深埋水工隧洞襯砌滲透壓力控制措施研究

彭亞敏， 沈振中， 甘 磊

(河海大學 水利水電學院， 江蘇 南京 210098)

我國西部大型水電站裝機容量大、水頭高，且位于高山峽谷地區(qū)，地下水位高，因此，水工洞室常深埋于地下水位以下，需要考慮洞室襯砌的外水壓力作用和防滲排水措施，即如何選擇合適的防滲排水處理方案，高效且經(jīng)濟地減小襯砌所受滲透壓力，提高水工洞室的整體穩(wěn)定性[1]。關(guān)于水工洞室防滲排水的研究已有許多成果。班宏泰等[2]研究了在高壓隧洞中水平段和下水平段布置排水洞和排水孔幕的滲流場分布特征，結(jié)果表明該方案有利于降低外水壓力。李巖松等[3]對固結(jié)灌漿前后的引水隧洞襯砌所受的壓力進行分析，認為通過不同灌漿施工方法可有效減小襯砌所受壓力。朱伯芳等[4]通過三維有限元計算，分析結(jié)果表明孔徑對排水效果影響很小，而孔距、孔深在一定范圍內(nèi)影響較大。簡文彬等[5]利用波速計算研究了固結(jié)灌漿在不同方向上的作用效果。根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》(SL 279—2016)，當需要降低地下水變化對環(huán)境影響和水土保持的要求時，水工洞室需進行固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿作為水工隧洞提高圍巖穩(wěn)定性的有效措施之一，有利于加固巖體、封閉洞室周圍巖體裂隙，大幅度減小地下水外滲，從而增強洞室整體的抗變形能力并減小地下水位變化[6]。當水工洞室位于地下水位以下，無地下水環(huán)境影響要求時，可以設(shè)置排水措施，降低外水壓力強度，如許多地下廠房采用防滲帷幕、排水孔幕以及廠房頂?shù)娜俗中闻潘椎却胧?。但是，當水工洞室位于地下水位以下，需要考慮地下水環(huán)境影響時，既要減小襯砌所受外水壓力，又要盡可能減小排水對地下水位的影響，這時需要考慮其他防滲排水措施[7]。

本文結(jié)合某水電站工程泄洪洞設(shè)計，考慮排水孔和固結(jié)灌漿組合方案，建立了泄洪洞圍巖三維有限元模型，精細模擬了泄洪洞襯砌和排水孔，圍巖材料分區(qū)及固結(jié)灌漿，計算分析地下泄洪洞滲流場分布和襯砌所受外水壓力，研究了洞室設(shè)置淺排水孔、圍巖進行深固結(jié)灌漿的作用效果，提出防滲排水處理建議。

1 某水電站泄洪洞布置

某水電站工程攔河壩為礫石土心墻堆石壩，泄水建筑物布置于左岸，其中洞式溢洪道軸線穿越大壩帷幕，最大壩高為293 m。壩區(qū)河道下切十分強烈，河谷狹窄、谷坡陡峻，為典型的高山峽谷。該區(qū)域出露地層以三疊系上統(tǒng)為主，屬淺變質(zhì)巖系，具有巖性較為單一、巖層延展變化大、分布較廣的特點。深孔泄洪洞、放空洞、豎井泄洪洞位于大壩現(xiàn)有防滲帷幕線以外。深孔泄洪洞全長1 640 m,最大垂直埋深350 m,洞段周圍巖體質(zhì)量為Ⅲ2～Ⅴ類，具有足夠的承載及抗變形能力，可滿足洞段應(yīng)力及變形要求。深孔泄洪洞典型斷面如圖1所示。

深孔泄洪洞頂拱部位布置排水孔，排水孔間距為3.0 m。排水孔直徑為50 mm，孔深入巖1 m，2個排水孔軸線夾角為20°，相鄰兩排奇偶數(shù)交錯布置。沿縱軸線深孔泄洪洞頂部奇偶孔布置見圖2。

圖1 深孔泄洪洞典型斷面(單位：cm)Fig.1 Typical section of deep hole spillway tunnel(unit: cm)

圖2 泄洪洞排水孔布置平面投影Fig.2 Plane projection of drainage holes in spillway tunnel

圖3 泄洪洞有限元模型分區(qū)示意Fig.3 Partitions of finite element model of drainage hole

2 泄洪洞圍巖有限元模型

為方便建立三維有限元模型，按照面積等效原則將圓形排水孔等效為44 mm×44 mm的正方形排水孔，不影響模型整體滲流計算且便于三維有限元建模。固結(jié)灌漿深度為8 m，根據(jù)固結(jié)灌漿孔布置及其灌漿效果，將圍巖灌漿區(qū)域分區(qū)并按實際效果調(diào)整材料滲透系數(shù)[8]。泄洪洞有限元模型分區(qū)如圖3所示。

圖4 泄洪洞襯砌及排水孔三維有限元網(wǎng)格Fig.4 3D FEM mesh of spillway tunnel lining and drainage holes

2.1 網(wǎng)格及邊界條件

選取泄洪洞地下水位最高的洞段，以泄洪洞中央為基準，建立泄洪洞及其圍巖三維有限元模型。該模型模擬范圍沿垂直泄洪洞軸線方向(X方向)長190 m，順河流方向(Y方向)寬15.176 m，即泄洪洞0+685.00 m～ 0+700.176 m，高程方向(Z方向)約196 m。計算的邊界模型如下：①模型底部邊界取至固結(jié)灌漿最深區(qū)域往外延伸80 m，約為4倍隧洞高度，高程2 642 m。②模型頂部邊界取至固結(jié)灌漿最深區(qū)域往外延伸80 m,約為4倍隧洞高度，高程為2 838 m。③模型左右邊界沿著固結(jié)灌漿最深區(qū)域往外延伸80 m，約為4倍隧洞高度。根據(jù)泄洪洞、排水孔等的實際尺寸和布置，選取控制斷面10個。泄洪洞、排水孔等均按實際尺寸離散，采取控制斷面超單元自動剖分技術(shù)，形成超單元結(jié)點2 680個，超單元1 991個[9]。加密細分后生成有限元網(wǎng)格格點總數(shù)37 380個，單元總數(shù)為33 768個。泄洪洞有限元模型襯砌及排水孔三維有限元網(wǎng)格如圖4所示。有限元模型的計算邊界條件如下：左、右側(cè)截取邊界為已知水頭邊界，沿洞軸線方向模型長度不大，僅15.176 m，忽略其滲流運動，即上游以及下游側(cè)截取邊界近似為不透水邊界，模型底邊界近似為不透水邊界。邊界水頭由樞紐區(qū)滲流場計算分析確定，取最高地下水位2 784.00 m[10]。

2.2 計算參數(shù)

由于頂拱排水孔呈輻射向布置，越往圍巖深部灌漿孔間距越大，固結(jié)效果也越差，因此考慮到固結(jié)灌漿的實際效果，將固結(jié)灌漿區(qū)劃分為4個區(qū)(如圖3)，并取不同的滲透系數(shù)[11]。泄洪洞圍巖各分區(qū)滲透系數(shù)為：混凝土1×10-7cm/s，抗沖磨混凝土1×10-7cm/s， 固結(jié)灌漿1區(qū)1×10-6cm/s，固結(jié)灌漿2區(qū)2×10-6cm/s，固結(jié)灌漿3區(qū)3×10-6cm/s，固結(jié)灌漿4區(qū)1×10-6cm/s，圍巖2.7×10-5cm/s。

3 防滲排水作用分析

3.1 防滲排水方案

根據(jù)泄洪洞防滲排水措施的可能情況，擬定4種防滲排水處理方案(見表1)。模型采用鄧肯-張(E-B)模型，進行三維非線性有限元計算，分析水工隧洞在不同防滲排水處理方案下浸潤面以及襯砌所受滲水壓力的變化。

表1 泄洪洞防滲排水處理方案Tab.1 Anti-seepage treatment scheme for spillway tunnel

3.2 地下水位變化分析

選取經(jīng)過偶數(shù)孔中心的橫剖面分析泄洪洞圍巖滲流場，方案3的滲流場位勢分布如圖5所示。當泄洪洞圍巖進行深固結(jié)灌漿后，泄洪洞圍巖灌漿區(qū)地下水等勢線密集，其水力梯度遠大于外側(cè)圍巖和內(nèi)側(cè)排水孔區(qū)，深部圍巖的固結(jié)灌漿可減少圍巖地下水內(nèi)滲[12]。

不同防滲排水處理方案下圍巖地下水位線見圖6。由圖6可知，當泄洪洞圍巖進行深部固結(jié)灌漿后，深部圍巖的固結(jié)灌漿可有效減少圍巖地下水內(nèi)滲，地下水位線變化不明顯，泄洪洞拱頂上方地下水位距左右邊界水位下降2.35 m。當頂拱設(shè)置排水孔之后，泄洪洞上方地下水位距左右邊界水頭下降27.17 m。因此對于深埋水工隧洞，設(shè)置排水措施會引起圍巖地下水位不可恢復的下降，破壞地下水環(huán)境，對生態(tài)環(huán)境造成一定的影響[13]。圍巖采取深固結(jié)灌漿且設(shè)置排水孔時，泄洪洞洞室上方的地下水頭下降了6.48 m。當深部圍巖灌漿深度改為5 m，泄洪洞上方距左右邊界水頭下降4.92 m。固結(jié)灌漿深度減小，地下水位變化變小，對地下水環(huán)境影響也更小?？芍斝杩紤]地下水環(huán)境影響時，可采取固結(jié)灌漿防滲排水措施，可有效減小地下水位的降低，保護生態(tài)環(huán)境[14]。

圖5 方案3泄洪洞圍巖滲流場位勢分布(單位:m)Fig.5 Seepage equipotential line distribution of surrounding rock in scheme 3 (unit:m)

圖6 泄洪洞偶數(shù)孔中心橫剖面地下水位線變化Fig.6 Changes of groundwater level at center section of even numbered holes

3.3 襯砌上所受外水壓力分析

對于深埋地下的泄洪洞，混凝土襯砌材料本身具有一定的滲透性，襯砌有利于減小糙率和保護圍巖[15]。泄洪洞橫剖面頂拱襯砌上的滲壓水頭分布見圖7，x坐標值為襯砌沿拱圈展開坐標，x=0表示隧洞拱頂，縱坐標表示該位置上襯砌所受滲水壓力值。當排水孔失效時，襯砌上滲水壓力值沿著x方向呈先減小后增大的趨勢。排水孔正常作用時排水孔處滲水壓力值為0，相鄰排水孔之間滲水壓力值呈拋物線趨勢。方案1滲壓水頭最大值為23.35 m，位于模型左、右邊界兩側(cè)。圍巖進行深固結(jié)灌漿可減小對地下水環(huán)境的影響，但可對襯砌造成額外的附加力。方案2滲壓水頭在左、右兩側(cè)相鄰排水孔之間達到最大值，最大值為3.43 m，降低了85.31%。當襯砌設(shè)置排水孔可有效發(fā)揮排水降壓的功效，大幅減小作用于襯砌上的滲透壓力。方案3滲壓水頭也在左、右兩側(cè)相鄰排水孔之間達到最大值，最大值為9.83 m，降低了57.9%。采用排水孔和固結(jié)灌漿聯(lián)合防滲加固措施可減小其洞室襯砌所受滲透壓力，同時提高巖體整體抗變形能力。方案4滲壓水頭最大值為13.74 m，相較于方案3增加了39.78%。固結(jié)灌漿深度減小會造成襯砌滲壓水頭的增加。

取隧洞橫剖面為研究面，沿襯砌拱頂向圍巖深度方向的滲壓水頭分布見8，x坐標值表示襯砌沿圍巖深度方向深度大小，縱坐標表示該點所受滲水壓力值。方案1襯砌厚度方向的最大滲壓水頭為17.35 m；方案2為1.68 m，降低了90.32%；方案3的最大滲壓水頭為3.91 m，降低了78.33%。方案4的最大滲壓水頭為6.73 m，比方案3增加了72.12%。分析表明,隧洞圍巖設(shè)置排水孔可以有效減小襯砌所受的滲透壓力。

圖7 偶數(shù)孔中心橫剖面頂拱襯砌上的滲壓水頭分布(沿拱圈展開)Fig.7 Seepage pressure distribution of top arch tunnel lining at section of even numbered holes

圖8 襯砌洞軸線剖面沿圍巖深度方向的滲壓水頭分布Fig.8 Seepage pressure distribution of lining structure along depth of surrounding rock

4 結(jié) 語

本文針對深埋水工隧洞保護地下水環(huán)境要求和減小襯砌承受的滲透壓力的情況，結(jié)合實際工程，建立了泄洪洞三維有限元模型，詳細模擬了襯砌、排水孔和固結(jié)灌漿區(qū)，分析研究了不同處理方案下泄洪洞圍巖地下水滲流場的變化和襯砌上所受滲透壓力的分布規(guī)律，提出了相應(yīng)的防滲排水處理方案。

(1)當需要考慮地下水環(huán)境影響時，可對圍巖進行深部固結(jié)灌漿，范圍為5～8 m。分析表明固結(jié)灌漿可將深埋水工隧洞對周圍環(huán)境地下水位的影響降至最低，封閉泄洪洞圍巖裂隙，減少圍巖地下水內(nèi)滲，改善隧洞襯砌的受力狀態(tài)。

(2)當不需考慮地下水環(huán)境影響，水工隧洞低于地下水位線且需要降低襯砌外水壓力時，可在襯砌頂拱位置設(shè)置淺排水孔，排水孔深度為1～2 m。淺排水可以大幅度降低襯砌所受的外水壓力，提高其滲透穩(wěn)定性。

(3)當?shù)叵滤h(huán)境影響和襯砌外水壓力兩者均需要考慮時，可采用深部固結(jié)灌漿聯(lián)合淺排水的防滲排水措施，可減小襯砌所受的外水壓力，并降低對地下水環(huán)境的影響。

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