少荃湖湖底隧道工程渗流场特性分析

王 昊，刘 广*，王静峰，张兴其，浦玉炳，严 中，丁兆东

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥市市政设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230009)

随着经济的发展以及城市道路建设的不断推进，隧道工程建设迎来新一波热潮，越来越多的城市都在大力开发地下空间，在地下水丰富的地区，地下空间结构在不同程度上面临渗漏的威胁[1]。

隧道等地下结构的防渗问题与混凝土的抗渗性能密切相关。要提高混凝土的抗渗性能，可以通过内掺有机硅来改性水泥混凝土，形成网状交联结构,有效改善水泥混凝土的防水抗渗性能和抗氯离子渗透能力[2]。同时，改变混凝土材料的水灰比，也可以在一定程度上提高混凝土的抗渗性[3-4]。梁柯鑫等[5]的试验结果表明,水胶比降低,电通量和氯离子迁移系数下降,透气系数增加,抗渗性改善。混凝土自身的抗渗性能通常是满足要求的,隧洞结构在长期运行过程中易发生损伤开裂，需要详细研究衬砌损伤开裂、渗透孔压以及钢筋应力的演化特征，并探讨了衬砌与围岩有条件联合承载特性对耦合结果的影响[6-7]。当前，许多防水材料也广泛应用于隧道混凝土的防渗。宋锋[8]研究并比较了4种防护材料的抗渗性能，得到了相关结果。郭玉峰等[9]给出了双孔隧道更精确的渗流场解析解，并讨论了隧道间距，埋深等对渗流量的影响。王同华等[10]对隧道工程中的地下水渗漏现象造成的危害进行了总结，分析了渗漏水的产生机理和形成条件，并根据结果提出了一套涵盖设计、施工和养护的渗漏水综合治理方法。夏江南等[11]在池州长江公路大桥建设中，采用了梯度功能混凝土新型结构，在普通混凝土结构表层设置一层高性能混凝土，在有效提高结构功能性的同时，节约了大量的经济成本。林立华[12]在厦门海沧海底隧道建设中对排水设计进行优化提升，提高隧道排水效果与防渗能力。目前对混凝土性能的研究重点集中在强度与耐久性上，对抗渗问题多通过后期衬彻等工程进行隔水处理。本文通过对隧道的渗流分析，分析研究了不同混凝土的抗渗性能，同时根据隧道的渗流情况提出对应的防渗举措，并分析其稳定性、安全性，为工程的后期养护、防渗处理提供一定的理论支撑,本文依托于实际工程，分析了不同工况下渗流的易发部位，对后续隧道的防水处理及养护提供理论支撑。

1 工程背景及模型建立

本工程为合肥少荃湖隧道，南起荃湖南路，下穿少荃湖公园及规划路，止于隧道暗埋段终点，其中下穿少荃湖隧道全长1.09 km。该湖底隧道采用明挖法进行施工，隧道施工前在湖中修建了围堰，隧道开挖浇筑完成之后拆除围堰。在FLAC 3D中建立全尺度的隧道模型，所采用尺寸参数与实际工程一致(图1)。

图1 隧道横剖面示意(mm)

隧道模型共包括5 572个节点，采用摩尔-库伦本构模型。隧道主体采用C30混凝土，具体参数依照GB 50010—2002中的标准进行设计。三维模型见图2，其中图1a为无覆盖土层的情况，图1b为存在覆盖土层的情况(其中，蓝色部分表示覆盖土层)。

a)无覆盖土层隧道模型

该隧道浇筑主体采用C30混凝土，其主要的模型参数见表1[13-14]。

表1 隧道模型参数

由于数值渗流分析主要关注渗流稳定状态,为了尽快达到渗流稳定状态，在对于土层渗透系数采用偏大值进行计算。计算采用FLAC3D进行，遵循多孔介质中Darcy定律的单相渗流理论，及质量守恒定律。可以描述多孔介质中流体渗流的孔隙水压力、饱和度、特定排水向量等变量。模拟时，依据有无覆盖土层及水深分为不同工况，具体工况分别为。

a)隧道顶部水头为3 m时，有无覆盖土层。此时对隧道顶部赋予3 m水头，左右两侧水头随水深梯度变化，在有覆盖土层的情况下水头施加在土层外表面，模拟蓄水后隧道表面所受水压力情况。前后断面及底部按不透水边界处理，隧道内部表面认为其表面饱和度及孔隙水压力固定为0，视作透水断面。

b)隧道顶部水头为6 m时，有无覆盖土层。此时对隧道顶部赋予6 m水头，左右两侧水头随水深梯度变化。其他边界与水深为3 m时相同。

c)隧道顶部水头为9 m时，有无覆盖土层。此时对隧道顶部赋予9 m水头，左右两侧水头随水深梯度变化。其他边界与水深为3 m时相同。

2 数值分析

2.1 湖底隧道渗流特征

本文所涉及到的湖底隧道渗流分析均为稳态分析，即湖底隧道水深以及材料的渗透系数等参数不随时间变化。采用上述模型参数对隧道无覆盖土层和有1 m覆盖土层2种工况进行计算，图3为水头为3 m时的渗流情况，在顶面施加3 m水头的水压力(有覆盖土层是施加2 m),左右两侧表面施加随水深梯度增加的水压力，渗流时间为4 d时的孔隙水压力分布。

a)无覆盖土层

从图中可以看到，无覆盖土层时，相比隧道中部位置，隧道两侧的孔隙水压力的变化趋势更加明显，隧道两侧受水压力作用渗透明显，侧壁可见较大的孔隙水压力。在隧道顶部有1 m土层覆盖的情况下，隧道混凝土内部的孔隙水压力相对较小，高孔隙水压力区域分布于土层下部，对隧道的影响较小。土层的存在有效降低了隧道内部的孔隙水压力，有利于隧道防渗。

当隧道顶部水深从3 m增加到6 m时，对于裸露隧道，隧道的孔隙水压力分布依旧集中在顶部及两侧区域，孔隙水压力在隧道外表面底部最大，最大值与该处的静水压力相等(图4)。当存在覆盖土层时，负孔隙水压力集中在隧道顶部与土层接触的区域，但数值上在相同的运行时间里比无覆盖土层时要小上许多。同时，随着水深的增加，隧道负压区域有着明显变小的趋势(图5)。

a)无覆盖土层

a)无覆盖土层

在一段时间的渗流后隧道渗流近似达到稳态，渗流状态变化不大。对比不同深度的云图，在隧道裸露时，隧道表层直接承受孔隙水压力，在底部表层变化明显。而覆盖土层缓解了这一现象，水深的增加对隧道渗流的影响较之裸露状态并不明显。

2.2 不同防渗层厚度的混凝土块抗渗性能对比

为研究隧道防渗层对于防渗效果的影响，模拟了不同防渗层厚度下4个混凝土块的渗流情况，模拟均在混凝土已经产生渗流的情况下进行。

首先将4个相同大小(2 m×3 m)的混凝土块进行数值模型区域划分，赋予4个混凝土模型不同的材料属性，普通和抗渗混凝土的基本物理参数的取值见表2。

表2 不同种类混凝土材料参数取值表

图6所示，为进行对照，其中一个混凝土块无防渗混凝土层，全部采用普通混凝土，另外3个分别采用0.1、0.2、0.4 m的抗渗混凝土作为防渗层，4个模型的体积相同。

图6 混凝土块防渗层布置示意

取水头为3 m，对外部表面(顶部及四周)施加随水深梯度增加的水压力，监测模型中央的孔压数据，以获得不同覆盖层厚度下的孔隙水压力分布，见图7。

图7 混凝土块模型及检测点位

模拟结果显示，渗流时间达到7 d后，可获得饱和状态下的孔压分布，此时孔压分布近似与静水压力相同，见图8。

图8 饱和情况下的孔压分布(0.1 m厚防渗层)

同时，获得监测点的孔压变化曲线。对4个混凝土块分别进行计算，得到不同防渗层厚度下达到饱和状态时监测点的孔压变化规律曲线。

从图9中可知，在达到饱和状态时不同混凝土块监测点的孔压是相同的，都等于该点的静水压力，但防渗层的存在能够有效减缓渗流速度。一般的情况下，普通混凝土主要是减少混凝土中的沙石含量与体积、降低混凝土中的水灰成分，进而减少混凝土的孔隙率。抗渗混凝土会掺加适量的粉煤灰或其他的外加剂成分，粉煤灰的作用可以节约水泥，降低混凝土的成本，还可以增加密实度来提高混凝土的抗渗性能。另外，抗渗混凝土还会加入引气剂或者引气减水剂，使混凝土内部产生微小均匀的气泡(含气量大致在3%～5%)，进而满足混凝土工程的抗渗要求。外加剂种类的不同也会导致混凝土防水效果的不同，所以配置混凝土时需进行科学的考察，合理的配置混凝土各组成的成分比例。从模拟结构来看，外表采用一定厚度的抗渗混凝土作为防渗层，内部使用的是普通混凝土，可以有效降低成本，同时也能起到很好的防渗效果。

图9 不同防渗层厚度下孔压变化曲线

3 结论

a)采用数值方法研究了湖底隧道渗流的基本特征，结果表明，隧道顶板水位的升高导致湖底隧道底部以及湖底隧道两边外侧孔隙水压力增大，危险破坏程度大的部位也在此处。隧道外侧有土层覆盖以及顶板厚度增高的情况下隧道渗流的状况会有一定的抑制作用。在进行混凝土防水措施的选择时，采用普通混凝土和一定厚度的抗渗混凝土作为防渗层可以降低成本，同时起到较好的防渗效果。

b)数值模拟直观地反映了孔隙水压力在隧道内部的压力分布情况，显示了隧道容易发生渗漏的部位。研究了不同防渗层厚度情况下混凝土块的渗流状况，为隧道工程混凝土防水设计提供理论支撑。