大斷面黃土隧道地下水滲流分析

李彥民

1 計(jì)算目的

通過理論計(jì)算,分析隨著時間的推移引起的地下水位變化情況,為進(jìn)行地下水位改變后圍巖對隧道結(jié)構(gòu)影響的分析提供依據(jù)。

2 計(jì)算程序及計(jì)算內(nèi)容

采用大型巖土工程有限元分析軟件PLAXIS系列的2DFLOW滲流模塊進(jìn)行分析。用6節(jié)點(diǎn)的三角形單元對連續(xù)的土體進(jìn)行離散化,模擬復(fù)雜工程地質(zhì)條件下的滲流情況,模擬隨著時間的推移地下水孔隙水壓力和水位的變化。

3 計(jì)算模型建立及結(jié)果分析

3.1 研究對象

隧道排水條件下,地下水位隨之降低,此處選取隧道某處斷面為研究對象,該斷面隧道埋深為96 m,原地下水位距隧頂為21 m。

3.2 基本假定

1)土層各向同性;2)地下水滲流符合達(dá)西定律;3)假定隧道襯砌為完全不透水材料;4)為了模擬實(shí)際工程中的降水措施,在隧道兩側(cè)設(shè)置了2個排水管,其排水量是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)而來。

3.3 幾何模型及邊界

根據(jù)降水影響半徑確定滲流計(jì)算的幾何模型及邊界。邊界左側(cè)為(-100;-7.65)～(-100;130),右側(cè)邊界為(200;-7.65)～(200;130)。

模型幾何尺寸:高×寬=137.65 m×300 m。

根據(jù)隧道縱斷面圖可以得到土層分布及隧道布置。

計(jì)算幾何模型和網(wǎng)格剖分見圖1,圖2。

3.4 土層粒徑級配和材料參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告,圍巖范圍內(nèi)土層為粘質(zhì)黃土(Q2)。其孔隙比e=0.67,有效粒徑 d10=0.001 9 mm,限制粒徑 d60=0.019 mm,不均勻系數(shù)粒徑級配見表1。

3.5 滲透系數(shù)

計(jì)算中滲透系數(shù)的確定,主要根據(jù)地勘報(bào)告和經(jīng)驗(yàn)估算法,并認(rèn)為kx=ky。

1)根據(jù)隧道地勘報(bào)告,推薦值為:

2)根據(jù)HAZEN提出的用有效粒徑 d10估算的經(jīng)驗(yàn)公式,可得:

3)根據(jù) U.Smoltczyk在《Grundbau-Taschenbuch》中的推薦,結(jié)合土層性質(zhì)和粒徑級配,利用土的不均勻系數(shù),進(jìn)行內(nèi)插確定。

當(dāng) Cu=10時,得到 k=1.8×10-6m/s。

綜合考慮后,滲透系數(shù) k取為1×10-7m/s,即0.008 64 m/d。

表1 粒徑級配

3.6 排水量和降水影響半徑

山體內(nèi)滲水通過襯砌后面縱向排水管匯集,再通過橫向排水管流入路面下中央主排水管排走。根據(jù)施工現(xiàn)場的實(shí)測數(shù)據(jù),中央主排水管的排水量為0.78 m3/(d·m)。

有限元分析中的幾何邊界,必須建立在降水影響半徑的基礎(chǔ)上。對于降水影響半徑的確定:根據(jù)綜合考慮,降水的有效影響半徑確定應(yīng)小于150 m,因此確定計(jì)算模型橫向幾何邊界尺寸為300 m。

3.7 排水管布置

排水管位于(42;23)及(58;23)處,對稱布置在隧道兩側(cè),見圖2。

3.8 有限元計(jì)算方案

根據(jù)試算和類比工程的經(jīng)驗(yàn),可以認(rèn)為,抽水時間五年后地下水滲流基本處于穩(wěn)定狀態(tài),由此確定了有限元計(jì)算方案,見表2。

表2 有限元計(jì)算方案

3.9 初始地下水位

初始地下水位位于y=54.9處,即距隧道頂部為21 m,初始地下水位狀態(tài)及孔隙水壓力分布見圖3。

3.10 降水一年

計(jì)算結(jié)果見圖4,圖5。

3.11 降水兩年

計(jì)算結(jié)果見圖6,圖7。

3.12 降水五年

計(jì)算結(jié)果見圖8,圖9。

4 結(jié)語

1)通過計(jì)算,給出了地下水位在降水后一年、兩年和五年地下水位曲線分布圖,從而為進(jìn)行地下水位改變后圍巖及地面的沉降和對隧道結(jié)構(gòu)影響的分析提供依據(jù)。

2)由模擬可知,在降水過程中,地下水位線不斷在降低,由在隧道頂部以上,降到隧道底部以下。由于采取了降水措施,地下水位降低,圍巖含水量變化,土層的物理參數(shù)和力學(xué)參數(shù)發(fā)生改變,使圍巖和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形,在施工和設(shè)計(jì)中,應(yīng)該充分考慮。

3)由于降水,在降水前,最大孔隙水壓力為606.72 kPa;降水一年后,最大孔隙水壓力為587.20 kPa;降水兩年后,最大孔隙水壓力為586.19 kPa;降水五年后,最大孔隙水壓力為583.97 kPa。由模擬可知,在降水過程中,孔隙水壓力并沒有發(fā)生太大的變化。

4)由于降水,可能對周圍居民的生活和生產(chǎn)帶來一定的影響,在隧道設(shè)計(jì)和施工過程中要做考慮,并在施工中注意環(huán)保。

5)在對上述結(jié)果的引用時,應(yīng)注意到上述計(jì)算結(jié)果中出現(xiàn)的排水點(diǎn)附近區(qū)域中“負(fù)水壓”情況。

6)由于富水黃土特有的親水性和實(shí)際滲透系數(shù)的各向異性,最終出現(xiàn)降水曲線和影響范圍可能應(yīng)該小于上述計(jì)算結(jié)果。建議通過現(xiàn)場實(shí)測來檢驗(yàn)上述結(jié)果的正確性。

[1]艾 杰,李玉平,歐陽天烽.關(guān)子隧道防排水設(shè)計(jì)[J].山西建筑,2008,34(32):334-335.