基于流固耦合理论的深埋隧洞衬砌防渗措施分析

(本溪市水利工程建设管理中心，辽宁 本溪 117000)

1 引 言

水利水电引水工程隧洞一般开挖距离较长，围岩地质变化情况十分复杂，高地应力、溶洞、渗水、地温以及有害气体等均会对隧洞的变形稳定产生影响，必须对这些灾害风险进行准确评估和有效防治[1]。通常，水工隧洞在开挖衬砌过程中会遇到高地应力和地下渗水共同作用的情况，地下洞室的渗流-应力耦合作用不容忽视，特别是在衬砌过程中，会改变围岩内外的渗透水压，使得围岩情况更加复杂，因此，如何采取有效措施对外水压力进行减载已成为专业技术人员研究的课题[2-3]。

渗流-应力作用的实质就是流固耦合作用，在高地应力渗水条件下进行隧洞衬砌施工，必须采取有效的堵水排水措施[4-8],以确保洞室的长期安全与稳定。田建林等[9]采用平面渗流有限元方法，结合固结灌浆和钻孔安装毛细透排水管设计方案，对水工隧洞的排水效果进行了对比分析；赵大洲等[10]针对引汉济渭工程黄三段深埋长输水隧洞工程，进行了中等富水区、弱富水区和贫水区三种地质情况下的稳定性分析；殷国权[11]则以锦屏二级水电站为背景，介绍了超高渗透压力条件下堵水灌浆技术。

上述研究为复杂地质条件下水工隧洞的设计施工提供了一定的借鉴，但由于多数水工隧洞在开挖过后仍须进行二衬，因此二衬时的堵水排水技术对水工隧洞后期衬砌而言就显得格外重要。本文在前人研究的基础上，开展了衬砌过程中堵水排水措施对外水荷载减载规律的影响研究，以期为水工隧洞的衬砌施工提供理论指导。

2 理论基础及分析模型

2.1 流固耦合理论

传统的Biot固结理论认为：在渗流-应力耦合情况下，岩体的孔隙率和渗透系数是恒定不变的，即仅为渗透体积应力对整个岩体应力场的作用过程，见式(1)：

(1)

式中，τ表示面力，N/m2；f表示体力，N/m3；δε表示虚应变,%；δμ表示虚位移,mm；σ′表示有效应力张量，MPa；μw表示孔隙水压力，MPa；sw表示饱和度，%。

在实际工程中，岩体渗透系数受施工工序、环境的影响变化较为显著，应力场对渗流场的影响则体现于岩体渗透性的不断变化过程之中，因此引入渗透系数动态演化方程，得到式(2)：

(2)

式中，Dep表示弹塑性矩阵，无量纲；η为计算参数，无量纲。式(2)将围岩和衬砌结构作为整体进行分析，考虑了外水荷载在衬砌前后的变化。

2.2 ABAQUS有限元分析模型

图1 ABAQUS分析模型示意

3 模拟结果分析

3.1 堵水措施影响分析

水工隧洞的堵水措施包括两种：一种设置于衬砌背后，主要应用于浅埋隧洞且外水压力较小的情况；另外一种则是固结灌浆，主要针对深埋且外水压力较大的隧洞，这一类措施主要目的在于降低围岩的渗透系数，以形成较为致密的封堵圈。将围岩渗透系数设置为1×10-5m/s，衬砌渗透系数设置为6×10-7m/s，灌浆圈渗透系数设置为9种情况，见表1。

以方案2、5、9为例，对围岩-衬砌渗流场进行了对比分析，见图2。从图2可以看出：当灌浆圈渗透系数与围岩渗透系数相差不大时，渗流场在开挖区域周围有较大的扰动现象发生，随着灌浆圈渗透系数的逐渐降低，渗流场变化剧烈区域逐渐收缩，向衬砌圈和灌浆圈附近靠近；当灌浆圈渗透系数远小于围岩渗透系数后，围岩区域内的渗流场已趋近于围岩未开挖前的初始渗流场，此时变化最为剧烈的部位集中于灌浆圈和衬砌圈，渗透体积力逐渐表现出静水压力特征。灌浆堵水可以减小水工隧洞开挖衬砌施工过程中对地下水的扰动，且灌浆圈的渗透系数应尽量小于围岩的渗透系数，一般认为两者比值应该控制在1/40以下。

图2 渗流场变化特征

灌浆后孔压、应力的折减情况见图3。从图3可以看出：采取灌浆措施后，对衬砌孔压的折减作用要强于对应力的折减作用，故而只减小衬砌外水压力是不充分的，还需要考虑渗流体积力(即围岩传递给衬砌圈的外荷载)对衬砌应力的影响，因此对灌浆圈内壁的应力进行分析(即围岩对衬砌圈的挤压力)，见图4。从图4可以观察到:应力增大比随灌浆圈的渗透系数与衬砌圈渗透系数比值的增大呈幂函数型降低，当渗透系数比小于1时，对衬砌圈起到增大压力作用；当渗透系数比值大于1后，对衬砌圈起到减小挤压力的作用，表明渗透体积应力会抵消一部分灌浆堵水的减载效果，故而在实际施工过程中为了同时达到减水压和降压力的良好效果，须在衬砌圈与围岩之间增设缓冲层(如柔性排水垫层、土工膜等)，以释放或者缓解堵水对衬砌圈的额外应力。

图4 灌浆圈内边缘应力增大比情况

3.2 排水措施影响分析

排水措施主要以导管排水为主，在隧洞运行期间处于正常水位以上。排水管的排水效果受灌浆圈渗透系数、排水管长度以及位置等因素影响。灌浆圈渗透系数仍采用3.1节中方案大小，得到排水前后应力消减百分比与灌浆圈渗透系数/衬砌渗透系数的关系，见图5。从图5可以观察到：排水前后应力消减百分比随渗透系数比值呈“增—降”两阶段变化特征，当灌浆圈渗透系数/衬砌渗透系数处于0.3～1.2时，应力消减率达到40%左右，表明此时的排水效果最佳；当灌浆圈渗透系数/衬砌渗透系数大于5后，反而会增大衬砌圈所受应力，此时应该考虑将排水管深入灌浆圈。

图5 应力消减比情况

排水管深入灌浆圈虽然在一定程度上减小了渗透体积应力，但会导致有效应力增大，造成灌浆圈部分围岩的变形量加大，故而对排水管贯穿灌浆圈后的应力折减百分比进行了分析，见图6。从图6可以看出：当灌浆圈渗透系数/衬砌渗透系数小于0.2时，延长排水管长度反而会加大衬砌圈的受力；当比值在1.2左右时，应力折减百分比最大，达到25%。

图6 排水管贯穿灌浆圈应力消减比情况

设置六种不同位置处的排水管布置方式(见表2)，对减载效果进行了分析(灌浆圈渗透系数取1.2×10-5m/s)，见图7。从图7可以看到：单排水管情况下，在高水压端孔压减载效果最好，其次为顶部和低水头段，对于应力折减，由大到小依次为顶部、低水头段、高水头端；在双排水管设置时，孔压、应力值均有所减小，但整体而言，顶部+低水头端排水布置方式时的综合减载效果最佳，孔压和应力值分别降低25%和14%。

表2 排水管布置方式

图7 排水位置对孔压、应力折减比影响

4 措施建议

在高应力渗透水压作用下，隧洞的衬砌工作将面临诸多困难，渗水冲刷混凝土使得其难以发挥强度优势，在衬砌结束后进行灌浆补强虽然在一定程度上有助于完善结构的整体强度，减小渗透损伤破坏，但是这种先破坏再修补的施工方案大大增加了工作量，且不能保证对所有缺陷部位进行有效、彻底的检测识别，容易形成安全隐患，建议在预防措施上加大投入，如采用渗透结晶性防水材料，将其作为外加剂于混凝土中进行搅拌，可增加混凝土本身的防水性能，同时要注意浇筑时模板内的防排水措施，在衬砌与围岩之间设置缓冲层，同时根据围岩渗透系数情况，适当延长导管长度，避免或者减少渗透破坏情况发生。限于研究成果和工程经验，对于其他一些措施，还须在将来作进一步的分析和探讨。

5 结 论

a.灌浆堵水可以减小对地下水的扰动，随着灌浆圈渗透系数与围岩渗透系数比值逐渐减小，周围渗流场趋于平稳，剧烈区域趋于灌浆圈和衬砌圈，一般认为两者比值应该控制在1/40以下。

b.渗流体积应力会抵消一部分灌浆堵水减载效果，须在围岩和衬砌圈之间设置柔性缓冲层。

c.当灌浆圈渗透系数/衬砌渗透系数为0.3～1.2时，导管的排水效果较佳；要根据围岩渗透性情况，适当延长排水管；顶部+低水头端排水布置方式时的综合减载效果最佳。