隧洞外水壓力計算中等效滲透系數(shù)研究

□梁春雨 □董莉莉 □邵 巖（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司）

隧洞外水壓力計算中等效滲透系數(shù)研究

□梁春雨 □董莉莉 □邵 巖（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司）

文章通過理論分析與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，首先定量分析了折減系數(shù)取值規(guī)律；然后研究了排水孔對等效滲透系數(shù)的影響。對于襯砌外水壓力的定量分析有一定參照意義。

隧洞；襯砌外水壓力；排水孔

1.引言

我國是一個人均水資源緊缺的國家，加之水資源時空分布不均，導(dǎo)致水資源供需矛盾更加尖銳。實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置有各種手段，而工程手段就是其中之一，無論資源性缺水還是經(jīng)濟性缺水，其最主要的工程措施就是興建引調(diào)水工程。引漢濟渭工程中的秦嶺隧洞具有埋深大地下水高的特點。如何處理好地下水是設(shè)計施工需要解決的關(guān)鍵問題之一。在《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》中采用折減系數(shù)法對襯砌外水壓力進行估算，尚存在如下問題：一是折減系數(shù)范圍值變幅大，準(zhǔn)確性差；二是對于設(shè)有排水設(shè)施的隧洞，二次折減系數(shù)難以確定；三是無法考慮注漿圈的影響。理論方法可以解決上述問題，但對于有排水設(shè)施情況下，需要借助“等效滲透系數(shù)”來反映襯砌對地下水排導(dǎo)水特性，“等效滲透系數(shù)”的確定又是一個值得研究的課題。本文借助數(shù)值分析方法，探討了排水孔密度及深淺對等效滲透系數(shù)的影響。

2.理論解析方法

依據(jù)無限含水層中井的理論，把“堵水限排”情況下襯砌的水壓力，概括為圖1的計算模型。并假定圍巖為各向同性均勻連續(xù)介質(zhì)，隧道為圓形軸對稱問題，水流為穩(wěn)定流，其運動規(guī)律服從Darcy定理和水流連續(xù)性方程，可導(dǎo)出隧道中無內(nèi)水壓力時地下水排放量Q和襯砌外水壓力P計算公式。

式中：Q—滲水流量(m3/s)；P—襯砌外水壓力(kN/m2)；其它見圖1。

圖1 簡化計算模型圖

一般的,kg=10kr，令則襯砌外水壓力折減系數(shù)β為

因為e10=22026，所以上式中3個自然對數(shù)是非敏感因素，η是敏感因素。一般的,r1/r0=1.2，rg/r1=2.0,較具代表性，H/rg可取值區(qū)間較大，為保守估計，取較小值30，因此可由式3計算出表1。表1給出了折減系數(shù)與襯砌圍巖相對滲透系數(shù)關(guān)系表，從理論的角度出發(fā)，對水工隧洞設(shè)計規(guī)范中的外水壓力折減系數(shù)的選取作了補充。

表1 外水壓力折減系數(shù)與襯砌圍巖相對滲透系數(shù)關(guān)系表

3.數(shù)值計算方法

3.1 計算條件

以隧洞頂拱圓心為坐標(biāo)原點，左右邊界各取300m、下邊界取200m、上邊界取至地下水位線、前后邊界取一個梅花形排水孔布置單元（6m）。

邊界條件：不透水邊界為左右兩側(cè)面和前后兩側(cè)面；透水邊界為上表面及底面，開挖面、襯砌內(nèi)表面及排水孔表面。

計算工況：一是工況:頂拱排水，孔深同襯砌厚；二是工況：頂側(cè)拱排水，孔深同襯砌厚；三是工況：頂側(cè)拱排水，孔深2m。參數(shù)取值見表2。

表2 各類圍巖滲流參數(shù)取值表

3.2 排水措施與等效滲透系數(shù)關(guān)系

為了反映襯砌對地下水排導(dǎo)特性，人們提出了“等效滲透系數(shù)”的概念，但目前對于等效滲透系數(shù)研究甚少，本文借助數(shù)值分析方法，做了如下探討：分別計算了頂拱120°范圍布孔，頂側(cè)拱布孔，布孔方式：間距環(huán)向30°，排距2m,梅花形布置。數(shù)值結(jié)果如表3和表5所示。表4為襯砌不排水方案成果表，作為各排水方案的對比方案。

表3 工況1襯砌外水壓力表

由表3表明，Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ類圍巖情況下，襯砌等效滲透系數(shù)分別提高到初始的35.2、366、4050倍；

表4 工況2襯砌外水壓力表

由表4表明，Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ類圍巖情況下，襯砌等效滲透系數(shù)分別提高到初始的81.7、854、9480倍；

由表5表明，Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ類圍巖情況下，襯砌等效滲透系數(shù)分別提高到初始的 2.98×102、3.29×103、3.61×104倍。

由此可見：在設(shè)置排水孔的情況下，各類圍巖排水效果均有不同程度提高。Ⅴ類圍巖排水效果提高幅度最大，Ⅳ類次之，Ⅲ類最小，這是因為，Ⅲ類與Ⅴ類圍巖滲透系數(shù)相差兩個數(shù)量級，強透水層是導(dǎo)水的主導(dǎo)因素，在不具備數(shù)值分析的情況下，估算排水孔工況下等效滲透系數(shù)時，要充分考慮到圍巖滲透系數(shù)的影響。排水孔密度影響：由表3與表4對比表明：由頂拱范圍排水?dāng)U大至頂拱與底拱范圍內(nèi)排水時，排水孔的布置方式為，頂拱為5排；側(cè)拱為4排，頂拱與側(cè)拱同時排水時，排水孔數(shù)是頂拱單獨排水的1.8倍。隨著排水孔范圍擴大，各類圍巖排水效果均有提高，襯砌等效滲透系數(shù)均為提高前的2.3倍。從表4與表5可以看到排水孔深度影響：排水孔孔深由0.5m加長至2m時，即孔長增長為原來的4倍，各類圍巖襯砌等效滲透系數(shù)增大至原來的3.6～3.8倍。表明在設(shè)計孔深范圍內(nèi)，孔深與等效滲透系數(shù)可成比例關(guān)系。

4.結(jié)論

現(xiàn)行《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》從定性分析角度給出了折減系數(shù)法的取值表，但在實際運用中尚須借助其它方法綜合確定。本文借助簡化的理論方法找到了影響折減系數(shù)的敏感因素，給出了襯砌與圍巖相對滲透系數(shù)與折減系數(shù)的關(guān)系取值表，可做為對規(guī)范相應(yīng)取值表的補充；對于排水系統(tǒng)對折減系數(shù)的影響，一般可以通過數(shù)值分析的方法得以解決，本文通過襯砌結(jié)構(gòu)等效滲透系數(shù)的概念，考慮了排水系統(tǒng)的影響，然后再利用上述理論法確定外水壓力。

[1]熊啟鈞.隧洞[M].北京：中國水利水電出版社,2006.

[2]王秀英,王夢恕，張彌.山嶺隧道堵水限排襯砌外水壓力研究[J].巖土工程學(xué)報,2005（1），125-127.

梁春雨（1978-），男，碩士，工程師，從事水利水電工程設(shè)計工作。

2012-07-12