劉志春， 高新強(qiáng)， 朱永全

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的深化，隧道工程所引起的地下水環(huán)境問(wèn)題逐漸引起人們的高度重視，隧道工程建設(shè)與運(yùn)營(yíng)常導(dǎo)致地下水位下降、地下水資源流失及水文循環(huán)失衡，從而引起生態(tài)及生活環(huán)境惡化［1-3］。對(duì)于隧道工程與地下水的相互作用問(wèn)題，以往研究大多集中在地下水對(duì)隧道工程的影響及對(duì)策，如防排水原則、結(jié)構(gòu)形式、外水壓力處理及人工降水引起的地面沉降等研究［2-5］，而隧道工程對(duì)地下水環(huán)境的影響方面研究較少，且大多限于隧道涌水量的預(yù)測(cè)研究方面，個(gè)別開(kāi)展的隧道工程對(duì)地下水環(huán)境影響研究也僅處于定性及半定量階段［1，6，7］。

在如何有效地評(píng)價(jià)隧道對(duì)地下水環(huán)境的影響問(wèn)題上，建立切實(shí)可行、行之有效的裂隙巖體滲流模型顯得尤為重要。裂隙巖體的滲流模型，根據(jù)巖體裂隙特征和裂隙性質(zhì)的把握準(zhǔn)確程度，主要為等效孔隙(連續(xù))介質(zhì)模型、雙重介質(zhì)模型和網(wǎng)絡(luò)裂隙介質(zhì)模型等［8］。然而，裂隙巖體本身具有復(fù)雜性，其滲流特征具有多樣性，計(jì)算模型如要完全反映裂隙巖體的滲流特征基本上是不可能的。因此采用等效連續(xù)介質(zhì)模型，旨在研究如何進(jìn)行模型假定、邊界條件選取、模型材料選擇、參數(shù)選取等，才能較好地反映裂隙巖體隧道的滲流特征。

1 裂隙巖體的滲流特征

(1)巖體的裂隙性。裂隙介質(zhì)是相對(duì)于孔隙介質(zhì)和溶穴介質(zhì)，是指含裂隙水的巖體。裂隙巖體由于裂隙發(fā)育、分布的方向性和不均勻性，其滲透具有明顯的各向異性和不均一性特點(diǎn)。

(2)巖體的滲透性。水只能沿連通孔隙或裂隙滲透，巖體滲透性大小主要取決于巖石孔隙的大小、方向及其相互連通情況，用滲透系數(shù)來(lái)衡量。

(3)巖體滲流的不均勻性。是指在巖體空間內(nèi)，不同位置上滲透系數(shù)大小不同。宏觀(guān)巖體滲流不均勻性主要是由于不連續(xù)面的發(fā)育程度的差異，通常表現(xiàn)為分帶性和成層性。

(4)巖體的各向異性。由于巖體介質(zhì)具有非均質(zhì)各向異性，要用滲透張量來(lái)描述巖體介質(zhì)各個(gè)方向上的不同滲透性能。通常在節(jié)理裂隙密集展布的方向上，巖體的滲透性占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)。一般經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換的各向異性為非軸向各向異性。

除此，裂隙巖體還具有非飽和性及耦合特性等［8-9］。

2 裂隙巖體滲流模型

(1)等效連續(xù)介質(zhì)模型是把巖塊-裂隙系統(tǒng)等效成連續(xù)介質(zhì)，用連續(xù)介質(zhì)理論描述滲流方程，認(rèn)為水流服從Darcy定律，可直接應(yīng)用孔隙介質(zhì)滲流理論，操作性好。

(2)雙重介質(zhì)模型也是一種連續(xù)介質(zhì)模型，認(rèn)為巖塊孔隙系統(tǒng)(包括微裂隙)和裂隙系統(tǒng)連續(xù)地充滿(mǎn)整個(gè)區(qū)域，即把裂隙巖體看作是具有不同水力參數(shù)的兩種連續(xù)介質(zhì)的疊加體，兩種連續(xù)介質(zhì)中的滲流場(chǎng)均建立在Darcy定律的基礎(chǔ)上，并依據(jù)兩種介質(zhì)間的水交換項(xiàng)來(lái)聯(lián)立求解各自的滲流場(chǎng)。

(3)網(wǎng)絡(luò)裂隙介質(zhì)模型認(rèn)為巖塊本身不透水，整個(gè)地下水運(yùn)動(dòng)是通過(guò)裂隙網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行的。

由于裂隙本身的復(fù)雜性，后兩種模型在解決實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)均有其局限性。

3 流體偏微分方程

模型采用GeoStudio軟件SEEP/W模塊，該模塊用于分析土體或巖體地下水滲流和超孔隙水壓力消散問(wèn)題［10-11］。二維滲流偏微分方程通常可表述如下

式中，H為總水頭;Kx為x方向的水力滲透系數(shù);Ky為y方向的水力滲透系數(shù);Q為應(yīng)用邊界通量;θ為單位土體中含水量的變化;t為時(shí)間。

該方程說(shuō)明了在某一時(shí)刻點(diǎn)流進(jìn)和流出一個(gè)單元體流量通量的差等于土體中含水量的變化。更具體的說(shuō)，單位時(shí)間內(nèi)，在x和y方向及外表面方向通量總的變化速率等于單位土體中含水量的變化率。

體積水含量的變化取決于土體應(yīng)力狀態(tài)和特性的變化。在飽和土和非飽和土的條件下，應(yīng)力狀態(tài)用兩種狀態(tài)變量來(lái)描述。這些應(yīng)力狀態(tài)變量分別是(σ－ua)和(σ－uw)，這里σ是總應(yīng)力，ua空隙氣壓力，uw空隙水壓力。

SEEP/W程序假設(shè)總應(yīng)力恒定，也就是說(shuō)，對(duì)土體既沒(méi)有加載也沒(méi)有卸載。SEEP/W還假定:在瞬態(tài)處理過(guò)程中，空隙氣壓力為定值且等于大氣壓力。這意味著(σ－ua)保持為定值，對(duì)體積含水量的變化沒(méi)有影響。含水量變化相應(yīng)地僅僅取決于(σ－uw)狀態(tài)變量的變化，其中，ua為定值，含水量的變化僅是于空隙水壓力的函數(shù)。結(jié)果是，含水量的變化僅與空隙水壓變化有關(guān)，如式(2)所示

式中，mw為含水量曲線(xiàn)的斜率?？偹^H可以這樣定義

式中，uw為空隙水壓;γw為水容重;y為位置水頭。

4 裂隙巖體隧道非均質(zhì)、各向異性等效滲流模型

采用SEEP/W模擬軟件建立等效連續(xù)介質(zhì)水文地質(zhì)模型，為增加模型擬真性，在模型中考慮巖層的非均質(zhì)性、非軸向各向異性［12］。

4.1 模型材料

模型材料中按實(shí)際地層厚度取值，考慮材料的非均質(zhì)性。根據(jù)結(jié)構(gòu)面分布情況，考慮平行于結(jié)構(gòu)面方向的滲透系數(shù)為Ky'，垂直于結(jié)構(gòu)面方向的滲透系數(shù)為Kx'，定義各向異性特征系數(shù)Kr=Ky'/Kx'。Kr的取值與節(jié)理發(fā)育程度緊密相關(guān)，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖Kr分別取值為10、50、100、500。

計(jì)算斷面選取為垂直于隧道軸向橫斷面，巖層結(jié)構(gòu)面真傾角轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)面在計(jì)算斷面處的視傾角γ=arctan(tan αsin(90°－β))，其中，α為巖層結(jié)構(gòu)面(真)傾角;β為巖層結(jié)構(gòu)面傾向。

4.2 材料參數(shù)

對(duì)于穩(wěn)態(tài)分析，材料參數(shù)主要為包括滲透系數(shù)K、結(jié)構(gòu)面視傾角γ、各向異性特征系數(shù)Kr。圍巖滲透系數(shù)K取值根據(jù)施工期間實(shí)測(cè)涌水量，以及水井水位監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)值模型反演確定。帷幕注漿及徑向注漿所形成的注漿圈滲透系數(shù)按圍巖水泥注漿效果試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)取值。噴射混凝土滲透系數(shù)按設(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)、實(shí)際施工效果試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)按P2抗?jié)B等級(jí)取值。二次襯砌模筑混凝土滲透系數(shù)按設(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)P8取值。盲管滲透系數(shù)按砂礫石滲透系數(shù)取值。結(jié)構(gòu)面視傾角γ根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)面傾向及傾角計(jì)算確定。Kr按圍巖分級(jí)確定。

4.3 模型邊界取值范圍

計(jì)算模型上邊界為隧道施工前初始地下水位線(xiàn)，下邊界根據(jù)隧道埋深情況取隧道底面以下50～100 m。左、右邊界根據(jù)地形情況、地質(zhì)情況選擇確定，其選取原則為:

(1)分水嶺位置作為模型左、右邊界;

(2)斷層結(jié)構(gòu)面位置做為模型的左、右邊界;

(3)河流及水庫(kù)位置做為模型的左、右邊界;

(4)如地面較平坦，無(wú)上述各種邊界，可根據(jù)影響半徑的經(jīng)驗(yàn)公式［13］取值，即R=215.5+510.5K，其中，R為隧道涌水影響半徑;K為巖體滲透系數(shù)。

4.4 邊界條件

穩(wěn)態(tài)分析中，左、右邊界采用定水頭邊界條件，其水頭等于邊界處水位高度;下邊界為不透水邊界。

上邊界，即隧道施工之前的初始地下水線(xiàn)，隧道施工排水后，其水頭(負(fù)壓力水頭)是未知的，其流量在地形及地下水位起伏較大時(shí)也是未知的，只有在地形及地下水位水平時(shí)上邊界流量均為0(不考慮降雨入滲因素)。此時(shí)，對(duì)于上邊界可采用q=0(或Q=0，q為單元流量，Q為節(jié)點(diǎn)流量)潛在浸潤(rùn)面檢驗(yàn)邊界，也即通過(guò)迭代求解找出浸潤(rùn)面位置。當(dāng)考慮降雨入滲時(shí)，可按當(dāng)?shù)啬杲涤炅亢徒涤耆霛B系數(shù)，計(jì)算出每天的降雨入滲量，然后可設(shè)q=定值的潛在浸潤(rùn)面檢驗(yàn)邊界。對(duì)于隧道洞壁邊界條件可設(shè)為壓力水頭為0，或同樣采用檢驗(yàn)的潛在浸潤(rùn)面q=0邊界，二者是等效的。當(dāng)然也可以根據(jù)需要設(shè)為固定流量邊界。

5 應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證

石板山隧道位于石太客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)河北省井陘縣之內(nèi)，設(shè)計(jì)為單洞雙線(xiàn)隧道，最大埋深322 m，全長(zhǎng)7505 m，隧道開(kāi)挖最大跨度近15 m，起訖里程DIK49+585～DIK57+090，是全線(xiàn)的重點(diǎn)控制工程。隧道工程區(qū)屬于太行山東麓基巖低山區(qū)，屬于北方干旱、半干旱區(qū)，降水量不大，地表植被較發(fā)育。隧道范圍地層主要巖性為第四系上更新統(tǒng)坡洪積層(Q3dl+pl)新黃土，碎石類(lèi)土，沖洪積層(Q3al+pl)粉質(zhì)黏土;寒武系中統(tǒng)徐莊組(ε2x)泥質(zhì)條帶灰?guī)r、頁(yè)巖、石灰?guī)r，寒武系下統(tǒng)毛莊組(ε1mz)白云巖、白云質(zhì)泥巖;元古界長(zhǎng)城系高于莊組(Chg)白云巖、長(zhǎng)石石英砂巖，大紅峪組(Chd)石英巖狀砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖夾粉砂巖，甘陶河群變長(zhǎng)石石英砂巖、云母片巖、綠泥片巖;太古界南營(yíng)巖組(Arn)花崗片麻巖;局部為燕山期(δu)輝綠巖侵入體。地下水分為變質(zhì)巖風(fēng)化裂隙水、碳酸鹽巖巖溶裂隙水、松散層孔隙水，以及碎屑巖夾碳酸鹽巖孔隙裂隙巖溶水。地下水主靠大氣降水直接滲入及基巖山區(qū)地下水徑流的側(cè)向補(bǔ)給。

隧道區(qū)范圍內(nèi)分布有多處泉、井和水庫(kù)。隧道施工過(guò)程中，曾造成井泉干涸，水庫(kù)水位下降，影響到居民的生產(chǎn)生活用水。施工中采取帷幕注漿、補(bǔ)充徑向注漿、全包式柔性防水層、提高噴射混凝土防水性能、及時(shí)支護(hù)封閉等系列防排水技術(shù)體系。合理評(píng)價(jià)隧道對(duì)地下水資源的影響顯得尤為重要。

沿隧道縱向選取14個(gè)代表性斷面進(jìn)行滲流分析，建立計(jì)算模型分析隧道施工引起的地下水滲流規(guī)律，并得出地下水位變化及地下水資源流失量，如圖1為DIK52+300斷面計(jì)算模型。在未考慮降雨季節(jié)變化情況下，得隧道運(yùn)營(yíng)階段分區(qū)段排水量分布如圖2所示。

圖1 DIK52+300計(jì)算模型

圖2 成洞運(yùn)營(yíng)階段分區(qū)段隧道排水量

由圖2，DIK51+800、52+300代表區(qū)段按實(shí)際施作帷幕注漿考慮，其余區(qū)段采用常規(guī)復(fù)合式襯砌，得運(yùn)營(yíng)階段隧道總排水量為1669.74 m3/d。從圖中區(qū)段排水量曲線(xiàn)可見(jiàn)，施作帷幕注漿區(qū)段排水量明顯下降，說(shuō)明帷幕注漿是防止地下水資源流失的有效手段。2008年8月28日和10月9日雨季兩次測(cè)試的隧道總排水量分別為2082.24 m3/d和1607.04 m3/d。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，但計(jì)算結(jié)果未考慮降雨季節(jié)變化，兩次實(shí)測(cè)為雨季測(cè)試，故計(jì)算結(jié)果實(shí)際上比實(shí)測(cè)結(jié)果略偏大。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)采用非均質(zhì)、各向異性等效連續(xù)介質(zhì)模型模擬裂隙巖體滲流規(guī)律及地下水資源流失量，并應(yīng)用于實(shí)際工程中，計(jì)算結(jié)果較為符合實(shí)際。

(2)帷幕注漿區(qū)段排水量明顯下降，是防止地下水資源流失的有效手段。

(3)計(jì)算石板山隧道運(yùn)營(yíng)期間隧道排水量1669.74 m3/d，說(shuō)明隧道建設(shè)對(duì)區(qū)域地下水資源有一定影響，運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)采用有效措施進(jìn)行地下水資源的合理再利用。

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