渗流耦合作用下的输水隧洞稳定性数值研究

［文章编号］1002—0624（2020）03—0048—04

东北水利水电2020年第3期

渗流耦合作用下的输水隧洞稳定性数值研究

王彩龙1，张世亮2

（1.浙江宏力阳生态建设股份有限公司，浙江宁波315000；2.德清县水利工程管理所，浙江德清县313200）

［摘要］为研究长距离深埋输水隧洞在渗流耦合作用下混凝土衬砌管片的稳定特性，建立有限元模型使用流体计算软件Star-CCM+进行数值模拟，分别对衬砌管片的变形、应力分布和轴力弯矩进行分析。得出以下结论：衬砌混凝土管片周围的变形和应力分布均呈现关于中间轴左右对称分布；考虑渗流耦合作用时衬砌管片的最大径向位移底部移动到顶端，大小由1.932mm增加到3.108mm；第一主应力最大值出现在管壁底部外侧，第三主应力最大值出现在管壁内侧；弯矩最大值为82.59kN/m，该结论可为实际工程建设提供理论指导。［关键词］关键词：深埋输水隧洞；渗流；耦合作用；数值研究［中图分类号］TV672+.1

［文献标识码］B

1概述

随着科技进步，地下工程逐渐进入快速发展时期，跨流速调水途径不仅仅是露天明渠，地下隧洞也逐渐发展起来，地下隧洞在输水过程中的结构稳定性问题值得深入研究。

目前TBM掘进法由于其施工快、安全性高、对周围环境影响小等优点逐渐成为常见的隧洞施

2]工技术[1，。隧洞施工和运行中渗流问题一直是研

2模型建立

此文选取一条水资源相对丰富的流域向水资源比较匮乏的另一条流域输水问题进行研究。该引水工程使用原型污染隧洞组成，穿越山体由一个流域进入另一个流域。输水隧洞长25.1km，入口和出口的高差为14m，整体输水隧洞的平均埋深为500m。在整个过程中岩层含有不同岩性，不同岩性的物理参数见表1，地下水资源丰富。隧洞主要采用TBM（TunnelBoringMachine）掘进法，周边的支护采用预制混凝土衬砌，隧洞内半径为2.48m，顶拱和底拱的空隙分别为0.38，0.05m，隧洞衬砌管片厚0.28m。

表1岩层物理参数

岩层花岗片麻岩

砂岩石英砂岩泥质粉砂岩片麻岩混凝土管片

密度

/（kg·m-3）258025002530249026302500

弹性模量

/Pa3.5×1092.6×1093.0×1092.12.1×1093.9×1093.5×1010

泊松比0.260.340.290.340.280.17

渗透系数/（m·s-1）7.5×10-84.1×10-85.99×10-83.45×10-88.1×10-8

究的热点。李毅等[3]人采用有限差分法对某边坡的渗流进行研究。Verrujit[4]建立了多孔介质下的渗流和连续介质的耦合模型。罗晓辉[5]使用有限单元法对基坑开挖问题的渗流场和应力场进行的数值研究。陈卫忠等[6]人对万家寨引黄工程中围岩和衬砌结构中的渗流问题进行研究。夏炜洋等[7]人对重庆隧洞施工内渗流场和应力场进行了耦合研究。Graziani等人采用耦合分析的方法对深埋隧洞内位移和应力随渗流的变化情况进行了研究。

此文在前人的研究基础上，结合长距离TBM隧洞的特点，对其在渗流场耦合作用下的稳定特性进行研究。

[8]

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2020年第3期东北水利水电水利科研

使用VisualGeo系统，结合NURBS-TIN-BREP结构对多数据进行耦合进而建立该地质结构输水隧洞三维模型使用流体计算软件Star-CCM+进行有限元模拟。根据该输水隧洞周边岩体和工程地质模型建立三维渗流场模型尺寸大小为330m×200m×200m，研究的模型整体位于地下水位一下，输水隧洞到模型顶端和低端的距离分别为150，50m，两侧距离97.24m。

输水隧洞管片设置为不透水边界，管片之间的接缝处设置为自由溢出边界。模型顶端设置为固定的水头边界条件，紧接地下水位；两侧根据地下水深度的变化进行调整；底侧为不透水边界。铅垂向上为Y轴，隧洞延长方向为X轴方向，横断面方向为Z轴方向。根据研究的侧重点不同设置不同的网格密度，隧洞周围岩体的网格尺寸大小为4m，砾石混凝土的网格尺寸为0.1m，管片接缝处的密度为5mm。

在渗流模型基础上进行输水隧洞模型的耦合，在进行耦合场的应力分析时先分析渗流场在3个方向渗流的水力梯度，然后利用Visual-Geo使用两种模型之间的数据传递，使用公式（1）可以得到耦合后不同节点的体积力，实现相关耦合计算。

ììïfxüïï-γw

∂-γ∂Hxü

ïïìγwJxüífïïïw∂Hïïï

ïyý-í（1）

îzþïïïî

-γw∂∂Hxýï=íïγwïJyýfïïïγwJï

zþ式中：f——渗∂流xïïî

þ体积力,Pa；H——水位,m；γw——水容重N/m3；fx，fy，fz——分别为x，

y，z这3个方向的体积力，Pa；Jx，Jy，Jz——分别为x，y，z这3个方向的水力梯度，

无量纲。3结果分析

3.1渗流水力梯度分析

在渗流稳定后选取一个断面不同岩层的水力梯度进行分析，见图1。

根据图1可知，不同岩层的水力梯度大小有所不同。在靠近上面的3个岩层均呈现处中间水力梯度大、两侧水力梯度小；由上至下水力梯度逐渐增加。越靠近上层中间大两侧小的规律越明显，越靠近下侧上侧大下册小的规律越明显。花岗片麻岩层、砂岩层、石英砂岩层的水力梯度变化范围分

（a）花岗片麻岩层

（b）砂岩层（c）石英砂岩层（d）泥质粉砂岩层

（e）片麻岩层

图1不同岩层水力梯度云图

别为：3.03×10-4~2.90×10-2，8.65×10-3~5.92×10-2，3.13×10-2~1.75×10-1。最大水力梯度分别为0.028，0.059，0.018。在泥质粉砂岩层内水力梯度主要出现在隧洞周边，其他位置接近于零。在片麻岩层水力梯度变化规律与上面3个岩层相反，出现两侧大中间小，上侧大下侧小的分布规律。3.2管片渗流分析3.2.1管片渗流变形分析

对未考虑水荷载和耦合渗流场两种情况下的衬砌管片径向位移进行分析，见图2。

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水利科研东北水利水电2020年第3期

（a）未考虑水荷载

（b）耦合渗流场图2管片径向位移云图

根据图2可知，管片内的径向位移变化规律呈现以中间为对称轴的对称分布。未考虑水荷载时呈现顶端和底端位移较大两端位移较小的分布趋势，最大值出现在管片底部，大小为1.932mm。考虑水荷载的渗流耦合作用时同样是关于中间对称，上侧大两侧小，最大值出现在顶端，大小为3.108mm。

3.2.2管片渗流应力分析

对未考虑水荷载和耦合渗流场两种情况下的衬砌管片应力进行分析，第一主应力分、第三主应力布云图分别见图3、图4。

由图3可知，未考虑水荷载和考虑水荷载耦合渗流场两种情况下的第一主应力分布趋势基本一致，由内向外第一主应力逐渐减小，最大值出现在衬砌管片的下布的外侧，大小分别为1.117，1.345MPa，均在该管片混凝土的受拉范围之内。由图4可知，未考虑水荷载和考虑水荷载耦合渗流场两种情况下的第三主应力分布趋势与第一主应力有所不同，呈现出左右两侧较大，上下侧较小的分布规律。两种情况下第三主应力的最大值分别为17.64，21.31MPa，均可满足混凝土的抗压强度。3.2.3管片轴力及弯矩分析

管片在输送过程中轴力及弯矩的分析，对于衬砌结构的配筋计算也很重要，对未考虑水荷载和考虑水荷载作用下的两种情况的轴力及弯矩分

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（a）未考虑水荷载

（b）耦合渗流场图3第一主应力云图

（a）未考虑水荷载（b）耦合渗流场图4第三主应力云图别使用式（2）（3）进行计算，得出轴力及弯矩沿管片圆周的变化曲线，见图5。

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东北水利水电水利科研

N=M=∫∫lσydx

（2）lσyx⋅ldx

（3）

式中：σy——渗流体积力；N——轴力；l——力臂；

M——弯矩。6000耦合渗流场50004000Nk/力3000轴未考虑水荷载2000100000306090120150180角度/°（a）轴力分布曲线

600050004000未考虑水荷载Nk/力3000轴2000100000306090120150180角度/°（b）弯矩分布曲线

图5管片轴力及弯矩分布曲线图

由图5（a）可知，两种情况下的轴力变化情况很相似，0°和180°的轴力较小，最大值出现在90°附近，说明其轴力分布规律与第三主应力分布趋势类似，上下两侧轴力较小，左右两侧轴力较大。未考虑水荷载和考虑水荷载两种情况下轴力的最大值分别为4413，5449kN。由图5（b）可知，两种情况下的弯矩变化规律相似，均呈现出0°和180°较大，中间较小的分布规律，即上下侧弯矩大，左右侧弯矩小。在上下两侧未考虑水荷载和添加水荷载之后出现明显的不同，在左右两侧弯矩较小位置处两种情况下的弯矩基本一致。进一步分析发现圆管顶部和底部均为正弯矩，两侧为负弯矩。未考虑水荷载和添加水荷载的耦合渗流场后的弯

矩最大值分别为99.33，82.59kN·m。

4结论

此文对长距离输水采用隧洞圆管的变形、应力、轴力和弯矩进行分析研究，得出以下结论。

1）管片周围的径向变形呈现关于中间轴左右对称分布，未考虑水荷载作用和考虑渗流作用耦合下的管壁径向变形最大值出现位置分别为：底部和顶部，大小分别为1.932，3.108mm。

2）管片周围的应力分布同样关于中间轴呈现左右对称。未考虑水荷载作用和考虑渗流作用耦合下的管壁第一主应力最大值均出现在管壁底部外侧，大小分别为1.117，1.345MPa；第三主应力最大值均出现在管壁底部内侧，大小分别为17.64，21.31MPa。

3）未考虑水荷载的轴力较大，弯矩较小。两种情况下的轴力最大值分别为4413，5449kN；弯

矩最大值分别为99.33，82.59kN·m。

［参考文献］

1］严金秀，王建宇，范文田.全断面隧道掘进机（TBM）技

术发展及应用现状［J］.世界隧道，1998，5（4）：1-5.2］王梦怒.岩石隧道掘进机（TBM）施工及工程实例［M］.

北京：中国铁道出版社，2004.

3］李毅，伍嘉，李坤.基于FLAC3D的饱和-非饱和渗流分

析［J］.岩土力学,2012,33(2）：617-622.

4］VerrijtA.Elasticstorageofaquifers.In:FlowthroughPorous

Media.NewYork：AcademicPress,1969：331-376.5］罗晓辉.深基坑开挖渗流与应力耦合分析［J］.工程勘

察，1996（6）：37-41.

6］陈卫忠，杨建平，杨家岭，等.裂隙岩体应力渗流耦合模

型在压力隧洞工程中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2006，25（12）：2384-2391.

7］夏炜洋，何川，晏启祥，等.高水压岩质盾构隧道施工期

结构内力分析［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（2）：2727-3731.

8］GrazianiA,BoldiniD.Influenceofhydro-mechanical

couplingontunnelresponseinclays.JournalofGeotechnicalandGeoen-virometalEngineering,2011,138(3）：415-418.收稿日期]2019-06-24

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［［［［［［［［［WaterResources&HydropowerofNortheastNo.32020（TotalNo.428）

Studyontheinfluenceofoverflowweircharacteristicsonhydraulic

characteristicsofdifferentialsurgetank

ANHua

［Abstract］Overflowweirisinstalledonthepartitionwallbetweenthesurgetankandthegatewellofhydropowerstationtoformdifferentialsurgetank.Theelevation,overflowwidthandoverflowcoefficientofoverflowweiraredirectlyrelatedtothehydrauliccharacteristicsofdifferentialsurgetank.Inthispaper,thecharacteristiclinemethodisusedtosimulatetheprocessofsurgewaterlevelfluctuationindifferentialsurgetank,andthesensitivityofoverflowweirisanalyzedtoexploretheinfluenceofoverflowweircharacteristicsonthehydrauliccharacteristicsofdifferentialsurgetank.Theresultsshowthattheheightofoverflowweirhasthegreatestinfluenceonthehydrauliccharacteristicsofdifferentialsurgetank,followedbythewidthofoverflowweir,andfinallytheoverflowcoefficientofoverflowweir.Itissuggestedthattheoverflowweirissetnearthestablewaterlevelofthesurgetank.Thewidthandoverflowcoefficientoftheweirisaslargeaspossible.

［Keywords］differentialsurgetank；hydrauliccharacteristics；elevationofoverflowweir；widthofoverflowweir；overflowcoefficient

Numericalstudyonthestabilityofwaterconveyancetunnel

underseepagecoupling

WANGCai-long,ZHANGShi-liang

［Abstract］Inordertostudythestabilitycharacteristicsoflongdistancedeepburiedwatertunnelunderthecouplingeffectofseepage,thefiniteelementmodelwasestablishedandthefluidcalculationsoftwarestar-ccm+wasusedfornumericalsimulation,andthedeformation,stressdistributionandaxialforcebendingmomentoftheliningwereanalyzedrespectively.Thefollowingconclusionsaredrawn:thedistributionofdeformationandstressaroundtheliningconcretesegmentsissymmetricalaboutthemiddleaxis.Whenconsideringthecouplingeffectofseepage,themaximumradialdisplacementoftheliningpiecemovesfromthebottomtothetop,andthesizeincreasesfrom1.932mmto3.108mm.Themaximumvalueofthefirstprincipalstressappearsatthebottomandoutsideofthetubewall,andthemaximumvalueofthethirdprincipalstressappearsinsideofthetubewall.Themaximumbendingmomentis82.59kN?m,whichcanprovidereferenceforactualengineeringconstruction［Keywords］deepburiedwatertunnel；seepage;couplingeffect；numericalstudy

DiscussesonthestrengthcoefficientcorrectionwithT-bartest

forshallowsoftsoilbasedontheCELmethod

WEIZi-jun，ZHANGRong，XUWei-qiang，YANGYu

［Abstract］Softsoilstrengthtestisanimportantpartofindoorgeotechnicaltestandin-situtest.T-barpenetratorisasimpleandaccuratetestmethodtoobtaintheenvelopeofcontinuousdistributionofundrainedshearstrengthalongthedepthofsoftsoil.BasedontheCELlargedeformationcalculationresults,thereliabilityofthecalculationmethodisverifiedbycomparingwithotherscholars't-bartestresults.Accordingtothedistributioncharacteristicsoft-barcoefficientwithpenetrationdepth,asimplecorrectionmethodisproposed,whichcanbeusedtotestthestrengthcorrectionofshallowsoftsoilbyt-bar.［Keywords］T-bar；strengthofshallowsoftsoil；coefficientcorrection；CELmethod

Researchstatusofcuringtechnologyofsalinesoil

ZHANGHong-yuan，WANGQian，LIQian，GAOJin-hua，ZHUZhen-xue

［Abstract］Soilsolidificationtechnologyisoneoftheeffectivemethodstoimprovethepoorpropertiesofsoil.ThereisalargeamountofcarbonatesoilinthewesternpartofJilinProvince,whichcausesmoreandmoreseriousharmsuchaswaterandsoilerosion,slopeprotectioncollapseandearthchannelsubsidence.Atpresent,theresearchonsalinesoilinengineeringmainlyfocusesonchloridesalinesoilandsulphuricacidsalinesoil.Thispapersummarizesthecuringmethodsandeffectsofchloridesalinesoilandsulphuricacidsalinesoil,aswellasthetypedistributionandbasiccharacteristicsofsalinesoilinwesternofJilinProvince,providesreferenceforfutureresearchoncuringcarbonatesoil.［Keywords］salinesoil；curingmethod；curingeffect

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