多空隙组合介质隧道渗透物理模型试验

夏 伟，符文熹，赵 敏

(1.四川大学水力学与山区河流保护国家重点实验室，成都 610065；2.四川大学水利水电学院，成都 610065 3.核工业西南勘察设计研究院有限公司，成都 610066)

0 引 言

我国交通、水电、矿山等工程中地下开挖引起的涌突水及伴生的围岩稳定安全问题日益突出，学术界和工程界对地下洞室涌突水机理、地下渗流与区域水力联系之间内在联系、流固耦合等问题十分关注。一些学者对隧道工程与周围水环境的相互作用进行了深入的分析[1-4]，文献[2]和文献[3] 对降落漏斗的时空变化进行了研究，结果表明，隧道长期排水会形成较大规模的降落漏斗；文献[4]对引汉济渭工程秦岭隧洞施工过程中的突涌水问题进行了研究， 处理措施以排为主，在限量排放的基础上进行注浆封堵、加固。文献[5]结合石板山隧道工程，确定了隧道与地下水环境相互作用过程中的4个评价目标和5 类评价指标。近年来，隧道涌水量预测新方法也不断提出，文献[6]和[7]利用保角映射技术，推导出有稳态地下水补给的圆形排水隧道涌水量的解析表达式；文献[8]在原有预测涌水量方法的基础上，提出了渗流与应力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量预测计算的水文地质数值模拟法；文献[9]提出了一种动态模拟隧道掘进过程中引起的暂态水文地质条件的数值方法。此外，岩体渗透系数是隧洞近场渗流场分析与工程防渗设计的重要参数，文献[10]高压条件下岩体渗透系数取值方法进行了研究。

常用的隧道渗流计算有解析法、数值法和物理模型试验法。文献[11]应用数学方法推导隧道围岩中渗透力的解析表达式，并应用解析方法研究隧道半径和埋深对渗流的影响。随着计算机技术的快速发展，当前对数值模拟提出了更高的要求，文献[12]应用岩体非连续介质渗流的研究成果，模拟了新七道梁隧道各种工况地下水的渗流特性以及地表水体的水位变化；文献[13]利用数值法研究了隧道开挖渗流与应力耦合问题，得到变形和渗流场的变化规律。然而，仅用解析法、数值模拟技术尚不够，还需结合物理模型试验进行相互印证才更具说服力。因此，合理设计研制物理模型装置，更加准确地模拟工程现场，研究隧道开挖过程中地下水渗流和涌水随时间的变化以及受水文地质条件的影响，已成为当前新的发展趋势，对实际工程也有重要指导。

隧道围岩往往是孔隙、裂隙和溶孔组成的多空隙组合介质。本文依托新建成都—兰州铁路(成兰铁路)跃龙门隧道工程，通过配制与现场水文地质条件一致且渗流能力等效的材料，设计并建造物理模型，对岩体主要裂隙倾角分别为0°和60°两种倾角共8种工况进行了模型试验，观察和分析了多空隙组合介质隧道开挖前后周围地下水变化及涌水量随时间的变化特征。

跃龙门隧道途经安县、茂县穿越龙门山，是一座深埋长隧道，双隧道线路，左线长19 974.3 m、右线长20 044.0 m，最大埋深1 445 m，埋深超过500 m的长度达15.5 km。隧址区直接遭受了2008年“5·12汶川特大地震”的强烈地震惯性力扰动。地质勘察和施工期间隧道地质表明，断裂裂隙发育，岩层层面受地震动力作用错动明显，可溶岩地段的溶蚀特征显著。显然，隧道围岩水文地质可看作是平板窄缝流和圆孔渗流组合。隧道洞口段K94断面围岩的渗透能力较大，渗透系数大致0.15 m/d(即1.736×10-4cm/s)，开挖期间伴随强降雨入渗作用，出现有较严重的涌突水。K94断面处隧道埋深250 m，岩性为石灰岩，岩溶特征显著，且岩层倾角约60°，地下水位距洞顶高程约100 m。本文选取K94断面进行隧道物理模拟渗流试验。

1 材料的选取及试验模型设计

1.1 试验材料的选取

建立的物理模型以渗透相似为控制条件，即现场岩体的渗透系数与模型的渗透系数一致。典型断面K94多空隙组合围岩介质的渗透系数为k0=1.736×10-4cm/s。室内试验常用的材料有水泥、石膏，这些材料的渗透系数较小，在模拟裂隙岩体时不易处理。而普通烧结实心黏土砖却有应用广泛、取材方便、价格便宜、经久耐用等优点，同时也具多孔多裂隙的特点，所以选用普通烧结砖来模拟岩石基质。根据国家标准[14]，自制试验装置测得普通砖的渗透系数量级为10-6cm/s，为能用普通砖钻孔填砂来模拟原位岩体，通过砖身钻孔后来模拟围岩中的溶隙，使填充砖的渗透系数和现场岩体的渗透系数一致。砖的堆叠则可模拟层状岩体，裂隙倾角可模拟岩层倾角，如图1所示。

图1 模型整体及局部构造图Fig.1 Global and local structure of the model

1.2 模型设计

模型几何比例取1∶300，以隧道轴线为中心，左右各300 m，合计600 m，对应模型尺寸200 cm；隧道为双向隧道，单条隧道直径为15 m。本试验因为是研究隧道开挖涌水问题，所以将两条隧道合并为一条直径为30 m的隧道进行考虑，对应模型直径为10 cm；沿隧道轴线方向上取45 m，对应模型尺寸15 cm；高度以隧道下端为界，向下取200 m，向上埋深为250 m，共计450 m，对应模型尺寸150 cm，隧道下端距离模型底部67 cm。亦即，模型尺寸为长×宽×高=200 cm×15 cm×150 cm，隧道直径10 cm，试验模型整体示意图如图1所示[15]。

模型两侧设计内部尺寸为长×宽×高=20 cm×15 cm×150 cm的水槽，可模拟周边库水、地下暗河等。水槽内侧与模型接触面在隧道底部高程以下的部分，每隔一定高度(15 cm左右)埋设通水硬质水管，方便水在模型和水槽之间自由流通。这样既可以使左右水位保持相等(处于对称渗流状态)，也可以使左右水位高程不等(处于向一方渗流状态)。隧道底部高程以上的部分每隔10 cm埋设进水管。水管靠近模型内侧端口要用纱网和滤纸包裹，防止进水和出水过程中砂进入水槽或者堵塞进水管。

水槽底端外侧预先埋设一根透明水管，长度大于模型高度，沿透明管方向固定软尺一条，方便观测控制水槽内的水位高程并读数。水槽外侧隧道高程以上要与内侧进水口高程一致的对应位置预留5个溢出孔，埋置较长出水管，从而达到控制水槽内水位高程的目的。

2 模型试验及结果分析

通过自行建造的试验模型进行了2种倾角8种工况的模型试验，具体工况见表1所示。

表1 试验工况Tab.1 Test condition

2.1 倾角60°时常水头试验

因K94断面优势裂隙(为岩层层面)倾角约为60°，故将经过钻孔处理的砖与水平方向夹角60°进行铺填，如图1所示。

在填充的过程中，按照预先设计在67 cm和72 cm高程处从靠近隧道到两侧按由密到疏埋设两排透明测压管，以便观察在同一时刻、同一高程处各点的水位情况。将待安装的玻璃板钻孔，直径为6 mm，以使测压管穿过。然后安装上玻璃板，并用准备好的玻璃胶密封玻璃和砖墙之间的缝隙，在外侧浇筑混凝土加强密封。在靠近玻璃一侧的空隙内填充与层面具有相同击实程度的砂。将测压管用透明玻璃胶固定在玻璃上，并在管的旁边布设软尺，以方便读数。然后制作好的软塞用止水带缠绕后塞入隧道，模拟隧道开挖前的状态。

试验中，在隧道内部被塞住的情况下，模型内水位上升并逐渐保持稳定，软塞取出相当于隧道开始被开挖。水从隧道涌出，隧道周围水位随之降低，两边水位维持常水头，通过裂隙和孔隙渗流向隧道周围补给。因为地下水位距洞顶100 m，根据几何相似，距隧道顶端33 cm，即水头为110 cm。向两侧水槽缓慢注水，使模型中各测压管内水位均达到110 cm。

保持两侧进水水头不变。用一只水桶置于电子秤上去皮，准备收集涌水。按下秒表计时的同时，打开隧道出口塞子，测读出30、60、120、180、300、480、690、900、1 200、1 500、1 800、2 400、3 000 s时刻电子秤的读数(精度为0.01 kg)。在记录累积涌水量的同时，还要测读相应时间节点各测压管的水位高程(精度为0.01 m)。

为了研究水位高程对隧道开挖涌水的影响，还进行了水位高程为100、110和120 cm时的模型试验。试验结果如图3所示。不同常水头工况下隧道累积涌水量随时间的变化关系如图2所示。由试验曲线可知，隧道开挖出现涌水，累计水量都会随时间而增长，但整体曲线的斜率逐渐减小，开始时刻单位时间内水量很大，然后呈减缓趋势，累计水量曲线逐渐趋于渐近线。

图2 不同常水头工况下累计涌水量随时间的变化曲线Fig.2 Change curve under the condition of different constant head cumulative inflow with time

在常水头工况下，随着水头的增大，涌水的总量也在增加，如100 cm常水头补给时，在3 000 s时刻的涌水累计量为22.91 kg(即22.91×10-3m3)；在120 cm常水头补给时的涌水累计量为38.55 kg(即38.55×10-3m3)。而且，随着水头的增大，涌水达到稳定的时间也较晚。从图2可看出，水头为100 cm的累计曲线较水头为120 cm的曲线平缓，最终达到稳定的时间也较早。

当补给水头为110 cm时，涌水在前1 min内曲线陡峭，在1 800～3 000 s左右的范围内曲线开始趋于平缓。试验遵循了几何相似和运动相似。根据模型试验相似原理，时间相似常数c=几何常数l/运动常数v≈10-2，考虑试验误差影响，仅取量级估算。由1 800/t=10-2换算得t≈2.08 d，由3 000/t=10-2换算得t≈3.47 d，即在隧道开挖的过程中出现的涌水累计量会在2～3.5 d达到稳定，速度趋于衡定。这一试验结果与现场采集到的数据2～4 d吻合。

图3(a)、(b)和(c)分别是常水头100、110和120 cm时不同时刻各点的水位连线图。从图可看出，对于同一工况，在拔出塞子前，模型内水位高程近似直线状态并保持稳定。当塞子被拔出后，伴随隧道涌水，隧道周边的水开始源源不断向隧道补给，周围水位下降且越靠近隧道轴线的测压管水位下降越快。将同一高程上的各测点在同一时刻的水位高程用平滑曲线连接起来，呈现两侧靠近补给水头，中间明显下凹的降落漏斗形式。这说明隧道开挖造成地下水水位降低，离隧道越近受到的影响越严重。在常水头为110 cm时，根据模型比例，模型中影响范围约为隧道轴线左右80 cm，对应的实际距离应为240 m，与数值计算反馈结果接近。实际隧道开挖对区域水力联系影响范围最大约为240 m左右，影响范围并不算大。

试验开始时，左端进水口中的水向右渗流，渗流方向与主要裂隙呈钝角，与垂直于主要裂隙的次级裂隙呈锐角，涌水速度较小，水位下降缓慢；当渗流方向向左，情况与向右时相反，涌水速度较大，水位下降较快。所以开始时漏斗形状向左倾斜，在渗流稳定后，降落漏斗近似对称分布。

根据图(a)、(b)和(c)对比可以看出，随着水头的增加，隧道顶部降落的水位越高，降落漏洞更加明显，影响范围也在逐渐扩大。

2.2 倾角60°时梯度试验

当一侧水位降低时，会产生渗透梯度。继续模拟隧道受一些因素影响造成一侧水位下降，形成水力梯度的渗流情况。模型一侧水位保持120 cm不变，将另一侧水头降至110 cm，则形成了一个梯度为0.05的渗流。与常水头工况的试验操作类似，称量各时刻对应的涌水量，并观察记录各时间节点对应的测点水位高程。试验结果如图4、图5所示。

图4 累计涌水量随时间的变化曲线Fig.4 The change curve of Cumulative water inflow with time

从图4的涌水曲线可以看出，对于当隧道两侧存在水力梯度(水头差)时，其累计涌水量的变化趋势与常水头工况类似。涌水曲线在第1 min内陡峭，涌水速率很快。当左侧水头110 cm，右侧水头120 cm时，即梯度0.05且渗流方向向左，曲线斜率在1 800 s后基本保持不变，即涌水达到了渗透平衡；但在梯度0.05且向右渗流时，曲线斜率在2 400 s后才基本不变。所以向左渗流达到稳定的时间较向右渗流要早。从图中还可观察到，在同一时刻，向左渗流时的累计涌水量大于向右渗流时的累计涌水量。3 000 s时，向左渗流的累计涌水量为33.90 kg(即33.90×10-3m3)，向右渗流的累计涌水量为31.31 kg(即31.31×10-3m3)。这是因为向左渗流时，渗流方向与主要裂隙成锐角，与次要裂隙方向成钝角，涌水速度快，累计涌水量较大。而向右渗流的情况恰恰相反。表明主要裂隙方向对涌水影响较大，沿着主要裂隙方向渗流速度较快，涌水量也较大。

图5(a), (b) 给出了梯度为0.05时向左渗流和向右渗流的水位连线图。从图5中可以看出，当梯度存在时，初始时刻水位的连线近似倾斜的直线。以渗流方向向左为例，随着隧道开挖，隧道高程以上的地下水向洞内补给，形成不对称降落漏斗，左侧补给能力弱，水位下降较慢，右侧补给能力强，曲线下降快。

图5 两种梯度工况不同时刻水位连线图Fig.5 Connection diagram of water level at different time of two gradient conditions

渗流方向与主要裂隙成钝角，与次要裂隙成锐角，导致隧道左侧水位下降缓慢。向左渗流稳定时的水位比向右渗流稳定时的水位低，这与前文所说向左渗流累计涌水量比向右渗流的累计涌水量大相对应。同样表明了主要裂隙方向对涌水有较大的影响。

2.3 倾角0°时常水头试验

为了进一步研究主要裂隙倾角对开挖涌水的影响，将经过钻孔处理的砖水平铺填，模拟水平裂隙和垂直裂隙的情况，如图6所示。试验过程与倾角60°时相同，进行水位高程为100 cm、110 cm和120 cm的模型试验，不同水头在同一高程处各点的水位连线图如图7所示。

图6 模型水平填充图Fig.6 Model level filling diagram

图7 不同常水头工况不同水位连线图Fig.7 Connection diagram of water level at different time in different constant water head

此方案砖水平铺填，是一个对称结构，从图7(a)、(b)和(c)中可以看出，形成的降落漏斗较为对称。通过倾角60°和倾角0°的水位连线图比较可以看出，主要裂隙倾角对降落漏斗的形状有较大的影响。而且随着水头增加，隧道的影响范围和最大降深也在增加。

3 结 论

由于岩体裂隙和岩溶通道的存在，隧道开挖时会发生涌水。涌水问题会对工程安全和地下水环境造成不利的影响。本文开展了2种倾角8种工况的物理模型试验，主要得到以下结论：

(1)主要裂隙方向会对渗流产生较大的影响，当倾角与水流方向夹角较小时涌水现象较为突出。

(2)隧道开挖过程中，隧道周围的地下水会通过渗流的方式由隧道涌出，开始时涌水速率很快，随着时间的增长涌水速率减缓，最后趋于一定值。根据时间相似获得涌水累计量达到稳定的时间约为2～4d，这与原观调查结果一致。

(3)对同一种倾角，随着两侧补给水头的增加，涌水总量会增加，达到稳定的时间也会延长。

(4)各测压管的水位均有不同程度的下降。离隧道轴线越近的位置，水位下降越快，稳定时刻的水位也越低。连接相同高程测点在同一时刻的水位，形成的曲线均呈现降落漏斗的形状。而且主要裂隙方向会对降落漏洞的形状有较大的影响。

(5)根据降落漏斗的形状及大小确定地下水位下降的深度和影响范围。水位下降最大深度接近隧道顶部，模型中影响范围约为隧道轴线左右80 cm，对应实际距离为240 m。模型影响范围与数值计算隧道开挖影响范围较为接近。

(6)降落漏斗越低，对隧道上部植物生长影响越大，因此可根据不同时刻降落漏洞的位置确定衬砌适宜的衬砌时间。

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