引汉济渭引水隧洞穿椒溪河段突涌水数值模拟

李立民 刘国平 许增光 肖瑜

摘要：陕西省引汉济渭工程引水隧洞突涌水问题是制约工程顺利开展的关键技术问题之一。针对横穿椒溪河段的典型区段突涌水问题，采用ADINA软件建立水文地质概念模型，计算不同工况下该区段的地下水位、流速矢量、涌水量等。结果表明：断层位置受开挖扰动影响较大，出现了集中渗漏，因此在断层位置极易形成渗漏通道，发生突涌水。

关键词：突涌水;数值模拟;引水隧洞;引汉济渭

中图分类号：TV672; U459.6

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.02.025

近年来，突涌水问题对工程建设的影响越来越大，是制约工程顺利开展的关键技术问题之一。在建的秦岭引水隧洞属于长大深埋水工隧洞，隧洞穿越地域范围广，地形、地质条件复杂，沿线穿越断裂、破碎带、软岩、岩溶等各种不良地质，尤其是在隧洞进口端穿越多个破碎带，其围岩类别低，岩溶发育，地下水丰富，渗流路径多样性造成在多个断裂及破碎带处突水突泥发生的概率增大，预测难度增大，对施工影响较大[1-3]。由于地质条件复杂，难以通过勘察手段明确地质灾害体的分布情况，常常会带来突水涌泥等灾害，给隧洞开挖和运行造成严重的威胁[4-6].因此突涌水的研究变得越来越重要。

笔者收集整理了秦岭输水隧洞地质资料，在此基础上针对秦岭隧洞横穿椒溪河段典型区段的突涌水问题进行了分析研究，利用ADINA软件建立了水文地质数学模型，计算了不同工况下该区段的地下水位、流速矢量、涌水量等变化规律。

1 秦岭隧洞突涌水数学模型

研究的重点是分析秦岭隧洞渗流场特征及突涌水数值模拟。对于稳定渗流分析，将坝体及裂隙岩体按等效连续介质来处理[7-10]。对于裂隙岩体，若裂隙较发育，表征单元体（REV）存在且不是过大，则一般认为该模型是有效的。岩体中水流流速一般不大，因此可以认为地下水运动服从不可压缩流体的饱和稳定达西渗流规律。下面给出等效连续各向异性介质模型的渗流有限元基本格式。

2 桩号K2+771-K2+881段突涌水数值分析

2.1 计算模型

秦岭隧洞桩号K2+771-K2+881段横穿椒溪河，计算模型位置见图1，有限元模型及剖分网格如图2所示。

在图2三维有限元计算模型中，选取模型底部为坐标原点，底部高程为500 m。模型范围x×y×z为88mxll0 m×87 m.隧洞两侧围岩范围取4倍洞径以上，满足计算需要。模型分为基岩、风化层及断层三部分，被剖分的节点总数为15 134个，风化层单元数2 340个，断层单元数470个，被剖分的单元总数为13 470个。计算模型左右两侧（y方向）施加定水头边界，按照地质剖面中地下水位线施加。假设隧洞周围边界为透水边界，并在河道施加相应的河道水位。

2.2 计算参数和计算工况

根据工程地质勘察成果，隧洞所处山体围岩从上到下依次为强风化大理岩夹石英片岩、弱风化大理岩夹石英片岩及微风化大理岩夹石英片岩：对于隧洞計算模型而言，隧洞沿纵向延伸方向需要穿过的围岩依次为Ⅲ、Ⅳ及V类围岩[11]。由于本次计算模型中Ⅲ、V类围岩的范围与Ⅳ类围岩相比较短，因此为了简化计算，本次数值计算对整个模型按照Ⅳ类围岩进行处理。图2所示的计算模型中基岩渗透系数取1.5 x10m/s，风化层渗透系数取4.5×10 m/s[12]。隧洞K2+771-K2+881段按照断层渗透系数划分6个计算工况，见表1。

2.3 地下水涌水计算结果及分析

通过地下水涌水数值计算，采用ADINA软件得到模型各工况的总水头云图、隧洞中轴线剖面水头等值线及流速分布（工况一模拟结果见图3～图7），各个工况的模拟图发展趋势大致相同。

由地下水涌水计算结果可以看出，在不同断层渗透系数下，水头等值线和渗流速度分布情况是一致的。隧洞周围水头等值线呈层状分布，从内到外水头逐渐增大，边壁周围等值线呈密集分布。隧洞开挖后，隧洞周边围岩孔隙水压力开始下降，地下水向洞内临空面渗透。在隧洞开挖边界四周存在水压力差，造成隧洞围岩渗流场突然改变，最终形成一个类似于渗水漏斗的形状。从流速分布可以看出，隧洞开挖后，在隧洞围岩渗透压力作用下，地下水向临空面渗透，隧洞开挖对隧洞顶部围岩处地下水渗流的扰动作用明显比对隧洞底部围岩的扰动作用大。对于远离隧洞开挖边界的切面顶部和底部围岩，隧洞开挖的扰动作用并不是很明显，而在断层位置受开挖扰动影响较大，出现了集中渗流，因此在断层位置极易形成渗漏通道，发生突涌水。

2.4 涌水量计算结果及分析

从渗流矢量图可以看出，隧洞开挖后，孔隙水不断渗流，且向隧洞方向渗透。这种渗流过程要持续一段时间，且随着渗流时步的增大涌水量会减小，直至达到一个稳定值。隧洞内不同水位下的涌水量可以使用ADINA软件中seep flow变量求得，K2+771-K2+881段隧洞洞身总涌水量及断层处涌水量计算结果见表2。

从涌水量计算结果来看，隧洞涌水主要发生在洞身断层位置，涌水量与断层渗透特性正相关，断层渗透系数越大，涌水量就越大，相应地通过断层进入隧洞的涌水量所占的比例也越大。通过数值计算得到的K2+771——K2+881段隧洞洞身最大涌水量达到144.00 m/h.其中通过断层进入隧洞的涌水量达到138.00 m/h.占总涌水量的95.8%。

3 结语

秦岭隧洞通过断层破碎带时，施工开挖极易造成突涌水灾害，为了研究该段突涌水可能对隧洞工程的影响，将该段划分为6个工况进行研究，分析结果总结如下：

（1）秦岭隧洞K2+771-K2+881段突涌水计算分析得到断层位置受开挖扰动影响较大，出现了集中渗漏，在断层位置极易形成渗漏通道，发生突涌水。后期隧洞施工开挖验证了模拟分析结果，有效地指导了施工掘进，降低了安全风险。

（2）隧洞突涌水主要发生在洞身断层位置，而且涌水量与断层渗透特性正相关，断层渗透系数越大，涌水量就越大，相应地通过断层进入隧洞的涌水量所占的比例越大。由于该段隧洞浅埋，受断层影响，节理裂隙发育，岩体破碎，地下水和地表水会发生水力联系，因此可能导致大的突涌水灾害。

参考文献：

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