，水頭等值線和滲流速度分布情況是一致的。隧洞周圍水頭等值線呈層狀分布，從內到外水頭逐漸增大，邊壁周圍等值線呈密集分布。隧洞開挖后，隧洞周邊圍巖孔隙水壓力開始下降，地下水向洞內臨空面滲透。在隧洞開挖邊界四周存在水壓力差，造成隧洞圍巖滲流場突然改變，最終形成一個類似于滲水漏斗的形狀。從流速分布可以看出，隧洞開挖后，在隧洞圍巖滲透壓力作用下，地下水向臨空面滲透，隧洞開挖對隧洞頂部圍巖處地下水滲流的擾動作用明顯比對隧洞底部圍巖的擾動作用大。對于遠離隧洞開挖邊界的切面頂部和底部圍巖，隧洞開挖的擾動作用并不是很明顯，而在斷層位置受開挖擾動影響較大，出現了集中滲流，因此在斷層位置極易形成滲漏通道，發生突涌水。

2.4 涌水量計算結果及分析

從滲流矢量圖可以看出，隧洞開挖后，孔隙水不斷滲流，且向隧洞方向滲透。這種滲流過程要持續一段時間，且隨著滲流時步的增大涌水量會減小，直至達到一個穩定值。隧洞內不同水位下的涌水量可以使用ADINA軟件中seep flow變量求得，K2+771-K2+881段隧洞洞身總涌水量及斷層處涌水量計算結果見表2。

從涌水量計算結果來看，隧洞涌水主要發生在洞身斷層位置，涌水量與斷層滲透特性正相關，斷層滲透系數越大，涌水量就越大，相應地通過斷層進入隧洞的涌水量所占的比例也越大。通過數值計算得到的K2+771——K2+881段隧洞洞身最大涌水量達到144.00 m/h.其中通過斷層進入隧洞的涌水量達到138.00 m/h.占總涌水量的95.8%。

3 結語

秦嶺隧洞通過斷層破碎帶時，施工開挖極易造成突涌水災害，為了研究該段突涌水可能對隧洞工程的影響，將該段劃分為6個工況進行研究，分析結果總結如下：

（1）秦嶺隧洞K2+771-K2+881段突涌水計算分析得到斷層位置受開挖擾動影響較大，出現了集中滲漏，在斷層位置極易形成滲漏通道，發生突涌水。后期隧洞施工開挖驗證了模擬分析結果，有效地指導了施工掘進，降低了安全風險。

（2）隧洞突涌水主要發生在洞身斷層位置，而且涌水量與斷層滲透特性正相關，斷層滲透系數越大，涌水量就越大，相應地通過斷層進入隧洞的涌水量所占的比例越大。由于該段隧洞淺埋，受斷層影響，節理裂隙發育，巖體破碎，地下水和地表水會發生水力聯系，因此可能導致大的突涌水災害。

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