基于流固耦合理論的深埋隧洞襯砌防滲措施分析

(本溪市水利工程建設(shè)管理中心，遼寧 本溪 117000)

1 引 言

水利水電引水工程隧洞一般開挖距離較長，圍巖地質(zhì)變化情況十分復(fù)雜，高地應(yīng)力、溶洞、滲水、地溫以及有害氣體等均會(huì)對(duì)隧洞的變形穩(wěn)定產(chǎn)生影響，必須對(duì)這些災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估和有效防治[1]。通常，水工隧洞在開挖襯砌過程中會(huì)遇到高地應(yīng)力和地下滲水共同作用的情況，地下洞室的滲流-應(yīng)力耦合作用不容忽視，特別是在襯砌過程中，會(huì)改變圍巖內(nèi)外的滲透水壓，使得圍巖情況更加復(fù)雜，因此，如何采取有效措施對(duì)外水壓力進(jìn)行減載已成為專業(yè)技術(shù)人員研究的課題[2-3]。

滲流-應(yīng)力作用的實(shí)質(zhì)就是流固耦合作用，在高地應(yīng)力滲水條件下進(jìn)行隧洞襯砌施工，必須采取有效的堵水排水措施[4-8],以確保洞室的長期安全與穩(wěn)定。田建林等[9]采用平面滲流有限元方法，結(jié)合固結(jié)灌漿和鉆孔安裝毛細(xì)透排水管設(shè)計(jì)方案，對(duì)水工隧洞的排水效果進(jìn)行了對(duì)比分析；趙大洲等[10]針對(duì)引漢濟(jì)渭工程黃三段深埋長輸水隧洞工程，進(jìn)行了中等富水區(qū)、弱富水區(qū)和貧水區(qū)三種地質(zhì)情況下的穩(wěn)定性分析；殷國權(quán)[11]則以錦屏二級(jí)水電站為背景，介紹了超高滲透壓力條件下堵水灌漿技術(shù)。

上述研究為復(fù)雜地質(zhì)條件下水工隧洞的設(shè)計(jì)施工提供了一定的借鑒，但由于多數(shù)水工隧洞在開挖過后仍須進(jìn)行二襯，因此二襯時(shí)的堵水排水技術(shù)對(duì)水工隧洞后期襯砌而言就顯得格外重要。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，開展了襯砌過程中堵水排水措施對(duì)外水荷載減載規(guī)律的影響研究，以期為水工隧洞的襯砌施工提供理論指導(dǎo)。

2 理論基礎(chǔ)及分析模型

2.1 流固耦合理論

傳統(tǒng)的Biot固結(jié)理論認(rèn)為：在滲流-應(yīng)力耦合情況下，巖體的孔隙率和滲透系數(shù)是恒定不變的，即僅為滲透體積應(yīng)力對(duì)整個(gè)巖體應(yīng)力場(chǎng)的作用過程，見式(1)：

(1)

式中，τ表示面力，N/m2；f表示體力，N/m3；δε表示虛應(yīng)變,%；δμ表示虛位移,mm；σ′表示有效應(yīng)力張量，MPa；μw表示孔隙水壓力，MPa；sw表示飽和度，%。

在實(shí)際工程中，巖體滲透系數(shù)受施工工序、環(huán)境的影響變化較為顯著，應(yīng)力場(chǎng)對(duì)滲流場(chǎng)的影響則體現(xiàn)于巖體滲透性的不斷變化過程之中，因此引入滲透系數(shù)動(dòng)態(tài)演化方程，得到式(2)：

(2)

式中，Dep表示彈塑性矩陣，無量綱；η為計(jì)算參數(shù)，無量綱。式(2)將圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)作為整體進(jìn)行分析，考慮了外水荷載在襯砌前后的變化。

2.2 ABAQUS有限元分析模型

圖1 ABAQUS分析模型示意

3 模擬結(jié)果分析

3.1 堵水措施影響分析

水工隧洞的堵水措施包括兩種：一種設(shè)置于襯砌背后，主要應(yīng)用于淺埋隧洞且外水壓力較小的情況；另外一種則是固結(jié)灌漿，主要針對(duì)深埋且外水壓力較大的隧洞，這一類措施主要目的在于降低圍巖的滲透系數(shù)，以形成較為致密的封堵圈。將圍巖滲透系數(shù)設(shè)置為1×10-5m/s，襯砌滲透系數(shù)設(shè)置為6×10-7m/s，灌漿圈滲透系數(shù)設(shè)置為9種情況，見表1。

以方案2、5、9為例，對(duì)圍巖-襯砌滲流場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析，見圖2。從圖2可以看出：當(dāng)灌漿圈滲透系數(shù)與圍巖滲透系數(shù)相差不大時(shí)，滲流場(chǎng)在開挖區(qū)域周圍有較大的擾動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，隨著灌漿圈滲透系數(shù)的逐漸降低，滲流場(chǎng)變化劇烈區(qū)域逐漸收縮，向襯砌圈和灌漿圈附近靠近；當(dāng)灌漿圈滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于圍巖滲透系數(shù)后，圍巖區(qū)域內(nèi)的滲流場(chǎng)已趨近于圍巖未開挖前的初始滲流場(chǎng)，此時(shí)變化最為劇烈的部位集中于灌漿圈和襯砌圈，滲透體積力逐漸表現(xiàn)出靜水壓力特征。灌漿堵水可以減小水工隧洞開挖襯砌施工過程中對(duì)地下水的擾動(dòng)，且灌漿圈的滲透系數(shù)應(yīng)盡量小于圍巖的滲透系數(shù)，一般認(rèn)為兩者比值應(yīng)該控制在1/40以下。

圖2 滲流場(chǎng)變化特征

灌漿后孔壓、應(yīng)力的折減情況見圖3。從圖3可以看出：采取灌漿措施后，對(duì)襯砌孔壓的折減作用要強(qiáng)于對(duì)應(yīng)力的折減作用，故而只減小襯砌外水壓力是不充分的，還需要考慮滲流體積力(即圍巖傳遞給襯砌圈的外荷載)對(duì)襯砌應(yīng)力的影響，因此對(duì)灌漿圈內(nèi)壁的應(yīng)力進(jìn)行分析(即圍巖對(duì)襯砌圈的擠壓力)，見圖4。從圖4可以觀察到:應(yīng)力增大比隨灌漿圈的滲透系數(shù)與襯砌圈滲透系數(shù)比值的增大呈冪函數(shù)型降低，當(dāng)滲透系數(shù)比小于1時(shí)，對(duì)襯砌圈起到增大壓力作用；當(dāng)滲透系數(shù)比值大于1后，對(duì)襯砌圈起到減小擠壓力的作用，表明滲透體積應(yīng)力會(huì)抵消一部分灌漿堵水的減載效果，故而在實(shí)際施工過程中為了同時(shí)達(dá)到減水壓和降壓力的良好效果，須在襯砌圈與圍巖之間增設(shè)緩沖層(如柔性排水墊層、土工膜等)，以釋放或者緩解堵水對(duì)襯砌圈的額外應(yīng)力。

圖4 灌漿圈內(nèi)邊緣應(yīng)力增大比情況

3.2 排水措施影響分析

排水措施主要以導(dǎo)管排水為主，在隧洞運(yùn)行期間處于正常水位以上。排水管的排水效果受灌漿圈滲透系數(shù)、排水管長度以及位置等因素影響。灌漿圈滲透系數(shù)仍采用3.1節(jié)中方案大小，得到排水前后應(yīng)力消減百分比與灌漿圈滲透系數(shù)/襯砌滲透系數(shù)的關(guān)系，見圖5。從圖5可以觀察到：排水前后應(yīng)力消減百分比隨滲透系數(shù)比值呈“增—降”兩階段變化特征，當(dāng)灌漿圈滲透系數(shù)/襯砌滲透系數(shù)處于0.3～1.2時(shí)，應(yīng)力消減率達(dá)到40%左右，表明此時(shí)的排水效果最佳；當(dāng)灌漿圈滲透系數(shù)/襯砌滲透系數(shù)大于5后，反而會(huì)增大襯砌圈所受應(yīng)力，此時(shí)應(yīng)該考慮將排水管深入灌漿圈。

圖5 應(yīng)力消減比情況

排水管深入灌漿圈雖然在一定程度上減小了滲透體積應(yīng)力，但會(huì)導(dǎo)致有效應(yīng)力增大，造成灌漿圈部分圍巖的變形量加大，故而對(duì)排水管貫穿灌漿圈后的應(yīng)力折減百分比進(jìn)行了分析，見圖6。從圖6可以看出：當(dāng)灌漿圈滲透系數(shù)/襯砌滲透系數(shù)小于0.2時(shí)，延長排水管長度反而會(huì)加大襯砌圈的受力；當(dāng)比值在1.2左右時(shí)，應(yīng)力折減百分比最大，達(dá)到25%。

圖6 排水管貫穿灌漿圈應(yīng)力消減比情況

設(shè)置六種不同位置處的排水管布置方式(見表2)，對(duì)減載效果進(jìn)行了分析(灌漿圈滲透系數(shù)取1.2×10-5m/s)，見圖7。從圖7可以看到：單排水管情況下，在高水壓端孔壓減載效果最好，其次為頂部和低水頭段，對(duì)于應(yīng)力折減，由大到小依次為頂部、低水頭段、高水頭端；在雙排水管設(shè)置時(shí)，孔壓、應(yīng)力值均有所減小，但整體而言，頂部+低水頭端排水布置方式時(shí)的綜合減載效果最佳，孔壓和應(yīng)力值分別降低25%和14%。

表2 排水管布置方式

圖7 排水位置對(duì)孔壓、應(yīng)力折減比影響

4 措施建議

在高應(yīng)力滲透水壓作用下，隧洞的襯砌工作將面臨諸多困難，滲水沖刷混凝土使得其難以發(fā)揮強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，在襯砌結(jié)束后進(jìn)行灌漿補(bǔ)強(qiáng)雖然在一定程度上有助于完善結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，減小滲透損傷破壞，但是這種先破壞再修補(bǔ)的施工方案大大增加了工作量，且不能保證對(duì)所有缺陷部位進(jìn)行有效、徹底的檢測(cè)識(shí)別，容易形成安全隱患，建議在預(yù)防措施上加大投入，如采用滲透結(jié)晶性防水材料，將其作為外加劑于混凝土中進(jìn)行攪拌，可增加混凝土本身的防水性能，同時(shí)要注意澆筑時(shí)模板內(nèi)的防排水措施，在襯砌與圍巖之間設(shè)置緩沖層，同時(shí)根據(jù)圍巖滲透系數(shù)情況，適當(dāng)延長導(dǎo)管長度，避免或者減少滲透破壞情況發(fā)生。限于研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于其他一些措施，還須在將來作進(jìn)一步的分析和探討。

5 結(jié) 論

a.灌漿堵水可以減小對(duì)地下水的擾動(dòng)，隨著灌漿圈滲透系數(shù)與圍巖滲透系數(shù)比值逐漸減小，周圍滲流場(chǎng)趨于平穩(wěn)，劇烈區(qū)域趨于灌漿圈和襯砌圈，一般認(rèn)為兩者比值應(yīng)該控制在1/40以下。

b.滲流體積應(yīng)力會(huì)抵消一部分灌漿堵水減載效果，須在圍巖和襯砌圈之間設(shè)置柔性緩沖層。

c.當(dāng)灌漿圈滲透系數(shù)/襯砌滲透系數(shù)為0.3～1.2時(shí)，導(dǎo)管的排水效果較佳；要根據(jù)圍巖滲透性情況，適當(dāng)延長排水管；頂部+低水頭端排水布置方式時(shí)的綜合減載效果最佳。