矿山法城市隧道渗流场演变及防排水问题研究：模型试验结果分析

1)不同高度水头作用下隧道渗流场演变

由地下水渗流理论、二维稳态流动的复变函数理论等可知[175-176],地下水头作用对隧道渗流场演变起主要作用,本次试验分别以20 m,25 m,30 m作用水头为初始水头,采用从双层法兰盘观察孔中置入的高清摄像头,观察渗流稳定前注浆圈内壁的水流浸润过程,并记录其从干燥到饱和状态的渗流时间。本书仅列出30 m作用水头时的渗流演变过程,如图5.22所示。

图5.22　渗流演变过程

从注浆圈内壁渗流演变过程可知,不同高度的作用水头,其渗流过程并不相同。模拟30 m作用水头时,注浆圈内壁渗流演变过程较为明显,渗流20 h后,出现少量的块状润湿面,主要位于拱顶和拱底位置,表明模型箱中的围岩已接近饱和状态,地下水开始通过注浆圈向隧道内排泄;渗流27 h后,注浆圈内侧润湿面积加大,拱底已基本浸透,拱顶出现明显的浸润线,而拱肩至拱腰处也有润湿的趋势;渗流36 h后,注浆圈内壁均已湿润,表明注浆圈已接近饱和,拱顶处出现少量水珠;渗流49 h后,拱腰以上位置挂满水珠,且部分水珠开始滴落,拱底有少量积水;渗流64 h后,水珠滴落速度加快,局部可见间断性水流线,拱底积水明显增加。

当模拟的初始作用水头降低为25 m和20 m时,注浆圈内壁处于块状润湿和浸润线状态的时间大幅延长,注浆圈饱和后仅拱顶处可见少量水珠,渗流过程中未见明显线状水。25 m作用水头时,31 h后出现块状润湿,60 h后拱顶水珠滴落;而20m作用水头时,约80 h拱顶可见少量水珠。可见,随着地下水位降低,渗流速度减慢,渗流时间大幅增加,隧道渗流场演变状态是不同的。

2)静水头作用下隧道水压力-排水量分析

试验分别模拟20 m,25 m,30 m静水头作用下,控制调水阀(接近最小排水量),保持接水软管过水面积恒定,待隧道水压力-排水量稳定后开始测量,二衬及注浆圈外各特征点水压力分布规律如图5.23(a)所示,不同高度静水头作用下的排水量结果如图5.23(b)所示。

由图5.23(a)可知,不同高度的静水头作用下,各特征点水压力分布规律变化明显。二衬及注浆圈背后各测点的水压力变化规律基本一致,均表现为由拱顶至拱底逐渐增大的趋势,且在相同水头作用下,隧道同一位置注浆圈背后水压力较二衬背后更大,说明注浆圈具有一定的阻水性。静水头高度降低时,各特征点水压力呈近似线性下降,表明隧道各特征部位对水头变化的响应具有敏感性和一致性,且作用水头越小,相同位置二衬和注浆圈背后的水压力值越接近,20 m静水头作用下,二衬背后拱顶处水压力值为129.34 kPa,注浆圈背后水压力值为134.64 kPa。

(www.xing528.com)

图5.23　静水头作用下隧道排水量-水压力测试结果

对于不同高度静水头作用下的排水量,随静水头高度降低,其值呈逐渐下降的趋势,30 m,25 m,20 m静水头分别对应0.478 m3/(d·m),0.375 m3/(d·m),0.296 m3/(d·m)的隧道排水量,且通过多次试验发现,静水头高度越低,排水量测试的离散性越小,表明低水位作用时,隧道排水率更加稳定。

3)动水头作用下隧道水压力-排水量分析

试验分别模拟20 m,25 m和30 m静水头为初始作用水头时,待隧道水压力-排水量稳定后,在其他条件不变的情况下停止水头补给,依靠地下水位随时间的自然下降过程以达到动水头模拟效果,并进行实时监测。以30 m初始作用水头为例进行分析(试验结果表明,不同初始动水头作用时的规律性基本吻合),二衬外各特征点水压力随时间分布规律如图5.24(a)所示,注浆圈外各特征点水压力随时间分布规律如图5.24(b)所示,隧道实时排水量值如图5.24(c)所示。

由图5.24(a)、(b)可知,地下水位随时间下降到的高度与同高度静水头作用时相比,各特征点水压力值均偏大,水头降至20 m时,二衬背后拱顶处水压力值为147.85 kPa,注浆圈背后水压力值为148.16 kPa,表明动水头作用下,水压力随时间变化具有明显的滞后性。而根据饱和-非饱和渗流控制方程,当水位上升速率较快时,地下水响应同样滞后,并引起动水压增大[177],可见动水头的时间效应不利于结构的稳定。在地下水位下降过程中,拱顶位置特征点水压变化最快,而拱底位置变化幅度较小,表明浅埋处更易受动水头影响,工程中不能忽视隧道顶部的承载及抗渗设计。注浆圈背后与二衬背后水压力减小幅度基本相同,表明注浆圈在动水头作用下并没有明显的分担水压作用。

由图5.24(c)可知,作用水头随时间下降时,隧道排水量值呈减小的趋势,降至20 m时为0.339 m3/(d·m),但仍大于同高度下静水头的排水量[0.296 m3/(d·m)],且降低相同水位差所需的时间越长。可见,相对于静水头作用,动水头会改变隧道实时排水量,破坏隧道水压力-排水量之间的动态平衡,进而影响结构稳定性,可采取必要的主动调控排水率措施缓解该影响。

图5.24　动水头作用下隧道排水量-水压力测试结果