引水隧洞三维渗流场分析研究

王连广 刘 阳

（吉林省水利水电勘测设计研究院 吉林长春 130021）

1 工程概况

某引水隧洞工程工作区位于松辽平原东南侧，是平原和山区过渡地带，中部为北东向分布的伊兰－伊通盆地。区内地势总体上为两侧高，中间低，东北高，西南低。

地貌单元主要有河谷堆积地形(漫滩阶地)、剥蚀堆积地形(波状台地)和构造剥蚀地形(中低山丘陵)。区内海拔高度一般为200～400m，最高峰海拔934.2m。河谷海拔一般200m左右，在山区和丘陵区，山脊以浑圆状或宽缓状无较大起伏为主要特征。区内自然植被不发育，多为次生林及人工林。

2 地质条件

2.1 地形地貌

地貌为丘陵与沟谷相间，本段洞长 15km。区内地势总体上为南高北低，灰岩段地势东北高，西南低。本段线路走向南西。地貌单元属低山丘陵和河谷漫滩。高低起伏，山顶见基岩裸露，沟谷中为耕地。最高峰海拔484m，河谷海拔200m，相对高差 270m。一般山峰海拔 200～410m。植被相对不发育。在山区和丘陵区，山脊以浑圆状或宽缓状无较大起伏为主要特征。区内自然植被不发育，多为次生林及人工林。穿越沟谷处水量随季节变化大。隧洞埋深44～186m。本段线路穿越的地层出露较齐全，上古生界、中生界、新生界均有出露。岩性主要为石炭系与泥盆系灰岩、石炭系凝灰岩、三叠系凝灰岩、侏罗系凝灰岩等。工程区地下水的类型为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水和基岩裂隙水。

2.2 地下水补、径、排条件

工程区地下水主要靠大气降水补给，枯水期地表径流接受地下水补给，丰水期河水短时补给地下水，地下水以浅循环为主。受地形切割影响，地下水往往以短途径流为主，且常以泉的形式排出地表，补给河水，抽水试验成果见表1，岩体透水性成果见表2。

根据压水试验结果分析，一般岩体(非构造破碎带、节理密集带、溶蚀带)地表浅部岩体的透水性较强，基本为弱透水～中等透水，分析认为这主要是表部岩体受风化卸荷节理裂隙的影响；深部岩体透水性以弱透水为主，说明岩体透水性有随深度增加而变弱的趋势。洞室部位岩体透水性以弱透水为主。构造破碎带及节理密集带压水表明，其透水性也是中等透水为主，这也符合实际规律。

3 三维初始渗流场分析

由工程水文地质条件及任务要求，建立各段的渗流有限元计算模型。根据各区域内井、泉水位监测数据作为反演目标，将其与相应的初始渗流场的计算水头进行对比分析，来反映初始渗流场的拟合程度。岩体渗透系数参数按表3中范围初步取值。该段三维有限元计算模型一共剖分了446760单元，模型网格局部放大图见图1。

表1 抽水试验成果表

表2 岩体透水性表

表3 岩层材料渗透系数表

图1 三维有限元计算模型网格放大图

图2 初始渗流场压力水头等值线分布

4 计算边界条件及计算参数

4.1 边界条件

假定模型垂直于上下游面的两侧面、高程203.8m的水平底面均为不透水面；上游边界位于某水库附近，上游边界地下水位以下按第一类边界计算，取位置水头为水库附近实测水位303m；下游边界位于河道附近，地下水位以下同样按第一类边界计算，取位置水头为河道附近实测地下水位 227.2m。地表面按地下水和实测的井、泉水位监测数据作为反演目标；河流、水库按第一类已知水头边界考虑；上游边界的地下水位和下游边界地下水位之间的地表面为渗流可能的溢出面，实际溢出点由迭代计算最终确定。

计算的主要工况包括：

（1）引水隧洞开挖前的初始渗流场；

（2）引水隧洞开挖后的渗流场分析。

4.2 初始渗流场计算结果分析

可以看出，压力水头等值线分布均匀，该区域地势起伏变化较小，位置水头范围为 229.1m至355.9m，其水头随山体地势起伏变化。

表4 渗流场反演井、泉监测点拟合情况表

5 引水隧洞开挖后三维渗流场

引水隧洞开挖后，将隧洞内边界作为溢出边界处理，重新计算开挖后区域内的渗流场分布。隧洞开挖后的渗流场计算结果具体分析如下：

由图2可以看出，隧洞开挖后隧洞附近区域压力水头和位置水头等值线相比初始渗流场变化较大，隧洞顶部水面下降明显，形成一定范围的“漏斗区”。此断面隧洞局部部位压力水头和位置水头变化均较大，见图 3、图 4。由于隧洞开挖后的强排水作用，隧洞外围位置水头等势线分布密集，水头势较大，隧洞周围大约20～40m范围，洞室上部一定范围内压力水头降低极为明显，40m以外地下水面线逐渐变得平缓。

6 结语

（1）区域内初始渗流场分布较好，地下水面随山体起伏有变化明显，位置水头势较大的地方主要分布在水面变化较大的范围。

（2）从初始渗流场反演拟合的井、泉测点误差来看，误差总体较小，除少数测点的误差较大，达到 8～12m外，其余测点误差均很小。选用井、泉测点的最大误差为 11.77m，最小误差为 0.890m。由此可知，反演拟合程度接近，拟合较好，反演所得初始渗流场较好地反应了初始地下水、井、泉测点的分布规律。

（3）隧洞开挖后，区域内渗流场分布规律随着隧道开挖分布规律有一定变化。受隧洞开挖的强排水影响，隧洞附近一定范围内地下水面有一定下降，压力水头和位置水头等值线分布规律和初始渗流场相比均有较大变化。隧洞局部部位下降特别明显，在隧洞上方一定范围内形成明显的“漏斗区”。隧洞局部部位水头势也较大，排水效果明显，影响较明显的范围主要分布在离隧洞 10～40m范围内，大约在 50～100m左右的范围以外影响逐渐减小，在较远处基本不受引水隧洞开挖的影响。

图3 隧洞附近区域压力水头等值线分布图

图4 隧洞附近区域位置水头等值线分布图

（4）根据引水隧洞开挖后的渗流场计算结果，分析预测了各井、泉测点在隧洞开挖前后的水位影响。除少数几个测点的变化较小外，多数部位井、泉水位变化均分布在 10m左右。区域内井、泉水位下降主要发生在离隧洞较近的泉眼处，而对于远离隧洞开挖区域的井泉测点，水位下降幅度较小。地下水位下降主要为隧洞沿线两旁50m范围内区域，隧洞顶部水位影响较大。

1 高新强. 高水压山岭隧道衬砌水压力分布规律研究[D].成都:西南交通大学,2005.

2 仇文革, 高新强. 高水位富水地区地下水水压围岩注浆加固圈与衬砌共同作用机理研究报告[R]. 成都:西南交通大学,2004.

3 高新强, 仇文革. 隧道衬砌外水压力计算方法研究现状与进展[J]. 铁道标准设计,2004(12):84287.

4 钱家欢, 殷宗泽. 土工原理与计算[M]. 北京:中国水利电力出版社,1996.

5 张有天. 水工隧洞及压力管道外水压力修正系数[J]. 水力发电,1996(12):30235.

6 孙纳正. 地下水流的数学模型和数值方法[M]. 北京:地质出版社,1981.