隧道排水孔堵塞的模拟方法研究

向立辉

摘 要：在隧道运营中，由于多种因素的综合作用，隧道排水孔堵塞问题常常难以避免，致使隧址区地下水位上升，严重威胁隧道结构的安全性。因此有必要研究排水孔堵塞对隧道安全性的影响，其首要问题就是选择排水孔堵塞的模拟方法，本文分别介绍了两种排水孔堵塞的模拟方法，并分别评价了两种方法的适用条件。

关键词：排水孔堵塞；模拟方法；适用性分析

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

1 引言

正如人体的血液循环系统，堵塞后將严重影响人体健康，隧道排水系统堵塞亦如此，排水孔堵塞对隧道结构安全性的影响不容忽视，一方面，排水孔堵塞后将增大隧道衬砌背后水压，另一方面，隧址区内富存地下水会腐蚀隧道支护结构，尤其是锚杆、钢筋网等结构，因此，研究排水孔堵塞具有重要的理论意义和工程实践意义。针对排水孔的模拟方法，已有学者开展过一系列探讨，提出了多种排水孔模拟方法，例如，排水子结构法、空气单元法、汇线单元法、叠单元法、以管代孔法、以缝代井列法等[1-2]。但针对排水孔堵塞的模拟方法，却鲜有学者进行过深入探讨，在上述排水孔模拟方法的基础上，结合渗流的基本理论，本文介绍了两种排水孔堵塞的模拟方法，分别是排水孔渗透系数折减法和“以板带孔”法，下文将分别对其进行阐述。

2 堵塞模拟方法

2.1 渗透系数折减法

排水孔堵塞的过程，物理上可描述为排水孔孔径逐渐减小的过程，因此可依据此原理进行数值建模，但排水孔尺寸相对于隧道结构几乎可忽略，对排水孔单元进行网格划分时已存在精度问题，数值计算中再将排水孔单元进行切分显然不太合理，因此有必要寻求一种等效的方法来模拟排水孔堵塞。渗透系数折减法依据渗流折射定律，分别赋予岩体和排水孔不同的渗透系数，以表述排水孔的排水降压效果，图1是渗流折射的示意图。

如上图所示，渗流穿越介质时会像光线一样服从折射定律，其表达式为：

从公式（1）可以看出，折射角θ2随k2增大而增大，k2>>k1时，θ2接近90°，表明强渗透介质可以改变渗流的方向从而达到导水的目的。实际上，排水孔内渗透系数远远大于岩体的渗透系数，因此可用k1，k2分别表示岩体和排水孔的渗透系数，使用渗透系数折减法的首要问题是确定排水孔的等效渗透系数，计算格式如下：分别赋予排水孔单元不同的渗透系数并观察地下水位变化，并将计算结果与“弃单元法”结果对比可得到排水孔等效渗透系数。在此基础上，对排水孔渗透系数进行折减，可反映排水孔的不同堵塞工况，即排水孔单元渗透系数越小，表示排水孔堵塞程度越大，当排水孔的渗透系数与岩体一致时，表明排水孔失去排水效果，成为与岩体一样的弱透水介质，不再具有导水作用。

2.2 “以板代孔”法

实际隧道工程中，地下水位沿隧道轴向是一条波浪线，波峰位于隧道相邻环向排水孔之间，波谷位于环向排水孔上方，渗透系数折减法可得出这样的计算结构，但在实际工程中，关注隧道排水孔局部渗流场变化规律并无实际意义，更重要的是确定隧址区整体渗流场分布状态，“以板代孔”法在渗透系数折减法的基础上进行了优化，依据宏观水位等效的方法，能够从整体的角度解释隧址区渗流场的变化规律。

与渗透系数折减法一样，“以板代孔”法需要先依据水位等效原则确定等效渗透系数，不同的是，“以板代孔”法将隧道整个排水系统等效为一个排水板单元，确定排水板单元等效渗透系数后将排水板单元进行切分，对不同的切分块赋予不同的材料参数来模拟不同堵塞条件，如图2所示，将排水板单元切分为5等分，将其中一分赋予岩体参数，其它参数不变，即可模拟排水孔堵塞20%的工况，以此类推可模拟其它堵塞工况。

3 结论

本文介绍了两种隧道排水孔堵塞的模拟方法，二者有各自的特点，渗透系数折减法能反映排水孔局部的渗流特征，但只能定性模拟排水孔堵塞的过程，不能精确模拟排水孔堵塞程度的大小；“以板代孔”法与此相反，能够精确模拟排水孔堵塞的程度，从宏观上可反映隧址区整体渗流场的变化规律，但不能反映排水孔局部渗流特征。

这两种方法不止适用于隧道工程，也适用于边坡工程等其它岩土工程，可根据具体工程实际选择合适的方法进行排水孔堵塞的模拟。

参考文献：

[1]汪卫明，刘友良，丁建新等.渗流分析中排水孔模拟的叠单元法[J].岩土力学，2011（S1）：674-679.

[2]王建，姜海霞.排水孔模拟的汇线单元法[J].岩土工程学报，2008（05）：677-684.