富水隧洞排水設(shè)計(jì)及效果分析

田建林 顧耀民

富水隧洞排水設(shè)計(jì)及效果分析

田建林 顧耀民

在富水區(qū)開(kāi)挖深埋無(wú)壓水工輸水隧洞，高外水壓力是影響隧洞襯砌穩(wěn)定的最重要因素，合理的排水設(shè)計(jì)對(duì)隧洞安全尤為重要。結(jié)合寧夏固原地區(qū) （寧夏中南部）城鄉(xiāng)飲水安全水源工程7#大灣輸水隧洞，對(duì)深埋高外水隧洞的排水設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，提出結(jié)合圍巖固結(jié)灌漿和鉆孔安裝毛細(xì)透排水管 （不穿透固結(jié)灌漿層）的設(shè)計(jì)方案，并采用平面滲流有限元方法對(duì)排水效果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，該排水設(shè)計(jì)方案能有效減少襯砌上承受的外水壓力，且可靠性強(qiáng)，對(duì)周邊地下水平衡影響較小，可供類(lèi)似工程參考。

深埋輸水隧洞 高外水 排水設(shè)計(jì) 毛細(xì)透排水管 平面滲流有限元法

在富水區(qū)開(kāi)挖深埋無(wú)壓水工引水隧洞，高外水壓力是影響隧洞襯砌穩(wěn)定的最重要因素，為避免高外水壓力全部直接作用于襯砌上，合理的排水設(shè)計(jì)對(duì)隧洞安全顯得尤為重要。寧夏固原地區(qū)（寧夏中南部）城鄉(xiāng)飲水安全水源工程7#（大灣）隧洞為無(wú)壓輸水隧洞，洞長(zhǎng)10.6 km，平均埋深165 m，最大埋深310 m，最大外水水頭245 m，是工程單洞最長(zhǎng)、埋深最大的洞段。洞線穿越多個(gè)走向近南北的深溝，多數(shù)溝內(nèi)常年有水。隧洞區(qū)地下水以第四系松散層孔隙潛水和白堊系基巖裂隙水為主，局部地帶表現(xiàn)出裂隙潛水的特征，接受溝谷河水及上層潛水補(bǔ)給。7#隧洞主要圍巖灰色泥頁(yè)巖 （K1n1）、泥巖與泥灰?guī)r互層 （K1n2）和泥巖夾薄層泥灰?guī)r （K1n3）。故為降低隧洞襯砌所承受的外水壓力，確保隧洞安全運(yùn)行的同時(shí)不破壞周邊生態(tài)水平衡，合理可靠的排水設(shè)計(jì)尤為重要。

1 排水設(shè)計(jì)

目前減小隧洞襯砌上的外水壓力的工程措施均遵照 “堵”、 “截”、 “排”的原則，選擇單獨(dú)或綜合處理措施。堵即對(duì)襯砌外圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，降低圍巖的滲透性，使隧洞襯砌周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)形成一個(gè)固結(jié)灌漿圈分擔(dān)襯砌的外水壓力；“排”即在襯砌上設(shè)置排水孔，排水孔貫穿襯砌將襯砌周?chē)臐B水排入隧洞中，以達(dá)到進(jìn)一步降低襯砌外水壓力的作用。排水孔設(shè)置有穿透固結(jié)灌漿層和不穿透固結(jié)灌漿層兩種，前者排水效果較好，有利于減小襯砌結(jié)構(gòu)承受的外水壓力，但不能充分發(fā)揮固結(jié)灌漿圈的阻水作用，增大地下水滲入量，可能造成地下水位下降，惡化周邊生態(tài)環(huán)境；后者只排出滲入灌漿圈內(nèi)的外水，滲水量較少，能充分發(fā)揮灌漿圈對(duì)外水的阻隔作用。在本工程排水孔設(shè)計(jì)過(guò)程中，選擇采用不打穿固結(jié)灌漿層方案。

根據(jù)7#大灣隧洞結(jié)構(gòu)尺寸及規(guī)范要求，選擇固結(jié)灌漿層厚度2.5 m，排水孔深度深入基巖2 m。另外，考慮到隧洞為無(wú)壓隧洞，排水孔布置于洞內(nèi)水面以上洞頂處，呈向外輻射狀，3孔和2孔間隔布置，排距2 m，中間夾角45°。

保證排水系統(tǒng)的長(zhǎng)期有效運(yùn)行，排水孔結(jié)構(gòu)能否有效的排水是關(guān)鍵。在實(shí)際工程應(yīng)用中，排水孔結(jié)構(gòu)有開(kāi)孔的鋼花管、PVC管、開(kāi)孔PVC管結(jié)合無(wú)紡布排水管、毛細(xì)透排水管、開(kāi)孔PVC管材內(nèi)設(shè)玻璃棉等，但在已建工程的實(shí)際運(yùn)行中都存在或多或少的弊端，例如開(kāi)孔的鋼花管在隧洞運(yùn)行過(guò)程中有破碎的小石塊由排水孔掉出，隧洞頂局部形成空洞，對(duì)隧洞的運(yùn)行安全形成隱患；開(kāi)孔的PVC管外纏土工布在運(yùn)行過(guò)程中細(xì)顆粒會(huì)造成排水管的堵塞，致使部分排水管功能失效，威脅隧洞運(yùn)行安全。7#大灣隧洞圍巖主要以泥巖、泥灰?guī)r和泥頁(yè)巖為主，極易造成花管的堵塞；考慮到毛細(xì)透排水管主要是利用毛細(xì)力主動(dòng)吸入土壤中飽和水，其具有不淤積堵塞的特性，因此，本次排水孔材料選用毛細(xì)透排水管。

毛細(xì)透排水管是基于毛細(xì)透排水帶設(shè)計(jì)而成的，毛細(xì)透排水帶套包裹于PVC管外，開(kāi)孔面朝外，PVC管外徑63 mm，壁厚2.5～3 mm，頂端PVC管采用Φ63堵頭封口，以避免顆粒進(jìn)入。毛細(xì)透排水管500～1000 mm長(zhǎng)設(shè)置專(zhuān)用連接管件1個(gè)，用于將每節(jié)毛細(xì)透排水管所收集的水導(dǎo)入PVC管內(nèi)。毛細(xì)透排水管長(zhǎng)度決定滲水排出量大小和速度。PVC管與隧洞排水軟管間采用PVC彎頭連接。排水孔軟管采用不少于3排脹釘固定于襯砌內(nèi)壁上。排水設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 7#大灣隧洞排水設(shè)計(jì)圖

2 排水效果分析

滲流場(chǎng)分析是以滲流理論為基礎(chǔ)，將包括圍巖和襯砌在內(nèi)的地下水滲流場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型，根據(jù)地下水位、圍巖和襯砌的滲透系數(shù)、襯砌厚度、隧道尺寸計(jì)算出襯砌外邊緣的水頭值。大多數(shù)情況下進(jìn)行滲流場(chǎng)分析時(shí)，將巖體視作滲透各向異性的等效連續(xù)介質(zhì)，襯砌視作滲透各向同性的等效連續(xù)介質(zhì)。

本次滲流分析忽略開(kāi)挖及襯砌過(guò)程的施工活動(dòng)對(duì)地下水頭的擾動(dòng)，認(rèn)為隧洞周邊圍巖的滲流為服從達(dá)西定律的各向異性的穩(wěn)定滲流，采用平面滲流有限元方法模擬隧洞圍巖內(nèi)部水頭場(chǎng)。取7#大灣隧洞最高外水245 m水頭斷面進(jìn)行計(jì)算，選取排水孔典型斷面進(jìn)行襯砌及圍巖的滲流場(chǎng)分析。根據(jù)地質(zhì)資料及規(guī)范，滲流計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，有限元模型如圖2所示 （為清楚顯示隧洞，圖中僅顯示隧洞及周邊網(wǎng)格）。算得設(shè)置排水孔后隧洞襯砌及圍巖壓力水頭等值線圖如圖3所示，流矢圖如圖4所示。為了分析設(shè)置排水孔后的排水效果，算得不設(shè)置排水孔隧洞及圍巖壓力水頭等值線圖如圖5所示。

表1 滲流計(jì)算參數(shù)表 cm/s

圖2 排水孔典型斷面有限元計(jì)算網(wǎng)格

圖3 設(shè)置排水孔典型斷面隧洞及圍巖壓力水頭等值線圖

圖4 設(shè)置排水孔典型斷面流矢圖

分析可知，設(shè)置排水孔后隧洞襯砌承擔(dān)的壓力水頭有明顯的下降，排水孔附近襯砌水頭下降尤為明顯。襯砌頂部。

中心部位壓力外水由設(shè)置排水孔前的約61 m減小為約0.3 m，襯砌兩側(cè)底角由約85 m減小為約49 m，底拱中心部位由約80 m減小為約56 m，襯砌外圈壓力水頭越靠近排水孔部位，減小的幅度越大。分析流矢圖可知，靠近隧洞襯砌周?chē)馑牧魇阜较蚓蛑潘撞课?。約為56 m，襯砌外圈壓力水頭越靠近排水孔部位，減小的幅度越大。分析流矢圖可知，靠近隧洞襯砌周?chē)馑牧魇阜较蚓蛑潘撞课弧Ｓ纱丝梢?jiàn)，設(shè)置毛細(xì)透排水后，滲入固結(jié)灌漿圈內(nèi)的外水大部分從排水孔排出，襯砌上承擔(dān)的水頭有明顯的下降，其對(duì)隧洞的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全運(yùn)行有重要意義。

圖5 不設(shè)置排水孔隧洞及圍巖壓力水頭等值線圖

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）在富水區(qū)開(kāi)挖深埋無(wú)壓水工輸水隧洞，高外水壓力是影響隧洞襯砌穩(wěn)定的最重要因素，為保證工程安全運(yùn)行，合理的排水設(shè)計(jì)必不可少。

（2）以寧夏固原地區(qū) （寧夏中南部）城鄉(xiāng)飲水安全水源工程7#大灣隧洞為例，探討了利用固結(jié)灌漿圈的 “堵”和排水孔的 “排”相結(jié)合的排水設(shè)計(jì)方案；并根據(jù)隧洞圍巖主要以泥巖、泥灰?guī)r和泥頁(yè)巖為主的實(shí)際情況，研究了新型排水結(jié)構(gòu)——毛細(xì)透排水管在工程中的應(yīng)用設(shè)計(jì)，為保證工程排水系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。

（3）平面滲流有限元分析結(jié)果表明，上述排水系統(tǒng)能有效降低襯砌上承擔(dān)的外水壓力，且充分發(fā)揮了固結(jié)灌漿圈的阻隔作用，對(duì)地下水平衡影響很小。該種排水設(shè)計(jì)效果良好，可供類(lèi)似工程參考。

田建林 男 高級(jí)工程師 寧夏水務(wù)投資集團(tuán) 寧夏銀川750002

顧耀民 男 高級(jí)工程師 寧夏水務(wù)投資集團(tuán) 寧夏銀川750002

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