對(duì)深埋隧道外水壓力問(wèn)題的幾點(diǎn)討論

摘要:閱讀了有關(guān)深埋隧道外水壓力文章后,對(duì)其中的幾個(gè)問(wèn)題提出自己的見(jiàn)解。
關(guān)鍵詞:外水壓力;邊界條件;靜水壓力;概念模型
　 1　關(guān)于隧道壁的邊界條件
“隨筆”針對(duì)“原文”指出:“為什么將屬于預(yù)測(cè)變量的隧道涌水量(該量可以通過(guò)模擬獲得)按經(jīng)驗(yàn)公式作為邊界條件預(yù)先給定呢?”而“答復(fù)”對(duì)此堅(jiān)持原有意見(jiàn)并進(jìn)一步表示:“隧道的預(yù)設(shè)計(jì)階段,要計(jì)算襯砌外水壓力,為此必須確定隧道開(kāi)挖后圍巖中的水位,要采用數(shù)值方法計(jì)算圍巖中的水位必須確定邊界條件,而富水區(qū)隧道在開(kāi)挖后,往往有涌、突水現(xiàn)象產(chǎn)生,此時(shí)隧道洞壁應(yīng)處理為流量邊界。”陳崇希老師在地下水?dāng)?shù)值模擬“防止模擬失真,提高仿真性”的講座中,特別強(qiáng)調(diào):要正確地刻畫(huà)邊界條件。由于邊界條件處理不當(dāng)導(dǎo)致模擬失真的實(shí)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(lèi)邊界條件;若邊界上流量(流速)已知,則取第二類(lèi)邊界條件,這是刻畫(huà)邊界條件的原則。隧道預(yù)設(shè)計(jì)階段,隧道壁邊界處的什么運(yùn)動(dòng)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(duì)隧道預(yù)設(shè)計(jì)階段建議的隧道壁內(nèi)邊界條件選取的兩個(gè)類(lèi)型(方程3和4)。并非隧道有滲水,就“隧道洞壁應(yīng)處理為流量邊界”[3]。這個(gè)“應(yīng)”,是“不應(yīng)”的。如果硬將一個(gè)人為給定的流量作為第二類(lèi)邊界,可能會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果的失真。至于“原文”中計(jì)算實(shí)例的結(jié)果是否會(huì)失真,可通過(guò)其數(shù)值模擬結(jié)果計(jì)算出的隧道洞壁各點(diǎn)的水頭值是否滿(mǎn)足水壓等于零(大氣壓力)這個(gè)約束條件來(lái)檢查。至于隧道預(yù)設(shè)計(jì)時(shí)需要隧道涌水量的預(yù)測(cè)值,這一點(diǎn)“隨筆”已指出:隧道涌水量屬于預(yù)測(cè)變量,“該量可以通過(guò)模擬獲得”[2]。
2　關(guān)于“原文”中的計(jì)算實(shí)例
“隨筆”針對(duì)“原文”的實(shí)例未對(duì)水文地質(zhì)條件做基本的介紹分析,就給出數(shù)學(xué)模型的情況指出:“一個(gè)實(shí)際問(wèn)題的數(shù)值模擬,極其重要的一步是建立一個(gè)符合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件和向集水建筑物流動(dòng)基本特征的地下水概念模型。為此應(yīng)當(dāng)對(duì)地層的產(chǎn)狀、巖性、構(gòu)造以及地下水的補(bǔ)徑排作必要的分析,要避免未作水文地質(zhì)條件基本分析就擺出數(shù)學(xué)模型。”[2]在“答復(fù)”的補(bǔ)充說(shuō)明中也僅僅給出其所建立的概念模型,即:“計(jì)算區(qū)域承壓含水層,頂、底為隔水邊界,兩側(cè)面為由溝通淺層水的大型導(dǎo)水平移斷層(走向與隧道近于平行,產(chǎn)狀近于直立)概化為定水頭邊界。”仍未對(duì)基本的水文地質(zhì)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(zhì)條件可以概化成上述的概念模型,因?yàn)檫@是讀者能從中吸取養(yǎng)分的主要部分之一,也是“防止模擬失真”極為關(guān)鍵的一步。筆者讀了“二文”[1,3],至今還不知道實(shí)例中隧道圍巖的地層巖性、地層產(chǎn)狀、構(gòu)造及地下水的補(bǔ)徑排等(哪怕是區(qū)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(cè)面為由溝通淺層水的大型導(dǎo)水平移斷層(走向與隧道近于平行,產(chǎn)狀近于直立)概化為定水頭邊界。”這兩個(gè)“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(guò)程中應(yīng)該論證的。退一步來(lái)說(shuō),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(jì)算公式(1)來(lái)近似刻畫(huà)隧道初期的最大涌水量呢?
3　關(guān)于“靜水壓力”
的確,“原文”沒(méi)有提及“靜水壓力”這個(gè)術(shù)語(yǔ),但是“隨筆”引用“原文”關(guān)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(qū)的地下水位,乘以折減系數(shù)對(duì)水頭進(jìn)行折減,然后根據(jù)折減后的水頭計(jì)算外水壓力”[1]其中洞室開(kāi)挖前地下洞室地區(qū)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(shù)對(duì)水頭進(jìn)行折減,然后根據(jù)折減后的水頭計(jì)算外水壓力”[1],前者是洞室開(kāi)挖前的,后者是開(kāi)挖后的,不知是否為此理解。“答復(fù)”表示:“正因?yàn)椤叵滤鲃?dòng)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(shù)的方法對(duì)靜水壓力數(shù)值進(jìn)行修正。”[3]這里表述的與“原文”說(shuō)的是兩回事。先不討論這種修正是否合理,但不能把開(kāi)挖洞室前后的修正相混淆。為了搞清此問(wèn)題,筆者查閱了“答復(fù)”中引用的文獻(xiàn)。晏同珍指出“外水壓力計(jì)算,…,一般是按最高地下水位到洞室拱頂內(nèi)壁的垂直距離乘以水重度。但工程實(shí)踐上發(fā)現(xiàn),外水壓力并非完全與水位至拱頂?shù)乃呦喾?往往偏小,故設(shè)計(jì)時(shí)是按具體的水文地質(zhì)條件將水柱垂直高乘以小于1的折減系數(shù)。”[5]可見(jiàn)這里指的正是“靜水壓力”。鄒成杰闡述到“地下洞室地區(qū)的地下水位乘以某一折減系數(shù),即外水壓力值。”[6]指的是開(kāi)挖洞室后的水壓。通過(guò)此次閱讀,筆者深深地體會(huì)到,充分、正確利用水文地質(zhì)信息,正確建立概念模型是應(yīng)用數(shù)值模擬解決實(shí)際問(wèn)題極關(guān)鍵的一步。同時(shí)使筆者深有體會(huì):深埋隧道水文地質(zhì)勘查,雖然資料偏少,但區(qū)域水文地質(zhì)測(cè)繪工作總是應(yīng)該進(jìn)行的,也會(huì)有“非常有限的深孔資料”[3],應(yīng)該說(shuō)地質(zhì)剖面是清楚或基本清楚的,鉆進(jìn)過(guò)程中總是會(huì)測(cè)地下水位(分層的或混合的),可能還會(huì)做測(cè)井、抽水(壓水)試驗(yàn)等,這些對(duì)于一個(gè)實(shí)際的數(shù)值模擬問(wèn)題都是十分寶貴的,在建立概念模型(含邊界條件)和參數(shù)的確定上應(yīng)加以充分的利用。在此感謝陳崇希老師在閱讀過(guò)程中悉心指導(dǎo)。
參考文獻(xiàn):
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[3]　王建秀.深埋隧道外水壓力計(jì)算中幾個(gè)問(wèn)題的探討[Ｊ].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2003,30(1):95-97
[4]　陳崇希,裴順平.地下水開(kāi)采—地面沉降數(shù)值模擬及防止對(duì)策研究[Ｍ].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2001 86.
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[6]　鄒成杰.水利水電巖溶工程地質(zhì)[Ｍ].北京:水利水電出版社,1994,299-301