隧洞開(kāi)挖后滲流量影響因素分析

耿 萍，于本昌，何 悅，晏啟祥

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，各種隧洞的開(kāi)挖規(guī)模和開(kāi)挖難度日益加大，出現(xiàn)了許多穿越高富水、巖性破碎、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等地帶的隧洞。在此類(lèi)隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖中裂隙水原有的補(bǔ)給和循環(huán)平衡遭到破壞，此時(shí)隧洞便成了裂隙水滲流的新通道。如果滲流量較大，滲流就會(huì)轉(zhuǎn)化為涌水，會(huì)嚴(yán)重影響隧洞的開(kāi)挖和支護(hù)，因此，探討隧洞開(kāi)挖后滲流量的影響因素，對(duì)預(yù)防和處理類(lèi)似工程問(wèn)題具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)［1-2］論述了裂隙巖體滲流應(yīng)力耦合的基本原理;文獻(xiàn)［3-4］分析了滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的相互影響程度;文獻(xiàn)［5-7］對(duì)裂隙巖體滲流模型進(jìn)行了探討。然而，上述文獻(xiàn)研究的多為滲流本身，并沒(méi)有分析具體的工程實(shí)例。

本文以木里水電工程輸水隧洞為工程背景，用離散單元模擬圍巖及節(jié)理，采用UDEC軟件進(jìn)行數(shù)值分析，討論了節(jié)理傾角、節(jié)理間距和洞室埋深對(duì)滲流的影響，從而為類(lèi)似工程的選址、施工和支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 UDEC離散單元法

數(shù)值模擬當(dāng)中常用的計(jì)算方法有有限元法、邊界元法、有限差分法和離散單元法，其中離散單元法是基于非連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值計(jì)算方法。在離散單元法中，將所研究的巖體假定為離散塊體的集合體，把節(jié)理和結(jié)構(gòu)面假定為這些離散塊體之間的接觸面。塊體之間的相互作用力根據(jù)力和位移的關(guān)系求出，而單個(gè)塊體的運(yùn)動(dòng)則根據(jù)塊體所受的不平衡力和不平衡力矩的大小，按牛頓運(yùn)動(dòng)定律確定。

1.1 物理方程—力和位移的關(guān)系

離散單元之間的作用力如圖1所示。

假定塊體之間的法向力Fn正比于他們之間的法向“疊合”un，即

圖1 離散單元之間的作用力

式中，kn為法向剛度系數(shù)。

這里所謂的“疊合”是計(jì)算時(shí)假定的一個(gè)量，將它乘上法向剛度系數(shù)作為法向力的一個(gè)度量。由于塊體所受的剪切力與塊體運(yùn)動(dòng)和加載的歷史或途徑有關(guān)，所以對(duì)于剪切力要用增量來(lái)表示。設(shè)兩塊體之間的相對(duì)位移為Δu，則

式中，ks為節(jié)理的剪切剛度系數(shù)。

1.2 運(yùn)動(dòng)方程

根據(jù)上述原理，可以確定作用在某一特定巖塊上的一組力，由這組力計(jì)算出其合力和合力矩，并根據(jù)牛頓第二定律確定塊體質(zhì)心的加速度，進(jìn)而可以確定在時(shí)步Δt內(nèi)的速度、加速度、位移和轉(zhuǎn)動(dòng)量。例如，x方向的加速度 u″x、速度 u'x、位移 ux由下式計(jì)算

式中，F(xiàn)x為x方向的合力，m為巖塊的質(zhì)量，t0為起始時(shí)間，Δt為時(shí)步，t1=t0+Δt。塊體沿y方向的運(yùn)動(dòng)及其轉(zhuǎn)動(dòng)滿(mǎn)足類(lèi)似的計(jì)算公式。

綜上所述，在每一個(gè)時(shí)步中計(jì)算出塊體的新位置，而后得到接觸力。利用合力、合力矩求解塊體加速度，再對(duì)時(shí)間積分求得塊體速度與位移，重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程直至系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)或者發(fā)生失效。

2 模型建立及參數(shù)選取

本文工程背景為木里水電工程輸水隧洞，該隧洞全長(zhǎng)24.7 km，圓形斷面，半徑3.7 m。洞體深埋于山體基巖之內(nèi)，隧洞圍巖共有四類(lèi)，以Ⅲ、Ⅳ類(lèi)圍巖為主。Ⅲ類(lèi)圍巖占洞線(xiàn)總長(zhǎng)的45.1%，Ⅳ類(lèi)圍巖占洞線(xiàn)總長(zhǎng)的36.0%。其次為Ⅴ類(lèi)圍巖，占洞線(xiàn)總長(zhǎng)的17.2%。該隧洞穿越的地域范圍廣，圍巖破碎，地形條件復(fù)雜。由于在開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)了大量滲水現(xiàn)象，且考慮到節(jié)理的存在導(dǎo)致圍巖不連續(xù)?，F(xiàn)采用UDEC離散元數(shù)值差分軟件對(duì)影響滲流量的幾個(gè)因素進(jìn)行分析，以期在后續(xù)開(kāi)挖隧洞過(guò)程中，根據(jù)不同的地質(zhì)條件采取相應(yīng)措施，提前做好防范。

2.1 模型建立

模擬隧洞滲流量的影響因素時(shí)涉及到多個(gè)模型，但各模型差異不大，現(xiàn)以其中之一為例進(jìn)行介紹。模型取為20 m×20 m，埋深100 m，水位距隧洞中心80 m，單組平行節(jié)理，節(jié)理傾角45°，節(jié)理間距1.5 m。模型上部邊界由應(yīng)力邊界條件代替，四周采用邊界單元，并施加靜水壓力。根據(jù)工程實(shí)際，Ⅳ類(lèi)圍巖隧洞開(kāi)挖后布置砂漿錨桿。模型如圖2所示。

圖2 45°傾角平行節(jié)理模型

2.2 參數(shù)選取

由于隧洞圍巖級(jí)別較為復(fù)雜，現(xiàn)以比例較大且圍巖條件較差的Ⅳ類(lèi)圍巖為例選取參數(shù)。巖體及節(jié)理有關(guān)參數(shù)如表1所示［7］。

表1 巖體及節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)

3 隧洞滲流量影響因素分析

隧洞開(kāi)挖時(shí)，影響洞周滲流的因素較為復(fù)雜，本文主要討論節(jié)理傾角、節(jié)理間距和洞室埋深對(duì)隧洞開(kāi)挖后滲流量的影響。分析時(shí)采用單一變量的原則，即只改變某一個(gè)因素，而保持其他因素不變，逐個(gè)對(duì)其進(jìn)行分析。在模擬隧洞滲流時(shí)，重點(diǎn)關(guān)心水在節(jié)理巖體中的實(shí)時(shí)流速和總滲流量，因此需要采用UDEC軟件中解決滲流問(wèn)題的瞬態(tài)分析模式。

3.1 節(jié)理傾角對(duì)隧洞滲流的影響

UDEC軟件中只考慮節(jié)理滲水，塊體不滲水，則從節(jié)理與隧洞相交的幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的流量時(shí)程圖，便可得到各點(diǎn)的滲流流量，對(duì)其求和，便可得到洞周總滲流量。取節(jié)理傾角為 0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°共 7種情況，其他條件不變，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)滲流量、洞周總滲流量隨節(jié)理傾角的變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 滲流量隨節(jié)理傾角變化趨勢(shì)

從圖3可以看出，節(jié)理傾角對(duì)隧洞滲流有較大的影響。當(dāng)節(jié)理傾角在0°到30°之間變化時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的滲流量和洞周總滲流量受其影響不是很明顯。當(dāng)節(jié)理傾角由30°增加到90°時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的滲流量和洞周總滲流量隨節(jié)理傾角的增加而增加，受其影響顯著。

不同節(jié)理傾角時(shí)流量最大值點(diǎn)的孔隙水壓力在開(kāi)挖前后變化情況見(jiàn)表2。

表2 不同節(jié)理傾角時(shí)流量最大值點(diǎn)孔隙水壓力105Pa

由表2可以看出，開(kāi)挖前不同傾角下監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力值差別不大，開(kāi)挖后壓力值最終趨于開(kāi)挖前初始值。而由于隧洞開(kāi)挖后圍巖變形不同，不同節(jié)理傾角下孔隙水壓力峰值隨節(jié)理傾角增加而遞增，導(dǎo)致孔隙水壓力峰值與開(kāi)挖前孔隙水壓力差值也同樣遞增。這說(shuō)明在節(jié)理間距不變的前提下，開(kāi)挖前后孔隙水壓力差值是決定流量大小的重要因素，差值越大，流量越大。

3.2 節(jié)理間距對(duì)隧洞滲流的影響

保持節(jié)理傾角和洞室埋深不變，而改變節(jié)理間距，分析隧洞洞周滲流受節(jié)理間距的影響。節(jié)理間距取為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m 共 6 種情況。當(dāng)間距過(guò)小時(shí)，節(jié)理與洞周的交點(diǎn)數(shù)量較多，不便將所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的流量值列出，所以此處只列出隧洞洞周總滲流量，其變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

圖4 洞周總滲流量隨節(jié)理間距變化趨勢(shì)

從圖4可以看出，節(jié)理間距對(duì)隧洞洞周總滲流量也有一定影響。當(dāng)節(jié)理間距＜1.5 m時(shí)，隧洞洞周的總滲流量隨節(jié)理間距的增加呈近似線(xiàn)性增加。當(dāng)節(jié)理間距超過(guò)1.5 m時(shí)，隧洞洞周的總滲流量受其影響較小，基本保持不變。

不同節(jié)理間距時(shí)流量最大值點(diǎn)的孔隙水壓力變化情況見(jiàn)表3。

表3 不同節(jié)理間距時(shí)流量最大值點(diǎn)孔隙水壓力105Pa

由表3可以看出，當(dāng)節(jié)理間距＜1.5 m時(shí)，孔隙水壓力峰值與平衡值的差值隨節(jié)理間距的增加而增加。當(dāng)節(jié)理間距＞1.5 m時(shí)，孔隙水壓力峰值與平衡值的差值基本保持不變，這種變化規(guī)律與洞周總滲流量的變化趨勢(shì)較為吻合。

3.3 洞室埋深對(duì)隧洞滲流的影響

保持節(jié)理傾角和節(jié)理間距不變，而改變洞室埋深，分析隧洞洞周滲流受洞室埋深的影響。埋深取為100，150，200，250，300 m 共 5 種情況。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)滲流量及洞周總滲流量隨洞室埋深的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5?？梢钥闯?，洞室埋深對(duì)隧洞滲流有較大影響。當(dāng)洞室埋深較小時(shí)，隨著埋深不斷增加，隧洞開(kāi)挖后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的滲流量及洞周總滲流量均近似線(xiàn)性增加。當(dāng)隧洞埋深達(dá)到一定值后，隨埋深的增大，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的滲流量以及洞周總流量增大的趨勢(shì)變緩。

圖5 滲流量隨洞室埋深變化趨勢(shì)

不同洞室埋深時(shí)流量最大值點(diǎn)的孔隙水壓力變化情況見(jiàn)表4。

表4 不同洞室埋深時(shí)流量最大值點(diǎn)孔隙水壓力105Pa

由表4可以看出，隨著洞室埋深的不斷增加，孔隙水壓力峰值與平衡值的差值不斷增加，這是造成洞周滲流隨埋深不斷增加的主要原因。當(dāng)埋深增加到一定程度時(shí)，孔隙水壓力會(huì)因圍巖的變形而消耗掉一部分，所以洞周滲流趨于緩和。但總體上說(shuō)，埋深遞增引起孔隙水壓力峰值與平衡值差值遞增，從而使洞周滲流量也逐漸遞增。

4 結(jié)論

1)在單組平行節(jié)理?xiàng)l件下，節(jié)理傾角、節(jié)理間距和洞室埋深對(duì)隧洞開(kāi)挖后的滲流量都有較大影響。

2)當(dāng)節(jié)理傾角較小時(shí)，隧洞洞周滲流受節(jié)理傾角的影響不是很明顯。當(dāng)節(jié)理傾角超過(guò)30°時(shí)，洞周滲流量隨節(jié)理傾角的增加而增加。

3)當(dāng)節(jié)理間距較小時(shí)，隧洞洞周滲流量隨節(jié)理間距的增加呈近似線(xiàn)性增加。當(dāng)節(jié)理間距超過(guò)1.5 m時(shí)，洞周滲流量受其影響較小，基本保持不變。

4)隨著洞室埋深的不斷增加，隧洞洞周滲流量也增加。當(dāng)隧洞埋深達(dá)到一定值后，洞周滲流量增大的趨勢(shì)變緩。

5)在不同工況條件下，開(kāi)挖前后孔隙水壓力差值是決定流量大小的重要因素。無(wú)論是節(jié)理傾角、節(jié)理間距還是洞室埋深，都是通過(guò)改變開(kāi)挖前后孔隙水壓力差值直接影響隧洞滲流的。

［1］孫玉杰.裂隙巖體滲流應(yīng)力耦合機(jī)制研究及突水?dāng)?shù)值模擬［D］.武漢:長(zhǎng)江科學(xué)院，2009.

［2］葉源新，劉光廷.巖石滲流應(yīng)力耦合特性研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(14):2518-2525.

［3］王曉明.裂隙化巖體滲流特征及涌水量數(shù)值模擬［D］.長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2010.

［4］殷黎明，楊春和，王貴賓，等.地應(yīng)力對(duì)裂隙巖體滲流特性影響的研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(17):3071-3075.

［5］宋曉晨.裂隙巖體滲流非連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模型研究及工程應(yīng)用［D］.南京:河海大學(xué)，2004.

［6］張文杰，周創(chuàng)兵，李俊平，等.裂隙巖體滲流特性物模試驗(yàn)研究進(jìn)展［J］.巖石力學(xué)，2005，26(9):1517-1524.

［7］祝云華，劉新榮，梁寧慧，等.裂隙巖體滲流模型研究現(xiàn)狀與展望［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，16(2):178-183.