少荃湖湖底隧道工程滲流場特性分析

王 昊，劉 廣*，王靜峰，張興其，浦玉炳，嚴(yán) 中，丁兆東

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥市市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230009)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及城市道路建設(shè)的不斷推進(jìn)，隧道工程建設(shè)迎來新一波熱潮，越來越多的城市都在大力開發(fā)地下空間，在地下水豐富的地區(qū)，地下空間結(jié)構(gòu)在不同程度上面臨滲漏的威脅[1]。

隧道等地下結(jié)構(gòu)的防滲問題與混凝土的抗?jié)B性能密切相關(guān)。要提高混凝土的抗?jié)B性能，可以通過內(nèi)摻有機(jī)硅來改性水泥混凝土，形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu),有效改善水泥混凝土的防水抗?jié)B性能和抗氯離子滲透能力[2]。同時(shí)，改變混凝土材料的水灰比，也可以在一定程度上提高混凝土的抗?jié)B性[3-4]。梁柯鑫等[5]的試驗(yàn)結(jié)果表明,水膠比降低,電通量和氯離子遷移系數(shù)下降,透氣系數(shù)增加,抗?jié)B性改善。混凝土自身的抗?jié)B性能通常是滿足要求的,隧洞結(jié)構(gòu)在長期運(yùn)行過程中易發(fā)生損傷開裂，需要詳細(xì)研究襯砌損傷開裂、滲透孔壓以及鋼筋應(yīng)力的演化特征，并探討了襯砌與圍巖有條件聯(lián)合承載特性對耦合結(jié)果的影響[6-7]。當(dāng)前，許多防水材料也廣泛應(yīng)用于隧道混凝土的防滲。宋鋒[8]研究并比較了4種防護(hù)材料的抗?jié)B性能，得到了相關(guān)結(jié)果。郭玉峰等[9]給出了雙孔隧道更精確的滲流場解析解，并討論了隧道間距，埋深等對滲流量的影響。王同華等[10]對隧道工程中的地下水滲漏現(xiàn)象造成的危害進(jìn)行了總結(jié)，分析了滲漏水的產(chǎn)生機(jī)理和形成條件，并根據(jù)結(jié)果提出了一套涵蓋設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)的滲漏水綜合治理方法。夏江南等[11]在池州長江公路大橋建設(shè)中，采用了梯度功能混凝土新型結(jié)構(gòu)，在普通混凝土結(jié)構(gòu)表層設(shè)置一層高性能混凝土，在有效提高結(jié)構(gòu)功能性的同時(shí)，節(jié)約了大量的經(jīng)濟(jì)成本。林立華[12]在廈門海滄海底隧道建設(shè)中對排水設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化提升，提高隧道排水效果與防滲能力。目前對混凝土性能的研究重點(diǎn)集中在強(qiáng)度與耐久性上，對抗?jié)B問題多通過后期襯徹等工程進(jìn)行隔水處理。本文通過對隧道的滲流分析，分析研究了不同混凝土的抗?jié)B性能，同時(shí)根據(jù)隧道的滲流情況提出對應(yīng)的防滲舉措，并分析其穩(wěn)定性、安全性，為工程的后期養(yǎng)護(hù)、防滲處理提供一定的理論支撐,本文依托于實(shí)際工程，分析了不同工況下滲流的易發(fā)部位，對后續(xù)隧道的防水處理及養(yǎng)護(hù)提供理論支撐。

1 工程背景及模型建立

本工程為合肥少荃湖隧道，南起荃湖南路，下穿少荃湖公園及規(guī)劃路，止于隧道暗埋段終點(diǎn)，其中下穿少荃湖隧道全長1.09 km。該湖底隧道采用明挖法進(jìn)行施工，隧道施工前在湖中修建了圍堰，隧道開挖澆筑完成之后拆除圍堰。在FLAC 3D中建立全尺度的隧道模型，所采用尺寸參數(shù)與實(shí)際工程一致(圖1)。

圖1 隧道橫剖面示意(mm)

隧道模型共包括5 572個節(jié)點(diǎn)，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。隧道主體采用C30混凝土，具體參數(shù)依照GB 50010—2002中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。三維模型見圖2，其中圖1a為無覆蓋土層的情況，圖1b為存在覆蓋土層的情況(其中，藍(lán)色部分表示覆蓋土層)。

a)無覆蓋土層隧道模型

該隧道澆筑主體采用C30混凝土，其主要的模型參數(shù)見表1[13-14]。

表1 隧道模型參數(shù)

由于數(shù)值滲流分析主要關(guān)注滲流穩(wěn)定狀態(tài),為了盡快達(dá)到滲流穩(wěn)定狀態(tài)，在對于土層滲透系數(shù)采用偏大值進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算采用FLAC3D進(jìn)行，遵循多孔介質(zhì)中Darcy定律的單相滲流理論，及質(zhì)量守恒定律。可以描述多孔介質(zhì)中流體滲流的孔隙水壓力、飽和度、特定排水向量等變量。模擬時(shí)，依據(jù)有無覆蓋土層及水深分為不同工況，具體工況分別為。

a)隧道頂部水頭為3 m時(shí)，有無覆蓋土層。此時(shí)對隧道頂部賦予3 m水頭，左右兩側(cè)水頭隨水深梯度變化，在有覆蓋土層的情況下水頭施加在土層外表面，模擬蓄水后隧道表面所受水壓力情況。前后斷面及底部按不透水邊界處理，隧道內(nèi)部表面認(rèn)為其表面飽和度及孔隙水壓力固定為0，視作透水?dāng)嗝妗?/p>

b)隧道頂部水頭為6 m時(shí)，有無覆蓋土層。此時(shí)對隧道頂部賦予6 m水頭，左右兩側(cè)水頭隨水深梯度變化。其他邊界與水深為3 m時(shí)相同。

c)隧道頂部水頭為9 m時(shí)，有無覆蓋土層。此時(shí)對隧道頂部賦予9 m水頭，左右兩側(cè)水頭隨水深梯度變化。其他邊界與水深為3 m時(shí)相同。

2 數(shù)值分析

2.1 湖底隧道滲流特征

本文所涉及到的湖底隧道滲流分析均為穩(wěn)態(tài)分析，即湖底隧道水深以及材料的滲透系數(shù)等參數(shù)不隨時(shí)間變化。采用上述模型參數(shù)對隧道無覆蓋土層和有1 m覆蓋土層2種工況進(jìn)行計(jì)算，圖3為水頭為3 m時(shí)的滲流情況，在頂面施加3 m水頭的水壓力(有覆蓋土層是施加2 m),左右兩側(cè)表面施加隨水深梯度增加的水壓力，滲流時(shí)間為4 d時(shí)的孔隙水壓力分布。

a)無覆蓋土層

從圖中可以看到，無覆蓋土層時(shí)，相比隧道中部位置，隧道兩側(cè)的孔隙水壓力的變化趨勢更加明顯，隧道兩側(cè)受水壓力作用滲透明顯，側(cè)壁可見較大的孔隙水壓力。在隧道頂部有1 m土層覆蓋的情況下，隧道混凝土內(nèi)部的孔隙水壓力相對較小，高孔隙水壓力區(qū)域分布于土層下部，對隧道的影響較小。土層的存在有效降低了隧道內(nèi)部的孔隙水壓力，有利于隧道防滲。

當(dāng)隧道頂部水深從3 m增加到6 m時(shí)，對于裸露隧道，隧道的孔隙水壓力分布依舊集中在頂部及兩側(cè)區(qū)域，孔隙水壓力在隧道外表面底部最大，最大值與該處的靜水壓力相等(圖4)。當(dāng)存在覆蓋土層時(shí)，負(fù)孔隙水壓力集中在隧道頂部與土層接觸的區(qū)域，但數(shù)值上在相同的運(yùn)行時(shí)間里比無覆蓋土層時(shí)要小上許多。同時(shí)，隨著水深的增加，隧道負(fù)壓區(qū)域有著明顯變小的趨勢(圖5)。

a)無覆蓋土層

a)無覆蓋土層

在一段時(shí)間的滲流后隧道滲流近似達(dá)到穩(wěn)態(tài)，滲流狀態(tài)變化不大。對比不同深度的云圖，在隧道裸露時(shí)，隧道表層直接承受孔隙水壓力，在底部表層變化明顯。而覆蓋土層緩解了這一現(xiàn)象，水深的增加對隧道滲流的影響較之裸露狀態(tài)并不明顯。

2.2 不同防滲層厚度的混凝土塊抗?jié)B性能對比

為研究隧道防滲層對于防滲效果的影響，模擬了不同防滲層厚度下4個混凝土塊的滲流情況，模擬均在混凝土已經(jīng)產(chǎn)生滲流的情況下進(jìn)行。

首先將4個相同大小(2 m×3 m)的混凝土塊進(jìn)行數(shù)值模型區(qū)域劃分，賦予4個混凝土模型不同的材料屬性，普通和抗?jié)B混凝土的基本物理參數(shù)的取值見表2。

表2 不同種類混凝土材料參數(shù)取值表

圖6所示，為進(jìn)行對照，其中一個混凝土塊無防滲混凝土層，全部采用普通混凝土，另外3個分別采用0.1、0.2、0.4 m的抗?jié)B混凝土作為防滲層，4個模型的體積相同。

圖6 混凝土塊防滲層布置示意

取水頭為3 m，對外部表面(頂部及四周)施加隨水深梯度增加的水壓力，監(jiān)測模型中央的孔壓數(shù)據(jù)，以獲得不同覆蓋層厚度下的孔隙水壓力分布，見圖7。

圖7 混凝土塊模型及檢測點(diǎn)位

模擬結(jié)果顯示，滲流時(shí)間達(dá)到7 d后，可獲得飽和狀態(tài)下的孔壓分布，此時(shí)孔壓分布近似與靜水壓力相同，見圖8。

圖8 飽和情況下的孔壓分布(0.1 m厚防滲層)

同時(shí)，獲得監(jiān)測點(diǎn)的孔壓變化曲線。對4個混凝土塊分別進(jìn)行計(jì)算，得到不同防滲層厚度下達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)的孔壓變化規(guī)律曲線。

從圖9中可知，在達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)不同混凝土塊監(jiān)測點(diǎn)的孔壓是相同的，都等于該點(diǎn)的靜水壓力，但防滲層的存在能夠有效減緩滲流速度。一般的情況下，普通混凝土主要是減少混凝土中的沙石含量與體積、降低混凝土中的水灰成分，進(jìn)而減少混凝土的孔隙率。抗?jié)B混凝土?xí)郊舆m量的粉煤灰或其他的外加劑成分，粉煤灰的作用可以節(jié)約水泥，降低混凝土的成本，還可以增加密實(shí)度來提高混凝土的抗?jié)B性能。另外，抗?jié)B混凝土還會加入引氣劑或者引氣減水劑，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微小均勻的氣泡(含氣量大致在3%～5%)，進(jìn)而滿足混凝土工程的抗?jié)B要求。外加劑種類的不同也會導(dǎo)致混凝土防水效果的不同，所以配置混凝土?xí)r需進(jìn)行科學(xué)的考察，合理的配置混凝土各組成的成分比例。從模擬結(jié)構(gòu)來看，外表采用一定厚度的抗?jié)B混凝土作為防滲層，內(nèi)部使用的是普通混凝土，可以有效降低成本，同時(shí)也能起到很好的防滲效果。

圖9 不同防滲層厚度下孔壓變化曲線

3 結(jié)論

a)采用數(shù)值方法研究了湖底隧道滲流的基本特征，結(jié)果表明，隧道頂板水位的升高導(dǎo)致湖底隧道底部以及湖底隧道兩邊外側(cè)孔隙水壓力增大，危險(xiǎn)破壞程度大的部位也在此處。隧道外側(cè)有土層覆蓋以及頂板厚度增高的情況下隧道滲流的狀況會有一定的抑制作用。在進(jìn)行混凝土防水措施的選擇時(shí)，采用普通混凝土和一定厚度的抗?jié)B混凝土作為防滲層可以降低成本，同時(shí)起到較好的防滲效果。

b)數(shù)值模擬直觀地反映了孔隙水壓力在隧道內(nèi)部的壓力分布情況，顯示了隧道容易發(fā)生滲漏的部位。研究了不同防滲層厚度情況下混凝土塊的滲流狀況，為隧道工程混凝土防水設(shè)計(jì)提供理論支撐。