對深埋隧道外水壓力問題的幾點討論

摘要:閱讀了有關深埋隧道外水壓力文章后,對其中的幾個問題提出自己的見解。
關鍵詞:外水壓力;邊界條件;靜水壓力;概念模型
　 1　關于隧道壁的邊界條件
“隨筆”針對“原文”指出:“為什么將屬于預測變量的隧道涌水量(該量可以通過模擬獲得)按經驗公式作為邊界條件預先給定呢?”而“答復”對此堅持原有意見并進一步表示:“隧道的預設計階段,要計算襯砌外水壓力,為此必須確定隧道開挖后圍巖中的水位,要采用數值方法計算圍巖中的水位必須確定邊界條件,而富水區隧道在開挖后,往往有涌、突水現象產生,此時隧道洞壁應處理為流量邊界。”陳崇希老師在地下水數值模擬“防止模擬失真,提高仿真性”的講座中,特別強調:要正確地刻畫邊界條件。由于邊界條件處理不當導致模擬失真的實例,不乏其事[4],邊界條件不能隨意地給定。如果邊界上水頭已知,則取第一類邊界條件;若邊界上流量(流速)已知,則取第二類邊界條件,這是刻畫邊界條件的原則。隧道預設計階段,隧道壁邊界處的什么運動要素是已知的呢?在隧道壁面滲水的條件下,其流量是未知的;而隧道壁處的水壓是已知的(ｐ=0)即水頭是已知的。隧道洞壁只有在隧道是隔水的或襯砌是隔水的條件下,流量等于零,才是已知的。這就是“隨筆”對隧道預設計階段建議的隧道壁內邊界條件選取的兩個類型(方程3和4)。并非隧道有滲水,就“隧道洞壁應處理為流量邊界”[3]。這個“應”,是“不應”的。如果硬將一個人為給定的流量作為第二類邊界,可能會導致模擬結果的失真。至于“原文”中計算實例的結果是否會失真,可通過其數值模擬結果計算出的隧道洞壁各點的水頭值是否滿足水壓等于零(大氣壓力)這個約束條件來檢查。至于隧道預設計時需要隧道涌水量的預測值,這一點“隨筆”已指出:隧道涌水量屬于預測變量,“該量可以通過模擬獲得”[2]。
2　關于“原文”中的計算實例
“隨筆”針對“原文”的實例未對水文地質條件做基本的介紹分析,就給出數學模型的情況指出:“一個實際問題的數值模擬,極其重要的一步是建立一個符合當地水文地質條件和向集水建筑物流動基本特征的地下水概念模型。為此應當對地層的產狀、巖性、構造以及地下水的補徑排作必要的分析,要避免未作水文地質條件基本分析就擺出數學模型。”[2]在“答復”的補充說明中也僅僅給出其所建立的概念模型,即:“計算區域承壓含水層,頂、底為隔水邊界,兩側面為由溝通淺層水的大型導水平移斷層(走向與隧道近于平行,產狀近于直立)概化為定水頭邊界。”仍未對基本的水文地質條件做必要的介紹、分析。作為讀者,更有興趣的是什么樣的水文地質條件可以概化成上述的概念模型,因為這是讀者能從中吸取養分的主要部分之一,也是“防止模擬失真”極為關鍵的一步。筆者讀了“二文”[1,3],至今還不知道實例中隧道圍巖的地層巖性、地層產狀、構造及地下水的補徑排等(哪怕是區域性的)基本的條件,如此怎么能把握概念模型的正確建立呢?特別要指出的是“兩側面為由溝通淺層水的大型導水平移斷層(走向與隧道近于平行,產狀近于直立)概化為定水頭邊界。”這兩個“定水頭邊界”的水頭是如何確定的?什么條件使它能“定水頭”?這是建模過程中應該論證的。退一步來說,若上述概念模型的邊界條件成立,又為什么可以采用“原文”中的流量計算公式(1)來近似刻畫隧道初期的最大涌水量呢?
3　關于“靜水壓力”
的確,“原文”沒有提及“靜水壓力”這個術語,但是“隨筆”引用“原文”關于確定隧道外水壓力目前一般的做法是“查明地下洞室地區的地下水位,乘以折減系數對水頭進行折減,然后根據折減后的水頭計算外水壓力”[1]其中洞室開挖前地下洞室地區的地下水位至洞室間水柱形成的壓力,就是其靜水壓力;“乘以折減系數對水頭進行折減,然后根據折減后的水頭計算外水壓力”[1],前者是洞室開挖前的,后者是開挖后的,不知是否為此理解。“答復”表示:“正因為‘地下水流動有水頭損失,用靜水壓力作為隧道襯砌出的水壓力是不妥’才采用作用系數的方法對靜水壓力數值進行修正。”[3]這里表述的與“原文”說的是兩回事。先不討論這種修正是否合理,但不能把開挖洞室前后的修正相混淆。為了搞清此問題,筆者查閱了“答復”中引用的文獻。晏同珍指出“外水壓力計算,…,一般是按最高地下水位到洞室拱頂內壁的垂直距離乘以水重度。但工程實踐上發現,外水壓力并非完全與水位至拱頂的水柱高相符合,往往偏小,故設計時是按具體的水文地質條件將水柱垂直高乘以小于1的折減系數。”[5]可見這里指的正是“靜水壓力”。鄒成杰闡述到“地下洞室地區的地下水位乘以某一折減系數,即外水壓力值。”[6]指的是開挖洞室后的水壓。通過此次閱讀,筆者深深地體會到,充分、正確利用水文地質信息,正確建立概念模型是應用數值模擬解決實際問題極關鍵的一步。同時使筆者深有體會:深埋隧道水文地質勘查,雖然資料偏少,但區域水文地質測繪工作總是應該進行的,也會有“非常有限的深孔資料”[3],應該說地質剖面是清楚或基本清楚的,鉆進過程中總是會測地下水位(分層的或混合的),可能還會做測井、抽水(壓水)試驗等,這些對于一個實際的數值模擬問題都是十分寶貴的,在建立概念模型(含邊界條件)和參數的確定上應加以充分的利用。在此感謝陳崇希老師在閱讀過程中悉心指導。
參考文獻:
[1]　王建秀,楊立中,何靜.深埋隧道外水壓力計算的解析———數值法[Ｊ].水文地質工程地質,2002(3):17-19
[2]　陳崇希,劉文波,彭濤.確定隧道外水壓力的地下水流模型———讀《深埋隧道外水壓力計算的解析-數值法》一文隨筆[Ｊ].水文地質工程地質,2002,29(5):62-64
[3]　王建秀.深埋隧道外水壓力計算中幾個問題的探討[Ｊ].水文地質工程地質,2003,30(1):95-97
[4]　陳崇希,裴順平.地下水開采—地面沉降數值模擬及防止對策研究[Ｍ].武漢:中國地質大學出版社,2001 86.
[5]　晏同珍.水文工程地質與環境保護[Ｍ].武漢:中國地質大學出版社,1994,195-196
[6]　鄒成杰.水利水電巖溶工程地質[Ｍ].北京:水利水電出版社,1994,299-301