莪园隧道渗流模拟及正常涌水量预测

王 朝 国

(中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257000)

我国是一个多山的国家，山丘约占国家面积的60%，西部地区更是山岭重重。随着我国经济的高速发展，天然气、石油作为国家的经济命脉的重要性日益突出，为了保证其运输的安全性、稳定性和长久性，山岭地区穿越方式逐渐向隧道开挖方式转变。但是无论是前期的隧道开挖阶段还是后期的运营维护阶段，地下水一直是个老大难问题。

1 隧道地下水渗流研究现状

长期以来，无论在理论上还是实践中，工程界对地下水的勘察、设计和研究都是有限的。在勘察过程中，对地下水的认识仅限于通过钻孔观察地下水位，许多大型隧道工程含水区段没有专门的水文地质试验，对水文地质条件没有系统的分析[1]。

自20世纪末随着计算机技术的发展，渗流计算数值方法得到迅速发展，为隧道水文勘察提供了新的方法，尤其是对于地下水的各向异性和非均介质的研究进入了一个全新的阶段。

2 地下水对隧道岩体的作用

莪园隧道修建后，破坏了山体地下水的初始平衡状态，致使隧道成为穿越山体地下水的聚集通道，如果隧道开挖前后防水设施、加固方法不完善，则有可能发生破坏。二者相互作用主要包括水岩的物理作用、水岩的化学作用和水岩的力学作用三个方面。

地下水对围岩的物理作用主要有润滑、分割、崩解、泥化、软化、冻融和热熔等，表现为地下水对岩体的综合软化效应。水岩的化学作用主要有溶蚀、水解和离子交换等。水岩的力学作用主要表现为地下水对岩土体骨架的两种压力，即孔隙水压力和渗透压力[2]。岩体在孔隙水压力作用下，其稳定性取决于有效应力抗剪强度，见式(1)。

τ=(δ-u)tanφ+c

(1)

由式(1)可知：在总应力不变的情况下，孔隙水压力存在降低了岩体的抗剪强度。当其抗剪强度低于岩体的极限强度时，岩体发生剪切破坏。由于岩体裂隙的复杂性和不稳定性，渗透压力的大小和作用范围很难确定，工程设计中渗透压力大小取决于水力梯度，方向与渗流方向一致，见式(2)。

f=γwJ

(2)

当渗透压力大于岩体阻力时，它对岩体施加一种拉拽力。如果固体颗粒的粘聚力和内摩阻力较小(如土质隧道)，则易在渗流出口附近发生管涌或流土的渗透破坏。随着土体内细小颗粒不断的被排出土体，土体内将形成空腔，应力重分布，在空腔顶部和底部产生拉应力，两边产生剪应力，当二者大于土体的极限强度时，则发生垮塌破坏。

实验表明，相对于高强度结晶岩，硅质胶结、泥质胶结、铁质胶结和有机质胶结的软岩更容易在水的作用下软化破坏。

3 莪园隧道slide二维渗流模拟

3.1 边界条件

莪园隧道上方有一鱼塘，岩土体受自重荷载和渗透压力。取垂直于隧道轴线的横剖面作为研究对象，利用 slide模块模拟隧道开挖前后渗流场的变化。假设模型为各向同性岩土体，取140 m×80 m建立模型分析。渗流边界条件为：两端为水头40 m的定水头边界，隧道为水头等于标高的溢出面边界，底部为不透水边界，水位自由面根据迭代计算确定。

3.2 模型参数

岩体采用摩尔—库仑强度准则，地下水采用van Genuchten模型[3，4]，见式(3)～式(5)。

(3)

(4)

(5)

其中，Se为饱和度；h为压力水头，m；α，n，m均为模型参数；K为渗透系数，cm/s；KS为饱和渗透系数，cm/s。模型物理力学参数和水文力学参数见表1。

表1 模型物理水文力学参数

3.3 数值模拟结果及分析

数值模拟结果见图1～图4。

由图1和图2可看出：隧道开挖前总水头等值线比较稀疏，开挖后山体上部等值线仍比较稀疏，隧道区域附近却较密集，且为低水压区，隧道内外形成高水头差。这是因为地表附近区域的水流场基本没有受到隧道开挖的影响，其渗流场仍与自然条件下的流动规律类似，而隧道附近区域却产生变化。

由图3和图4可看出：山体上部土体的水力梯度较小，而下附岩体的水力梯度较大，且在岩性变化处发生明显变化，此外在不同岩土体中的水力梯度都随深度的增加而减小。这是因为上部土体的渗透系数较大，水体流动克服的摩阻力较小，而下附基岩的渗透系数较小，水体流动克服的摩阻力较大[5]。水力梯度的纵向降低受水头差变化的影响。隧道开挖后，下附基岩的水力梯度随深度迅速增加，且在离隧道3倍洞径范围内水力梯度变化幅度最大，在1倍洞径处达到最大值，此后迅速降低。这是因为隧道开挖后应力重分布，应力的影响范围在3倍洞径内最为显著，在环向应力作用下岩体张拉破坏，产生裂隙，降低了水流动需要克服的摩阻力。

图中细实线为潜水面线，隧道开挖前水位线位于基岩上部的岩土层内，开挖后水位线下降，局部潜水面降至基岩内。这是因为隧道开挖后山体内部与外部形成了一个联通的“腔体”，出现水位临空面，改变了该区域水流方向，由原来顶部流向两侧的山脚，变成了基本垂直向下流向隧道内部，通过隧道排出。经计算知单位隧道长度流量为0.57 m3/d 。

同时软件分析：地下水渗流场的影响范围随时间的增加而增大，240 d后才会基本趋于稳定。为了硐室的稳定性可以采用超前小导管注浆和缩小钢拱架间距的施工方法。

3.4 隧道涌水常规预测

地下水常规预测主要有大气降水入渗法、地下水径流模数法和地下水动力学法[6]。西南交通大学硕士研究生高如通过对比发现，地下水动力学法裘布依公式计算结果更符合实际情况[7]。本文主要通过此法和《铁路工程水文地质勘察规程》的经验公式预测隧道涌水量。裘布依公式和经验公式见式(6)和式(7)。

(6)

Qs=L×K(0.676-0.006K)

(7)

(8)

其中，Qs为正常涌水量，m3/d；K为隧道通过不同含水体的渗透系数,取1.95e-7 m/d；L为隧道通过含水体的长度，取1.0 m；H为隧道通过含水体的静止水位至洞深横断面等价圆中心的距离，取42 m；h为洞内排水沟假设水深，取0.2 m；R为隧道涌水引用补给半径，根据式(8)取76.0 m；r为洞身横断面等价圆半径，取2.0 m。

由计算可知裘布依和经验公式得到正常涌水量分别为0.53 m3/d和0.55 m3/d。通过对比发现经验公式计算值稍大于裘布依公式计算值。二者均小于软件模拟值，主要是因为：

1)常规方法没有考虑上部黄土状土高渗性的影响。

2)常规方法没有考虑隧道下透水层厚度的影响。根据佐藤邦明公式：当隧道下透水层厚度小于60 m，隧道涌水量随透水层厚度的增加而递减增加，最终趋于稳定[8]。所以slide数值大于常规值。

相对于常规预测法，slide软件虽然不能预测最大涌水量，但是作为水文勘察的补充为隧道地下水的勘察提供了一种新的思路。通过软件分析可以更加直观的了解地下水的渗流变化。实际勘察中只需要通过钻孔的水位观察和岩土体的物理水文参数，便可以软件模拟。

4 结语

1)通过地下水对莪园隧道围岩的破坏机理可知，其破坏主要是因为地下水对岩土体的软化效应，致使岩体的抗拉和抗剪强度低于岩体的极限强度，发生破坏。

2)数值模拟法相对于常规预测方法增加了计算参数，增大了地下水影响范围，因此更符合实际情况。而且具有常规方法不能比拟的优点：a.涌水量的预测不再受限于近圆形硐室；b.可以直观的看到隧道开挖前后的渗流场变化。

3)通过软件分析知道饱和岩土体隧道开挖后，在无防水措施下地下水渗流场稳定周期较长，建议在破碎区要尽早做防水支护和二次衬砌。