富水地区深埋大孔径水工隧道衬砌外渗流特征研究

杨智明,李江能

(云南省滇中引水工程有限公司,昆明 650000)

0 引 言

深埋长大水工隧洞建设周期长,围岩条件和水文学条件复杂。但构成国家大水网水利调配工程的主体,一般埋深大、洞径大。富水地区水工隧道衬砌外水压力的评估,一直是深埋富水地段水工隧洞发展的瓶颈。为此,许多学者进行了相关研究。段亚辉等[1-2]对现有常用的多种衬砌外水压力计算的方法进行了分析讨论,对其优缺点和适用场景进行了归纳与总结。刘立鹏等[3-4]采用室内模型试验的方法,对高压富水地层外水压力的计算进行了研究,结果表明,外水压力与衬砌外部的排水管道设计以及外部环境的水动力和静力特征有关。孙河林等[5]采用理论分析的方法,基于Mogi-Coulomb强度准则,在综合外部温度因素的条件下,推导了用于计算圆形水工隧洞围岩弹塑性区范围的解析解,结果表明,温度增大或减小会造成衬砌位移增大,同时引起围岩塑性区范围增大,导致衬砌结构稳定性下降。

上述文献研究表明,目前有关水工隧洞的研究主要集中于衬砌强度是否能够满足隧道的长期运营,而较少对富水条件下隧道衬砌外的水力场变化进行研究。在富水深埋大孔径水工隧道中,其所受的外部水压力在隧道衬砌设计和防排水设计中发挥着控制性作用,因此有必要开展富水深埋大孔径水工隧道的隧道衬砌外的水力场特征研究。本文以某调水工程为例,采用Midas GTS NX软件,进行隧道衬砌外的水力场特征数值模拟。

1 几何模型

某调水工程起点为大型水库,自北向南穿越两条河流为城区供水,隧洞依托区域地势设计,水流自高向低流动。富水段全长39.63km,为大型水工隧道工程。岩体物理力学参数见表1;几何模型尺寸见图1。

图1 几何模型尺寸

表1 岩体的物理力学参数

2 数值模型建立

本文采用Midas GTS NX软件,对水工隧洞进行水力学参数的求解分析。根据图1中水工隧洞实际几何断面尺寸,建立Midas GTS NX的有限元模型,采用渗流固结分析系统模型。由于隧道开挖可能给附近渗流场带来影响,因此建模过程中在模型边界上应充分增大外边界距离隧道的长度。建模时,模型沿着隧道外边界向左右各延伸75m;隧道上方按照实际埋深考虑,将上边界延伸至地表;隧道下方使下边界距离隧道外部底轮廓长度为55m;在隧洞掘进方向上取100m。整个模型为150m×100m×135m的长方体模型,采用四面体对上述模型进行网格划分。设计隧洞径向沿X轴方向,隧洞掘进方向为Y方向,Z轴为重力加速度方向以及地下水渗流方向。构建的分析模型见图2。

图2 分析模型图

3 计算结果分析

为了研究上述断面在各个关键危险建设期内隧洞周围的渗流场变化情况,完成数值模型的建立后,运用 Midas GTS NX 软件,对图2中构建的模型进行不同关键建设时期的渗流计算,主要包括隧洞未开挖时初始渗流计算,以及开挖期、喷射混凝土作业期和隧洞建成后运行期的渗流计算,分别得出不同时期的渗流场云图,见图3-图6。同时,为了分析隧洞建成后运行期的衬砌外水压力分布特点,导出相应隧洞建成后运行期的水压力折减系数随着渗透系数变化曲线图及水压力分布云图,见图7-图8。

图3 初始渗流场云图

3.1 初始渗流场

为了研究隧洞未开挖初始条件下隧洞周围的渗流场变化情况,在完成数值模型构建后,运用Midas GTS NX软件进行初始阶段的渗流计算,得出初始渗流场云图,见图3。

由图3可知,模型整体自上而下水压力逐渐增大,在地表处的水压力为零,隧洞所处位置的洞顶初始水压力值约为538.4kPa;在经过隧洞整体5.1m高度变化后,在隧洞所处位置的洞底初始水压力值约为589.4kPa;模型地下水位线距离隧洞顶部的高度为54.9m,距离洞底的高度为60m,表明初始未开挖条件下模型整体渗流计算结果符合渗流规律。

3.2 开挖期渗流场

为了研究隧洞开挖阶段隧洞周围的渗流场变化情况,在完成数值模型构建后,运用Midas GTS NX软件进行开挖阶段的渗流计算,得出开挖期渗流场云图,见图4。

图4 开挖期渗流场云图

由图4可知,模型整体自上而下水压力逐渐增大,自模型左侧向右侧边界过渡,呈镜像抛物线变化形式,最大孔隙水压力值为1.13MPa,位于模型底部的左右两侧边界区域。随着隧洞的开挖,在隧洞洞壁内侧,由于开挖面临空,隧道周围的孔隙水压力均为0kPa,整体以隧道所处位置为漏斗底,形成一个明显的渗流漏斗形状,地下水位在隧道正上方下降约21.2m。可见,开挖后未及时支护,隧道内将存在突水风险。

3.3 喷混期渗流场

为了研究隧洞喷混阶段隧洞周围的渗流场变化情况,在完成数值模型构建后,运用Midas GTS NX软件进行开挖后喷混阶段的渗流计算,得出喷混期渗流场云图,见图5。

图5 喷混期渗流场云图

由图5可知,模型整体自上而下水压力逐渐增大,自模型左侧向右侧边界过渡,呈镜像抛物线变化形式,但其下凹趋势即变化速率减小,最大孔隙水压力值为1.13MPa,位于模型底部的左右两侧边界区域。由于喷射混凝土初期支护,在隧洞洞壁内侧形成隔水层,有效阻碍了地下水向隧洞内的渗流,隧道周围的孔隙水压力增大至233.4kPa,但整体仍以隧道所处位置为漏斗底,形成一个渗流漏斗形状,地下水位在隧道正上方回升约7.5m,符合工程实际。

3.4 运行期渗流场

为了研究隧洞建好后运行阶段隧洞周围的渗流场变化情况,在完成数值模型构建后,运用Midas GTS NX软件进行运行阶段的渗流计算,得出运行期渗流场云图,见图6。

图6 运行期渗流场云图

由图6可知,模型整体自上而下水压力逐渐增大,基本与初始渗流场一致。这主要由于衬砌的施做和灌浆圈的存在,隔断了渗流通道,阻止了地下水向隧洞内的渗流。隧道所在位置有轻微下凸现象,这主要由于隧道洞身外侧的排水管道设置,地下水位在隧道正上方回升约12.5m。

3.5 水压力折减系数

为了分析隧洞建成后的运行期衬砌外水压力分布特点,导出相应阶段隧洞水压力折减系数随着渗透系数变化曲线图,见图7。

图7 水压力折减系数随渗流系数变化图

由图7可知,随着灌浆圈的施做和其强度的逐渐上升,灌浆圈渗透系数不断减小,当渗流系数为5×10-9m/s时,厚度为2.3m的灌浆圈衬砌外水压力折减系数为0.421;厚度为4.3m的灌浆圈衬砌外水压力折减系数为0.352;厚度为6.3m的灌浆圈衬砌外水压力折减系数为0.312;厚度为8.3m的灌浆圈衬砌外水压力折减系数为0.277。可见,灌浆圈增加同样的厚度,衬砌外水压力折减系数减小值逐渐变小,存在最优灌浆圈厚度。该最优厚度条件下,既能使水压力有效折减,同时又可避免灌注过厚的灌浆层,节约成本,可为灌浆圈的最优厚度选择提供参考。

3.6 衬砌水压力

为了分析隧洞建成后的运行期衬砌外水压力分布特点,导出相应隧洞建成后运行期的水压力分布云图,见图8。

图8 衬砌水压力分布云图

由图8可知,衬砌外水压力呈拱顶小拱底大的特点。此外,排水孔的存在形成良好的渗流通道,距离排水孔越近,外水压力越小,运行期拱底处的最大外水压力值为444.7kPa。通过图7可以得到,运行期衬砌所受最大外水压力处的折减系数为0.421。从渗流计算结果中,还可得到隧洞渗流量为0.248m3/(d·m)。

3.7 隧洞渗流量

为了更加直观看出隧洞渗流量随灌浆圈渗透系数变化时的规律,绘制隧洞渗流量随灌浆圈渗透系数变化的规律曲线,见图9。

图9 隧洞渗流量与灌浆圈渗透系数关系图

由图9可知,隧洞渗流量与灌浆圈渗透系数近似呈正比关系,其最大渗流量为对应灌浆圈最大渗透系数1×10-9m/s的0.631m3/(d·m),不同厚度的灌浆圈在灌浆圈最大渗透系数时的隧洞渗流量相同,在其它渗透系数的条件下,隧洞渗流量随着灌浆圈厚度的增大而递减。

4 结 论

本文以调水工程为例,采用Midas GTS NX软件,对隧道衬砌外的水力场特征进行了数值模拟。结论如下:

1)开挖喷混后,隧道周围的孔隙水压力由0kPa增大至233.4kPa,地下水位在隧道正上方回升约7.5m。在开挖后,及时进行初期喷射混凝土支护,能够有效降低隧道内的突水风险。

2)运行期,地下水位在隧道正上方回升约12.5m,模型整体自上而下水压力逐渐增大,基本与初始渗流场一致。衬砌的施做和灌浆圈的存在,隔断了渗流通道,阻止了地下水向隧洞内的渗流。

3)当渗流系数为5×10-9m/s时,厚度为2.3、3.3、4.3、5.3、6.3、7.3、8.3m的灌浆圈衬砌外水压力折减系数分别为0.421、0.375、0.352、0.325、0.312、0.284和0.277,灌浆圈存在最优厚度,可为灌浆圈的最优厚度设计提供参考。