隧洞開挖后滲流量影響因素分析

耿 萍，于本昌，何 悅，晏啟祥

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

隨著我國經濟建設的不斷發展，各種隧洞的開挖規模和開挖難度日益加大，出現了許多穿越高富水、巖性破碎、地質構造復雜等地帶的隧洞。在此類隧洞開挖過程中，圍巖中裂隙水原有的補給和循環平衡遭到破壞，此時隧洞便成了裂隙水滲流的新通道。如果滲流量較大，滲流就會轉化為涌水，會嚴重影響隧洞的開挖和支護，因此，探討隧洞開挖后滲流量的影響因素，對預防和處理類似工程問題具有一定的現實意義。

文獻［1-2］論述了裂隙巖體滲流應力耦合的基本原理;文獻［3-4］分析了滲流場與應力場的相互影響程度;文獻［5-7］對裂隙巖體滲流模型進行了探討。然而，上述文獻研究的多為滲流本身，并沒有分析具體的工程實例。

本文以木里水電工程輸水隧洞為工程背景，用離散單元模擬圍巖及節理，采用UDEC軟件進行數值分析，討論了節理傾角、節理間距和洞室埋深對滲流的影響，從而為類似工程的選址、施工和支護設計提供參考。

1 UDEC離散單元法

數值模擬當中常用的計算方法有有限元法、邊界元法、有限差分法和離散單元法，其中離散單元法是基于非連續介質的數值計算方法。在離散單元法中，將所研究的巖體假定為離散塊體的集合體，把節理和結構面假定為這些離散塊體之間的接觸面。塊體之間的相互作用力根據力和位移的關系求出，而單個塊體的運動則根據塊體所受的不平衡力和不平衡力矩的大小，按牛頓運動定律確定。

1.1 物理方程—力和位移的關系

離散單元之間的作用力如圖1所示。

假定塊體之間的法向力Fn正比于他們之間的法向“疊合”un，即

圖1 離散單元之間的作用力

式中，kn為法向剛度系數。

這里所謂的“疊合”是計算時假定的一個量，將它乘上法向剛度系數作為法向力的一個度量。由于塊體所受的剪切力與塊體運動和加載的歷史或途徑有關，所以對于剪切力要用增量來表示。設兩塊體之間的相對位移為Δu，則

式中，ks為節理的剪切剛度系數。

1.2 運動方程

根據上述原理，可以確定作用在某一特定巖塊上的一組力，由這組力計算出其合力和合力矩，并根據牛頓第二定律確定塊體質心的加速度，進而可以確定在時步Δt內的速度、加速度、位移和轉動量。例如，x方向的加速度 u″x、速度 u'x、位移 ux由下式計算

式中，Fx為x方向的合力，m為巖塊的質量，t0為起始時間，Δt為時步，t1=t0+Δt。塊體沿y方向的運動及其轉動滿足類似的計算公式。

綜上所述，在每一個時步中計算出塊體的新位置，而后得到接觸力。利用合力、合力矩求解塊體加速度，再對時間積分求得塊體速度與位移，重復上述計算過程直至系統達到穩定狀態或者發生失效。

2 模型建立及參數選取

本文工程背景為木里水電工程輸水隧洞，該隧洞全長24.7 km，圓形斷面，半徑3.7 m。洞體深埋于山體基巖之內，隧洞圍巖共有四類，以Ⅲ、Ⅳ類圍巖為主。Ⅲ類圍巖占洞線總長的45.1%，Ⅳ類圍巖占洞線總長的36.0%。其次為Ⅴ類圍巖，占洞線總長的17.2%。該隧洞穿越的地域范圍廣，圍巖破碎，地形條件復雜。由于在開挖過程中出現了大量滲水現象，且考慮到節理的存在導致圍巖不連續。現采用UDEC離散元數值差分軟件對影響滲流量的幾個因素進行分析，以期在后續開挖隧洞過程中，根據不同的地質條件采取相應措施，提前做好防范。

2.1 模型建立

模擬隧洞滲流量的影響因素時涉及到多個模型，但各模型差異不大，現以其中之一為例進行介紹。模型取為20 m×20 m，埋深100 m，水位距隧洞中心80 m，單組平行節理，節理傾角45°，節理間距1.5 m。模型上部邊界由應力邊界條件代替，四周采用邊界單元，并施加靜水壓力。根據工程實際，Ⅳ類圍巖隧洞開挖后布置砂漿錨桿。模型如圖2所示。

圖2 45°傾角平行節理模型

2.2 參數選取

由于隧洞圍巖級別較為復雜，現以比例較大且圍巖條件較差的Ⅳ類圍巖為例選取參數。巖體及節理有關參數如表1所示［7］。

表1 巖體及節理物理力學參數

3 隧洞滲流量影響因素分析

隧洞開挖時，影響洞周滲流的因素較為復雜，本文主要討論節理傾角、節理間距和洞室埋深對隧洞開挖后滲流量的影響。分析時采用單一變量的原則，即只改變某一個因素，而保持其他因素不變，逐個對其進行分析。在模擬隧洞滲流時，重點關心水在節理巖體中的實時流速和總滲流量，因此需要采用UDEC軟件中解決滲流問題的瞬態分析模式。

3.1 節理傾角對隧洞滲流的影響

UDEC軟件中只考慮節理滲水，塊體不滲水，則從節理與隧洞相交的幾個監測點的流量時程圖，便可得到各點的滲流流量，對其求和，便可得到洞周總滲流量。取節理傾角為 0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°共 7種情況，其他條件不變，各監測點滲流量、洞周總滲流量隨節理傾角的變化趨勢如圖3所示。

圖3 滲流量隨節理傾角變化趨勢

從圖3可以看出，節理傾角對隧洞滲流有較大的影響。當節理傾角在0°到30°之間變化時，各監測點的滲流量和洞周總滲流量受其影響不是很明顯。當節理傾角由30°增加到90°時，各監測點的滲流量和洞周總滲流量隨節理傾角的增加而增加，受其影響顯著。

不同節理傾角時流量最大值點的孔隙水壓力在開挖前后變化情況見表2。

表2 不同節理傾角時流量最大值點孔隙水壓力105Pa

由表2可以看出，開挖前不同傾角下監測點壓力值差別不大，開挖后壓力值最終趨于開挖前初始值。而由于隧洞開挖后圍巖變形不同，不同節理傾角下孔隙水壓力峰值隨節理傾角增加而遞增，導致孔隙水壓力峰值與開挖前孔隙水壓力差值也同樣遞增。這說明在節理間距不變的前提下，開挖前后孔隙水壓力差值是決定流量大小的重要因素，差值越大，流量越大。

3.2 節理間距對隧洞滲流的影響

保持節理傾角和洞室埋深不變，而改變節理間距，分析隧洞洞周滲流受節理間距的影響。節理間距取為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m 共 6 種情況。當間距過小時，節理與洞周的交點數量較多，不便將所有監測點的流量值列出，所以此處只列出隧洞洞周總滲流量，其變化趨勢見圖4。

圖4 洞周總滲流量隨節理間距變化趨勢

從圖4可以看出，節理間距對隧洞洞周總滲流量也有一定影響。當節理間距＜1.5 m時，隧洞洞周的總滲流量隨節理間距的增加呈近似線性增加。當節理間距超過1.5 m時，隧洞洞周的總滲流量受其影響較小，基本保持不變。

不同節理間距時流量最大值點的孔隙水壓力變化情況見表3。

表3 不同節理間距時流量最大值點孔隙水壓力105Pa

由表3可以看出，當節理間距＜1.5 m時，孔隙水壓力峰值與平衡值的差值隨節理間距的增加而增加。當節理間距＞1.5 m時，孔隙水壓力峰值與平衡值的差值基本保持不變，這種變化規律與洞周總滲流量的變化趨勢較為吻合。

3.3 洞室埋深對隧洞滲流的影響

保持節理傾角和節理間距不變，而改變洞室埋深，分析隧洞洞周滲流受洞室埋深的影響。埋深取為100，150，200，250，300 m 共 5 種情況。各監測點滲流量及洞周總滲流量隨洞室埋深的變化趨勢見圖5。可以看出，洞室埋深對隧洞滲流有較大影響。當洞室埋深較小時，隨著埋深不斷增加，隧洞開挖后各監測點的滲流量及洞周總滲流量均近似線性增加。當隧洞埋深達到一定值后，隨埋深的增大，各監測點的滲流量以及洞周總流量增大的趨勢變緩。

圖5 滲流量隨洞室埋深變化趨勢

不同洞室埋深時流量最大值點的孔隙水壓力變化情況見表4。

表4 不同洞室埋深時流量最大值點孔隙水壓力105Pa

由表4可以看出，隨著洞室埋深的不斷增加，孔隙水壓力峰值與平衡值的差值不斷增加，這是造成洞周滲流隨埋深不斷增加的主要原因。當埋深增加到一定程度時，孔隙水壓力會因圍巖的變形而消耗掉一部分，所以洞周滲流趨于緩和。但總體上說，埋深遞增引起孔隙水壓力峰值與平衡值差值遞增，從而使洞周滲流量也逐漸遞增。

4 結論

1)在單組平行節理條件下，節理傾角、節理間距和洞室埋深對隧洞開挖后的滲流量都有較大影響。

2)當節理傾角較小時，隧洞洞周滲流受節理傾角的影響不是很明顯。當節理傾角超過30°時，洞周滲流量隨節理傾角的增加而增加。

3)當節理間距較小時，隧洞洞周滲流量隨節理間距的增加呈近似線性增加。當節理間距超過1.5 m時，洞周滲流量受其影響較小，基本保持不變。

4)隨著洞室埋深的不斷增加，隧洞洞周滲流量也增加。當隧洞埋深達到一定值后，洞周滲流量增大的趨勢變緩。

5)在不同工況條件下，開挖前后孔隙水壓力差值是決定流量大小的重要因素。無論是節理傾角、節理間距還是洞室埋深，都是通過改變開挖前后孔隙水壓力差值直接影響隧洞滲流的。

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