朱留杰，許偉偉，金洪杰，李子陽，甘 磊

(1.西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程建設管理局，河南 鄭州 450000；2.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098； 3.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

我國建設了南水北調(diào)、引黃入冀、引江入淮、引黃入淀、滇中引水等一大批引調(diào)水工程[1-3]，以緩解區(qū)域內(nèi)水資源分布不均現(xiàn)狀，優(yōu)化供水系統(tǒng)配置，滿足各大灌區(qū)、人口聚居區(qū)的生活生產(chǎn)用水需求。為減少地表資源的占用，引調(diào)水工程常需建設一定長度的地下引水隧洞。隧洞開挖過程中不可避免會改變周邊巖土結(jié)構(gòu)，影響其滲流穩(wěn)定，導致地下水位發(fā)生驟降，增大地下水供應枯竭、地表不均勻沉降及濕地退化等風險[4-6]，如三峽引水工程秦巴段因斷裂帶聚集、構(gòu)造巖膠結(jié)較差，在隧洞開挖后出現(xiàn)大變形和涌水等問題[7]。

為保證隧洞施工及運行期的安全穩(wěn)定，減少滲透破壞事故的發(fā)生，許多學者對此進行研究[8-15]。張凡等[8]對隧洞開挖后滲流場變化進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隧洞開挖會導致地下水位連年下降，部分巖土體孔隙水壓力減小，增大滑坡失穩(wěn)的概率；杜澤等[9]結(jié)合滇中引水工程，分析沿線各隧洞段的布置、結(jié)構(gòu)特點及地質(zhì)情況，提出了一套統(tǒng)一各隧洞監(jiān)測設計標準的監(jiān)測設施布置原則；謝小帥等[10]以深埋引水隧洞為研究對象，分析多種排水方案下隧洞滲流場和襯砌外水壓力之間的聯(lián)系，結(jié)果表明排水措施降低襯砌外水壓力的效果隨排水孔數(shù)量增加而顯著；朱彬彬等[11]依托福建龍津溪引水隧洞工程，考慮隧洞穿越富水斷層的工程特點，采用基于平面一維滲流微分方程的數(shù)值方法計算隧洞涌水量，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證。

本文依托西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程穿沁隧洞標段，建立該隧洞三維滲流有限元模型，考慮沁河典型水位條件，開展隧洞始發(fā)井、檢修井開挖，洞身開挖至684 m、1 257 m和終點五個階段的施工期隧洞滲流分析，以期為類似工程的設計和施工提供理論依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程位于河南省黃河北岸，涉及洛陽、焦作、新鄉(xiāng)三市，是國務院確定的全國節(jié)水供水重大水利工程之一。該工程通過建設一條自西向東，全長114.283 km的輸水總干渠，在為上游灌區(qū)供水的同時，將供水保證率較高的黃河水引調(diào)至更多灌區(qū)。該工程布置各類渠系共13條，新、改建骨干建筑物570座，工程等別為Ⅰ等。其中地下隧洞結(jié)構(gòu)建筑物工程級別為1級，其余主要建筑物級別為2級。

穿沁隧洞建設標段位于武陟縣境內(nèi)，采取盾構(gòu)法施工，主要由進口連接段、出口檢修段和隧洞段三部分構(gòu)成。進口連接段位于方陵村以北麥苗農(nóng)田中，建設一個矩形豎井為盾構(gòu)始發(fā)井，圍護結(jié)構(gòu)為1.00 m厚的地下連續(xù)墻；出口檢修段位于南賈村以南的一片楊樹林、果林及麥苗田中。建設一個檢修井作為盾構(gòu)接收井，檢修井直徑為21.80 m，井深約42.80 m，采用1.50 m 厚的圓形地下連續(xù)墻；始發(fā)井和檢修井施工均采用明挖逆作法。

隧洞段全長2 850.00 m，自西向東下穿麥苗田地、灘涂，沁河左右堤壩、沁河以及村莊民房等區(qū)域和建構(gòu)筑物。隧洞段結(jié)構(gòu)采用外徑為6.60 m，內(nèi)徑為5.90 m的C50W12F200的鋼筋混凝土管片錯縫拼裝，管片厚0.35 m，隧洞內(nèi)二次襯砌0.50 m厚C35鋼筋混凝土。該標段全程地下施工，施工條件復雜，且需下穿大片農(nóng)田果林、村莊、堤壩以及地上河流等區(qū)域，水文地質(zhì)條件較為復雜。

1.2 水文地質(zhì)條件

隧洞施工穿越的沁河為地上懸河，發(fā)源于山西省沁源縣二郎神溝村，自武陟縣南賈村西南注入黃河，河流全長450.00 km，總流域面積13 532.00 km2。河槽段水位變化屬水文動態(tài)型，有暴漲暴落現(xiàn)象，多年平均水位約為96.64 m，可視為正常蓄水位，設計洪水位為101.68 m。

場區(qū)地下水分潛水和承壓水，地上河河水、潛水和下部承壓水存在密切的水力聯(lián)系，受沁河徑流影響，地下水位較高。由2019年水位觀測相關(guān)資料可知，沁河左、右岸地下水均賦存于第層中細砂中，其中左岸埋深9.20 m～19.80 m，水位為81.98 m～82.35 m，而右岸埋深14.20 m～22.10 m，水位為77.83 m～82.08 m。

2 滲流分析模型

2.1 計算模型

本文采取飽和-非飽和三維滲流計算程序?qū)λ矶茨Ｐ瓦M行計算，具體原理可參考相關(guān)文獻[16-18]。模型坐標系如下：x方向垂直于沁河走向，與隧洞開挖方向平行，以始發(fā)段指向終點段為正；y方向平行于河流走向，以朝南為正；z方向垂直地平面向上，坐標與高程一致。坐標原點設置于模型的左下角，坐標為(0, 0, 0)?；谠O定的計算坐標系，綜合考慮滲流分析要求和工程實際情況，對模型的計算范圍設定如下：x方向，以始發(fā)井段為起始至檢修井段而終，全長2 900.00 m；y方向，以隧洞軸線方向為基準，南、北向各截取70.89 m，并設最北面為y軸零坐標；z方向以海平面高程(z=0 m)為起始至地面高程而終。

結(jié)合穿沁工程所處區(qū)域的地形地貌、巖土層分布及巖性，建立三維有限元計算模型，依據(jù)各層材料滲透特性，對計算模型進行分區(qū)，并篩選出施工需挖除的土體單元，隧洞場區(qū)三維滲流計算模型如圖1所示。圖1(a)滲流計算初步整體模型，超單元總數(shù)20 980個，節(jié)點21 090個，加密細分后形成三維有限元網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)41 445個，單元總數(shù)40 450個；圖1(b)—圖1(d)分別為隧洞始發(fā)井段、檢修井段及地下隧洞段的局部模型和地層分布圖。鑒于不同工況的隧洞結(jié)構(gòu)存在差異，需結(jié)合對應施工階段實際情況，修正初步模型；對已施工部分，刪除擬開挖的土體單元，未施工部分，對擬開挖土體、混凝土單元的材料屬性進行修改，使其與原土體材料一致。綜上所述，需建立5個修正模型以實現(xiàn)穿沁隧洞施工期滲流性態(tài)的模擬分析。

圖1 隧洞場區(qū)三維滲流計算模型示意圖

2.2 計算工況

該工程選擇盾構(gòu)法開挖隧洞，在隧洞開挖前期，需建設始發(fā)井和檢修井結(jié)構(gòu)分別作為盾構(gòu)施工的始發(fā)段和接收端，隧洞盾構(gòu)開挖洞身時會實時安裝1.5 m長的襯砌管片。根據(jù)該工程施工的特點及施工組織計劃，選擇始發(fā)井、檢修井開挖，洞身開挖至684 m、1 257 m和終點五個典型施工階段為隧洞施工期滲流場分析的研究對象，結(jié)合沁河水位條件設置10個分工況，見表1。

2.3 計算參數(shù)及邊界

根據(jù)隧洞各部分結(jié)構(gòu)及場區(qū)巖土層分布特點，結(jié)合地勘資料對各土體單元滲透性的評價，現(xiàn)場實驗成果和實踐經(jīng)驗，將整體模型按材料滲透性大小分為10個區(qū)域，各區(qū)材料滲透系數(shù)見表2。

表1 隧洞場區(qū)滲流分析計算工況表

穿沁隧洞滲流分析模型的邊界包括已知水頭邊界、出滲邊界和不透水邊界三種，具體設置如下：沁河水位以下河道和地下水位以下截取邊界為已知水頭邊界；地下水位以上土體、地面和隧洞開挖面等與大氣接觸部分為出滲邊界；模型底部截取邊界為不透水邊界。

表2 場區(qū)各材料滲透系數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 位勢分布規(guī)律分析

隧洞開挖對周邊巖土結(jié)構(gòu)及場區(qū)滲流特性產(chǎn)生的影響會隨著距離的增加逐漸減弱，考慮到隧洞施工涉及的巖土層區(qū)域較大，故開展隧洞各施工階段滲流分析時，截取以各階段開挖部分為中心，左右延伸250.00 m的局部模型，選取三個典型剖面，對隧洞施工各階段滲流場進行分析，剖面分布如圖2所示，y=70.89 m剖面貫穿始發(fā)井、檢修井及隧洞軸線，為該隧洞模型的中心剖面，可反映隧洞區(qū)域巖土層滲流特性；y=57.69 m剖面平行于洞軸線，距離中心剖面約兩倍洞徑，可反映受隧洞施工直接影響的巖土層滲流特性；y=141.78 m剖面為模型的截取邊界，距中心剖面超過10倍洞徑，可反映隧洞開挖前巖土層滲流特性。

圖2 典型剖面選取示意圖

圖3為始發(fā)井開挖后典型剖面水位等值線圖，由圖可知，始發(fā)井開挖會改變施工區(qū)地下水位位勢分布，但整體滲流場變化較小。為更直觀判斷開挖后，周邊巖土層地下水位勢分布的變化程度，繪制了地下水位等值線如圖4所示，其中圖4(a)和4(b)分別為沁河正常蓄水位和設計洪水位時始發(fā)井開挖后的場區(qū)地下水位等值線圖。由圖4(a)可以看出，場區(qū)地下水位位勢分布明確，始發(fā)井開挖后，周邊約2 500 m2面積的圓形區(qū)域內(nèi)，滲流場位勢分布特征發(fā)生改變，等值線環(huán)繞始發(fā)井逐漸下降，這是因為始發(fā)井開挖之后，該部分巖層與大氣連通，使周邊地下水更易向此處匯聚，水位下降較之其他區(qū)域更加明顯。由圖4(b)可以看出，當沁河水位上升至設計水位時，場區(qū)地下水位有所上升，等值線分布更密集，但整體分布規(guī)律與正常蓄水位時相同。

圖3 始發(fā)井開挖后場區(qū)典型剖面水位等值線分布(單位：m)

圖4 始發(fā)井開挖后場區(qū)地下水位等值線分布(單位：m)

圖5為隧洞洞身開挖各施工階段y=70.89 m剖面水位等值線圖。由圖5可知，隧洞洞身開挖各個階段對滲流場的影響較小；越接近地上沁河的巖土區(qū)域，水位等值線分布越密集；洞身所處區(qū)域內(nèi)水位等值線分布較為稀疏，地下水位變化緩和。圖6為檢修井開挖后場區(qū)地下水位等值線圖。由圖6可知，檢修井開挖后，對場區(qū)滲流場的影響規(guī)律與始發(fā)井開挖階段相似，影響程度較其他階段最為明顯；檢修井周邊約40 000 m2面積內(nèi)，地下水位等值線分布密集，呈漩渦狀，水位向檢修井方向逐漸下降。這是因為檢修井大部分井身在浸潤面之下，相較于主體位于浸潤面之上的始發(fā)井和體積較小的隧洞洞身，檢修井附近的浸潤面下降更為明顯。

圖5 隧洞洞身開挖階段y=70.89 m剖面水位等值線分布(單位：m)

圖6 檢修井開挖后場區(qū)地下水位等值線分布(單位：m)

3.2 滲透坡降

滲透坡降是滲透變形破壞的決定因素之一，當土體實際滲透坡降大于允許最大滲透坡降時，土體會發(fā)生滲透變形或破壞。為進一步分析隧洞各施工階段滲透穩(wěn)定是否滿足要求及典型施工階段和沁河水位變化對周邊巖土區(qū)域滲透穩(wěn)定的影響，列出各工況典型剖面土層最大滲透坡降，見表3。由表3可知，各施工階段最大滲透坡降均發(fā)生在y=70.89 m剖面，結(jié)合最大滲透坡降發(fā)生位置土層，對比各土層允許滲透坡降值，沁河正常蓄水位下工況CQ-1—CQ-5最大滲透坡降均小于最大允許坡降，說明該水位下各施工階段滲透穩(wěn)定均滿足要求。沁河水位上升至設計洪水位時，各施工階段土體的最大滲透坡降明顯增大，工況CQ-8和工況CQ-9的最大滲透坡降超過發(fā)生位置土體的最大允許滲透坡降值，說明隧洞洞身開挖至684 m和1 257 m時，土體存在發(fā)生管涌、流土等滲透變形或破壞的可能。該階段施工區(qū)域位于沁河下方，受沁河水位影響較為顯著，地下水位變化明顯，隧洞施工前的土體最大滲透坡降值較高，施工后，巖土結(jié)構(gòu)變化，滲透坡降增大，從而導致巖土體滲透安全存在隱患。隧洞施工時應做好洞身及周邊土體的防滲加固及安全監(jiān)測，盡量避免在沁河水位較高時段進行穿堤施工。圖7為各工況下典型坡面最大滲透坡降對比圖。

表3 各工況土體最大滲透坡降和允許滲透坡降

圖7 各工況典型剖面最大滲透坡降對比

由圖7可知各階段隧洞施工后會增大區(qū)域內(nèi)土體的最大滲透坡降，但總體增量很小，且不同施工階段和沁河水位增量相近，說明隧洞施工增大周圍土體最大滲流坡降的程度受施工階段和沁河水位的影響較小。各施工階段最大滲透坡降大小分布整體呈現(xiàn)由穿沁階段向兩側(cè)逐漸下降的趨勢，其中沁河正常蓄水位下最大滲透坡降處于隧洞開挖至1 257 m階段，而沁河水位上升至設計洪水位時則處于隧洞開挖至684 m階段；各施工階段土體最大滲透坡降隨沁河水位上升至設計水位的增量分別為0.01、0.38、0.46、0.09和0.34；隧洞開挖至684 m階段土體最大滲透坡降受沁河水位變換的影響最顯著，因此該階段洞身開挖時，應更加關(guān)注沁河水位的變化，做好對應區(qū)域水位的實時監(jiān)測。

3.3 滲流量分析

選取y=70.89 m剖面為流量計算斷面，分析不同水位下隧洞各施工階段的剖面單寬流量，結(jié)果見表4。由表4可知，隧洞各施工階段剖面單寬滲流量變化符合一般規(guī)律。沁河水位處于正常蓄水位時，最大剖面單寬流量為2.77 m2/d，產(chǎn)生于隧洞開挖至終點階段，檢修井開挖階段的單寬流量明顯高于始發(fā)井開挖階段，隨著隧洞洞身施工的推進，流量逐漸增大，這是因為檢修井主體結(jié)構(gòu)開挖較深，越靠近終點的洞身段埋深越大，受地下水位影響，區(qū)域滲透流量越大。沁河水位上升至設計洪水位時，各施工階段的剖面單寬流量均有較大的增長，最大增量發(fā)生于隧洞開挖至終點階段，為10.33 m2/d，增幅為374.27 %，但各施工階段流量變化規(guī)律相似。

表4 各工況y=70.89 m剖面單寬流量

隧洞施工前、后各施工階段剖面單寬流量對比如圖8所示。

圖8 隧洞各施工階段施工前后典型剖面單寬流量對比

由圖8可知，各階段施工后場區(qū)剖面單寬流量有所增大。正常蓄水位和設計洪水位下各施工階段最大增量分別為0.31 m2/d和0.33 m2/d，平均增量為0.10 m2/d和0.19 m2/d。隧洞開挖后，地下水更易向洞身等區(qū)域匯聚，但開挖的隧洞結(jié)構(gòu)相較于場區(qū)巖土層體積較小，且施工過程實時安裝襯砌片以增強洞身防滲。因此隧洞各施工階段不會使場區(qū)滲流量顯著增加，導致地下水位快速下降。

4 結(jié) 論

依托西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程穿沁隧洞，開展了正常蓄水位和設計洪水位下始發(fā)井、檢修井開挖及隧洞洞身開挖至684 m、1 257 m和終點等典型施工階段的隧洞滲流場分析，主要結(jié)論如下：

(1) 各施工階段場區(qū)滲流場位勢分布合理，不同施工階段對開挖區(qū)域滲流場分布規(guī)律的影響存在一定差異，沁河水位變化對施工后場區(qū)滲流場的影響較小。

(2) 正常蓄水位下隧洞各施工階段滲透穩(wěn)定均滿足要求；設計洪水位下隧洞洞身開挖至684 m和1 257 m階段的最大滲透坡降大于土體允許滲透坡降，存在滲透變形或破壞的風險，需提前做好滲控措施。

(3) 隧洞工程開挖后場區(qū)滲流量較小，不會導致周圍地下水位的快速下降；沁河水位上升會顯著增大滲流量，最大增幅為374.27%，發(fā)生于隧洞開挖至終點階段，沁河高水位施工時，應加強防滲措施和流量監(jiān)控。