基于數值模擬的引水隧洞穩定性研究

張 林

(江西省水投工程咨詢集團有限公司，江西 南昌 330000)

我國幅員遼闊，東西、南北跨度較大，這也導致了我國水資源分布不均勻，形成南多北少、東多西少的分布特點。因此，為了滿足北部和西部地區的水資源需求，我國組織修建了大量的引水工程，比如云南滇中引水工程、南水北調工程等。在這類工程中，引水隧洞的施工難度較大，也更容易引起地質災害。尤其是在隧洞開挖過程中以及隧洞使用期間產生的一系列滲流問題和圍巖穩定性變差等問題，嚴重威脅了群眾的生命財產安全。

一些學者對引水隧洞建設和使用過程中出現的問題進行研究，結果表明，滲流場和應力場的相互作用是導致引水隧洞出現安全事故的主要因素[1-2]。劉仲秋等[3]以錦屏二級水電站引水隧洞為研究對象，采用數值模擬的方法，對隧洞施工和運營期間進行應力-滲流耦合分析。結果表明，水流外滲容易對隧洞的襯砌結構產生不利影響，施工過程中應采取一定的防范措施。李術才等[4]采用流固耦合模型試驗的方法，對海底隧道的施工進行研究，揭示了施工過程中圍巖中應力以及滲流場的變化規律，為今后類似的工程提供了依據。謝光瑩等[5]同樣是基于流固耦合模型，研究分析了隧道開挖過程中襯砌的變形和孔隙水壓力的變化。紀佑軍等[6]以實際工程為基礎，先建立了隧道開挖過程中的數學模型，再利用Comsol有限元分析軟件對圍巖的應力、滲流規律進行模擬。結果表明，在隧道開挖過程中，通過注漿可以有效控制圍巖的變形以及地表沉降。

綜上所述，國內外學者對圍巖中滲流場和應力場的耦合作用進行了大量的研究，也獲得了豐碩的成果，但研究對象大多數為交通隧道，也沒有考慮隧洞埋深、地下水位等因素對隧道穩定性的影響對。因此本文運用數值模擬的方法，研究隧洞的埋深、地下水位高度等對滲流、位移以及應力的影響，以期給今后的工程提供參考。

1 模型參數

本文以某地區的引水隧洞為例，考慮到滲流-應力的耦合作用，使用有限元分析軟件對隧洞的開挖過程進行模擬，該隧洞的結構斷面如圖1所示。建模過程中為了減少邊界效應對計算結果的影響，選定模型的尺寸為90m×10m×80m。計算過程中，模型的頂部無約束，底部為固定約束，側面均為法向位移約束。該模型中共包括3種土層，自上而下分別為填土層(5m)、黃土層(8m)和砂巖，隧洞位于砂巖層中。砂巖、初襯和底板均采用M-C力學模型，二襯采用的是彈性模型，并設置為不透水層，具體的力學參數見表1。

表1 材料基本參數表

圖1 引水隧洞結構斷面圖

2 數值模擬結果

無論是在隧洞的開挖過程還是在隧洞的運營期間，隧洞的埋深和地下水位的高度對隧洞的穩定性影響最為顯著。因此，本文共設置5種工況，來探究隧洞埋深和地下水位對隧洞周圍滲流場、位移以及應力分布的影響。

2.1 隧洞埋深對隧洞穩定性的影響

隧洞埋深是指隧洞頂部與地面間的距離，為了探究隧洞埋深對隧洞穩定性的影響，本節模擬分析了3種工況，保持地下水位位于地表不變，僅改變隧洞的埋深為20、30、40m。

2.1.1隧洞埋深對滲流場的影響

圖2為不同隧洞埋深情況下隧洞開挖面處地下水的流速和涌水量變化圖。從圖中可以看出，隨著隧洞埋深的增加，地下水的滲流速度和涌出量均有增加，尤其是當隧洞埋深從30m增加到40m時，地下水的滲流速度和涌水量劇烈增加，平均流速從2.9×10-5m/s增加到了9.8×10-5m/s，涌水量從1.3m3/h增加到了4.36m3/h，分別增長了237.9%和235.4%；而當隧洞埋深從20m增加到30m時，地下水的平均滲流速度和涌水量分別增長了31.8%和44.4%。這說明引水隧洞埋深對滲流場的影響較為明顯，當埋深超過30m后應優化防排水措施，防止突涌事件的發生。

圖2 隧洞埋深對地下水流速和涌水量的影響

2.1.2隧洞埋深對位移的影響

圖3給出的是不同隧洞埋深對隧洞襯砌位移的影響。共選取了4個觀察點，分別是隧洞拱頂、隧洞底板、左邊墻和右邊墻。通過對比可以發現，與滲流場的變化不同的是，位移隨著隧洞埋深的增加呈現出線性增長趨勢。當隧洞埋深從20m增加為40m時，隧洞拱頂的位移由2.8mm增加至9.7mm，增加了約246%；隧洞底板的位移由2.2mm增加至4.1mm，增加了約86%；左邊墻由4.3mm增加至9.1mm，增加了約112%；右邊墻由4.2mm增加至9.6mm，增加了約128%。由此可知，隧洞埋深對拱頂位移的影響最明顯，對邊墻的影響次之，對底板位移的影響最小。

圖3 隧洞埋深對位移的影響

2.1.3隧洞埋深對應力的影響

研究隧洞埋深對應力的影響時，設置的觀察點分別位于拱頂、左拱腳、左墻角和地板中心點。計算結果顯示最大主應力和最小主應力均為壓應力，而圖中的數值僅表示主應力大小。從圖中可以看出，隨著隧洞埋深的增加，襯砌的主應力大小也逐漸增加。當隧洞的埋深從20m增加為40m時，拱頂的最大主應力增加了約127%，最小主應力增加了約100%；左拱腳的最大主應力增加了約132%，最小主應力增加了約89%；左墻腳的最大主應力增加了約53%，最小主應力增加了約34%；底板的最大主應力增加了約69%，最小主應力增加了約49%。此外，左墻腳處的主應力值最大，底板中心的主應力值最小。由此可見，隧洞埋深對拱腳處的最大主應力影響最為明顯，而對拱頂處的最小主應力影響較為明顯[7-8]。

2.2 地下水位對隧洞穩定性的影響

本節中隧洞的埋深均為40m不變，設置隧道拱頂為±0m，3種工況分別是地下水位為10、20、40m，其他參數與前文一致。以此來研究地下水位的變化對隧洞穩定性的影響。

2.2.1地下水位對滲流場的影響

如圖5所示，隨著地下水位的升高，地下水的流速和涌水量都隨之上升，但升高的趨勢較為緩慢。當地下水位由10m增加到40m時，地下水平均流速從8.79×10-5m/s增加到了9.84×10-5m/s，涌水量從3.85m3/h增加到了4.36m3/h，分別增長了12%和13%。和隧洞埋深對滲流場的影響相比，地下水位對滲流場的影響不明顯。

圖5 地下水位對滲流場的影響

2.2.2地下水位對位移的影響

在分析地下水位變化對襯砌位移的影響時，同樣將觀測點設置在隧洞拱頂、隧洞底板、左邊墻和右邊墻。從圖6中可以看出，地下水位的變化對隧洞地板的位移影響較小，當地下水位由10m增加到40m時，隧洞底板的位移約增加了14%，其他3處觀測點的位移分別增加了約102%、72%、78%。這也說明地下水位的變化，對隧洞拱頂的位移影響最大，所以在施工的過程中，需要持續關注地下水位和隧洞拱頂位移的變化。

圖6 地下水位對位移的影響

2.2.3地下水位對應力的影響

從圖中可以看出，隨著地下水位的升高，襯砌的主應力大小也呈現出緩慢增加的趨勢。當地下水位從10m增加為40m時，拱頂的最大主應力增加了約18%，最小主應力增加了約25%；左拱腳的最大主應力約增加了20%，最小主應力約增加了12%；左墻腳的最大主應力增加了約6%，最小主應力增加了約19%；底板的最大主應力增加了約15%，最小主應力增加了約7%。由此可見，地下水位的變化對拱腳處的最大主應力影響最為明顯，對墻腳處最大主應力的影響最小；而地下水位對拱頂處的最小主應力影響較為明顯，對底板處的最小主應力影響最小。因此，當存在地下水時，隧洞的拱頂和墻角最容易發生破壞。

圖7 地下水位對應力的影響

3 結語

本文對引水隧洞開挖過程進行模擬，分析隧洞的埋深、地下水位高度對隧洞穩定性的影響，得到以下結論：

(1)隨著隧洞埋深的增加和地下水位的升高，隧洞的滲流速度、涌水量、位移、應力都有明顯的增加，隧洞對埋深變化的敏感性高于地下水位變化。

(2)隧洞不同位置處對埋深和水位變化的敏感性不同。埋深和地下水位對拱頂位移的影響最明顯，對邊墻影響次之，對底板位移影響最小。

(3)隧洞主應力受埋深和地下水位的影響有所不同，埋深和地下水位對拱腳的最大主應力影響最明顯。

(4)不同地質情況可能會影響數值模擬結果。因此，應綜合具體地質情況進行分析，施工中建議加強支護，快封閉，勤量測，保證施工安全。