富水地区水工隧洞堵排水技术性能研究

姚 军

(合肥学院 城市建设与交通学院,合肥 230601)

0 引 言

近年来随着水利工程快速发展，水工隧洞在我国大量建设，在获得巨大经济、社会效益的同时，裂隙岩体隧洞衬砌结构安全和地下水环境负面效益问题日益突出。富水地区地下水位线一般高出洞轴线很多，导致衬砌结构承受较大外水压力。堵排结合设计原则，可有效降低衬砌外水压力，同时由于堵水设计可控制地下水排放量，保证不会由于隧洞排水导致地下水位线明显下降造成生态环境破坏。

潘以恒用复变函数和渗流力学理论建立围岩、衬砌及注浆圈的渗流场方程，分析了注浆圈参数与衬砌的外水压力之间的关系，明确了注浆圈的堵水性能。[1]李强采用钻孔弹模计对围岩注浆前后，注浆圈力学性能进行了测试，准确评价固结灌浆的堵水效果。[2]姚军根据排水减压阀的排水性能，采用解析方法和数值计算的方法分别计算了衬砌背后外水压力和排水量之间的关系，同时分析了围岩渗透系数对隧洞施工和运营期地下水位变化影响规律。[3]

学者关于隧洞注浆、隧洞排水孔均有一定的研究，但是堵水措施和排水措施对衬砌外水压力和地下水位线的影响，鲜有研究。隧洞注浆后，围岩渗透系数降低，地下水聚集在衬砌外围导致衬砌外水压力增大；排水措施可将孔隙介质中地下水在水力梯度作用下排至隧洞内，但是容易致使地下水过度下降导致地表干涸、植物枯死导致环境问题。[5]

本文将通过ABAQUS数值计算，分析隧洞在开挖过程中地下水位变化规律以及不同注浆圈厚度、不同排水能力下对衬砌外水压力的影响，堵水、排水技术联合使用的时候，衬砌外水压力和水位线降深的规律。

1 隧洞注浆圈堵水性能分析

隧洞堵水措施一般使用在不良地质体中，如断层破碎带、岩溶区，岩体裂隙开度大、围岩渗透性强，为改善其力学性能，工程中一般用硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰为主要原料制成的注浆材料，在围岩径向一定范围内进行注浆形成注浆圈[4]，通过注浆可堵塞围岩裂隙、填充孔隙、减小围岩的渗透系数，从而控制地下水向隧洞内渗流。注浆圈通过注浆材料的粘结性可增强隧洞周围岩体的完整性，提高其力学性能，同时为锚杆施工提供基础。[6]

1.1 注浆圈数值计算

为了分析注浆圈的堵水性能，建立二维渗流-应力耦合几何模型，模拟隧洞开挖和注浆过程。几何模型宽50米，高60米，隧洞埋深30米，隧洞洞泾8.4m；围岩主要为岩溶地质渗透性强，渗透系数取1.0×10-5m/s、注浆圈渗透系数取1.0×10-6m/s、衬砌渗透系数1.0×10-7m/s,模型两侧加边界水头，地下水位线位于地表(模型顶部)，几何模型如图1所示。由于隧洞洞轴线在地下水位线以下，因此隧洞在开挖和支护过程中地下水位会随工程建设过程而改变。

图2为围岩孔压分布初始状态，隧洞开挖后，洞壁处与大气相通孔压为0，与围岩内水形成径向水力梯度，孔隙水在水力梯度作用下向隧洞内排放，隧洞上方地下水位线下降并呈漏斗状，如图3所示。为保护初衬结构安全及限制排水量，开始在初衬外围注浆以形成注浆圈。由于注浆圈渗透性较低，渗流场中水堵在注浆圈外围如图4所示，此时地下水为线分布与初始状态相比，水位线略有降低，但明显好于图2所示开挖状态。图2至图4孔隙水压力分布有力证明了，注浆圈利用渗透性低的特点，在水工隧洞施工过程中起到了很好的堵水效果。

图2围岩孔压初始状态图 图3隧洞开挖后围岩孔压云图 图4注浆圈施加后围岩孔压云图

1.2 注浆厚度对堵水性能影响规律

1.1节分析说明注浆圈具有较好的堵水性能，注浆圈有两个主要因素：一是注浆圈厚度，二是注浆圈渗透系数。为了分析不同注浆圈厚度w对堵水性能的影响，在上述模型基础之上分别建立不同注浆圈厚度w=2m、3m、4m、5m的模型，进行计算。

图5为不同注浆圈厚度下，初砌的应力云图，表1为不同工况下衬砌最大应力汇总。从图5和表1可以看出，注浆圈厚度越大衬砌上最大应力值越小，这体现了注浆圈厚度不同堵水效果差异。衬砌周围岩体裂隙和孔隙在注浆后渗透性降低，使得部分外水压力作用在注浆圈上；同时注浆后围岩整体性较好，衬砌与注浆圈形成联合承载状态，注浆圈帮助衬砌结构分担上部岩体重量，减小衬砌结构应力，减少衬砌裂缝产生概率，保证衬砌结构安全。

(a)w=2m,衬砌应力云图 (b)w=3m,衬砌应力云图

表1 四种工况下初衬应力计算结果

2 隧洞排水能力对衬砌外水压力影响规律

水工隧洞排水技术主要是在衬砌上设置排水孔或者排水系统装置，将衬砌外的水从排水孔或者排水系统排至隧洞内，降低衬砌外水压力，但是若排放量过大或者隧洞周围地下水无有效补给，则导致隧洞顶上方地下水下降较多[7]，图6中白色区域为孔压为负值区域，即隧洞排水过程中地下水位线下降区域。

图6 排水设备排水时隧洞周围孔压分布云图

水工隧洞为避免内水外漏造成流量损失，排水设备常采用一种单向阀，一端放置在衬砌背后的围岩中，一端在隧洞内，只允许水从衬砌背后流向隧洞内。通过将衬砌背后水排向隧洞内以降低衬砌外水压力。假定衬砌背后水压力P、孔隙水流速度V，进行理论解析计算。图7所示排水阀和其计算单元简图，水从右侧进入管道，然后从左侧流出，忽略水流进入管道入口的阻碍。左侧入水口处压强为P，流速V1，右侧出水口压强为P2，水流速度为V2。

图7 排水减压阀及计算简图

引入伯努利方程：

(1)

排水设备入口流速V1相比于出口流速数值很小，可假定V1=0,同时式中动量修正系数取α1=α2=1。入口压力即初衬背后排水设备进水口处，水压力设为P，出口处即为排水设备在隧洞内的出水口与大气相通，其压力为0。[8]

此时方程化为：

(2)

由于公式(2)中ζ、λ、l、d均为常数项，由此可得衬砌背后外水压力和隧洞内排水设备出口流速V之间的线性关系。

根据渗流第三类边界条件：

V=KSP

(3)

其中：V边界法线方向上流速；KS渗流系数；P表示边界上孔隙水压力。

根据衬砌外水压力与排水设备出水口流速比值，取Ks=1.0×10-2、1.0×10-3、1.0×10-4、1.0×10-5、1.0×10-6、1.0×10-7、1.0×10-8，作为边界条件带入模型进行计算，计算结果如表2所示。

表2 不同排水能力下七种工况下，初衬最大孔压计算结果

从图8可以看到设置不同排水边界后，衬砌孔压分布情况差异较大，其中Ks值越大，排水边界排水量越大，衬砌背后外水压力消散越快，衬砌上孔隙水压力越低，但是当Ks≥1.0×10-5时，衬砌上应力不再减小。主要原因是排水边界排向隧洞内的速度大于地下水下降速度，因此衬砌上孔压不再有效降低。

(a)Ks=1.0×10-5,衬砌孔压分布 (b)Ks=1.0×10-6,衬砌孔压分布

3 隧洞堵排结合技术综合应用分析

堵排结合设计原则，主要实现以下三个目标：(1)有效降低隧洞衬砌结构外水压力；(2)控制隧洞排水量，避免地下水大量流失；(3)通过注浆圈与衬砌联合承载，优化衬砌结构承载状态。为了分析堵排结合技术的性能，选取注浆圈厚度w=3m,Ks=1.0×10-5、1.0×10-6、1.0×10-7、1.0×10-8分别带入模型计算。[9]

计算结果如图9、图10所示，在注浆圈厚度相同的情况下，Ks越大衬砌最大孔压越小，且小于注浆圈厚度w=3m时衬砌孔压值，说明排水设备排水减小了衬砌外水压力，于此同时注浆圈分担了衬砌外水压力，所以在堵排结合、限量排放的设计原则下，衬砌外水压力有效降低，实现了外水压力有效折减，同时当Ks≥1.0×104时，衬砌外水压力不再降低，与隧洞排水技术规律一致。但是在堵排结合设计原则下，隧洞顶地下水位仍有一定降深，堵水和排水需要在一定范围内优化，以达到最优状态。[10-11]

(a)Ks=1.0×10-8,衬砌孔压分布 (b)Ks=1.0×10-7,衬砌孔压分布

图10 衬砌最大孔压与Ks之间关系

4 结 论

文章采用渗流场数值计算技术，运用ABAQUS软件模拟注浆圈堵水性能、注浆圈厚度对堵水性能的影响、排水设备排水减压效果以及堵水和排水技术在隧洞工程中的综合应用。得到以下结论：(1)隧洞开挖过程中上方地下水位呈漏斗状下降，注浆圈可有效堵水。注浆圈厚度越大，堵水性能越强，有效降低衬砌外水压力；(2)隧洞排水可降低衬砌外水压力，但当Ks≥1.0×10-5时，衬砌孔压不再下降；(3)堵排结合综合应用，可有效降低衬砌外水压力，并控制地下水排放量。