基于数值模拟的引水隧洞稳定性研究

2023-08-23张林

水利技术监督 2023年8期

张林

(江西省水投工程咨询集团有限公司，江西南昌 330000)

我国幅员辽阔，东西、南北跨度较大，这也导致了我国水资源分布不均匀，形成南多北少、东多西少的分布特点。因此，为了满足北部和西部地区的水资源需求，我国组织修建了大量的引水工程，比如云南滇中引水工程、南水北调工程等。在这类工程中，引水隧洞的施工难度较大，也更容易引起地质灾害。尤其是在隧洞开挖过程中以及隧洞使用期间产生的一系列渗流问题和围岩稳定性变差等问题，严重威胁了群众的生命财产安全。

一些学者对引水隧洞建设和使用过程中出现的问题进行研究，结果表明，渗流场和应力场的相互作用是导致引水隧洞出现安全事故的主要因素[1-2]。刘仲秋等[3]以锦屏二级水电站引水隧洞为研究对象，采用数值模拟的方法，对隧洞施工和运营期间进行应力-渗流耦合分析。结果表明，水流外渗容易对隧洞的衬砌结构产生不利影响，施工过程中应采取一定的防范措施。李术才等[4]采用流固耦合模型试验的方法，对海底隧道的施工进行研究，揭示了施工过程中围岩中应力以及渗流场的变化规律，为今后类似的工程提供了依据。谢光莹等[5]同样是基于流固耦合模型，研究分析了隧道开挖过程中衬砌的变形和孔隙水压力的变化。纪佑军等[6]以实际工程为基础，先建立了隧道开挖过程中的数学模型，再利用Comsol有限元分析软件对围岩的应力、渗流规律进行模拟。结果表明，在隧道开挖过程中，通过注浆可以有效控制围岩的变形以及地表沉降。

综上所述，国内外学者对围岩中渗流场和应力场的耦合作用进行了大量的研究，也获得了丰硕的成果，但研究对象大多数为交通隧道，也没有考虑隧洞埋深、地下水位等因素对隧道稳定性的影响对。因此本文运用数值模拟的方法，研究隧洞的埋深、地下水位高度等对渗流、位移以及应力的影响，以期给今后的工程提供参考。

1 模型参数

本文以某地区的引水隧洞为例，考虑到渗流-应力的耦合作用，使用有限元分析软件对隧洞的开挖过程进行模拟，该隧洞的结构断面如图1所示。建模过程中为了减少边界效应对计算结果的影响，选定模型的尺寸为90m×10m×80m。计算过程中，模型的顶部无约束，底部为固定约束，侧面均为法向位移约束。该模型中共包括3种土层，自上而下分别为填土层(5m)、黄土层(8m)和砂岩，隧洞位于砂岩层中。砂岩、初衬和底板均采用M-C力学模型，二衬采用的是弹性模型，并设置为不透水层，具体的力学参数见表1。

表1 材料基本参数表

图1 引水隧洞结构断面图

2 数值模拟结果

无论是在隧洞的开挖过程还是在隧洞的运营期间，隧洞的埋深和地下水位的高度对隧洞的稳定性影响最为显著。因此，本文共设置5种工况，来探究隧洞埋深和地下水位对隧洞周围渗流场、位移以及应力分布的影响。

2.1 隧洞埋深对隧洞稳定性的影响

隧洞埋深是指隧洞顶部与地面间的距离，为了探究隧洞埋深对隧洞稳定性的影响，本节模拟分析了3种工况，保持地下水位位于地表不变，仅改变隧洞的埋深为20、30、40m。

2.1.1隧洞埋深对渗流场的影响

图2为不同隧洞埋深情况下隧洞开挖面处地下水的流速和涌水量变化图。从图中可以看出，随着隧洞埋深的增加，地下水的渗流速度和涌出量均有增加，尤其是当隧洞埋深从30m增加到40m时，地下水的渗流速度和涌水量剧烈增加，平均流速从2.9×10-5m/s增加到了9.8×10-5m/s，涌水量从1.3m3/h增加到了4.36m3/h，分别增长了237.9%和235.4%；而当隧洞埋深从20m增加到30m时，地下水的平均渗流速度和涌水量分别增长了31.8%和44.4%。这说明引水隧洞埋深对渗流场的影响较为明显，当埋深超过30m后应优化防排水措施，防止突涌事件的发生。

图2 隧洞埋深对地下水流速和涌水量的影响

2.1.2隧洞埋深对位移的影响

图3给出的是不同隧洞埋深对隧洞衬砌位移的影响。共选取了4个观察点，分别是隧洞拱顶、隧洞底板、左边墙和右边墙。通过对比可以发现，与渗流场的变化不同的是，位移随着隧洞埋深的增加呈现出线性增长趋势。当隧洞埋深从20m增加为40m时，隧洞拱顶的位移由2.8mm增加至9.7mm，增加了约246%；隧洞底板的位移由2.2mm增加至4.1mm，增加了约86%；左边墙由4.3mm增加至9.1mm，增加了约112%；右边墙由4.2mm增加至9.6mm，增加了约128%。由此可知，隧洞埋深对拱顶位移的影响最明显，对边墙的影响次之，对底板位移的影响最小。

图3 隧洞埋深对位移的影响

2.1.3隧洞埋深对应力的影响

研究隧洞埋深对应力的影响时，设置的观察点分别位于拱顶、左拱脚、左墙角和地板中心点。计算结果显示最大主应力和最小主应力均为压应力，而图中的数值仅表示主应力大小。从图中可以看出，随着隧洞埋深的增加，衬砌的主应力大小也逐渐增加。当隧洞的埋深从20m增加为40m时，拱顶的最大主应力增加了约127%，最小主应力增加了约100%；左拱脚的最大主应力增加了约132%，最小主应力增加了约89%；左墙脚的最大主应力增加了约53%，最小主应力增加了约34%；底板的最大主应力增加了约69%，最小主应力增加了约49%。此外，左墙脚处的主应力值最大，底板中心的主应力值最小。由此可见，隧洞埋深对拱脚处的最大主应力影响最为明显，而对拱顶处的最小主应力影响较为明显[7-8]。

2.2 地下水位对隧洞稳定性的影响

本节中隧洞的埋深均为40m不变，设置隧道拱顶为±0m，3种工况分别是地下水位为10、20、40m，其他参数与前文一致。以此来研究地下水位的变化对隧洞稳定性的影响。

2.2.1地下水位对渗流场的影响

如图5所示，随着地下水位的升高，地下水的流速和涌水量都随之上升，但升高的趋势较为缓慢。当地下水位由10m增加到40m时，地下水平均流速从8.79×10-5m/s增加到了9.84×10-5m/s，涌水量从3.85m3/h增加到了4.36m3/h，分别增长了12%和13%。和隧洞埋深对渗流场的影响相比，地下水位对渗流场的影响不明显。

图5 地下水位对渗流场的影响

2.2.2地下水位对位移的影响

在分析地下水位变化对衬砌位移的影响时，同样将观测点设置在隧洞拱顶、隧洞底板、左边墙和右边墙。从图6中可以看出，地下水位的变化对隧洞地板的位移影响较小，当地下水位由10m增加到40m时，隧洞底板的位移约增加了14%，其他3处观测点的位移分别增加了约102%、72%、78%。这也说明地下水位的变化，对隧洞拱顶的位移影响最大，所以在施工的过程中，需要持续关注地下水位和隧洞拱顶位移的变化。

图6 地下水位对位移的影响

2.2.3地下水位对应力的影响

从图中可以看出，随着地下水位的升高，衬砌的主应力大小也呈现出缓慢增加的趋势。当地下水位从10m增加为40m时，拱顶的最大主应力增加了约18%，最小主应力增加了约25%；左拱脚的最大主应力约增加了20%，最小主应力约增加了12%；左墙脚的最大主应力增加了约6%，最小主应力增加了约19%；底板的最大主应力增加了约15%，最小主应力增加了约7%。由此可见，地下水位的变化对拱脚处的最大主应力影响最为明显，对墙脚处最大主应力的影响最小；而地下水位对拱顶处的最小主应力影响较为明显，对底板处的最小主应力影响最小。因此，当存在地下水时，隧洞的拱顶和墙角最容易发生破坏。