引漢濟(jì)渭引水隧洞穿椒溪河段突涌水?dāng)?shù)值模擬

李立民 劉國平 許增光 肖瑜

摘要：陜西省引漢濟(jì)渭工程引水隧洞突涌水問題是制約工程順利開展的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。針對橫穿椒溪河段的典型區(qū)段突涌水問題，采用ADINA軟件建立水文地質(zhì)概念模型，計(jì)算不同工況下該區(qū)段的地下水位、流速矢量、涌水量等。結(jié)果表明：斷層位置受開挖擾動(dòng)影響較大，出現(xiàn)了集中滲漏，因此在斷層位置極易形成滲漏通道，發(fā)生突涌水。

關(guān)鍵詞：突涌水;數(shù)值模擬;引水隧洞;引漢濟(jì)渭

中圖分類號：TV672; U459.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.02.025

近年來，突涌水問題對工程建設(shè)的影響越來越大，是制約工程順利開展的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。在建的秦嶺引水隧洞屬于長大深埋水工隧洞，隧洞穿越地域范圍廣，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，沿線穿越斷裂、破碎帶、軟巖、巖溶等各種不良地質(zhì)，尤其是在隧洞進(jìn)口端穿越多個(gè)破碎帶，其圍巖類別低，巖溶發(fā)育，地下水豐富，滲流路徑多樣性造成在多個(gè)斷裂及破碎帶處突水突泥發(fā)生的概率增大，預(yù)測難度增大，對施工影響較大[1-3]。由于地質(zhì)條件復(fù)雜，難以通過勘察手段明確地質(zhì)災(zāi)害體的分布情況，常常會帶來突水涌泥等災(zāi)害，給隧洞開挖和運(yùn)行造成嚴(yán)重的威脅[4-6].因此突涌水的研究變得越來越重要。

筆者收集整理了秦嶺輸水隧洞地質(zhì)資料，在此基礎(chǔ)上針對秦嶺隧洞橫穿椒溪河段典型區(qū)段的突涌水問題進(jìn)行了分析研究，利用ADINA軟件建立了水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了不同工況下該區(qū)段的地下水位、流速矢量、涌水量等變化規(guī)律。

1 秦嶺隧洞突涌水?dāng)?shù)學(xué)模型

研究的重點(diǎn)是分析秦嶺隧洞滲流場特征及突涌水?dāng)?shù)值模擬。對于穩(wěn)定滲流分析，將壩體及裂隙巖體按等效連續(xù)介質(zhì)來處理[7-10]。對于裂隙巖體，若裂隙較發(fā)育，表征單元體（REV）存在且不是過大，則一般認(rèn)為該模型是有效的。巖體中水流流速一般不大，因此可以認(rèn)為地下水運(yùn)動(dòng)服從不可壓縮流體的飽和穩(wěn)定達(dá)西滲流規(guī)律。下面給出等效連續(xù)各向異性介質(zhì)模型的滲流有限元基本格式。

2 樁號K2+771-K2+881段突涌水?dāng)?shù)值分析

2.1 計(jì)算模型

秦嶺隧洞樁號K2+771-K2+881段橫穿椒溪河，計(jì)算模型位置見圖1，有限元模型及剖分網(wǎng)格如圖2所示。

在圖2三維有限元計(jì)算模型中，選取模型底部為坐標(biāo)原點(diǎn)，底部高程為500 m。模型范圍x×y×z為88mxll0 m×87 m.隧洞兩側(cè)圍巖范圍取4倍洞徑以上，滿足計(jì)算需要。模型分為基巖、風(fēng)化層及斷層三部分，被剖分的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為15 134個(gè)，風(fēng)化層單元數(shù)2 340個(gè)，斷層單元數(shù)470個(gè)，被剖分的單元總數(shù)為13 470個(gè)。計(jì)算模型左右兩側(cè)（y方向）施加定水頭邊界，按照地質(zhì)剖面中地下水位線施加。假設(shè)隧洞周圍邊界為透水邊界，并在河道施加相應(yīng)的河道水位。

2.2 計(jì)算參數(shù)和計(jì)算工況

根據(jù)工程地質(zhì)勘察成果，隧洞所處山體圍巖從上到下依次為強(qiáng)風(fēng)化大理巖夾石英片巖、弱風(fēng)化大理巖夾石英片巖及微風(fēng)化大理巖夾石英片巖：對于隧洞計(jì)算模型而言，隧洞沿縱向延伸方向需要穿過的圍巖依次為Ⅲ、Ⅳ及V類圍巖[11]。由于本次計(jì)算模型中Ⅲ、V類圍巖的范圍與Ⅳ類圍巖相比較短，因此為了簡化計(jì)算，本次數(shù)值計(jì)算對整個(gè)模型按照Ⅳ類圍巖進(jìn)行處理。圖2所示的計(jì)算模型中基巖滲透系數(shù)取1.5 x10m/s，風(fēng)化層滲透系數(shù)取4.5×10 m/s[12]。隧洞K2+771-K2+881段按照斷層滲透系數(shù)劃分6個(gè)計(jì)算工況，見表1。

2.3 地下水涌水計(jì)算結(jié)果及分析

通過地下水涌水?dāng)?shù)值計(jì)算，采用ADINA軟件得到模型各工況的總水頭云圖、隧洞中軸線剖面水頭等值線及流速分布（工況一模擬結(jié)果見圖3～圖7），各個(gè)工況的模擬圖發(fā)展趨勢大致相同。

由地下水涌水計(jì)算結(jié)果可以看出，在不同斷層滲透系數(shù)下，水頭等值線和滲流速度分布情況是一致的。隧洞周圍水頭等值線呈層狀分布，從內(nèi)到外水頭逐漸增大，邊壁周圍等值線呈密集分布。隧洞開挖后，隧洞周邊圍巖孔隙水壓力開始下降，地下水向洞內(nèi)臨空面滲透。在隧洞開挖邊界四周存在水壓力差，造成隧洞圍巖滲流場突然改變，最終形成一個(gè)類似于滲水漏斗的形狀。從流速分布可以看出，隧洞開挖后，在隧洞圍巖滲透壓力作用下，地下水向臨空面滲透，隧洞開挖對隧洞頂部圍巖處地下水滲流的擾動(dòng)作用明顯比對隧洞底部圍巖的擾動(dòng)作用大。對于遠(yuǎn)離隧洞開挖邊界的切面頂部和底部圍巖，隧洞開挖的擾動(dòng)作用并不是很明顯，而在斷層位置受開挖擾動(dòng)影響較大，出現(xiàn)了集中滲流，因此在斷層位置極易形成滲漏通道，發(fā)生突涌水。

2.4 涌水量計(jì)算結(jié)果及分析

從滲流矢量圖可以看出，隧洞開挖后，孔隙水不斷滲流，且向隧洞方向滲透。這種滲流過程要持續(xù)一段時(shí)間，且隨著滲流時(shí)步的增大涌水量會減小，直至達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。隧洞內(nèi)不同水位下的涌水量可以使用ADINA軟件中seep flow變量求得，K2+771-K2+881段隧洞洞身總涌水量及斷層處涌水量計(jì)算結(jié)果見表2。

從涌水量計(jì)算結(jié)果來看，隧洞涌水主要發(fā)生在洞身斷層位置，涌水量與斷層滲透特性正相關(guān)，斷層滲透系數(shù)越大，涌水量就越大，相應(yīng)地通過斷層進(jìn)入隧洞的涌水量所占的比例也越大。通過數(shù)值計(jì)算得到的K2+771——K2+881段隧洞洞身最大涌水量達(dá)到144.00 m/h.其中通過斷層進(jìn)入隧洞的涌水量達(dá)到138.00 m/h.占總涌水量的95.8%。

3 結(jié)語

秦嶺隧洞通過斷層破碎帶時(shí)，施工開挖極易造成突涌水災(zāi)害，為了研究該段突涌水可能對隧洞工程的影響，將該段劃分為6個(gè)工況進(jìn)行研究，分析結(jié)果總結(jié)如下：

（1）秦嶺隧洞K2+771-K2+881段突涌水計(jì)算分析得到斷層位置受開挖擾動(dòng)影響較大，出現(xiàn)了集中滲漏，在斷層位置極易形成滲漏通道，發(fā)生突涌水。后期隧洞施工開挖驗(yàn)證了模擬分析結(jié)果，有效地指導(dǎo)了施工掘進(jìn)，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）隧洞突涌水主要發(fā)生在洞身斷層位置，而且涌水量與斷層滲透特性正相關(guān)，斷層滲透系數(shù)越大，涌水量就越大，相應(yīng)地通過斷層進(jìn)入隧洞的涌水量所占的比例越大。由于該段隧洞淺埋，受斷層影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，地下水和地表水會發(fā)生水力聯(lián)系，因此可能導(dǎo)致大的突涌水災(zāi)害。

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