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基于GEO


西安理工大学学报 Journal o f Xi an U niv ersity of T echno lo gy ( 2006) Vo l. 22 No . 2 文章编号: 1006 4710( 2006) 02 0171 04

171

基于 GEO SL OPE 分析高水头作用下 水库对隧道的渗流影响
侯伟1, 2 , 仵彦

卿1, 3 , 何立志4
( 1. 西安理工大学 水利水电学院, 陕 西 西安 710048; 2. 中国兵器工业勘察设计研究院 科质处, 北京 100053; 3. 上海交通大学 环境科学与工程学院, 上海 200240; 4. 北京工业大学 建筑工程学院, 北京 100022)

摘要: 结合西( 安) 合( 肥) 高速公路深埋隧道工程, 基于 GEO SL OPE 的渗流分析模块 SEEP/ W, 分析了隧道西侧的拟建李家河水库在存在 20~ 54 m 的水头差作用下水库库水对隧道的渗流影 响。给出了相应的渗流场分布, 预测出了水库库水对隧道的渗流量, 并结合具体情况拟定了相应的 防治措施。 关键词: 高水头; 渗流量; 渗流分析模型; 水库; 隧道 中图分类号: P641. 2 文献标识码: A

The Analysis of Effects of Reservoir under the High Water Head upon Tunnel Seepage Flow Based on GEO SLOPE
H OU Wei , WU Yan qing
1, 2 1, 3

, H E L i zhi

4

( 1. Facult y of W ater Reso ur ces and H ydr aulic Po wer , Xi an U niver sity o f T echnolog y, Xi an 710048, China; 2. Department of Science T echnolog y and Q ualit y, China O rdnance I ndustr y I nstit ute o f Geotechnica l Survey & Desig n, Beijing 100053, China; 3. Scho ol o f Env ir onmental Science and Engineering , Shanghai Jiao tong U niv ersity , Shang hai 200240, China; 4, Scho ol of A rchitectural Eng ineer ing, Beijing U niversit y of T echnolog y, Beijing 100022, China)

Abstract: In com bining w it h t he deep burr ied t unnel engineering in Xi an H efei superhighw ay and based o n GEO SL OP E seepage flow analysis module SEEP / W, t his paper analyzes the ef fects of reservoir w ater in Lijiahe reservoir to be co nst ruct ed under t he act ion of 20~ 54 m w at er head diff erence upon t he t unnel seepag e f low . T his paper sug gest s the cor respo nding seepag e f low f ield dist ribut ion, predict s t he seepage flow quantit y of reservo ir w at er to the tunnel and w orks out the cor respo nding prev ent ion and contro l m easures in co mbining w it h t he concr et e condit io ns. Key words: high w at er head; seepag e f low quant it y; seepage analysis m odel; reservo ir; t unnel 随着我国交通及资源开发工程的迅速发展, 深 埋长隧道及深埋越岭隧道的修建越来越多。由于其 埋深和洞程长, 因而修建过程中将会遇到一系列的 特殊地质问题。岩体中深埋隧道的涌水问题是最常 见的地质灾害。由于隧道的开挖, 使地下水的排泄 有了新的通道, 破坏了原有的补径排循环系统, 加速 了径流循环, 也加 剧了地下水对岩 体的改造作用。 高水头压力作用下, 岩体可能发生水力劈裂, 使裂隙 的连通性增加, 张开度增大, 从而增加裂隙岩体的渗 透能力。因此研究高水头作用下隧道开挖后渗流量 的变化具有重要的意义。 本文结合西( 安) 合( 肥) 高速公路的深埋隧道 进行分析。通过 GEO SL OPE 的 SEEP / W 模块可 以预测水库对隧道施工开挖后的渗流影响, 计算出 涌水量, 提出工程防治措施, 从而为工程提供可行性 的设计依据。

1

工程概况

西 合高速公路是沟通我国东西部的重要大通 道, 其陕西境内商蓝高速公路要穿过高耸的秦岭山 脉, 设计以深大隧道为主, 在隧道西侧 500~ 1 000 m 处拟建李家河水库, 为西安市供水。李家河水库

收稿日期: 2005 12 30 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 10572090) 。 作者简介: 侯伟( 1980 ) , 女, 四川成都人, 硕士。仵彦卿( 1957 ) , 男, 陕西乾县人 , 教授, 博 导。研究 方向为地下环境模拟 与修复、 水资源与环境、 岩土水力学与 地质环境。E mail: wuyanqing @ sjtu. edu. cn。

172 设计库水位高度为 880 m 。 水库坝址区基岩为燕山期牧护关花岗岩, 岩性 较单一, 岩脉较发育。河床及漫滩分布第四季冲积 堆积, 谷坡有第四季坡积( 或残积) 及崩积层。坝址 区的构造面类型有原生结构面、 断面、 裂隙等。 根据钻孔压水试验成果, 坝址岩体的透水率在 弱透水率至微透水率之间变化。由于受构造、 风化 作用的影响, 中等透水和微透水层相间分布, 岩体透 水性能相对较大。坝区地下水 主要为基岩裂 隙潜 水、 基岩裂隙承压水及第四系孔隙潜水。 x

西安理工大学学报( 2006) 第 22 卷第 2 期

综合上述各式, 即可得出研究区域的渗流数学 模型[ 4] : K xx y H + x x Kxy H + y y K yy H + Q = 0 y (x, y)
1

K yx H + x

H ( x , y ) = H 1( x , y ) H cos( n, x ) + x

( 4)

H cos( n, y ) = 0 y (x, y) 2

几何模型所选择的剖面是具有代表性且水库距 隧道较近的 3 个地质剖面, 分别为 A A 、 B、 C 剖 B C 面。本次分析共划分 3 个材料区域, 上部为强风化 带, 中部为弱风化带, 下部为微风化带。通过对每个 剖面的渗流量计算分析, 来确定拟建水库对隧道的 渗漏量。

2

渗流模型
在研究中, 视岩体为非均质、 各向异性介质。研

究区域的渗流问题用垂直剖面的二维流描述, 岩体 的渗透性用渗透系数张量 K ij 表示, 记作[ K] Kxx K xy K= Kyx K yy
[ 1]



3

计算参数

对于长期渗流来说, 可以用稳定流来描述, 则研 究区域的渗流控制方程为 [ 2, 3] : x Kxx H + x x K xy H + y ( 1)

根据大量的裂隙调查统计、 压水试验成果和室 内岩体试验, 研究坝区岩石的强度特征和渗透特性, 以及浅部风化带潜水和深部裂隙承压含水层, 并结 合大量相关工程的经验数据, 得到 3 个材料分区的 计算参数( 见表 1) 。这些计算参数综合考虑了研究 区域岩体内部裂隙的渗流特性, 随着岩体的风化裂 隙程度的不同, 渗透性能各不相同。 在同一风化区域, 也考虑了岩体渗透性的各向 异性。 非均质性用 K ( x , y ) 来表示, 各向异性 用 K x 、 K y 来表示, 计算参数考虑的是岩体的主渗透系数。 故在渗流数学模型中, Kxy = Kyx = 0, 强风化带选用 K y / K x = 1, 弱风化和微风化带选用 K y / K x = 10( 微 风化带部分考虑到隧道开挖工程影响, 均乘了 1. 5 的系数, 故微风化带渗透性大于弱风化带) 。

Kyx H + y x

Kyy H + Q = 0 y y

式中, H 为地 下水 头, Q 为 源汇 项 ( 入 渗 或蒸 发 强度) 。 设控制方程式( 1) 的定解条件如式( 2) 和式( 3) 所示, 其中式( 2) 表示边界条件。 H ( x , y) = H 1 ( x , y ) H cos( n, x ) + x
1 2

( x, y)

1

( 2)

H co s( n, y ) = 0 y (x , y)
2

( 3)

式中 、 分别为第一类和第二类边界, 且有总边 界 = 1 + 2 , H 1 为第一类已知的水头边界。
T ab. 1 剖 面

表 1 研究区域渗流计算参数 Seepag e parameters in the study area 弱风化带主渗透系数/ ( m/ s) Kx Ky 4. 0 ! 10 - 8 4. 0 ! 10 - 7 1. 0 ! 10 - 7 1. 0 ! 10 - 6 - 7 1. 0 ! 10 1. 0 ! 10 - 6 微风化带主渗透系数/ ( m/ s) Kx Ky 1. 296! 10 - 7 1. 296! 10- 6 9. 4 ! 10- 7 9. 4 ! 10 - 6 - 7 3. 0 ! 10 3. 0 ! 10 - 6

A A BB C C

强风化 带主渗透系数/ ( m/ s) Kx Ky 3. 0 ! 10 - 7 3. 0! 10 - 7 9. 0 ! 10 - 7 9. 0! 10 - 7 - 7 8. 0 ! 10 8. 0! 10 - 7

4

数值模拟

[ 5]

研究区域的底部和左侧边界( 分水岭) 为隔水边 界, 右侧水库为 83 m 的定水头边界, 隧道为定水头 边界。同时考虑大气降 水入渗对隧道 排泄量的贡 献, 故将上部边界定为降水入渗流量边界。本区多 年平均降水量为 854 mm, 降雨入渗系数为 0. 067, 所以降雨入渗强度 为:

1) A A 剖面。该剖面位于李家河水库 坝址区 坝轴线南侧。隧道底部设计高程为 825. 79 m , 顶部 设计高程为 832. 79 m, 数值计算中剖面基准高程为 797. 00 m。剖面有限单元划分如图 1 所示。

侯伟等: 基于 G EO SL OP E 分析高水头作用下水库对隧道的渗流影响

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- 6 3

= 854 ! 0. 067 = 57. 218 mm/ a = 1. 57 ! 10- 4 m/ d = 1. 81713 ! 10- 9 m/ s

1. 3493 ! 10 ! 24 ! 3600 = 0. 1166 m / ( d ? m) 由降雨地表入渗补给对隧道排泄量的# 贡献?为: ( 2. 5168 ! 10- 6 - 1. 3493 ! 10- 6 ) ! 24 ! 3600 = 0. 1009 m / ( d ? m) 因此在考 虑降水入渗和水库渗流 量共同作用
3

下, 隧道在此段的排泄量为 0. 217 5 m 3 / ( d ? m) 。 2) B B 剖面。该剖面位于李家河水库甘沟, 设
图 1 A A 剖面地下水渗流域 单元离散和边界设置图 Fig. 1 U nit separate and setting of boundar y conditio n in seepage ar ea o f A A cr oss sectio n

计隧道底 和顶部高程分 别为 845. 53 m 和 852. 53 m, 数值计算中剖面线的基准高程为 805. 00 m。剖 面有限单元划分如图 3 所示。通过渗流计算, B B 剖面地下水渗流域内的水头分布以及流速分布如图 4 所示。

在计算过程中水位边界条件保持不变( B B、 C C 剖面边界条件均同上) 。通过渗流计算, A A 剖面 地下水渗流域内水头分布、 流速分布如图 2 所示。
图 3 B B 剖面地下水渗流域单元离散和边界设置图 F ig . 3 U nit separ at e and sett ing of bo undar y conditio n in seepag e area o f B B cr oss section

从以上计算结果可看出, 在考虑工程作用时, 水 库向该剖面岩体中渗流量为: 3. 3082 ! 10
3 - 6

! 24 ! 3600 =

图 2 A A 剖面地下水水头等值线和流速场 Fig . 2 G round w ater to tal head co nto ur and flow velocit y field o f A A cro ss sectio n

0. 2858 m / ( d ? m) 由降雨地表入渗补给对隧道排泄量的# 贡献?为: ( 4. 7326 ! 10- 6 - 3. 3082 ! 10- 6 ) ! 24 ! 3600 = 0. 1231 m / ( d ? m) 因此在考 虑降水入渗和水库渗流 量共同作用
3

从以上计算结果可看出, 在考虑工程作用时, 水 库向该剖面岩体中渗流量为:

下, 隧道在此段的排泄量为 0. 408 9 m 3 / ( d ? m) 。

图4 Fig. 4

B B 剖面地下水水头等值线和流速场

g round w ater t otal head co ntour and flow velocity field of B B cr oss sectio n

3) C C 剖面。该剖面位于 李家河水库区 桑树 沟。设计隧道底 和顶 部高 程分 别为 860. 57 m 和 867. 57 m, 数值计算中剖面线的基准高程选为 820 m。剖面有限单元划分见图 5。 通过渗流计算, 该剖面地下水渗流域内水头分 布、 流速分布如图 6 所示。 从以上计算结果可看出, 在考虑工程作用时, 水 库向该剖面岩体中渗流量为:

5. 7851 ! 10- 7 ! 24 ! 3600 = 0. 04998 m 3 / ( d ? m ) 由降雨地表入渗补给对隧道排泄量的# 贡献?为: ( 1. 6225 ! 10- 6 - 5. 7851 ! 10- 7 ) ! 24 ! 3600 = 0. 0902 m 3 / ( d ? m) 因此, 在考虑降水入渗和水库渗流量共同作用 下, 隧道在此段的排泄量为 0. 140 2 m / ( d ? m) 。
3

174

西安理工大学学报( 2006) 第 22 卷第 2 期

2) 在断层带附近的隧道, 应加大衬砌厚度; 3) 在隧道衬砌内增加排水软式透水管措施, 软 式透水管及其路基排水、 隧道排水配置。 在研究区的非断裂带段, 水库与隧道的相互影 响不是很大, 采用上述第 3 项工程措施可以处理; 在
图5 C C 剖面地下水渗流域 单元离散和边界设置图 U nit separate and setting of boundary

断裂带段, 由于断层带的侧向渗流, 增大了隧道的涌 水量、 降低了围岩的强度以及增加了施工难度, 可以 采用上述第 1、 项工程措施进行处理。 2

Fig . 5

conditio n in seepage area o f C C cro ss sectio n

6





本文基于 GEO SL OPE 中的 SEEP/ W 渗流分 析模块, 对李家河水库与隧道之间的研究区域中的 3 个典 型地质剖 面进行了 渗流分 析。计算结 果表 明, 在水库建成正常蓄水后, 对隧道有一定的渗漏影
图6 Fig . 6 C C 剖面地下水水 头等值线和流速场 Gr ound w ater to tal head co nto ur and

响, 引起隧道开挖过程中涌水量的变化。根据计算 得出的各个剖面的渗流量, 本文提出了相应的工程 措施。 参考文献:
[ 1] 毛昶熙( M ao Changx i) . 渗流计算分析与控制( Seepag e Co mputatio n Analy sis & Contr ol) [ M ] . 北京 : 中国水利 水电出 版 社 ( Beijing : China Wat erpow er Pr ess ) , 200 3. 377 383. [ 2] 周志芳, 王锦国 ( Zho u Zhifang , W ang Jinguo) . 裂隙介 质 水 动 力 学 ( Dynamics of F luids in Fr actur ed M edia ) [ M ] . 北京: 中国水利水电出版社( Beijing : China Wat er pow er Pr ess) , 2004. 203 204. [ 3] Anonymo us . Definition o f g eotechnical eng ineer ing [ J ] . Gro und Eng ineering M agazine, 1999, 32( 11) : 39. [ 4] 仵 彦卿 , 柴 军 瑞 ( W uY anqing , ChaiJunrui) . 裂 隙 网 络 岩 体三 维 渗 流 场 与 应 力 场耦 合 分 析 ( 3 D seepage field co upled w ith t he stress field analysis of fr actur ed netwo rk ro ck mass) [ J] . 西安理工大学学报( Journal o f Xi an U niversit y of T echnolog y) , 2000, 16( 1) : 1 5. [ 5] Jo hn K rahn . SEEPA GE M odeling with SEEP / W [ M ] . Canada: GEO SL O PE Internatio nal Lt d, 2004. ( 责任编辑 王卫勋)

flow velocity field o f C C cro ss section

5

数值计算结果分析及相应的排水措施
在未来水库蓄水 880 m, 同时考虑降雨入渗的

共同作用下, 李家河深 埋隧道排水量在 A A 剖面 段为 0. 217 5 m 3 / ( d ? m) , 此段隧道长 1 462 m, 此 段排水量为 317. 985 m 3 / d; 在 B B 剖面段( 断层段) 为 0. 408 9 m / ( d ? m ) , 断层带及影响带宽 60 m, 此段 排 水 量 为 24. 534 m 3 / d; 在 C C 剖 面 段 为
3

0. 1402 m / ( d ? m) , 此 段隧道长 1 792 m, 此段排
3

水量为 251. 24 m 3 / d。水库影响的隧道总计排水量 为593. 759 m / d。 针对李家河水库对隧道的渗流影响, 本文提出 3 项工程措施: 1) 隧道在施工距甘沟断层 10 m 时, 采用水平 钻孔在断层带进行帷幕灌浆, 灌浆厚度约 10 m, 可 防止施工期断层带的透水, 同时可预防未来水库水 的渗漏;
3


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