复杂岩溶地区引水隧洞衬砌外水压力研究

2018-11-08肖欣宏谢小帅陈华松周家文

水利水运工程学报 2018年5期

肖欣宏，王静，谢小帅，陈华松，周家文

(1. 四川大学水利水电学院水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610065; 2. 云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明 650021)

随着我国西部大开发战略的实施，水利交通行业地下工程常穿越西南复杂岩溶水地区。在岩溶富水高压地层修建的隧洞工程除面临围岩压力之外，洞室开挖后衬砌承受的高外水压力成为结构设计与施工关注的重点。若设计不当常会导致隧洞发生突涌水灾害，造成很大的经济损失，例如锦屏二级水电站探洞施工曾发生3次特大规模高压突涌水，大瑶山隧道施工过程中因高外水压力导致衬砌破坏[1-2]。因此合理确定衬砌外水压力已成为岩溶富水地区隧洞设计的关键问题之一。

目前隧洞衬砌外水压力的计算还没有统一的方法，常参照水工隧洞设计规范采用折减系数的方法对实测隧洞区域地下水位进行相应折减以作为隧洞衬砌外水压力[3-5]。但该方法存在诸多弊端，如洞室开挖前无法准确获得地下水活动状态进而选择合适的折减系数；折减系数取值区间较大造成取值误差较大；该方法没有考虑隧洞防排水措施对衬砌外水压力的影响[6]。针对隧洞衬砌外水压力计算中的问题，国内外学者采取不同方法进行了一系列研究。谢兴华等[7]采用三维拟连续介质渗流理论，通过数值计算确定了围岩衬砌上的外水压力场。刘立鹏等[8]推导了地下隧道渗水量和复合衬砌结构外水压力折减系数理论求解公式，揭示了注浆圈、初期支护、二次衬砌渗透系数及厚度等参数的变化对隧道渗水量和衬砌外水压力折减系数的影响规律。郑波等[9]提出了复合式衬砌等效渗透系数的概念和确定方法，并利用整体式衬砌结构的水压力计算方法估算衬砌水压力。张成平等[10]通过理论计算和分析，得到了注浆圈参数变化对隧道涌水量和衬砌外水压力的影响规律，分析了隧道排水率与衬砌外水压力之间的关系。李鹏飞等[11]采用理论分析和数值模拟方法揭示初期支护、二次衬砌及注浆加固圈等参数的变化对海底隧道渗水量和衬砌外水压力的影响规律。Arjnoi P等[12]利用数值模拟研究了不同排水工况下隧道围岩及衬砌的孔隙水压力与内力的分布规律。

上述研究多采用理论分析或数值模拟的方法对隧道衬砌外水压力进行分析，但针对我国西南地区复杂岩溶环境，引水隧洞衬砌外水压力及渗流场的研究比较匮乏。衬砌外水压力研究的主要目的在于确定合适的渗控方案以保证隧洞施工安全，以往研究重点多是通过分析各因素对衬砌外水压力的影响规律来确定合适的衬砌及注浆圈参数，并没有验证该渗控方案下衬砌外水压力满足要求的同时隧洞周边生态环境是否受到较大影响。隧洞全范围孔压等值线图的变化可以直观显示洞室开挖对山体渗流场的影响，以此来反映隧洞开挖对周边生态环境的影响程度。本文以滇中引水工程穿越复杂岩溶地段的大理Ⅱ段引水隧洞为例，采用ABAQUS有限元软件研究衬砌外水压力影响因素的同时，分析不同因素下隧洞渗流场变化规律，综合分析两种标准以确定适应于西南复杂岩溶地区的堵排水措施，使衬砌外水压力满足要求的同时，不对隧洞周边生态环境造成较大负面影响。

1 工程概况及计算模型

1.1 工程概况

滇中引水工程从金沙江虎跳峡以上河段引水，以解决滇中地区严重缺水问题，具有显著的经济和社会效益。该工程由水源工程和输水工程两部分组成，输水总干渠全长661.07 km，全线划分为大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段及红河段。其中大理Ⅱ段全长102.74 km，沿线建筑物包括隧洞、暗涵、渡槽、倒虹吸等形式，其中隧洞总长91.186 km，占本段线路全长的88.75%。大理Ⅱ段推荐线路中的海东、狮子山和磨盘山3条隧洞穿越6个岩溶水系统，3条隧洞穿越的可溶岩洞段合计长14.01 km，占本段线路总长的13.64%。隧洞穿越复杂岩溶水地区存在一定程度的施工涌水、水环境疏干等岩溶灾害问题。初步统计，大理Ⅱ段可能产生0.1 m3/s以上大量突水突泥段长12.974 km，约占隧洞全长的14.23%，最大涌突水量达1.3 m3/s。因此，针对大理Ⅱ段复杂岩溶水地区，研究其地下水渗流场及衬砌外水压力分布规律，以确定合适的堵排水措施对保证围岩稳定性和隧洞安全具有重要意义。

1.2 计算模型及参数

计算选择大理Ⅱ段海东隧洞某典型断面，断面纵剖面见图1，岩石主要为裂隙性溶蚀风化带下白云质灰岩夹杂溶蚀破碎带。灰岩透水性较强，溶蚀破碎带溶隙较发育，断面埋深323 m，地下水位距洞室顶板高程135 m，断面形式为马蹄形，参数见图2。

本次研究基于渗流应力耦合理论，选取ABAQUS有限元软件建立各向同性渗流介质模型，裂隙围岩可将其简化为等效连续多孔介质。建模时考虑隧道开挖半径的影响范围及隧洞地下水位高度，模型计算范围取为10倍开挖洞径[10]，洞室中心位于模型中心，模型网格划分见图3。

图1 隧洞计算断面纵剖面Fig.1 Longitudinal profile of tunnel calculation section

图2 隧洞断面尺寸(单位：mm)Fig.2 Cross-section dimensions map of tunnel (unit: mm)

图3 有限元网格模型Fig.3 Finite grid model

模型左右边界施加水平位移约束，底部边界施加竖向位移约束；模型上表面施加7.7 MPa的均匀压应力模拟上部岩体的压力，同时受到侧向构造应力作用，侧向系数为1.2；模型上下边界分别施加地下水作用水头，其中上表面初始水头为87.03 m，下表面初始水头为193.63 m，左右两侧为不透水边界；隧洞衬砌内表面为渗流边界，水压力设为0。通过查阅相关资料，数值计算时各材料力学参数取值见表1所示，围岩按Mohr-Coulomb屈服准则考虑。

表1 材料力学参数统计Tab.1 Material mechanics parameters

图4 衬砌外水压力与衬砌渗透性关系Fig.4 Relationship between external water pressure of lining and permeability of lining

2 衬砌参数对衬砌外水压力及渗流场影响

岩溶发育地区深埋高水头隧洞衬砌往往承受较高的外水压力，对洞室围岩及衬砌安全带来严重威胁。参考滇中引水工程大理Ⅱ段地质勘察资料，选取典型断面围岩渗透系数kr为1.16×10-5m/s，属于中等透水性围岩，衬砌厚度取0.6 m，分别研究衬砌渗透系数k1为1×10-10～1×10-5m/s时，隧洞衬砌外水压力变化规律。选择衬砌外表面拱顶、拱腰以及底板中点作为特征点，统计各点衬砌外水压力绘制关系曲线如图4所示。

图5 不同衬砌渗透系数隧洞渗透水压等值线Fig.5 Contour of tunnel pore water pressure with different lining permeability coefficients

从图4可见，不同特征点衬砌外水压力随衬砌渗透系数变化规律一致，随着衬砌渗透系数的增大，衬砌外水压力逐渐减小。当衬砌渗透系数取为1×10-10m/s，衬砌透水性极小，衬砌拱顶外水压力为1.350 MPa，等于该点的静水压力。衬砌某点的外水压力与该点静水压力之比称为外水压力折减系数，则该点外水压力折减系数为1，故可认为衬砌全封堵时，外水压力等效于该点的静水压力而不能折减。当衬砌渗透系数k1大于1×10-8m/s时，衬砌外水压力开始显著降低；当k1为1×10-7m/s时，衬砌拱顶外水压力为1.153 MPa，相较于不排水衬砌减小了14.6%，此时外水压力折减系数为0.854；当k1为1×10-6m/s时，衬砌拱顶外水压力为0.489 MPa，相较于不排水衬砌减小了63.8%，外水压力折减系数为0.362；当k1为1×10-5m/s时，衬砌拱顶外水压力为0.057 MPa，减小了95.8%，外水压力折减系数仅为0.04。因此，增大衬砌渗透系数是减小衬砌外水压力的有效手段。

洞室围岩全范围渗透水压等值线图可以直观显示洞室开挖对山体渗流场的影响，图5为衬砌渗透系数为1×10-10，1×10-8，1×10-7以及1×10-6m/s时隧洞渗透水压等值线分布。

从图5可见，衬砌渗透系数为1×10-10m/s时，地下水面线几乎不受隧洞影响，水压等值线相互平行呈静水压分布，这说明当衬砌渗透系数较小时，围岩周围渗流场因洞室开挖变化较小。衬砌全封堵时将地下水全挡在衬砌外表面，此时隧洞涌水量几乎为0，衬砌外水压力约等于静水压力。随着衬砌渗透系数的增大，隧洞渗流场逐渐产生变化。当衬砌渗透系数为1×10-8m/s，靠近隧洞周边的渗透水压等值线有所降低，但降低幅度极小，这种趋势在渗透系数取为1×10-7m/s时，变得更加明显。尽管模型顶部水压等值线仍不受影响，但隧洞周围渗透水压力显著降低，使得附近水压等值线图向下弯曲呈漏斗状分布。当衬砌渗透系数为1×10-6m/s时，隧洞上方模型范围内渗流场均受影响，水压等值线发生明显改变，洞室围岩全范围孔压显著下降，渗透水压等值线呈漏斗状分布，靠近洞室，水压等值线图逐渐变为环形分布，说明衬砌透水性的增大使得地下水被大量排出，从而导致洞室周围孔压下降数值明显。

综合分析衬砌渗透系数对衬砌外水压力及渗流场的影响可以发现，仅依靠排水措施无法同时满足两者安全的要求。岩溶高压地区降低衬砌外水压力是保证洞室结构安全的关键，但降低外水压力的同时会对山体渗流场产生较大影响，地下水通过排水措施而被大量排出，导致隧洞周边发生生态破坏、水土流失等问题。因此，仅通过增大衬砌渗透系数来降低外水压力既不科学也不合理。

3 注浆圈参数对衬砌外水压力及渗流场影响

复杂岩溶地区仅通过增大衬砌渗透系数的措施在降低衬砌外水压力的同时会对山体渗流场产生较大扰动，不利于生态保护。下面研究注浆圈厚度和渗透系数对隧洞衬砌外水压力的影响，结合隧洞渗流场的分析以确定合适的注浆圈参数。

图6 衬砌外水压力与注浆圈厚度关系Fig.6 Relationship between external water pressure of lining and thickness of grouting circle

3.1 注浆圈厚度

围岩渗透系数为1.16×10-5m/s，注浆圈渗透系数取为围岩渗透系数的1/50，即2.32×10-7m/s[9]，分别研究注浆圈厚度为3，5，7，9 m时隧洞衬砌外水压力及渗流场变化规律。图6为不同衬砌渗透系数下衬砌拱顶外水压力与注浆圈厚度的关系曲线。

图7 不同注浆圈厚度隧洞渗透水压等值线Fig.7 Contour of tunnel pore water pressure with different grouting circle thicknesses

从图6可以看出，衬砌渗透系数为1×10-10m/s时，增大注浆圈厚度衬砌外水压力几乎无变化。注浆圈厚度为9 m时，衬砌拱顶外水压力为1.345 MPa，相较于不注浆工况仅减小了0.005 MPa。因此，当衬砌采取全封堵时，围岩注浆无法有效降低衬砌外水压力，注浆可以封堵渗水通道但无法做到完全不透水，若衬砌无排水措施，随着时间的推移从注浆圈渗入的水最终均会作用在衬砌外表面使得衬砌外水压力等于静水压力。当衬砌渗透系数为1×10-9m/s，随着注浆圈厚度的增大衬砌外水压力出现小幅降低；当衬砌渗透系数为1×10-8m/s，衬砌外水压力随注浆圈厚度变化的敏感性增强，注浆圈厚度为9 m时，衬砌外水压力为0.986 MPa，相较于不注浆工况减小了25.8%；衬砌渗透系数为1×10-7m/s，围岩注浆对降低衬砌外水压力效果较好，注浆圈厚度为9 m时衬砌外水压力为0.281 MPa，比不注浆时减小了75.6%。通过对比不同衬砌渗透系数下衬砌外水压力与注浆圈厚度关系曲线，可以发现衬砌排水时围岩注浆可以有效降低衬砌外水压力，且随着注浆圈厚度的增大，衬砌外水压力逐渐减小，因此增大注浆圈厚度是降低衬砌外水压力的有效手段。

不同注浆圈厚度下隧洞渗透水压等值线分布见图7。图中各种工况下衬砌渗透系数均取为5×10-7m/s，注浆圈渗透系数取为2.32×10-7m/s，研究不注浆以及注浆圈厚度为3，5和9 m时隧洞渗流场分布规律。从图7可以看出，围岩注浆3 m后，隧洞渗流场发生显著改变，隧洞模型顶部水面线呈平行分布，但注浆圈附近水压等值线仍向下弯曲呈漏斗状，注浆圈内水压呈环形分布。当注浆圈厚度为5 m时，围岩注浆范围扩大使得隧洞渗流场受洞室开挖影响范围进一步减小，注浆圈附近漏斗下凹幅度明显降低；当注浆圈厚度为9 m时，围岩注浆已经能很好地保证渗流场的稳定，注浆圈外水压等值线平行分布，从注浆圈渗入的水通过衬砌排水措施排出，极大地保证了隧洞渗流场及周边生态环境的稳定。

通过对渗流场及衬砌外水压力的分析，围岩注浆可以在不影响生态环境的少量排水条件下显著降低衬砌外水压力，很好地缓解了排水减压和环境保护之间的矛盾。从图6可以看出，随着注浆圈厚度的增大，外水压力降幅越来越小，且注浆圈厚度越大，所需注浆量也越多，增加了经济成本，因此围岩注浆厚度存在经济合理值。从图7可见，注浆圈厚度为5 m时，隧洞渗流场已基本不受洞室开挖影响，实际工程中地质条件更为复杂，为保证注浆圈堵水的可靠性并综合考虑经济性，岩溶区注浆圈厚度一般取为5～9 m。

图8 衬砌外水压力与注浆圈渗透性关系Fig.8 Relationship between external water pressure of lining and permeability of grouting circle

图9 不同注浆圈渗透系数下隧洞渗透水压等值线Fig.9 Contour of tunnel pore water pressure with different permeability coefficients of grouting circle

3.2 注浆圈渗透系数

合理的注浆圈渗透系数可以有效保证注浆效果，图8为不同注浆圈厚度下衬砌外水压力与注浆圈渗透系数的关系曲线，其中横坐标为围岩与注浆圈渗透系数比值ng，ng取为5,10,30,50,70和100(注浆圈渗透系数依次为2.32×10-6,1.16×10-6,3.87×10-7,2.32×10-7,1.66×10-7和1.16×10-7m/s)。从图8可以看出，不同注浆圈厚度下衬砌外水压力均随注浆圈渗透系数的减小而降低；同一注浆圈渗透系数，注浆圈厚度越大衬砌外水压力越小，这与之前所得结论吻合。随着注浆圈渗透系数的减小，衬砌外水压力降幅越来越小，当注浆圈渗透系数小于围岩的1/50时，继续减小注浆圈渗透系数对降低衬砌外水压力的效果已不明显。

图9为不同注浆圈渗透系数下隧洞渗透水压等值线分布，其中衬砌渗透系数为5×10-7m/s，注浆圈厚度为5 m，研究注浆圈渗透系数为围岩渗透系数1/5,1/10,1/50以及1/100时隧洞渗流场分布规律。围岩不注浆时渗流场分布如图7所示，当注浆圈渗透系数为围岩渗透系数的1/5(2.32×10-6m/s)时，隧洞渗流场相较于不注浆时水压等值线漏斗下凹范围减小，但幅度仍较大，该注浆圈渗透系数无法有效保证生态环境不受影响。继续减小注浆圈渗透系数，隧洞降水漏斗范围得到进一步控制，当注浆圈渗透系数为围岩的1/50时，模型顶部水压等值线平行分布，注浆圈附近水压等值线有小幅向下弯曲的趋势，该注浆圈渗透系数可以较好地保证山体渗流场的稳定；当注浆圈渗透系数为围岩的1/100时，隧洞渗流场变化不大，说明继续减小注浆圈渗透系数对减小渗流场扰动效果已不再明显。

衬砌外水压力随注浆圈渗透系数减小而降低，但注浆圈渗透系数越小，施工成本及难度越大，综合衬砌外水压力及渗流场的分析，为保证衬砌结构及地下水环境的稳定，通常取注浆圈渗透系数为围岩渗透系数的1/30～1/50。