隧道排水孔堵塞的模擬方法研究

向立輝

摘 要：在隧道運營中，由于多種因素的綜合作用，隧道排水孔堵塞問題常常難以避免，致使隧址區(qū)地下水位上升，嚴(yán)重威脅隧道結(jié)構(gòu)的安全性。因此有必要研究排水孔堵塞對隧道安全性的影響，其首要問題就是選擇排水孔堵塞的模擬方法，本文分別介紹了兩種排水孔堵塞的模擬方法，并分別評價了兩種方法的適用條件。

關(guān)鍵詞：排水孔堵塞；模擬方法；適用性分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.125

1 引言

正如人體的血液循環(huán)系統(tǒng)，堵塞后將嚴(yán)重影響人體健康，隧道排水系統(tǒng)堵塞亦如此，排水孔堵塞對隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響不容忽視，一方面，排水孔堵塞后將增大隧道襯砌背后水壓，另一方面，隧址區(qū)內(nèi)富存地下水會腐蝕隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)，尤其是錨桿、鋼筋網(wǎng)等結(jié)構(gòu)，因此，研究排水孔堵塞具有重要的理論意義和工程實踐意義。針對排水孔的模擬方法，已有學(xué)者開展過一系列探討，提出了多種排水孔模擬方法，例如，排水子結(jié)構(gòu)法、空氣單元法、匯線單元法、疊單元法、以管代孔法、以縫代井列法等[1-2]。但針對排水孔堵塞的模擬方法，卻鮮有學(xué)者進(jìn)行過深入探討，在上述排水孔模擬方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合滲流的基本理論，本文介紹了兩種排水孔堵塞的模擬方法，分別是排水孔滲透系數(shù)折減法和“以板帶孔”法，下文將分別對其進(jìn)行闡述。

2 堵塞模擬方法

2.1 滲透系數(shù)折減法

排水孔堵塞的過程，物理上可描述為排水孔孔徑逐漸減小的過程，因此可依據(jù)此原理進(jìn)行數(shù)值建模，但排水孔尺寸相對于隧道結(jié)構(gòu)幾乎可忽略，對排水孔單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分時已存在精度問題，數(shù)值計算中再將排水孔單元進(jìn)行切分顯然不太合理，因此有必要尋求一種等效的方法來模擬排水孔堵塞。滲透系數(shù)折減法依據(jù)滲流折射定律，分別賦予巖體和排水孔不同的滲透系數(shù)，以表述排水孔的排水降壓效果，圖1是滲流折射的示意圖。

如上圖所示，滲流穿越介質(zhì)時會像光線一樣服從折射定律，其表達(dá)式為：

從公式（1）可以看出，折射角θ2隨k2增大而增大，k2>>k1時，θ2接近90°，表明強滲透介質(zhì)可以改變滲流的方向從而達(dá)到導(dǎo)水的目的。實際上，排水孔內(nèi)滲透系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖體的滲透系數(shù)，因此可用k1，k2分別表示巖體和排水孔的滲透系數(shù)，使用滲透系數(shù)折減法的首要問題是確定排水孔的等效滲透系數(shù)，計算格式如下：分別賦予排水孔單元不同的滲透系數(shù)并觀察地下水位變化，并將計算結(jié)果與“棄單元法”結(jié)果對比可得到排水孔等效滲透系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對排水孔滲透系數(shù)進(jìn)行折減，可反映排水孔的不同堵塞工況，即排水孔單元滲透系數(shù)越小，表示排水孔堵塞程度越大，當(dāng)排水孔的滲透系數(shù)與巖體一致時，表明排水孔失去排水效果，成為與巖體一樣的弱透水介質(zhì)，不再具有導(dǎo)水作用。

2.2 “以板代孔”法

實際隧道工程中，地下水位沿隧道軸向是一條波浪線，波峰位于隧道相鄰環(huán)向排水孔之間，波谷位于環(huán)向排水孔上方，滲透系數(shù)折減法可得出這樣的計算結(jié)構(gòu)，但在實際工程中，關(guān)注隧道排水孔局部滲流場變化規(guī)律并無實際意義，更重要的是確定隧址區(qū)整體滲流場分布狀態(tài)，“以板代孔”法在滲透系數(shù)折減法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，依據(jù)宏觀水位等效的方法，能夠從整體的角度解釋隧址區(qū)滲流場的變化規(guī)律。

與滲透系數(shù)折減法一樣，“以板代孔”法需要先依據(jù)水位等效原則確定等效滲透系數(shù)，不同的是，“以板代孔”法將隧道整個排水系統(tǒng)等效為一個排水板單元，確定排水板單元等效滲透系數(shù)后將排水板單元進(jìn)行切分，對不同的切分塊賦予不同的材料參數(shù)來模擬不同堵塞條件，如圖2所示，將排水板單元切分為5等分，將其中一分賦予巖體參數(shù)，其它參數(shù)不變，即可模擬排水孔堵塞20%的工況，以此類推可模擬其它堵塞工況。

3 結(jié)論

本文介紹了兩種隧道排水孔堵塞的模擬方法，二者有各自的特點，滲透系數(shù)折減法能反映排水孔局部的滲流特征，但只能定性模擬排水孔堵塞的過程，不能精確模擬排水孔堵塞程度的大小；“以板代孔”法與此相反，能夠精確模擬排水孔堵塞的程度，從宏觀上可反映隧址區(qū)整體滲流場的變化規(guī)律，但不能反映排水孔局部滲流特征。

這兩種方法不止適用于隧道工程，也適用于邊坡工程等其它巖土工程，可根據(jù)具體工程實際選擇合適的方法進(jìn)行排水孔堵塞的模擬。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪衛(wèi)明，劉友良，丁建新等.滲流分析中排水孔模擬的疊單元法[J].巖土力學(xué)，2011（S1）：674-679.

[2]王建，姜海霞.排水孔模擬的匯線單元法[J].巖土工程學(xué)報，2008（05）：677-684.