富水地區深埋大孔徑水工隧道襯砌外滲流特征研究

楊智明,李江能

(云南省滇中引水工程有限公司,昆明 650000)

0 引 言

深埋長大水工隧洞建設周期長,圍巖條件和水文學條件復雜。但構成國家大水網水利調配工程的主體,一般埋深大、洞徑大。富水地區水工隧道襯砌外水壓力的評估,一直是深埋富水地段水工隧洞發展的瓶頸。為此,許多學者進行了相關研究。段亞輝等[1-2]對現有常用的多種襯砌外水壓力計算的方法進行了分析討論,對其優缺點和適用場景進行了歸納與總結。劉立鵬等[3-4]采用室內模型試驗的方法,對高壓富水地層外水壓力的計算進行了研究,結果表明,外水壓力與襯砌外部的排水管道設計以及外部環境的水動力和靜力特征有關。孫河林等[5]采用理論分析的方法,基于Mogi-Coulomb強度準則,在綜合外部溫度因素的條件下,推導了用于計算圓形水工隧洞圍巖彈塑性區范圍的解析解,結果表明,溫度增大或減小會造成襯砌位移增大,同時引起圍巖塑性區范圍增大,導致襯砌結構穩定性下降。

上述文獻研究表明,目前有關水工隧洞的研究主要集中于襯砌強度是否能夠滿足隧道的長期運營,而較少對富水條件下隧道襯砌外的水力場變化進行研究。在富水深埋大孔徑水工隧道中,其所受的外部水壓力在隧道襯砌設計和防排水設計中發揮著控制性作用,因此有必要開展富水深埋大孔徑水工隧道的隧道襯砌外的水力場特征研究。本文以某調水工程為例,采用Midas GTS NX軟件,進行隧道襯砌外的水力場特征數值模擬。

1 幾何模型

某調水工程起點為大型水庫,自北向南穿越兩條河流為城區供水,隧洞依托區域地勢設計,水流自高向低流動。富水段全長39.63km,為大型水工隧道工程。巖體物理力學參數見表1;幾何模型尺寸見圖1。

圖1 幾何模型尺寸

表1 巖體的物理力學參數

2 數值模型建立

本文采用Midas GTS NX軟件,對水工隧洞進行水力學參數的求解分析。根據圖1中水工隧洞實際幾何斷面尺寸,建立Midas GTS NX的有限元模型,采用滲流固結分析系統模型。由于隧道開挖可能給附近滲流場帶來影響,因此建模過程中在模型邊界上應充分增大外邊界距離隧道的長度。建模時,模型沿著隧道外邊界向左右各延伸75m;隧道上方按照實際埋深考慮,將上邊界延伸至地表;隧道下方使下邊界距離隧道外部底輪廓長度為55m;在隧洞掘進方向上取100m。整個模型為150m×100m×135m的長方體模型,采用四面體對上述模型進行網格劃分。設計隧洞徑向沿X軸方向,隧洞掘進方向為Y方向,Z軸為重力加速度方向以及地下水滲流方向。構建的分析模型見圖2。

圖2 分析模型圖

3 計算結果分析

為了研究上述斷面在各個關鍵危險建設期內隧洞周圍的滲流場變化情況,完成數值模型的建立后,運用 Midas GTS NX 軟件,對圖2中構建的模型進行不同關鍵建設時期的滲流計算,主要包括隧洞未開挖時初始滲流計算,以及開挖期、噴射混凝土作業期和隧洞建成后運行期的滲流計算,分別得出不同時期的滲流場云圖,見圖3-圖6。同時,為了分析隧洞建成后運行期的襯砌外水壓力分布特點,導出相應隧洞建成后運行期的水壓力折減系數隨著滲透系數變化曲線圖及水壓力分布云圖,見圖7-圖8。

圖3 初始滲流場云圖

3.1 初始滲流場

為了研究隧洞未開挖初始條件下隧洞周圍的滲流場變化情況,在完成數值模型構建后,運用Midas GTS NX軟件進行初始階段的滲流計算,得出初始滲流場云圖,見圖3。

由圖3可知,模型整體自上而下水壓力逐漸增大,在地表處的水壓力為零,隧洞所處位置的洞頂初始水壓力值約為538.4kPa;在經過隧洞整體5.1m高度變化后,在隧洞所處位置的洞底初始水壓力值約為589.4kPa;模型地下水位線距離隧洞頂部的高度為54.9m,距離洞底的高度為60m,表明初始未開挖條件下模型整體滲流計算結果符合滲流規律。

3.2 開挖期滲流場

為了研究隧洞開挖階段隧洞周圍的滲流場變化情況,在完成數值模型構建后,運用Midas GTS NX軟件進行開挖階段的滲流計算,得出開挖期滲流場云圖,見圖4。

圖4 開挖期滲流場云圖

由圖4可知,模型整體自上而下水壓力逐漸增大,自模型左側向右側邊界過渡,呈鏡像拋物線變化形式,最大孔隙水壓力值為1.13MPa,位于模型底部的左右兩側邊界區域。隨著隧洞的開挖,在隧洞洞壁內側,由于開挖面臨空,隧道周圍的孔隙水壓力均為0kPa,整體以隧道所處位置為漏斗底,形成一個明顯的滲流漏斗形狀,地下水位在隧道正上方下降約21.2m。可見,開挖后未及時支護,隧道內將存在突水風險。

3.3 噴混期滲流場

為了研究隧洞噴混階段隧洞周圍的滲流場變化情況,在完成數值模型構建后,運用Midas GTS NX軟件進行開挖后噴混階段的滲流計算,得出噴混期滲流場云圖,見圖5。

圖5 噴混期滲流場云圖

由圖5可知,模型整體自上而下水壓力逐漸增大,自模型左側向右側邊界過渡,呈鏡像拋物線變化形式,但其下凹趨勢即變化速率減小,最大孔隙水壓力值為1.13MPa,位于模型底部的左右兩側邊界區域。由于噴射混凝土初期支護,在隧洞洞壁內側形成隔水層,有效阻礙了地下水向隧洞內的滲流,隧道周圍的孔隙水壓力增大至233.4kPa,但整體仍以隧道所處位置為漏斗底,形成一個滲流漏斗形狀,地下水位在隧道正上方回升約7.5m,符合工程實際。

3.4 運行期滲流場

為了研究隧洞建好后運行階段隧洞周圍的滲流場變化情況,在完成數值模型構建后,運用Midas GTS NX軟件進行運行階段的滲流計算,得出運行期滲流場云圖,見圖6。

圖6 運行期滲流場云圖

由圖6可知,模型整體自上而下水壓力逐漸增大,基本與初始滲流場一致。這主要由于襯砌的施做和灌漿圈的存在,隔斷了滲流通道,阻止了地下水向隧洞內的滲流。隧道所在位置有輕微下凸現象,這主要由于隧道洞身外側的排水管道設置,地下水位在隧道正上方回升約12.5m。

3.5 水壓力折減系數

為了分析隧洞建成后的運行期襯砌外水壓力分布特點,導出相應階段隧洞水壓力折減系數隨著滲透系數變化曲線圖,見圖7。

圖7 水壓力折減系數隨滲流系數變化圖

由圖7可知,隨著灌漿圈的施做和其強度的逐漸上升,灌漿圈滲透系數不斷減小,當滲流系數為5×10-9m/s時,厚度為2.3m的灌漿圈襯砌外水壓力折減系數為0.421;厚度為4.3m的灌漿圈襯砌外水壓力折減系數為0.352;厚度為6.3m的灌漿圈襯砌外水壓力折減系數為0.312;厚度為8.3m的灌漿圈襯砌外水壓力折減系數為0.277?？梢?灌漿圈增加同樣的厚度,襯砌外水壓力折減系數減小值逐漸變小,存在最優灌漿圈厚度。該最優厚度條件下,既能使水壓力有效折減,同時又可避免灌注過厚的灌漿層,節約成本,可為灌漿圈的最優厚度選擇提供參考。

3.6 襯砌水壓力

為了分析隧洞建成后的運行期襯砌外水壓力分布特點,導出相應隧洞建成后運行期的水壓力分布云圖,見圖8。

圖8 襯砌水壓力分布云圖

由圖8可知,襯砌外水壓力呈拱頂小拱底大的特點。此外,排水孔的存在形成良好的滲流通道,距離排水孔越近,外水壓力越小,運行期拱底處的最大外水壓力值為444.7kPa。通過圖7可以得到,運行期襯砌所受最大外水壓力處的折減系數為0.421。從滲流計算結果中,還可得到隧洞滲流量為0.248m3/(d·m)。

3.7 隧洞滲流量

為了更加直觀看出隧洞滲流量隨灌漿圈滲透系數變化時的規律,繪制隧洞滲流量隨灌漿圈滲透系數變化的規律曲線,見圖9。

圖9 隧洞滲流量與灌漿圈滲透系數關系圖

由圖9可知,隧洞滲流量與灌漿圈滲透系數近似呈正比關系,其最大滲流量為對應灌漿圈最大滲透系數1×10-9m/s的0.631m3/(d·m),不同厚度的灌漿圈在灌漿圈最大滲透系數時的隧洞滲流量相同,在其它滲透系數的條件下,隧洞滲流量隨著灌漿圈厚度的增大而遞減。

4 結 論

本文以調水工程為例,采用Midas GTS NX軟件,對隧道襯砌外的水力場特征進行了數值模擬。結論如下:

1)開挖噴混后,隧道周圍的孔隙水壓力由0kPa增大至233.4kPa,地下水位在隧道正上方回升約7.5m。在開挖后,及時進行初期噴射混凝土支護,能夠有效降低隧道內的突水風險。

2)運行期,地下水位在隧道正上方回升約12.5m,模型整體自上而下水壓力逐漸增大,基本與初始滲流場一致。襯砌的施做和灌漿圈的存在,隔斷了滲流通道,阻止了地下水向隧洞內的滲流。

3)當滲流系數為5×10-9m/s時,厚度為2.3、3.3、4.3、5.3、6.3、7.3、8.3m的灌漿圈襯砌外水壓力折減系數分別為0.421、0.375、0.352、0.325、0.312、0.284和0.277,灌漿圈存在最優厚度,可為灌漿圈的最優厚度設計提供參考。