大斷面黃土隧道地下水滲流分析

王耀東，陳福江

(1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610000;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

1 計算目的

通過理論計算，分析隨著時間的推移引起的地下水位變化情況，為進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 計算程序及計算內(nèi)容

2.1 計算程序

采用大型巖土工程有限元分析軟件PLAXIS系列的2D－FLOW滲流模塊進行分析。

2.2 計算內(nèi)容

用6節(jié)點的三角形單元對連續(xù)的土體進行離散化，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 計算模型建立及結(jié)果分析

3.1 地下水滲流分析

3.1.1 研究對象

隧道排水條件下，地下水位隨之降低，此處選取張茅隧道DK250+650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。

3.1.2 基本假定

(1)土層各向同性;(2)地下水滲流滲流符合達(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)場實測數(shù)據(jù)而來。

3.1.3 幾何模型及邊界

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

模型幾何尺寸:高×寬=137.65 m×300m。

根據(jù)隧道縱斷面圖可以得到土層分布及隧道布置。計算網(wǎng)格剖分見圖1。

3.1.4 土層粒徑級配和材料參數(shù)

圖1 網(wǎng)格剖分圖

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3.1.5 滲透系數(shù)

計算中滲透系數(shù)的確定，主要根據(jù)地勘報告和經(jīng)驗估算法，并認(rèn)為kx=ky。經(jīng)綜合考慮后，滲透系數(shù)k取為1×10－7m/s，即 0.00864 m/d。

3.1.6 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。降水的有效影響半徑確定應(yīng)＜150m，因此確定計算模型橫向幾何邊界尺寸為300m。

3.1.7 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1。

3.1.8 有限元計算方案

根據(jù)試算和類比工程的經(jīng)驗，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算方案，見表2。

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3.1.9 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2。

圖2 初始地下水位狀態(tài)及孔隙水壓力分布，最大孔隙水壓力為606.72 kPa

3.1.10 經(jīng)過有限元計算，降水1年，2年、5年計算結(jié)果見表3。

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4 結(jié)論

(1)通過計算，給出了地下水位在降水后1年、2年和5年地下水位曲線分布圖，從而為進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)由于降水，在降水前，地下水位線位于距離隧道頂部21 m處;降水1年后，地下水位線位于距離隧道頂部4.5 m處;降水2年后，地下水位線位于距離隧道底部4.5 m處;降水5年后，地下水位線位于距離隧道底部20.1 m處.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，使圍巖和隧道支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形.在施工和設(shè)計中，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)注意到上述計算結(jié)果中出現(xiàn)的、排水點附近區(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)該小于上述計算結(jié)果。建議通過現(xiàn)場實測，來檢驗上述結(jié)果的正確性。