張迪

（朝陽縣水務(wù)局，遼寧 朝陽 122000）

0 引言

我國的水資源總量十分豐富，但時空分布不均，造成諸多水資源供需矛盾，給經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展帶來許多困擾。針對這一問題，積極進行水利工程建設(shè)，實現(xiàn)跨流域調(diào)水無疑是當前最為有效的措施。在長距離調(diào)水工程建設(shè)中，輸水隧洞往往是不可避免的工程手段，而其在施工建設(shè)和其他方面也面臨著更加嚴峻的挑戰(zhàn)，特別是在建設(shè)過程中經(jīng)常面臨穿越軟弱地層、富水地層及流沙層等復(fù)雜的工程地質(zhì)條件[1]。當輸水隧洞穿越富水地層時，施工開挖極易出現(xiàn)塌方、突水涌沙及地表沉降等工程事故，進而嚴重影響施工建設(shè)的安全進行[2]。因此，針對復(fù)雜地質(zhì)條件下輸水隧洞施工優(yōu)化設(shè)計具有十分重要的意義和作用。

遼寧省某“十四五”重點輸水工程輸水隧洞一標段的K2＋454～K2＋778 洞段處于河谷地段，部分區(qū)間穿越富水砂層。根據(jù)前期的地質(zhì)勘查資料，該洞段的第四系富水砂層厚度為2.23～12.67 m，給圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來諸多挑戰(zhàn)。在工程施工建設(shè)過程中，如果不能保證隧道拱頂和富水砂層之間的隔水層有足夠的厚度，就難以保證施工的安全[3]。基于此，此次研究利用數(shù)值模擬的方式，對富水砂層輸水隧洞隔水層厚度的影響因素展開分析，以便為相關(guān)的理論研究和工程建設(shè)提供有益的支持和借鑒。

1 FLAC3D 有限元模型

1.1 計算模型的構(gòu)建

FLAC 是美國INASCA 公司在有限差分法基礎(chǔ)上開發(fā)的一款針對連續(xù)介質(zhì)的力學仿真軟件。FLAC3D 作為三維差分程序，是二維程序的升級版本，該軟件采用顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，可以實現(xiàn)對巖土體結(jié)構(gòu)受力特征的準確模擬[4]，該軟件還有一個顯著優(yōu)勢就是計算過程中不需要形成剛度矩陣，占用的資源量較小?；诖?，此次研究采用FLAC3D 有限元軟件進行計算模型的構(gòu)建。

在模型的構(gòu)建過程中，考慮到流固耦合的邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，模型的左右兩側(cè)及下邊界取隧洞開挖斷面直徑的5 倍，上邊界取到地表。幾何模型以隧洞開挖方向為X軸的正方向，以垂直于X軸指向右側(cè)的方向為Y軸的正方向，以豎直向上的方向為Z軸的正方向。輸水隧洞采用全斷面開挖方式，開挖進尺為2.00 m，在開挖之后立即進行噴射混凝土支護[5]。計算模型的圍巖選擇摩爾-庫倫本構(gòu)模型，襯砌結(jié)構(gòu)總厚度為80 cm。初期支護體系采用殼單元模擬，圍巖和襯砌混凝土采用實體單元模擬。

1.2 邊界條件和模型參數(shù)

根據(jù)研究對象的實際特點，對模型的兩側(cè)施加豎向位移約束；模型的底部施加全位移約束；模型的上表面為自由邊界條件，不施加位移約束。在模型的流固耦合計算過程中，將模型的側(cè)面視為不透水邊界條件，模型的底部為透水邊界條件，將地表的靜水壓力設(shè)置為0[6]。在隧洞開挖之后，開挖邊界以外設(shè)置為透水邊界條件，初支完成之后的支護段設(shè)置為不透水邊界，初始滲流場隨水力梯度呈線性增長。

數(shù)值模擬過程中，選擇科學合理的模型物理力學參數(shù)極為重要，會對計算結(jié)果產(chǎn)生直接影響。此次研究過程中結(jié)合相關(guān)施工規(guī)范和背景工程的地質(zhì)資料，確定如表1 所示的模型材料物理力學參數(shù)。

表1 模型材料物理力學參數(shù)

1.3 隔水層厚度

在穿越富水沙地層的地下洞室工程施工過程中，隧洞的主體結(jié)構(gòu)和富水沙層之間必須要有一定厚度的隔水層。因此，如何確定安全的隔水層厚度就成為此類工程研究的重要課題[7]。目前，針對地下洞室工程隔水層厚度的計算方法主要是極限分析法、極限平衡法、滑移線法、積極條分法。此次研究中借鑒王洪濤的相關(guān)研究成果[8]，利用極限分析法對安全隔水層厚度進行預(yù)測，在計算過程中結(jié)合隧洞頂板的破裂特征，構(gòu)造出隧洞上方土體極限狀態(tài)下的破裂機制，并基于線性M-C 強度準則，利用計算分析上限定理對隔水層厚度進行求解。

1.4 計算方案

結(jié)合背景工程的實際情況，設(shè)置隧洞半徑為2.0，2.5，3.0 m；隔水層巖土體的內(nèi)摩擦角為21.0°，粘聚力為140 kPa，土體重度為24 kN/m3，隧洞埋深為15.0 m，支護力為0 kPa。研究中為了簡化，計算過程中先保持其余參數(shù)不變，對一個參數(shù)在不同水平下的隔水層厚度進行計算，并對計算結(jié)果進行對比分析。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 埋深

利用構(gòu)建的有限元模型，在其余參數(shù)不變的情況下，對隧洞埋深分別為11.0，13.0，15.0，17.0，19.0 m 的安全隔水層厚度進行模擬計算。根據(jù)計算結(jié)果，繪制出安全隔水層厚度的變化曲線，如圖1 所示。由圖1 可以看出，在隧洞直徑相同的情況下，安全隔水層的厚度隨著隧洞埋深的增加呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢，其增大特征為典型的線性特征。因此，穿越富水砂層輸水隧洞的埋深越大，應(yīng)該選擇厚度更大的隔水層厚度。另一方面，隧洞半徑也是安全隔水層厚度的重要影響因素，在埋深相同的條件下，安全隔水層的厚度與隧洞半徑之間也存在比較明顯的正相關(guān)關(guān)系。

圖1 安全隔水層厚度隨隧洞埋深變化曲線

2.2 土體強度參數(shù)

研究中保持其余參數(shù)不變，分別對隔水層巖土體粘聚力為120，130，140，150，160 kPa；隔水層內(nèi)摩擦角為17°，19°，21°，23°，25°；隔水層巖土體重度為20，22，24，26，28 kN/m3的安全隔水層厚度進行模擬計算。根據(jù)計算結(jié)果，繪制出安全隔水層厚度隨粘聚力、內(nèi)摩擦角及重度的變化曲線，分別如圖2—4所示。由圖2—4可以看出，隨著粘聚力、內(nèi)摩擦角和重度的增大，安全隔水層的厚度呈現(xiàn)出不斷減小的變化特征，減小的速率也不斷變小。

圖2 安全隔水層厚度隨粘聚力變化曲線

圖3 安全隔水層厚度隨內(nèi)摩擦角變化曲線

圖4 安全隔水層厚度隨重度變化曲線

2.3 支護力

在保持其他參數(shù)不變的情況下，對支護力為0，40，80，120，160 kPa 的安全隔水層厚度進行模擬計算。根據(jù)計算結(jié)果，繪制出安全隔水層厚度隨支護力的變化曲線，如圖5 所示。由圖5 可以看出，隨著支護力的不斷增大，安全隔水層的厚度呈現(xiàn)出不斷減小的變化特點，且減小的速率不斷增大。由此可見，輸水隧洞的初期支護和二次襯砌結(jié)構(gòu)對提升圍巖的安全性和穩(wěn)定性具有十分重要的意義和作用。

圖5 安全隔水層厚度隨支護力變化曲線

3 結(jié)語

此次研究利用數(shù)值模擬的方式探討了富水砂層輸水隧洞隔水層厚度的影響因素，并獲得相應(yīng)的變化規(guī)律。根據(jù)計算結(jié)果，提出如下工程建議：在輸水隧洞選線過程中，應(yīng)該盡量避開富水沙層，如無法避開時，應(yīng)該盡量增加隔水層的厚度，以提高隧洞施工和運行安全；在富水沙地層輸水隧洞開挖施工過程中，應(yīng)該注意及時支護和選擇科學合理的支出參數(shù)，保證拱頂圍巖的穩(wěn)定性；鑒于安全隔水層巖土體參數(shù)對安全隔水層厚度存在顯著影響，在實際工程施工過程中，可以通過超前小導(dǎo)管注漿等工程技術(shù)措施提高隔水層的強度參數(shù)。