基于解析法和数值法的库区对隧道渗漏影响分析

2022-03-17吴雄英

山西建筑 2022年6期

方正，杨磊* ，吴雄英

（1．四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川成都 610017； 2．成都理工大学机电工程学院，四川成都 610059）

0 引言

随着我国高速公路快速发展，越来越多的高速公路在山区修建，而我国西部地区广泛分布高山峡谷，导致西部地区高速公路桥隧比越来越高［1］。部分隧道需要穿越水库库区或紧邻库区，水库蓄水后的渗流对隧道的安全施工和后期运营都会带来不确定性的影响。

目前，已有部分学者就水库蓄水对隧道的安全影响进行了相关研究［2－5］。尚海敏等［6］运用地下水渗流理论和三维有限差分方法，对比分析隧道施工降水前后隧址区地下水的运移变化情况，并结合剖面二维渗流模拟，开展了瓦沟台水库蓄水对隧道施工安全的影响研究。张朕铭［7］依托横江梯级电站水库蓄水对内昆铁路安全影响的评估、防治工程设计项目，结合岩体力学、结构力学、水文地质、工程地质、土力学等多学科进行综合分析，水库蓄水后对隧道安全的影响进行了系统评价。Alessandro Graziani，Daniela Boldini［8］通过解析法与数值法相结合的方法，分析了深埋隧道应力－渗流耦合下的应力和应变问题［9］。侯伟等［10］基于GEOSLOPE，分析了李家河水库对西合高速公路深埋隧道的渗流影响。吕晓聪等［11］通过理论计算，简化海底圆形隧道模型，得出了流固耦合作用下隧道围岩的变形和衬砌结构的受力的大小，并通过与实际工程进行验证得出不同埋深和不同海水压力海底隧道稳定性的影响。Li 等［12］对地下水渗流场作用下双连拱隧道围岩变形动态进行了研究，总结了渗流场对隧道结构的影响。

本文以某高速公路大坝田隧道为工程背景，隧址区右侧益门河上有在建仓田电站，电站库区蓄水可能将对大田坝隧道产生渗漏影响，采用解析法和数值模拟法对仓田电站库区蓄水对大坝田隧道渗漏的影响进行分析。

1 工程概况

1．1 地形地貌

大坝田隧道隧址区属于构造剥蚀中山地貌，大坝田隧道位于益门河右岸，为斜坡峡谷地貌，峡谷整体呈宽“V”形。拟建隧道属越岭榜河隧道，地形整体呈“中部高、两侧低”状，地形整体起伏较大。

1．2 仓田电站与大坝田隧道位置关系

仓田电站位于凉山州会理县境内，为混合式开发，坝址位于下村乡付家弯上游300 m，回水至大坝田，取水口位于益门河左岸，沿河道左岸引水至益门河与六华河汇口下游约600 m 益门河左岸河漫滩建地面厂房发电。仓田电站水库区内河段相对开阔，河水面宽约6 m ～25 m，河谷宽20 m ～160 m，沟床平均坡降15‰～16‰，流域面积约900 km2。河段相对弯曲，但总体南向北流。两岸坡度在30° ～45°之间，大部分属于陡坡。除基岩出露段外植被发育较好，边坡相对稳定，库区设计蓄水位1 715 m，见图1。

图1 拟建大坝田隧道与蓄水水库的平面位置关系图

拟建大坝田隧道位于会理县六华镇大坝田，益门河右岸，为分离式隧道。轴线起止桩号左线为ZK27 +651 ～ZK29 +304，长1 653 m，右线为K27 +676 ～ K29 +284，长1 608 m，属长隧道。洞轴线为曲线形，隧道轴向169° ～225°，轴线设计左线标高：1 683．0 m ～1 724．0 m；右线标高1 683．6 m ～1 723．4 m，隧道最大埋深453．2 m。隧洞进口部位属于斜坡地带，接近新田背斜核部部位，地形坡度35° ～40°。工作区调查表明，隧道隧址通过石英片岩、石英千枚岩等变质岩地区，其片理面和节理裂隙较发育。

工作区隧址距离水库最短径流距离均大于300 m，最大水头差约为32 m，水力梯度0．106，存在水库蓄水向隧道渗漏的水动力条件，如图1 所示。

2 仓田电站库区蓄水前隧道涌水量预测

库区蓄水前，益门河水位高程约1 680．0 m，而拟建隧道标高1 683．0 m ～1 724．0 m，总体表明蓄水前隧道位于益门河水位高程以上，不受河流地表流水影响。

根据隧道钻孔揭露其地下潜水位标高在1 836．82 m，钻孔位于ZK27 + 914 ～ZK29 + 110 段隧址，潜水位面处于隧道洞体标高以上部位，地下水储存类型以基岩裂隙水为主，且局部压水试验揭露由于岩层陡倾裂隙发育，岩体破碎，透水性较强，且物探揭露此类地层带电阻率较低（物二及物三物探剖面），富水可能性较大，隧道开挖过程中地下水可能呈小型絮状流水渗入隧道。

2．1 涌（渗）水量预测方法

涌（渗）水量预测准确性主要取决于对隧洞充水条件的正确分析及计算参数和计算方法的合理选用。针对不同等级评价的隧道工程，考虑到隧道施工期涌（渗）水的不同来源，选用大气降雨入渗系数法，以及在地下水位以下的隧洞段选用地下水动力学方法（解析法）。

2．1．1大气降水法

隧址区地下水主要受地貌形态、岩性及节理发育程度控制。隧址区属亚热带高原季风气候，年均降雨量1 211．7 mm，降雨量90%以上集中在6 月～10 月。平均渗入量通过式（1）进行计算。

其中，Q渗为平均渗入量，m3/d；2．74 为换算系数；a为降雨入渗系数，根据TB 10049—2014 铁路工程水文地质勘察规程该区围岩属于较破碎岩石区（a=0．15 ～0．18）和较完整岩石区（a= 0．10 ～0．15）；x为多年平均降雨量，mm；F为隧道通过含水体地段的集水面积，km2。

2．1．2地下水动力学法

地下水动力学法进行隧道涌（渗）水量预测主要适用于地下水位之下的越岭隧道，水量来源为边界很远的潜水含水层，涌（渗）水量预测的关键在于隧道之上含水层的水头高度、介质渗透系数等参数。

基于稳定流理论推导的大井法、集水廊道法等地下水动力学计算公式解析解，在使用中要求有比较充分的地下水补给条件。稳定流计算公式认为隧道在发生涌突水时，适用于含水体为无限厚度，其概化模型如图2所示。

图2 稳定流概化模型

常用的涌（渗）水量地下水动力学法有裘布依理论公式和落合敏郎公式，前者主要适用于隧道通过潜水含水体，后者主要适用于基岩山地越岭隧道，含水体为无界潜水。而本区域因部分花岗岩侵入体的岩性变化，所以认为含水体是有界面变化的有界潜水体。因而对照本区域的工程地质条件来说裘布依理论公式更加适用。裘布依理论公式如下：

其中，Qs为预测隧道通过含水体稳定涌水量，m3/d；K为岩体的渗透系数，m/d；H为含水层中原始静水位至隧道底板的垂直距离，m；L为隧道通过含水层的长度，m；R为隧道涌水影响半径，m，S=1/3H；r为隧道洞身横断面的等价圆半径，m（单隧经验取3．5 m，双隧经验取值7 m）；h为隧道内排水沟假设水深，m，根据经验取值1 m。

2．2 涌水量预测计算结果

2．2．1大气降水法

在初步勘察阶段，采用大气降雨入渗系数法，预测隧道的涌突水量为2 397．1 m3/d。

2．2．2地下水动力学法

根据不同段落隧道洞身的地下水影响有效长度、含水层厚度、降雨入渗系数、地层岩性等计算得出预测正常涌水量为2 665． 3 m3/d，最大涌水量5 330． 5 m3/d，见表1。

表1 拟建隧道涌（渗）水量分段预测值

3 水库蓄水后隧道渗漏量预测

水库蓄水后，由于大坝田隧道建设，其高程低于正常蓄水位，库水可能沿花岗岩及变质岩的风化裂隙向隧道渗漏，从而可能增大隧道涌突水的风险，对工程安全有一定威胁。

3．1 水库蓄水后向隧道渗漏的条件分析

水库两侧的地层主要为前震旦系会理群力马河组一段及二段（Pt2l1，Pt2l2）的石英片岩、云母片岩、石英千枚岩、石英岩和晋宁期的二云母花岗岩、黑云母花岗岩及片麻状花岗岩。

大坝田隧道拟建高程为1 683．0 m ～1 724．0 m，正常蓄水位至1 715 m 后，水头差最大可达32 m，库区向隧道渗漏的水动力条件是存在的。可能的最短渗流路径约为300 m 最大的水力梯度为Jmax=32/300 =0．106，为水库渗漏提供了良好的水动力条件。

水库蓄水后，由于近坝库岸岩体中存在的风化裂隙，加之大坝田隧道的施工，水流会沿着这些通道由坝前向隧道渗漏，可能会加大隧道涌突水灾害的风险。此次研究选取K28 +010，K28 +347．4，K28 +671．2 三个典型断面进行分析，如图3 所示（篇幅有限，文中仅列出K28 +010 断面）。

图3 大坝田隧道工程地质断面图（1∶2 000）

3．2 不同蓄水高程的浸润曲线计算

浸润曲线的求解，可以用水均衡方法来建立流量方程，取坐标系：河1 边界为垂向h轴，向上为正；沿水平隔水底板取值为x轴，向右为正，先规定向右（与x轴向一致）的流量为正值；向左的流量为负值。规定有入渗补给W＞0；蒸发排泄，W＜0。其次建立断面1 至任意断面x间的水均衡方程，如图4 所示。

图4 河间地段潜水流动剖面图

若x断面取在地下分水岭的左侧（x＜a，a是地下分水岭处的x坐标），则有：

这时，q1＜0，q＜0，即：若x断面取在地下分水岭的右侧（x＞a），则得：

这时，q1＜0，q＞0，即：

加入引入Dupuit 假定，则单宽流量可写成：

代入式（6）得：

分离变量后，由断面1 至断面x作定积分，即：

当x=l时，h=h2，将上式可改写为：

可得断面1 的单宽流量方程：

将式（14）代入式（12）中，可得水头线方程为：

可由式（15）计算各剖面的不同蓄水位条件下的浸润曲线，计算结果如图5 所示。

图5 不同蓄水高程条件浸润线

3．3 水库蓄水后向隧道渗漏的数值模拟分析

仓田水库蓄水后将改变工作区地下水渗流场，为分析库区蓄水对拟建隧洞地下水渗流场影响及潜在渗流量，采用Visual MODFLOW 软件，分别构建蓄水前后两个地下水渗流数值模型开展分析。

在隧址区分别选取三个典型剖面对隧道建设后的渗流场进行模拟，对应3．2 节中的浸润线计算剖面。横一剖面位于隧址区北侧，模型西边界划定在1 715 m 蓄水位影响到的位置，隧道高程为1 683 m，其地下水埋深较小，水压力较大。文中以剖面一进行分析。

3．3．1模拟工况

本次模拟计算主要从以下两个方面进行：

1）针对仓田水库目前天然水流条件，进行非稳定流模拟与评价，模拟计算地下水渗流场变化，根据观测水位拟合情况判断模型的有效性。

2）针对水库蓄水至1 715 m 后，从北至南三个剖面水库水体对于地下水渗流场的变化影响分析，进行稳定流模拟与评价，通过水均衡计算水库（向隧道）渗漏量。

3．3．2参数取值

渗透系数取值根据钻孔压水试验分析，并结合经验来确定。考虑到场地试验与区域模拟的分析尺度不同，钻孔试验不能总体把握裂隙介质区域性的渗透性分布规律，而数值模拟尺度更大，更为宏观，需要结合经验参数来校正，因此在模拟的时候将试验所得渗透系数取值缩小了两个量级，导入模型进行计算。其余地层的渗透系数取值参考前震旦系会理群力马河组一段（Pt2l1）进行赋值。表2 为调试后的渗透参数取值。

表2 模型渗透系数取值

对于给水度和贮水系数等水文地质参数根据经验取值，变质岩区的给水度取0．2，贮水系数取10－5，花岗岩区给水度取0．2，贮水系数为10－5。

3．3．3模型建立

本次采用Visual MODFLOW 建立二维模型，由于模拟区地形起伏较大，选用分层的矩形网格，单元划分尺寸10 m×10 m，分别对研究区横一～横三剖面构建二维渗漏模型，如图6 所示。第1 模拟层为第四系全新统冲洪积层（的漂石、卵石及圆砾，第2 模拟层为前震旦系会理群力马河组一段（Pt2l1）的石英片岩、石英千枚岩（部分区域含该地层上部的覆盖物）；第3 模拟层为晋宁期（γ）的花岗岩（部分区域含该地层上部的覆盖物），其中，第3 层为渗漏模拟的重点层位。

图6 横一剖面二维渗漏模型特征（不同颜色代表介质渗透系数差异）

3．3．4模拟结果

图7 为模拟得到的现状条件下横一剖面地下水渗流场，中部花岗岩区在图中显示部分疏干，基岩中的水向益门河排泄。

图7 天然状态下横一剖面原始渗流场

图8 为仓田水库蓄水1 715 m，隧道开挖后横一剖面、横二剖面、横三剖面的地下水渗流场，隧道附近形成明显的降位漏斗，库水部分向隧道渗漏排泄。

图8 蓄水后横一剖面渗流场

3．4 水库蓄水后向隧道的渗漏量计算

库区的渗漏通道主要集中在大坝附近，渗漏层位主要为晋宁期的花岗岩（γ），渗漏段落无贯通性管道发育，为均质岩体裂隙渗漏，故渗漏量的计算公式采用SL 373—2007 水利水电工程水文地质勘察规范中推荐公式：

其中，q为单宽渗流量，m3/（d·m）；K为岩体渗透系数，m/d；H1为水库水位，m；H2为隧道高程，m；L为平均渗径，m。

在实际工程区，其变质岩及花岗岩体虽然坡表节理裂隙较发育，但基于物探揭露越往深部其岩体介质电阻率越高，隧道区岩体为弱（中）～微风化～新鲜，其介质渗透性更低，而且工作区变质岩片理面总体倾向坡外，不利于水库渗漏。此外，工作区最短渗透路径均在300 m以上，各横剖面上介质渗透性基于二维数值模拟反演参数揭示耦合性较好，模拟考虑更宏观的山体尺度效应，故计算时参照钻孔压水试验的岩体渗透系数并结合经验进行校正，采用数值模拟反演的等效渗透系数进行计算。计算结果见表3。

表3 水库蓄水对隧道的渗漏量计算结果表

从表3 可见，横一剖面段渗漏量最大，渗漏量为673 m3/d，横二剖面为312 m3/d，横三剖面为284 m3/d。

根据以上分析及计算方法，将整个隧道每个分段在水库蓄水后的涌（渗）水量进行预测，预测结果如表4 所示。

表4 水库蓄水后隧道涌（渗）水量增加量预测

从表4 可见，水库渗漏造成隧道涌水量的增加量为1 269 m3/d，蓄水后隧道K27 +740 ～K28 +980 段（总长约1 240 m）将低于正常蓄水高程，隧道单位长度上由水库渗漏造成的隧道涌水量的增加量ΔQ为1．02 m3/（d·m）。

4 结论及建议

4．1 结论

本文以某高速公路仓田电站对拟建大坝田隧道的渗漏影响为工程背景，采用解析法和数值模拟法进行分析。基于解析法的隧道涌水量计算结果，蓄水前隧道涌（渗）水量预测值为：正常涌（渗）水量约为2 665．3 m3/d，最大涌（渗）水量约为5 330．5 m3/d。基于水库蓄水后数值模拟分析的结果，水库渗漏造成隧道涌水量的增加量为1 269 m3/d，隧道单位长度上由水库渗漏造成的隧道涌水量的增加量ΔQ为1．02 m3/（d·m），整个水库蓄水后对隧道影响等级为轻微。