少荃湖湖底隧道工程滲流場特性分析

王 昊，劉 廣*，王靜峰，張興其，浦玉炳，嚴(yán) 中，丁兆東

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥市市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230009)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及城市道路建設(shè)的不斷推進(jìn)，隧道工程建設(shè)迎來新一波熱潮，越來越多的城市都在大力開發(fā)地下空間，在地下水豐富的地區(qū)，地下空間結(jié)構(gòu)在不同程度上面臨滲漏的威脅[1]。

隧道等地下結(jié)構(gòu)的防滲問題與混凝土的抗?jié)B性能密切相關(guān)。要提高混凝土的抗?jié)B性能，可以通過內(nèi)摻有機(jī)硅來改性水泥混凝土，形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu),有效改善水泥混凝土的防水抗?jié)B性能和抗氯離子滲透能力[2]。同時(shí)，改變混凝土材料的水灰比，也可以在一定程度上提高混凝土的抗?jié)B性[3-4]。梁柯鑫等[5]的試驗(yàn)結(jié)果表明,水膠比降低,電通量和氯離子遷移系數(shù)下降,透氣系數(shù)增加,抗?jié)B性改善。混凝土自身的抗?jié)B性能通常是滿足要求的,隧洞結(jié)構(gòu)在長期運(yùn)行過程中易發(fā)生損傷開裂，需要詳細(xì)研究襯砌損傷開裂、滲透孔壓以及鋼筋應(yīng)力的演化特征，并探討了襯砌與圍巖有條件聯(lián)合承載特性對耦合結(jié)果的影響[6-7]。當(dāng)前，許多防水材料也廣泛應(yīng)用于隧道混凝土的防滲。宋鋒[8]研究并比較了4種防護(hù)材料的抗?jié)B性能，得到了相關(guān)結(jié)果。郭玉峰等[9]給出了雙孔隧道更精確的滲流場解析解，并討論了隧道間距，埋深等對滲流量的影響。王同華等[10]對隧道工程中的地下水滲漏現(xiàn)象造成的危害進(jìn)行了總結(jié)，分析了滲漏水的產(chǎn)生機(jī)理和形成條件，并根據(jù)結(jié)果提出了一套涵蓋設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)的滲漏水綜合治理方法。夏江南等[11]在池州長江公路大橋建設(shè)中，采用了梯度功能混凝土新型結(jié)構(gòu)，在普通混凝土結(jié)構(gòu)表層設(shè)置一層高性能混凝土，在有效提高結(jié)構(gòu)功能性的同時(shí)，節(jié)約了大量的經(jīng)濟(jì)成本。林立華[12]在廈門海滄海底隧道建設(shè)中對排水設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化提升，提高隧道排水效果與防滲能力。目前對混凝土性能的研究重點(diǎn)集中在強(qiáng)度與耐久性上，對抗?jié)B問題多通過后期襯徹等工程進(jìn)行隔水處理。本文通過對隧道的滲流分析，分析研究了不同混凝土的抗?jié)B性能，同時(shí)根據(jù)隧道的滲流情況提出對應(yīng)的防滲舉措，并分析其穩(wěn)定性、安全性，為工程的后期養(yǎng)護(hù)、防滲處理提供一定的理論支撐,本文依托于實(shí)際工程，分析了不同工況下滲流的易發(fā)部位，對后續(xù)隧道的防水處理及養(yǎng)護(hù)提供理論支撐。

1 工程背景及模型建立

本工程為合肥少荃湖隧道，南起荃湖南路，下穿少荃湖公園及規(guī)劃路，止于隧道暗埋段終點(diǎn)，其中下穿少荃湖隧道全長1.09 km。該湖底隧道采用明挖法進(jìn)行施工，隧道施工前在湖中修建了圍堰，隧道開挖澆筑完成之后拆除圍堰。在FLAC 3D中建立全尺度的隧道模型，所采用尺寸參數(shù)與實(shí)際工程一致(圖1)。

圖1 隧道橫剖面示意(mm)

隧道模型共包括5 572個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。隧道主體采用C30混凝土，具體參數(shù)依照GB 50010—2002中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。三維模型見圖2，其中圖1a為無覆蓋土層的情況，圖1b為存在覆蓋土層的情況(其中，藍(lán)色部分表示覆蓋土層)。

a)無覆蓋土層隧道模型

該隧道澆筑主體采用C30混凝土，其主要的模型參數(shù)見表1[13-14]。

表1 隧道模型參數(shù)

由于數(shù)值滲流分析主要關(guān)注滲流穩(wěn)定狀態(tài),為了盡快達(dá)到滲流穩(wěn)定狀態(tài)，在對于土層滲透系數(shù)采用偏大值進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算采用FLAC3D進(jìn)行，遵循多孔介質(zhì)中Darcy定律的單相滲流理論，及質(zhì)量守恒定律。可以描述多孔介質(zhì)中流體滲流的孔隙水壓力、飽和度、特定排水向量等變量。模擬時(shí)，依據(jù)有無覆蓋土層及水深分為不同工況，具體工況分別為。

a)隧道頂部水頭為3 m時(shí)，有無覆蓋土層。此時(shí)對隧道頂部賦予3 m水頭，左右兩側(cè)水頭隨水深梯度變化，在有覆蓋土層的情況下水頭施加在土層外表面，模擬蓄水后隧道表面所受水壓力情況。前后斷面及底部按不透水邊界處理，隧道內(nèi)部表面認(rèn)為其表面飽和度及孔隙水壓力固定為0，視作透水?dāng)嗝妗?/p>

b)隧道頂部水頭為6 m時(shí)，有無覆蓋土層。此時(shí)對隧道頂部賦予6 m水頭，左右兩側(cè)水頭隨水深梯度變化。其他邊界與水深為3 m時(shí)相同。

c)隧道頂部水頭為9 m時(shí)，有無覆蓋土層。此時(shí)對隧道頂部賦予9 m水頭，左右兩側(cè)水頭隨水深梯度變化。其他邊界與水深為3 m時(shí)相同。

2 數(shù)值分析

2.1 湖底隧道滲流特征

本文所涉及到的湖底隧道滲流分析均為穩(wěn)態(tài)分析，即湖底隧道水深以及材料的滲透系數(shù)等參數(shù)不隨時(shí)間變化。采用上述模型參數(shù)對隧道無覆蓋土層和有1 m覆蓋土層2種工況進(jìn)行計(jì)算，圖3為水頭為3 m時(shí)的滲流情況，在頂面施加3 m水頭的水壓力(有覆蓋土層是施加2 m),左右兩側(cè)表面施加隨水深梯度增加的水壓力，滲流時(shí)間為4 d時(shí)的孔隙水壓力分布。

a)無覆蓋土層

從圖中可以看到，無覆蓋土層時(shí)，相比隧道中部位置，隧道兩側(cè)的孔隙水壓力的變化趨勢更加明顯，隧道兩側(cè)受水壓力作用滲透明顯，側(cè)壁可見較大的孔隙水壓力。在隧道頂部有1 m土層覆蓋的情況下，隧道混凝土內(nèi)部的孔隙水壓力相對較小，高孔隙水壓力區(qū)域分布于土層下部，對隧道的影響較小。土層的存在有效降低了隧道內(nèi)部的孔隙水壓力，有利于隧道防滲。

當(dāng)隧道頂部水深從3 m增加到6 m時(shí)，對于裸露隧道，隧道的孔隙水壓力分布依舊集中在頂部及兩側(cè)區(qū)域，孔隙水壓力在隧道外表面底部最大，最大值與該處的靜水壓力相等(圖4)。當(dāng)存在覆蓋土層時(shí)，負(fù)孔隙水壓力集中在隧道頂部與土層接觸的區(qū)域，但數(shù)值上在相同的運(yùn)行時(shí)間里比無覆蓋土層時(shí)要小上許多。同時(shí)，隨著水深的增加，隧道負(fù)壓區(qū)域有著明顯變小的趨勢(圖5)。

a)無覆蓋土層

a)無覆蓋土層

在一段時(shí)間的滲流后隧道滲流近似達(dá)到穩(wěn)態(tài)，滲流狀態(tài)變化不大。對比不同深度的云圖，在隧道裸露時(shí)，隧道表層直接承受孔隙水壓力，在底部表層變化明顯。而覆蓋土層緩解了這一現(xiàn)象，水深的增加對隧道滲流的影響較之裸露狀態(tài)并不明顯。

2.2 不同防滲層厚度的混凝土塊抗?jié)B性能對比

為研究隧道防滲層對于防滲效果的影響，模擬了不同防滲層厚度下4個(gè)混凝土塊的滲流情況，模擬均在混凝土已經(jīng)產(chǎn)生滲流的情況下進(jìn)行。

首先將4個(gè)相同大小(2 m×3 m)的混凝土塊進(jìn)行數(shù)值模型區(qū)域劃分，賦予4個(gè)混凝土模型不同的材料屬性，普通和抗?jié)B混凝土的基本物理參數(shù)的取值見表2。

表2 不同種類混凝土材料參數(shù)取值表

圖6所示，為進(jìn)行對照，其中一個(gè)混凝土塊無防滲混凝土層，全部采用普通混凝土，另外3個(gè)分別采用0.1、0.2、0.4 m的抗?jié)B混凝土作為防滲層，4個(gè)模型的體積相同。

圖6 混凝土塊防滲層布置示意

取水頭為3 m，對外部表面(頂部及四周)施加隨水深梯度增加的水壓力，監(jiān)測模型中央的孔壓數(shù)據(jù)，以獲得不同覆蓋層厚度下的孔隙水壓力分布，見圖7。

圖7 混凝土塊模型及檢測點(diǎn)位

模擬結(jié)果顯示，滲流時(shí)間達(dá)到7 d后，可獲得飽和狀態(tài)下的孔壓分布，此時(shí)孔壓分布近似與靜水壓力相同，見圖8。

圖8 飽和情況下的孔壓分布(0.1 m厚防滲層)

同時(shí)，獲得監(jiān)測點(diǎn)的孔壓變化曲線。對4個(gè)混凝土塊分別進(jìn)行計(jì)算，得到不同防滲層厚度下達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)的孔壓變化規(guī)律曲線。

從圖9中可知，在達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)不同混凝土塊監(jiān)測點(diǎn)的孔壓是相同的，都等于該點(diǎn)的靜水壓力，但防滲層的存在能夠有效減緩滲流速度。一般的情況下，普通混凝土主要是減少混凝土中的沙石含量與體積、降低混凝土中的水灰成分，進(jìn)而減少混凝土的孔隙率。抗?jié)B混凝土?xí)郊舆m量的粉煤灰或其他的外加劑成分，粉煤灰的作用可以節(jié)約水泥，降低混凝土的成本，還可以增加密實(shí)度來提高混凝土的抗?jié)B性能。另外，抗?jié)B混凝土還會(huì)加入引氣劑或者引氣減水劑，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微小均勻的氣泡(含氣量大致在3%～5%)，進(jìn)而滿足混凝土工程的抗?jié)B要求。外加劑種類的不同也會(huì)導(dǎo)致混凝土防水效果的不同，所以配置混凝土?xí)r需進(jìn)行科學(xué)的考察，合理的配置混凝土各組成的成分比例。從模擬結(jié)構(gòu)來看，外表采用一定厚度的抗?jié)B混凝土作為防滲層，內(nèi)部使用的是普通混凝土，可以有效降低成本，同時(shí)也能起到很好的防滲效果。

圖9 不同防滲層厚度下孔壓變化曲線

3 結(jié)論

a)采用數(shù)值方法研究了湖底隧道滲流的基本特征，結(jié)果表明，隧道頂板水位的升高導(dǎo)致湖底隧道底部以及湖底隧道兩邊外側(cè)孔隙水壓力增大，危險(xiǎn)破壞程度大的部位也在此處。隧道外側(cè)有土層覆蓋以及頂板厚度增高的情況下隧道滲流的狀況會(huì)有一定的抑制作用。在進(jìn)行混凝土防水措施的選擇時(shí)，采用普通混凝土和一定厚度的抗?jié)B混凝土作為防滲層可以降低成本，同時(shí)起到較好的防滲效果。

b)數(shù)值模擬直觀地反映了孔隙水壓力在隧道內(nèi)部的壓力分布情況，顯示了隧道容易發(fā)生滲漏的部位。研究了不同防滲層厚度情況下混凝土塊的滲流狀況，為隧道工程混凝土防水設(shè)計(jì)提供理論支撐。