地下工程突涌水及圍巖滲流場(chǎng)研究分析

江曉洲，張 強(qiáng)，柴軍瑞，許增光

(西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048)

地下工程突涌水及圍巖滲流場(chǎng)研究分析

江曉洲，張 強(qiáng)，柴軍瑞，許增光

(西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048)

隧道是地下工程常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)型式，突涌水在隧道開(kāi)挖過(guò)程中是常常遇到的地質(zhì)災(zāi)害之一。針對(duì)在隧道施工中遇到的突涌水問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究了施工擾動(dòng)和不同水位對(duì)于隧道突涌水和圍巖滲流場(chǎng)的影響。

地下工程；隧道；突涌水；滲流場(chǎng)

0 前 言

近年來(lái)，我國(guó)在水利水電領(lǐng)域修建了大量的隧道工程[1]，隧道作為地下通道的工程建筑物，在調(diào)水輸水中具有獨(dú)特的巨大優(yōu)勢(shì)[2-3]，在地下工程的建設(shè)中，安全問(wèn)題一直是工程人員考慮的重要問(wèn)題之一[4-5]。我國(guó)工程建設(shè)重點(diǎn)正向西部轉(zhuǎn)移，由于西部復(fù)雜的地質(zhì)條件，地下工程施工中極易發(fā)生突涌水事故。一旦發(fā)生突涌水，不僅危及施工及技術(shù)人員的生命安全，而且延誤工期，增加工程投資[6-8]。

引漢濟(jì)渭調(diào)水工程是解決陜西省關(guān)中地區(qū)水資源短缺重點(diǎn)支撐工程，秦嶺隧道在該工程中起了非常關(guān)鍵的作用，其中，椒溪河隧道是秦嶺隧道的一部分，長(zhǎng)6 592 m，綜合坡比10.44%，下穿椒溪河而過(guò)。椒溪河隧道圍巖地質(zhì)條件很差，裂隙發(fā)育，巖體較破碎、節(jié)理裂隙貫通性強(qiáng)，地下水水量較豐富。在這種地質(zhì)條件下很容易發(fā)生突涌水。

在隧道的開(kāi)挖中，施工對(duì)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)作用將會(huì)影響圍巖的力學(xué)性質(zhì)。滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)將會(huì)發(fā)生變化，而且兩場(chǎng)相互影響加大了兩者的變化，我們把這種作用稱(chēng)為水巖耦合作用[9-10]。本文在考慮隧道中滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用的前提下，應(yīng)用有限元軟件FLAC3D，研究隧道開(kāi)挖前后在不同水位情況下，涌水量和圍巖滲流場(chǎng)的變化規(guī)律。

1 計(jì)算模型及說(shuō)明

把在椒溪河隧道開(kāi)挖中發(fā)生的第3次涌水作為典型案例進(jìn)行分析研究。椒溪河隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面為馬蹄形，如圖1所示。椒溪河隧道屬于細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物，可采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行建模計(jì)算[11]。建模時(shí)考慮隧道開(kāi)挖半徑的影響范圍，寬度取50 m，長(zhǎng)度取120 m，則數(shù)值解析區(qū)域的長(zhǎng)寬范圍為120 m×50 m。整個(gè)計(jì)算模型分上、中、下3層，上層對(duì)應(yīng)的是圍巖地層中的強(qiáng)風(fēng)化大理巖夾石英片巖地層，中層對(duì)應(yīng)的是微風(fēng)化大理巖夾石英片巖地層，下層對(duì)應(yīng)的是弱風(fēng)化大理巖夾石英片巖地層。

圖1 椒溪河隧道主洞斷面

2 椒溪河隧道滲流場(chǎng)及涌水量數(shù)值計(jì)算

在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，首先打開(kāi)力學(xué)計(jì)算模塊，關(guān)閉滲流計(jì)算模塊；然后，進(jìn)行交換計(jì)算，關(guān)閉力學(xué)計(jì)算模塊，打開(kāi)滲流計(jì)算模塊。要進(jìn)行隧道開(kāi)挖滲流場(chǎng)分布的研究，必須要知道隧道圍巖初始滲流場(chǎng)的分布規(guī)律。為了得到圍巖初始滲流場(chǎng)分布規(guī)律，采用的方法如下。

對(duì)于河道水位以下河道邊界上的所有節(jié)點(diǎn)，把河道的水深轉(zhuǎn)換成靜水壓力直接施加到對(duì)應(yīng)水深的節(jié)點(diǎn)上；由于河道水位是一定的，所以河道水位以下的河道邊界節(jié)點(diǎn)的靜水壓力也就是固定的，因此，可以通過(guò)固定河道水位以下河道邊界上的所有節(jié)點(diǎn)的靜水壓力，以此作為整個(gè)模型的透水邊界條件，而模型其他邊界則設(shè)為FLAC3D中的默認(rèn)邊界(不透水邊界，邊界節(jié)點(diǎn)孔壓可自由變化)。在對(duì)模型進(jìn)行重力場(chǎng)計(jì)算完成后，然后通過(guò)打開(kāi)滲流模塊，進(jìn)行滲流計(jì)算。待模型計(jì)算穩(wěn)定后，就可以得到圍巖初始滲流場(chǎng)。通過(guò)設(shè)兩種不同的河道水位高程，分別為580，585 m，來(lái)研究在不同河道水位高程的情況下，隧道圍巖開(kāi)挖前后滲流場(chǎng)分布規(guī)律及隧道涌水量的變化規(guī)律。

2.1 椒溪河隧道滲流場(chǎng)分析

隧道開(kāi)挖前，隧道圍巖孔隙水壓力的分布情況如圖2所示。

圖2 隧道開(kāi)挖前孔隙水壓力分布

通過(guò)圖2可以看出，從模型的上部到下部，孔隙水壓力成層狀分布，從上到下孔隙水壓力逐漸增大。

在模擬隧道開(kāi)挖后，設(shè)置隧道開(kāi)挖邊界為透水邊界，并在開(kāi)挖邊界上固定孔隙水壓力為零。在這樣的滲流邊界情況，對(duì)隧道開(kāi)挖后滲流場(chǎng)的分布進(jìn)行計(jì)算模擬。隧道開(kāi)挖后，隧道圍巖孔隙水壓力的分布情況如圖3所示。

圖3 隧道開(kāi)挖后孔壓分布

從圖3可以看出，隧道開(kāi)挖后，圍巖孔隙水壓力開(kāi)始下降，地下水向洞內(nèi)臨空面滲透。從圖3還可以看出，隧道開(kāi)挖邊界周?chē)目紫端畨毫γ黠@的小于其他圍巖的孔隙水壓力。通過(guò)圖2～3可知，在不同河道水位的作用下，隧道開(kāi)挖前后的孔隙水壓力的分布規(guī)律是相近的。但是，由于河道水位的不同，造成了模型節(jié)點(diǎn)在不同河道水位的作用下，相同節(jié)點(diǎn)的孔隙壓力值會(huì)有不同的變化。

2.2 隧道涌水量分析

對(duì)于隧道內(nèi)涌水量的計(jì)算，可以使用FLAC3D軟件中g(shù)p_flow變量來(lái)求得。通過(guò)計(jì)算可得，隧道在不同水位高度下隧道內(nèi)的涌水量大小。隧道涌水量大小計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 不同河道水位下隧道涌水量

通過(guò)表1可知，水位高程585 m的涌水量比水位高程580 m高2.422 m3/h，說(shuō)明隨著水位高度的增加，涌水量也增加了。

3 結(jié) 語(yǔ)

在隧道的施工中，不可避免的將產(chǎn)生對(duì)圍巖的擾動(dòng)作用，這種擾動(dòng)作用將會(huì)影響圍巖應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的分布，經(jīng)過(guò)水巖耦合作用，開(kāi)挖后隧道附近圍巖的滲流場(chǎng)分布與開(kāi)挖前將會(huì)有很大的不同，正如本文模擬的情況，開(kāi)挖前后圍巖孔隙水壓力發(fā)生了很大的變化。由于圍巖滲流場(chǎng)的改變，繼而會(huì)影響其他力學(xué)性質(zhì)的改變，圍巖中裂隙、巖體破碎、斷層等不良地質(zhì)將擴(kuò)大和劣化，隧道與椒溪河之間形成了過(guò)水通道，最后導(dǎo)致了突涌水的發(fā)生。另外，河道水的水位高低對(duì)隧道圍巖滲流場(chǎng)和涌水量也有較大的影響，河道水位越高，隧道孔隙水壓力越大，涌水量隨著水位的增高而增大。

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An Analysis of Gushing Water and Seepage Field of Surrounding Rockin Underground Engineering

JIANG Xiaozhou, ZHANG Qiang, CHAI Junrui, XU Zengguang

(Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shanxi710048,China)

Tunnel is a type of underground engineering, and gushing water in tunnel excavation is often encountered in the course of geological disaster. In tunnel construction of the numerical simulation analysis of the problem of gushing water, we have studied the construction disturbance and water level for different tunnel gushing water and rock mass seepage field of influence.

Underground engineering; Tunnel; Gushing water; Seepage field

2017-03-03

江曉洲(1989-)，男，河北邯鄲人，碩士研究生，研究方向：水工結(jié)構(gòu)工程，手機(jī)：18792479467，E-mail：1015369596@qq.com.

U451

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.043