基于流固耦合理論的深埋隧洞襯砌防滲措施分析

(本溪市水利工程建設管理中心，遼寧 本溪 117000)

1 引 言

水利水電引水工程隧洞一般開挖距離較長，圍巖地質變化情況十分復雜，高地應力、溶洞、滲水、地溫以及有害氣體等均會對隧洞的變形穩定產生影響，必須對這些災害風險進行準確評估和有效防治[1]。通常，水工隧洞在開挖襯砌過程中會遇到高地應力和地下滲水共同作用的情況，地下洞室的滲流-應力耦合作用不容忽視，特別是在襯砌過程中，會改變圍巖內外的滲透水壓，使得圍巖情況更加復雜，因此，如何采取有效措施對外水壓力進行減載已成為專業技術人員研究的課題[2-3]。

滲流-應力作用的實質就是流固耦合作用，在高地應力滲水條件下進行隧洞襯砌施工，必須采取有效的堵水排水措施[4-8],以確保洞室的長期安全與穩定。田建林等[9]采用平面滲流有限元方法，結合固結灌漿和鉆孔安裝毛細透排水管設計方案，對水工隧洞的排水效果進行了對比分析；趙大洲等[10]針對引漢濟渭工程黃三段深埋長輸水隧洞工程，進行了中等富水區、弱富水區和貧水區三種地質情況下的穩定性分析；殷國權[11]則以錦屏二級水電站為背景，介紹了超高滲透壓力條件下堵水灌漿技術。

上述研究為復雜地質條件下水工隧洞的設計施工提供了一定的借鑒，但由于多數水工隧洞在開挖過后仍須進行二襯，因此二襯時的堵水排水技術對水工隧洞后期襯砌而言就顯得格外重要。本文在前人研究的基礎上，開展了襯砌過程中堵水排水措施對外水荷載減載規律的影響研究，以期為水工隧洞的襯砌施工提供理論指導。

2 理論基礎及分析模型

2.1 流固耦合理論

傳統的Biot固結理論認為：在滲流-應力耦合情況下，巖體的孔隙率和滲透系數是恒定不變的，即僅為滲透體積應力對整個巖體應力場的作用過程，見式(1)：

(1)

式中，τ表示面力，N/m2；f表示體力，N/m3；δε表示虛應變,%；δμ表示虛位移,mm；σ′表示有效應力張量，MPa；μw表示孔隙水壓力，MPa；sw表示飽和度，%。

在實際工程中，巖體滲透系數受施工工序、環境的影響變化較為顯著，應力場對滲流場的影響則體現于巖體滲透性的不斷變化過程之中，因此引入滲透系數動態演化方程，得到式(2)：

(2)

式中，Dep表示彈塑性矩陣，無量綱；η為計算參數，無量綱。式(2)將圍巖和襯砌結構作為整體進行分析，考慮了外水荷載在襯砌前后的變化。

2.2 ABAQUS有限元分析模型

圖1 ABAQUS分析模型示意

3 模擬結果分析

3.1 堵水措施影響分析

水工隧洞的堵水措施包括兩種：一種設置于襯砌背后，主要應用于淺埋隧洞且外水壓力較小的情況；另外一種則是固結灌漿，主要針對深埋且外水壓力較大的隧洞，這一類措施主要目的在于降低圍巖的滲透系數，以形成較為致密的封堵圈。將圍巖滲透系數設置為1×10-5m/s，襯砌滲透系數設置為6×10-7m/s，灌漿圈滲透系數設置為9種情況，見表1。

以方案2、5、9為例，對圍巖-襯砌滲流場進行了對比分析，見圖2。從圖2可以看出：當灌漿圈滲透系數與圍巖滲透系數相差不大時，滲流場在開挖區域周圍有較大的擾動現象發生，隨著灌漿圈滲透系數的逐漸降低，滲流場變化劇烈區域逐漸收縮，向襯砌圈和灌漿圈附近靠近；當灌漿圈滲透系數遠小于圍巖滲透系數后，圍巖區域內的滲流場已趨近于圍巖未開挖前的初始滲流場，此時變化最為劇烈的部位集中于灌漿圈和襯砌圈，滲透體積力逐漸表現出靜水壓力特征。灌漿堵水可以減小水工隧洞開挖襯砌施工過程中對地下水的擾動，且灌漿圈的滲透系數應盡量小于圍巖的滲透系數，一般認為兩者比值應該控制在1/40以下。

圖2 滲流場變化特征

灌漿后孔壓、應力的折減情況見圖3。從圖3可以看出：采取灌漿措施后，對襯砌孔壓的折減作用要強于對應力的折減作用，故而只減小襯砌外水壓力是不充分的，還需要考慮滲流體積力(即圍巖傳遞給襯砌圈的外荷載)對襯砌應力的影響，因此對灌漿圈內壁的應力進行分析(即圍巖對襯砌圈的擠壓力)，見圖4。從圖4可以觀察到:應力增大比隨灌漿圈的滲透系數與襯砌圈滲透系數比值的增大呈冪函數型降低，當滲透系數比小于1時，對襯砌圈起到增大壓力作用；當滲透系數比值大于1后，對襯砌圈起到減小擠壓力的作用，表明滲透體積應力會抵消一部分灌漿堵水的減載效果，故而在實際施工過程中為了同時達到減水壓和降壓力的良好效果，須在襯砌圈與圍巖之間增設緩沖層(如柔性排水墊層、土工膜等)，以釋放或者緩解堵水對襯砌圈的額外應力。

圖4 灌漿圈內邊緣應力增大比情況

3.2 排水措施影響分析

排水措施主要以導管排水為主，在隧洞運行期間處于正常水位以上。排水管的排水效果受灌漿圈滲透系數、排水管長度以及位置等因素影響。灌漿圈滲透系數仍采用3.1節中方案大小，得到排水前后應力消減百分比與灌漿圈滲透系數/襯砌滲透系數的關系，見圖5。從圖5可以觀察到：排水前后應力消減百分比隨滲透系數比值呈“增—降”兩階段變化特征，當灌漿圈滲透系數/襯砌滲透系數處于0.3～1.2時，應力消減率達到40%左右，表明此時的排水效果最佳；當灌漿圈滲透系數/襯砌滲透系數大于5后，反而會增大襯砌圈所受應力，此時應該考慮將排水管深入灌漿圈。

圖5 應力消減比情況

排水管深入灌漿圈雖然在一定程度上減小了滲透體積應力，但會導致有效應力增大，造成灌漿圈部分圍巖的變形量加大，故而對排水管貫穿灌漿圈后的應力折減百分比進行了分析，見圖6。從圖6可以看出：當灌漿圈滲透系數/襯砌滲透系數小于0.2時，延長排水管長度反而會加大襯砌圈的受力；當比值在1.2左右時，應力折減百分比最大，達到25%。

圖6 排水管貫穿灌漿圈應力消減比情況

設置六種不同位置處的排水管布置方式(見表2)，對減載效果進行了分析(灌漿圈滲透系數取1.2×10-5m/s)，見圖7。從圖7可以看到：單排水管情況下，在高水壓端孔壓減載效果最好，其次為頂部和低水頭段，對于應力折減，由大到小依次為頂部、低水頭段、高水頭端；在雙排水管設置時，孔壓、應力值均有所減小，但整體而言，頂部+低水頭端排水布置方式時的綜合減載效果最佳，孔壓和應力值分別降低25%和14%。

表2 排水管布置方式

圖7 排水位置對孔壓、應力折減比影響

4 措施建議

在高應力滲透水壓作用下，隧洞的襯砌工作將面臨諸多困難，滲水沖刷混凝土使得其難以發揮強度優勢，在襯砌結束后進行灌漿補強雖然在一定程度上有助于完善結構的整體強度，減小滲透損傷破壞，但是這種先破壞再修補的施工方案大大增加了工作量，且不能保證對所有缺陷部位進行有效、徹底的檢測識別，容易形成安全隱患，建議在預防措施上加大投入，如采用滲透結晶性防水材料，將其作為外加劑于混凝土中進行攪拌，可增加混凝土本身的防水性能，同時要注意澆筑時模板內的防排水措施，在襯砌與圍巖之間設置緩沖層，同時根據圍巖滲透系數情況，適當延長導管長度，避免或者減少滲透破壞情況發生。限于研究成果和工程經驗，對于其他一些措施，還須在將來作進一步的分析和探討。

5 結 論

a.灌漿堵水可以減小對地下水的擾動，隨著灌漿圈滲透系數與圍巖滲透系數比值逐漸減小，周圍滲流場趨于平穩，劇烈區域趨于灌漿圈和襯砌圈，一般認為兩者比值應該控制在1/40以下。

b.滲流體積應力會抵消一部分灌漿堵水減載效果，須在圍巖和襯砌圈之間設置柔性緩沖層。

c.當灌漿圈滲透系數/襯砌滲透系數為0.3～1.2時，導管的排水效果較佳；要根據圍巖滲透性情況，適當延長排水管；頂部+低水頭端排水布置方式時的綜合減載效果最佳。