裂隙巖體公路隧道地下水滲流規律研究

葉 飛 耿慶達 高 朝

（中國安能集團第一工程局有限公司，廣西 南寧 530000）

1 工程概況

工程項目位于四川省西部的甘孜州九龍縣境內，項目內容包括隧道6 座，隧道進出口段圍巖以V 級圍巖為主，節理裂隙發育，巖體破碎；隧道洞身段圍巖級別以Ⅳ、Ⅲ級圍巖為主，圍巖較完整，節理裂隙發育，呈碎裂、塊狀結構。根據工程地質勘察報告，場區內分布廣泛的主要為基巖裂隙水，其余為構造裂隙水。地下水無色、無味、透明，水質類型以Ca-HCO3為主屬弱堿性水。

2 裂隙巖體滲流場分布研究

水在裂隙中的實際運動是十分復雜難測的，為便于研究，通常進行基本假定：當水在裂隙中運動時充滿整個裂隙空間，認為地下水所受阻力與介質阻力一致，針對水在各類介質中的普遍規律進行研究。

在天然地質中，巖體中的裂隙將直接影響巖體的各項物理力學性能以及地下水滲透性能。同時，地下水滲流場受巖體裂隙應力影響較大，反之滲流場的變化又對巖體應力產生影響，這種相互作用稱為滲流應力耦合[1]。在山區隧道中，地下裂隙水滲流時將帶走部分軟弱巖體或其填充物，導致圍巖強度及穩定性降低，運營期間易出現滲流水現象且該工程中裂隙水為主要地下水類型，分布廣泛，因此基于滲流應力耦合作用，進行裂隙巖體地下水滲流研究，對隧道防排水施工與滲漏水治理有至關重要的作用。

2.1 單裂隙水滲流理論

1852—1855年，法國科學家達西通過試驗發現，單位時間內，同一斷面內的滲流量Q與水流長度L成反比，與滲透系數K、水頭差、垂直于水流方向的截面積A成正比，這就是有名的達西定律[2]，它是滲透的基本定律，如公式（1）所示。

式中：Q為滲流量；K為滲透系數；A為垂直于水流方向的截面積；?H為水頭差；L為滲流長度。

由水力學可知，流經某一斷面的水流量等于流速與斷面的乘積，如公式（2）所示。

因此，達西定律公式可簡化為公式（3）所示。

式中：V為滲流速度；J為水力坡度，J=?H/L。

與此同時，根據經典的理想光滑平板單一裂隙網絡滲流研究基本理論——立方定律[3]可知，單寬流量q如公式（4）所示。

式中：q為裂隙單寬流量；g為重力加速度；d為裂隙寬度；μ為水流運動黏滯系數。

根據公式（3）和公式（4）推導，單裂隙內地下水滲流速度計算如公式（5）所示。

裂隙滲透系數如公式（6）所示。

然而，理想的平板裂縫在現實中幾乎不存在，現實裂隙面粗糙且起伏不一，為體現裂隙面滲流場的影響，裂隙滲透系數通常進行折減，即乘以折減系數m，則裂隙滲透系數如公式（7）所示。

2.2 裂隙滲流場分布理論推導

裂隙巖體滲流計算模型根據目前應用情況，并結合工程實際，擬采用等效連續介質模型，該模型理論服從達西定律，假定地下水滲流環境為連續介質狀態，運用孔隙介質滲流方法，操作簡單，成果實用性較好[4]。

在等效連續介質中，滲流場表征為穩定滲流與非穩定滲流2 種狀態。對非穩定滲流來說，根據孔隙介質滲流方法，取滲流場中一處微體，結合達西滲透定律，聯合得出非穩定滲流基礎方程如公式（8）所示。

式中：H為總水頭；kx、ky、kz為x、y、z方向的滲透系數；Q為流量；Θ為體積含水率；t為時間。

受滲流應力耦合作用影響，含水率將隨應力狀態變化而變化，但因巖體自身為非力源，即自身不產生或分散荷載，因此含水率只受孔隙水的壓力影響而變化，其變化特性應滿足公式（9）。

式中：mw為阻流系數；uw為孔隙水壓。

同時由水力學可知，總水頭H是由計算處水頭與壓力水頭共同構成的，如公式（10）所示。

式中：rw為水體容重；z為計算處水頭。

根據公式（8）～公式（10），可得出裂隙滲流場非穩定滲流狀態理論方程，如公式（11）所示。

對穩定滲流來說，因滲流發生時水頭上下限處于固定不變狀態，則單位時間內巖體裂隙中的滲流量不發生變化，因此，由公式（8）得出裂隙滲流場穩定滲流理論方程，如公式（12）所示。

3 裂隙巖體滲流的優勢水力路徑研究

優勢水力路徑既是巖體中地下水沿巖體裂隙發生滲流現象時的滲流通道，也是滲流路徑，是裂隙巖體重要的特性之一[5]。研究裂縫巖體滲流的優勢路徑，探索其應力環境與滲流環境，為控制隧道滲流與施工提供參考。

3.1 優勢水力路徑形成機理

對裂隙來說，完整巖體的滲透性能幾乎可以忽略不計，因此，忽略巖體的滲透性只對裂隙滲流進行研究即研究地下水在裂隙中的運動規律，這就是經典的立方定律。由公式（4）各參數可知，裂隙寬度是影響滲流量的重要因素。由于巖體中不止1 條裂隙且裂隙寬度不同，因此地下水主要流經較大裂隙寬度處發生滲流，即為優勢水流。

通過國內外學者大量研究表明，巖體中的裂隙大多為非貫通或閉合裂隙，僅10%～20%為貫通裂隙，因此裂隙巖體中只有少部分能形成滲流通道，其余裂隙更多是發揮保水作用。

3.2 優勢水力路徑應力分布特性

巖體中的裂隙因其發展不規律的特性，所以始終處于應力變化的狀態，默認裂隙中的水體充滿整個裂隙空間且忽略水體的剪切應力（默認水體不受剪應力）。采用巖體勘察軟件建立巖體模型，并通過SDFN 隨機裂隙網絡程序生成裂隙網絡，結構模型如圖1所示。根據裂隙受力計算模型，對裂隙的σ1、σ2不同賦值進行模擬計算，賦值分組見表1，模擬結果及流量對比如圖2所示。

圖1 巖體結構模型及裂隙生成圖

圖2 不同應力狀態裂隙發展及流量對比圖

表1 巖體裂隙賦值分組明細

由圖2 可知，當無圍壓時（圖2（a）），由于滲流水體的自身水壓作用，巖體應力有所降低，因此裂隙表現出擴張狀態。而在二向等壓的情況下（圖2（b）），巖體不僅能抵消來自滲流水體的水壓力，還能向裂隙施加正向壓力，使裂隙表現出收縮狀態。當進行異邊增壓時，保持σ2不變，當σ1增大時（圖2（c）），裂隙受到2 個垂直方向不同的壓力，其壓力差使裂隙承受剪切變形，沿較大壓力方向逐漸收縮，裂隙寬度變小，整體滲透性降低。值得注意的是，當壓力持續增大時（圖2（d）），裂隙反而呈現整體閉合或急劇收縮現象，這表明當巖體壓力超過一定數值時，原優勢路徑上的巖體裂隙將發生突變，阻斷或減弱滲流通道，現實表征為巖體透水性降低；當保持σ1不變，σ2增大時（圖2（e）），裂隙表現形式與上述異邊增壓情況基本一致（異向同形）。

從不同應力狀態的裂隙流量對比可知（圖2（f）），巖體中的應力狀態（應力環境）對裂隙滲透流量有顯著影響，在不同應力狀態中，裂隙受到巖體施加的法向應力以及滲流水體施加的切應力（理想狀態除外），使裂隙寬度變化極大，表征為巖體滲透性能的差異，這說明巖體滲透性能對應力環境尤其敏感，這與裂隙巖體滲流應力耦合效應相吻合。

4 結論

該文依托某山嶺隧道工程應用場景，對裂隙巖體地下水滲流場分布的理論推導與滲流優勢水力路徑的模擬研究，揭示裂隙巖體地下水運動規律，為隧道防排水施工提供指導，得到以下3 個結論：1）以達西定律為基礎理論，推導出地下水滲流速度計算公式，并得出符合實際情況滲流介質的滲透系數表達式；運用等效連續介質模型，推導得出非穩定滲流與穩定滲流的理論方程，為裂隙巖體滲流場提供評價依據及理論支撐。2）地下水在巖體裂隙中滲流運動形成的最佳水流通道即為優勢水力路徑，其和滲流介質（巖體）的滲透性息息相關，而巖體滲透性受應力環境影響將對裂隙寬度產生制約，最終導致滲流量和優勢路徑發生變化，模擬結果符合滲流應力耦合效應。3）通過地下水運動規律研究，在以裂隙水為主的山嶺隧道施工過程中，通過理論計算地下水運動參數（水體滲流速度、介質滲透系數等）并進行控制（如圍巖注漿、滲水封堵引流等），同時對隧道圍巖應力狀態的監測與控制，調整或改變滲流路徑，在隧道防排水施工中具有指導意義。