湘江隧道工程堤防滲流穩(wěn)定分析

/長沙市勞動西路湘江隧道工程堤防滲流穩(wěn)定分析李金林1何新娥2陳集中3（1．湘粵水電建筑安裝公司湖南郴州4230002．蘇仙區(qū)翠江水力發(fā)電廠有限公司湖南郴州4230003．湖南省長沙水文水資源勘測局湖南長沙410014）摘要：本文通過對長沙市勞動西路隧道工程的堤防滲流穩(wěn)定分析，依據(jù)分析結(jié)論提出了該工程應(yīng)當實行的防滲措施，為水行政主管部門審批涉水工程供應(yīng)了科學的依據(jù)。關(guān)鍵詞:隧道滲流計算滲流場滲透比降TheleveeseepagestabilityanalysisofXiangjiangRivertunnelprojectinChangshaLabourWestRoad【Abstract】ThispaperbasedontheleveeseepagestabilityanalysisofTunnelprojectinChangshalabourWestRoadandaccordingtotheconclusion,wefindtheanti-seepagemeasuresforthisprojectandprovideascientificbasisforthewateradministrationDepartment.【Keyword】:tunnel；seepagecalculation；seepagespace；seepagegradient1、工程基本狀況長沙市勞動西路過江隧道位于湘江桔子洲河段，東起勞動西路，西接瀟湘大道牌樓口，江中穿越桔子洲，建成后將成為連接長沙市中心城區(qū)的快捷主干道。該段江面寬約1.4km，隧址處桔子洲寬約130m。湘江被桔子洲劃分為左、右兩汊，每汊的寬度約600～650m，桔子洲以東靠近右岸為湘江主航道。湘江左岸明挖段牌樓口路和師大路之間有一內(nèi)湖——桃子湖，湖長約460m，寬約200m，面積約為138畝。桃子湖和湘江之間有涵閘相通，在汛期涵閘關(guān)閉，通過泵站將桃子湖湖水排入湘江。隧道軸線位于湘江一橋和猴子石大橋之間，桔子洲的中上部，距下游湘江一橋約1.9km，距上游猴子石大橋約4.5km，距桔子洲頭約1.5km。依據(jù)本隧道地質(zhì)特點、水文狀況、地形及兩岸的接線條件，《長沙市勞動西路湘江隧道工程可行性探討報告》接受長礦山法或者盾構(gòu)法進行施工。2、堤防穩(wěn)定分析計算長沙勞動西路隧道工程穿越湘江東西兩岸：在穿越點湘江左岸接受Y型地下立交穿越堤防，堤內(nèi)隧道引坡接緊鄰堤后的瀟湘大道；在穿越點湘江右岸工程接受直線穿越右岸堤防接離堤較遠的書院路和勞動西路。左岸段隧道工程接受明挖施工，右岸段隧道接受礦山法鉆爆施工或盾構(gòu)施工。依據(jù)工程空間布置距堤遠近、穿越堤防施工方式初步分析，右岸段隧道工程布置和施工對堤防穩(wěn)定及平安運行基本無影響，而左岸隧道工程的布置、建設(shè)和運行可能對湘江左岸堤防的滲流穩(wěn)定造成影響，因此本文對左岸堤防滲流穩(wěn)定進行分析計算。2.1堤防滲流穩(wěn)定計算計算方法及工況（1）滲流分析計算模型二維非均質(zhì)各向同性飽和穩(wěn)定滲流的基本微分方程為：對于堤防工程，第一類邊界條件（水頭邊界）通常包括上游水位邊界和下游水位邊界，其次類邊界條件（流量邊界）在不考慮降雨入滲的狀況下，通常為穩(wěn)定滲流的自由面邊界。本次滲流分析接受通用程序進行計算，確定滲流場、滲透比降。（2）計算工況及水力邊界條件湘江左岸明挖段牌樓口路和師大路之間有一內(nèi)湖——桃子湖，湖長約460m，寬約200m，面積約為138畝。桃子湖和湘江之間有涵閘相通，在汛期涵閘關(guān)閉，通過泵站將桃子湖湖水排入湘江。為了分析對比隧道工程（湘江左岸段）建設(shè)前后堤防的滲流狀況，在分析隧道明挖工程施工進度及工后堤防復(fù)原的基礎(chǔ)上，本次滲流分析對隧道K0+740所在堤防斷面擬定了如下計算工況：①工程建設(shè)前堤外設(shè)計洪水位38.2m，堤內(nèi)桃子湖低水位35.0m；②工程建設(shè)前堤外設(shè)計洪水位38.2m，堤內(nèi)桃子湖高水位36.4m；③工程建設(shè)后堤外設(shè)計洪水位38.2m，管頂填土，堤內(nèi)腳兩道隧道防滲帷幕，堤內(nèi)防滲帷幕臨江側(cè)水位36.4m，堤內(nèi)防滲帷幕桃子湖側(cè)水位35.0m；④工程建設(shè)后堤外設(shè)計洪水位38.2m，管頂填土，堤內(nèi)腳兩道隧道防滲帷幕+堤身一道防滲墻，堤內(nèi)桃子湖水位35.0m。對隧道ZK0+280所在堤防斷面擬定了如下計算工況：工程建設(shè)前堤外設(shè)計洪水位38.2m，堤內(nèi)桃子湖低水位35.0m；②工程建設(shè)前堤外設(shè)計洪水位38.2m，堤內(nèi)桃子湖高水位36.4m；③工程建設(shè)后堤外設(shè)計洪水位38.2m，堤內(nèi)桃子湖高水位36.4m，管頂開敞；④工程建設(shè)后堤外設(shè)計洪水位38.2m，堤內(nèi)桃子湖高水位36.4m，管頂填土。由于隧道明挖段枯水期的施工需挖除局部堤防，并利用圍堰臨時擋水，在枯水期的施工外江水位低于28.5m，低于堤內(nèi)地面高程36.4m，因此可認為施工枯水期水位條件下的滲流對堤防滲流無影響。計算斷面及參數(shù)湘江左岸接受Y型地下立交穿越堤防，堤內(nèi)隧道引坡接緊鄰堤后的瀟湘中路。Y型分叉下游為左、右線，上游為C、D匝道均平行于堤防布置，其中左線及D匝道軸線距堤內(nèi)腳約8～9m，右線及C匝道軸線距堤內(nèi)腳最小距離約60m。C、D匝道及左右線以-4.4％～-5.55％坡度下穿堤防堤基，由于C、D匝道和左右線的布置、結(jié)構(gòu)尺寸及相對堤防位置大致相同，因此本次評價選取左右線隧道所在堤段的代表斷面進行計算分析?？紤]到工程建成后可能的滲流處理措施的不同，選取右線K0+740所在堤防斷面代表隧道埋管段典型斷面進行計算分析，選取左線ZK0+280所在堤防斷面代表隧道開敞段典型斷面。同時，考慮到右線基本布置在現(xiàn)狀堤內(nèi)的桃子湖內(nèi)，即可認為右線布置基本不影響堤內(nèi)水位變更，因此分析各堤防所在斷面滲流時忽視距堤較遠的右線隧道的影響。各計算斷面水平方向堤外約300m，堤內(nèi)約220m。依據(jù)工程區(qū)的地質(zhì)勘察資料、以往堤防設(shè)計資料，結(jié)合工程閱歷，確定各土層分區(qū)的滲透系數(shù)及允許滲透坡降參數(shù)，見表1。表1各土層滲透特性表序號土層滲透系數(shù)（cm/s）允許滲透坡降1堤身填土5.6×10-60.502粉質(zhì)粘土15.6×10-60.503粉質(zhì)粘土24.3×10-54含礫、卵石細砂2.0×10-35中等風化白云巖3.2×10-5計算結(jié)果滲流分析計算的主要目的是評價工程建設(shè)前后堤防的穩(wěn)定滲流變更對該段堤防防滲實力的影響。選定斷面各工況的滲透坡降計算結(jié)果見表2。各工況的浸潤線及等勢線圖見圖1～圖7。表2滲透坡降計算結(jié)果表斷面編號計算工況滲透坡降出逸點地面上高度堤內(nèi)腳塘坡K0+740①工程建設(shè)前，桃子湖低水位0.080.24桃子湖塘坡出逸②工程建設(shè)前，桃子湖高水位0.63/0.4③工程建設(shè)后，堤內(nèi)腳兩道防滲帷幕1.60/0.5④工程建設(shè)后，堤內(nèi)腳兩道帷幕、堤身一道防滲墻0.160.02桃子湖塘坡出逸ZK0+280①工程建設(shè)前，桃子湖低水位0.080.24桃子湖塘坡出逸②工程建設(shè)前，桃子湖高水位0.50/0.4③工程建設(shè)后，桃子湖高水位，管頂開敞0.45/0.35④工程建設(shè)后，桃子湖高水位，管頂填土0.50/0.4備注斷面編號接受隧道左右線里程樁號代表堤防斷面。2.2堤防滲流分析一、隧道暗埋段以K0+740所在斷面為例工程分析工程建設(shè)前后堤防滲流狀況如下：（1）工程建設(shè)前，桃子湖低水位時，堤身浸潤線相對較低，出逸點在桃子湖塘邊出逸。當桃子湖水位35.0m，堤外設(shè)計洪水位時，堤內(nèi)腳滲透坡降為0.08，桃子湖塘坡出逸點旁邊，滲透坡降為0.24。當桃子湖水位上升至36.4m，和堤內(nèi)地面齊平常，堤身浸潤線抬高，堤內(nèi)腳旁邊出逸，出逸點旁邊滲透坡降為0.63。由于堤內(nèi)地面位置相對較高，約為36.40m，當實際洪水發(fā)生時，桃子湖內(nèi)水位一般相對較低。因此，該斷面計算工況一更符合實際狀況。即工程建設(shè)前堤內(nèi)腳滲透坡降為0.08，小于填土的允許滲透坡降0.5，堤防滲流是穩(wěn)定的。滲流場等勢線圖見圖5-1～圖5-2。（2）工程建設(shè)后由于堤內(nèi)腳建有2道旋噴樁墻防滲帷幕，K0+740斷面堤內(nèi)腳旁邊2道防滲帷幕深約19.0m，考慮帷幕兩側(cè)滲流水頭損失影響，堤內(nèi)腳帷幕臨江側(cè)水頭高于桃子湖水位，帷幕臨江側(cè)堤內(nèi)水位極可能達地面高程即36.4m。滲流分析計算表明，工程建設(shè)后，堤身浸潤線抬高最大處約0.42m，堤內(nèi)腳出逸，滲透坡降進一步提高至1.60，大于土的允許滲透坡降0.5。因此，隧道工程暗埋段的建設(shè)會影響堤防滲流穩(wěn)定。滲流場等勢線圖見圖5-3（3）考慮隧道工程布置對局部堤段（暗埋段）堤防防滲的不利影響，設(shè)計單位初擬在堤身布置再布置一道防滲墻，該防滲墻作用使堤內(nèi)隧道防滲帷幕前水頭降低。滲流分析計算表明，隧道工程建設(shè)后，堤身布置有防滲墻時堤身浸潤線降低，堤內(nèi)腳滲透坡降為0.16，滿足堤防滲流要求。工程建成后接受防滲墻進行處理是合適的。滲流場等勢線圖見圖5-4。二、隧道開敞/暗埋段以ZK0+280所在斷面為例，分析工程建設(shè)前后堤防滲流狀況如下：（1）工程建設(shè)前，桃子湖凹凸水位時的堤身浸潤線位置、滲流場形態(tài)基本同K0+740所在斷面。桃子湖低水位時堤內(nèi)腳滲透坡降為0.08，桃子湖高水位時堤內(nèi)腳滲透坡降為0.5。同理可推斷該斷面工程建設(shè)前堤防滲流是穩(wěn)定的。滲流場等勢線圖見圖5-5。（2）工程建設(shè)后堤內(nèi)建有的2道旋噴樁墻防滲帷幕深約9.0m，同理假設(shè)帷幕臨江側(cè)堤內(nèi)水位達地面高程36.4m。工程建設(shè)后，堤身浸潤線位置基本同工程建設(shè)前，堤內(nèi)腳出逸，滲透坡降為0.45。分析表明，在防滲帷幕不深且堤后堤基帷幕處發(fā)生繞滲的狀況下，堤腳的滲透坡降低于工程前桃子湖高水位時的滲透坡降是合理的。滲流場等勢線圖見圖5-6。（3）隧道左線樁號ZK0+280處為隧道開敞段和暗埋段的分界面，工暗埋處理后計算的滲透坡降為0.5，同桃子湖高水位時工程建設(shè)前滲透坡降，即隧道ZK0+280進行填土暗埋處理后，該段工程建設(shè)對堤防滲流無實質(zhì)不良影響。滲流場等勢線圖見圖5-7。3、結(jié)束語綜上所述，工程建設(shè)后部分堤段受堤后防滲帷幕深度影響，致使帷幕臨江側(cè)堤內(nèi)水位極易上升，不利于部分堤段堤內(nèi)坡的滲流