隧道排水孔堵塞的模拟方法

1 引言 
  正如人体的血液循环系统,堵塞后將严重影响人体健康,隧道排水系统堵塞亦如此,排水孔堵塞对隧道结构安全性的影响不容忽视,一方面,排水孔堵塞后将增大隧道衬砌背后水压,另一方面,隧址区内富存地下水会腐蚀隧道支护结构,尤其是锚杆、钢筋网等结构,因此,研究排水孔堵塞具有重要的理论意义和工程实践意义。针对排水孔的模拟方法,已有学者开展过一系列探讨,提出了多种排水孔模拟方法,例如,排水子结构法、空气单元法、汇线单元法、叠单元法、以管代孔法、以缝代井列法等[1-2]。但针对排水孔堵塞的模拟方法,却鲜有学者进行过深入探讨,在上述排水孔模拟方法的基础上,结合渗流的基本理论,本文介绍了两种排水孔堵塞的模拟方法,分别是排水孔渗透系数折减法和“以板带孔”法,下文将分别对其进行阐述。 
  2 堵塞模拟方法 
  2.1 渗透系数折减法 
  排水孔堵塞的过程,物理上可描述为排水孔孔径逐渐减小的过程,因此可依据此原理进行数值建模,但排水孔尺寸相对于隧道结构几乎可忽略,对排水孔单元进行网格划分时已存在精度问题,数值计算中再将排水孔单元进行切分显然不太合理,因此有必要寻求一种等效的方法来模拟排水孔堵塞。渗透系数折减法依据渗流折射定律,分别赋予岩体和排水孔不同的渗透系数,以表述排水孔的排水降压效果,图1是渗流折射的示意图。 
  如上图所示,渗流穿越介质时会像光线一样服从折射定律,其表达式为: 
  从公式(1)可以看出,折射角θ2随k2增大而增大,k2>>k1时,θ2接近90°,表明强渗透介质可以改变渗流的方向从而达到导水的目的。实际上,排水孔内渗透系数远远大于岩体的渗透系数,因此可用k1,k2分别表示岩体和排水孔的渗透系数,使用渗透系数折减法的首要问题是确定排水孔的等效渗透系数,计算格式如下:分别赋予排水孔单元不同的渗透系数并观察地下水位变化,并将计算结果与“弃单元法”结果对比可得到排水孔等效渗透系数。在此基础上,对排水孔渗透系数进行折减,可反映排水孔的不同堵塞工况,即排水孔单元渗透系数越小,表示排水孔堵塞程度越大,当排水孔的渗透系数与岩体一致时,表明排水孔失去排水效果,成为与岩体一样的弱透水介质,不再具有导水作用。 
  2.2 “以板代孔”法 
  实际隧道工程中,地下水位沿隧道轴向是一条波浪线,波峰位于隧道相邻环向排水孔之间,波谷位于环向排水孔上方,渗透系数折减法可得出这样的计算结构,但在实际工程中,关注隧道排水孔局部渗流场变化规律并无实际意义,更重要的是确定隧址区整体渗流场分布状态,“以板代孔”法在渗透系数折减法的基础上进行了优化,依据宏观水位等效的方法,能够从整体的角度解释隧址区渗流场的变化规律。 
  与渗透系数折减法一样,“以板代孔”法需要先依据水位等效原则确定等效渗透系数,不同的是,“以板代孔”法将隧道整个排水系统等效为一个排水板单元,确定排水板单元等效渗透系数后将排水板单元进行切分,对不同的切分块赋予不同的材料参数来模拟不同堵塞条件,如图2所示,将排水板单元切分为5等分,将其中一分赋予岩体参数,其它参数不变,即可模拟排水孔堵塞20%的工况,以此类推可模拟其它堵塞工况。 
  3 结论 
  本文介绍了两种隧道排水孔堵塞的模拟方法,二者有各自的特点,渗透系数折减法能反映排水孔局部的渗流特征,但只能定性模拟排水孔堵塞的过程,不能精确模拟排水孔堵塞程度的大小;“以板代孔”法与此相反,能够精确模拟排水孔堵塞的程度,从宏观上可反映隧址区整体渗流场的变化规律,但不能反映排水孔局部渗流特征。 
  这两种方法不止适用于隧道工程,也适用于边坡工程等其它岩土工程,可根据具体工程实际选择合适的方法进行排水孔堵塞的模拟。 
  参考文献: 
  [1]汪卫明,刘友良,丁建新等.渗流分析中排水孔模拟的叠单元法[J].岩土力学,2011(S1):674-679. 
  [2]王建,姜海霞.排水孔模拟的汇线单元法[J].岩土工程学报,2008(05):677-684.
浏览次数:  更新时间:2018-04-07 10:04:29
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