姚 軍

(合肥學(xué)院 城市建設(shè)與交通學(xué)院,合肥 230601)

0 引 言

近年來(lái)隨著水利工程快速發(fā)展，水工隧洞在我國(guó)大量建設(shè)，在獲得巨大經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益的同時(shí)，裂隙巖體隧洞襯砌結(jié)構(gòu)安全和地下水環(huán)境負(fù)面效益問(wèn)題日益突出。富水地區(qū)地下水位線一般高出洞軸線很多，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)承受較大外水壓力。堵排結(jié)合設(shè)計(jì)原則，可有效降低襯砌外水壓力，同時(shí)由于堵水設(shè)計(jì)可控制地下水排放量，保證不會(huì)由于隧洞排水導(dǎo)致地下水位線明顯下降造成生態(tài)環(huán)境破壞。

潘以恒用復(fù)變函數(shù)和滲流力學(xué)理論建立圍巖、襯砌及注漿圈的滲流場(chǎng)方程，分析了注漿圈參數(shù)與襯砌的外水壓力之間的關(guān)系，明確了注漿圈的堵水性能。[1]李強(qiáng)采用鉆孔彈模計(jì)對(duì)圍巖注漿前后，注漿圈力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)固結(jié)灌漿的堵水效果。[2]姚軍根據(jù)排水減壓閥的排水性能，采用解析方法和數(shù)值計(jì)算的方法分別計(jì)算了襯砌背后外水壓力和排水量之間的關(guān)系，同時(shí)分析了圍巖滲透系數(shù)對(duì)隧洞施工和運(yùn)營(yíng)期地下水位變化影響規(guī)律。[3]

學(xué)者關(guān)于隧洞注漿、隧洞排水孔均有一定的研究，但是堵水措施和排水措施對(duì)襯砌外水壓力和地下水位線的影響，鮮有研究。隧洞注漿后，圍巖滲透系數(shù)降低，地下水聚集在襯砌外圍導(dǎo)致襯砌外水壓力增大；排水措施可將孔隙介質(zhì)中地下水在水力梯度作用下排至隧洞內(nèi)，但是容易致使地下水過(guò)度下降導(dǎo)致地表干涸、植物枯死導(dǎo)致環(huán)境問(wèn)題。[5]

本文將通過(guò)ABAQUS數(shù)值計(jì)算，分析隧洞在開(kāi)挖過(guò)程中地下水位變化規(guī)律以及不同注漿圈厚度、不同排水能力下對(duì)襯砌外水壓力的影響，堵水、排水技術(shù)聯(lián)合使用的時(shí)候，襯砌外水壓力和水位線降深的規(guī)律。

1 隧洞注漿圈堵水性能分析

隧洞堵水措施一般使用在不良地質(zhì)體中，如斷層破碎帶、巖溶區(qū)，巖體裂隙開(kāi)度大、圍巖滲透性強(qiáng)，為改善其力學(xué)性能，工程中一般用硫鋁酸鹽水泥熟料、石膏、石灰為主要原料制成的注漿材料，在圍巖徑向一定范圍內(nèi)進(jìn)行注漿形成注漿圈[4]，通過(guò)注漿可堵塞圍巖裂隙、填充孔隙、減小圍巖的滲透系數(shù)，從而控制地下水向隧洞內(nèi)滲流。注漿圈通過(guò)注漿材料的粘結(jié)性可增強(qiáng)隧洞周?chē)鷰r體的完整性，提高其力學(xué)性能，同時(shí)為錨桿施工提供基礎(chǔ)。[6]

1.1 注漿圈數(shù)值計(jì)算

為了分析注漿圈的堵水性能，建立二維滲流-應(yīng)力耦合幾何模型，模擬隧洞開(kāi)挖和注漿過(guò)程。幾何模型寬50米，高60米，隧洞埋深30米，隧洞洞涇8.4m；圍巖主要為巖溶地質(zhì)滲透性強(qiáng)，滲透系數(shù)取1.0×10-5m/s、注漿圈滲透系數(shù)取1.0×10-6m/s、襯砌滲透系數(shù)1.0×10-7m/s,模型兩側(cè)加邊界水頭，地下水位線位于地表(模型頂部)，幾何模型如圖1所示。由于隧洞洞軸線在地下水位線以下，因此隧洞在開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程中地下水位會(huì)隨工程建設(shè)過(guò)程而改變。

圖2為圍巖孔壓分布初始狀態(tài)，隧洞開(kāi)挖后，洞壁處與大氣相通孔壓為0，與圍巖內(nèi)水形成徑向水力梯度，孔隙水在水力梯度作用下向隧洞內(nèi)排放，隧洞上方地下水位線下降并呈漏斗狀，如圖3所示。為保護(hù)初襯結(jié)構(gòu)安全及限制排水量，開(kāi)始在初襯外圍注漿以形成注漿圈。由于注漿圈滲透性較低，滲流場(chǎng)中水堵在注漿圈外圍如圖4所示，此時(shí)地下水為線分布與初始狀態(tài)相比，水位線略有降低，但明顯好于圖2所示開(kāi)挖狀態(tài)。圖2至圖4孔隙水壓力分布有力證明了，注漿圈利用滲透性低的特點(diǎn)，在水工隧洞施工過(guò)程中起到了很好的堵水效果。

圖2圍巖孔壓初始狀態(tài)圖 圖3隧洞開(kāi)挖后圍巖孔壓云圖 圖4注漿圈施加后圍巖孔壓云圖

1.2 注漿厚度對(duì)堵水性能影響規(guī)律

1.1節(jié)分析說(shuō)明注漿圈具有較好的堵水性能，注漿圈有兩個(gè)主要因素：一是注漿圈厚度，二是注漿圈滲透系數(shù)。為了分析不同注漿圈厚度w對(duì)堵水性能的影響，在上述模型基礎(chǔ)之上分別建立不同注漿圈厚度w=2m、3m、4m、5m的模型，進(jìn)行計(jì)算。

圖5為不同注漿圈厚度下，初砌的應(yīng)力云圖，表1為不同工況下襯砌最大應(yīng)力匯總。從圖5和表1可以看出，注漿圈厚度越大襯砌上最大應(yīng)力值越小，這體現(xiàn)了注漿圈厚度不同堵水效果差異。襯砌周?chē)鷰r體裂隙和孔隙在注漿后滲透性降低，使得部分外水壓力作用在注漿圈上；同時(shí)注漿后圍巖整體性較好，襯砌與注漿圈形成聯(lián)合承載狀態(tài)，注漿圈幫助襯砌結(jié)構(gòu)分擔(dān)上部巖體重量，減小襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力，減少襯砌裂縫產(chǎn)生概率，保證襯砌結(jié)構(gòu)安全。

(a)w=2m,襯砌應(yīng)力云圖 (b)w=3m,襯砌應(yīng)力云圖

表1 四種工況下初襯應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2 隧洞排水能力對(duì)襯砌外水壓力影響規(guī)律

水工隧洞排水技術(shù)主要是在襯砌上設(shè)置排水孔或者排水系統(tǒng)裝置，將襯砌外的水從排水孔或者排水系統(tǒng)排至隧洞內(nèi)，降低襯砌外水壓力，但是若排放量過(guò)大或者隧洞周?chē)叵滤疅o(wú)有效補(bǔ)給，則導(dǎo)致隧洞頂上方地下水下降較多[7]，圖6中白色區(qū)域?yàn)榭讐簽樨?fù)值區(qū)域，即隧洞排水過(guò)程中地下水位線下降區(qū)域。

圖6 排水設(shè)備排水時(shí)隧洞周?chē)讐悍植荚茍D

水工隧洞為避免內(nèi)水外漏造成流量損失，排水設(shè)備常采用一種單向閥，一端放置在襯砌背后的圍巖中，一端在隧洞內(nèi)，只允許水從襯砌背后流向隧洞內(nèi)。通過(guò)將襯砌背后水排向隧洞內(nèi)以降低襯砌外水壓力。假定襯砌背后水壓力P、孔隙水流速度V，進(jìn)行理論解析計(jì)算。圖7所示排水閥和其計(jì)算單元簡(jiǎn)圖，水從右側(cè)進(jìn)入管道，然后從左側(cè)流出，忽略水流進(jìn)入管道入口的阻礙。左側(cè)入水口處壓強(qiáng)為P，流速V1，右側(cè)出水口壓強(qiáng)為P2，水流速度為V2。

圖7 排水減壓閥及計(jì)算簡(jiǎn)圖

引入伯努利方程：

(1)

排水設(shè)備入口流速V1相比于出口流速數(shù)值很小，可假定V1=0,同時(shí)式中動(dòng)量修正系數(shù)取α1=α2=1。入口壓力即初襯背后排水設(shè)備進(jìn)水口處，水壓力設(shè)為P，出口處即為排水設(shè)備在隧洞內(nèi)的出水口與大氣相通，其壓力為0。[8]

此時(shí)方程化為：

(2)

由于公式(2)中ζ、λ、l、d均為常數(shù)項(xiàng)，由此可得襯砌背后外水壓力和隧洞內(nèi)排水設(shè)備出口流速V之間的線性關(guān)系。

根據(jù)滲流第三類(lèi)邊界條件：

V=KSP

(3)

其中：V邊界法線方向上流速；KS滲流系數(shù)；P表示邊界上孔隙水壓力。

根據(jù)襯砌外水壓力與排水設(shè)備出水口流速比值，取Ks=1.0×10-2、1.0×10-3、1.0×10-4、1.0×10-5、1.0×10-6、1.0×10-7、1.0×10-8，作為邊界條件帶入模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同排水能力下七種工況下，初襯最大孔壓計(jì)算結(jié)果

從圖8可以看到設(shè)置不同排水邊界后，襯砌孔壓分布情況差異較大，其中Ks值越大，排水邊界排水量越大，襯砌背后外水壓力消散越快，襯砌上孔隙水壓力越低，但是當(dāng)Ks≥1.0×10-5時(shí)，襯砌上應(yīng)力不再減小。主要原因是排水邊界排向隧洞內(nèi)的速度大于地下水下降速度，因此襯砌上孔壓不再有效降低。

(a)Ks=1.0×10-5,襯砌孔壓分布 (b)Ks=1.0×10-6,襯砌孔壓分布

3 隧洞堵排結(jié)合技術(shù)綜合應(yīng)用分析

堵排結(jié)合設(shè)計(jì)原則，主要實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)目標(biāo)：(1)有效降低隧洞襯砌結(jié)構(gòu)外水壓力；(2)控制隧洞排水量，避免地下水大量流失；(3)通過(guò)注漿圈與襯砌聯(lián)合承載，優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)。為了分析堵排結(jié)合技術(shù)的性能，選取注漿圈厚度w=3m,Ks=1.0×10-5、1.0×10-6、1.0×10-7、1.0×10-8分別帶入模型計(jì)算。[9]

計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示，在注漿圈厚度相同的情況下，Ks越大襯砌最大孔壓越小，且小于注漿圈厚度w=3m時(shí)襯砌孔壓值，說(shuō)明排水設(shè)備排水減小了襯砌外水壓力，于此同時(shí)注漿圈分擔(dān)了襯砌外水壓力，所以在堵排結(jié)合、限量排放的設(shè)計(jì)原則下，襯砌外水壓力有效降低，實(shí)現(xiàn)了外水壓力有效折減，同時(shí)當(dāng)Ks≥1.0×104時(shí)，襯砌外水壓力不再降低，與隧洞排水技術(shù)規(guī)律一致。但是在堵排結(jié)合設(shè)計(jì)原則下，隧洞頂?shù)叵滤蝗杂幸欢ń瞪?，堵水和排水需要在一定范圍?nèi)優(yōu)化，以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。[10-11]

(a)Ks=1.0×10-8,襯砌孔壓分布 (b)Ks=1.0×10-7,襯砌孔壓分布

圖10 襯砌最大孔壓與Ks之間關(guān)系

4 結(jié) 論

文章采用滲流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算技術(shù)，運(yùn)用ABAQUS軟件模擬注漿圈堵水性能、注漿圈厚度對(duì)堵水性能的影響、排水設(shè)備排水減壓效果以及堵水和排水技術(shù)在隧洞工程中的綜合應(yīng)用。得到以下結(jié)論：(1)隧洞開(kāi)挖過(guò)程中上方地下水位呈漏斗狀下降，注漿圈可有效堵水。注漿圈厚度越大，堵水性能越強(qiáng)，有效降低襯砌外水壓力；(2)隧洞排水可降低襯砌外水壓力，但當(dāng)Ks≥1.0×10-5時(shí)，襯砌孔壓不再下降；(3)堵排結(jié)合綜合應(yīng)用，可有效降低襯砌外水壓力，并控制地下水排放量。