湘江隧道工程堤防渗流稳定分析

/长沙市劳动西路湘江隧道工程堤防渗流稳定分析李金林1何新娥2陈集中3（1．湘粤水电建筑安装公司湖南郴州4230002．苏仙区翠江水力发电厂有限公司湖南郴州4230003．湖南省长沙水文水资源勘测局湖南长沙410014）摘要：本文通过对长沙市劳动西路隧道工程的堤防渗流稳定分析，依据分析结论提出了该工程应当实行的防渗措施，为水行政主管部门审批涉水工程供应了科学的依据。关键词:隧道渗流计算渗流场渗透比降TheleveeseepagestabilityanalysisofXiangjiangRivertunnelprojectinChangshaLabourWestRoad【Abstract】ThispaperbasedontheleveeseepagestabilityanalysisofTunnelprojectinChangshalabourWestRoadandaccordingtotheconclusion,wefindtheanti-seepagemeasuresforthisprojectandprovideascientificbasisforthewateradministrationDepartment.【Keyword】:tunnel；seepagecalculation；seepagespace；seepagegradient1、工程基本状况长沙市劳动西路过江隧道位于湘江桔子洲河段，东起劳动西路，西接潇湘大道牌楼口，江中穿越桔子洲，建成后将成为连接长沙市中心城区的快捷主干道。该段江面宽约1.4km，隧址处桔子洲宽约130m。湘江被桔子洲划分为左、右两汊，每汊的宽度约600～650m，桔子洲以东靠近右岸为湘江主航道。湘江左岸明挖段牌楼口路和师大路之间有一内湖——桃子湖，湖长约460m，宽约200m，面积约为138亩。桃子湖和湘江之间有涵闸相通，在汛期涵闸关闭，通过泵站将桃子湖湖水排入湘江。隧道轴线位于湘江一桥和猴子石大桥之间，桔子洲的中上部，距下游湘江一桥约1.9km，距上游猴子石大桥约4.5km，距桔子洲头约1.5km。依据本隧道地质特点、水文状况、地形及两岸的接线条件，《长沙市劳动西路湘江隧道工程可行性探讨报告》接受长矿山法或者盾构法进行施工。2、堤防稳定分析计算长沙劳动西路隧道工程穿越湘江东西两岸：在穿越点湘江左岸接受Y型地下立交穿越堤防，堤内隧道引坡接紧邻堤后的潇湘大道；在穿越点湘江右岸工程接受直线穿越右岸堤防接离堤较远的书院路和劳动西路。左岸段隧道工程接受明挖施工，右岸段隧道接受矿山法钻爆施工或盾构施工。依据工程空间布置距堤远近、穿越堤防施工方式初步分析，右岸段隧道工程布置和施工对堤防稳定及平安运行基本无影响，而左岸隧道工程的布置、建设和运行可能对湘江左岸堤防的渗流稳定造成影响，因此本文对左岸堤防渗流稳定进行分析计算。2.1堤防渗流稳定计算计算方法及工况（1）渗流分析计算模型二维非均质各向同性饱和稳定渗流的基本微分方程为：对于堤防工程，第一类边界条件（水头边界）通常包括上游水位边界和下游水位边界，其次类边界条件（流量边界）在不考虑降雨入渗的状况下，通常为稳定渗流的自由面边界。本次渗流分析接受通用程序进行计算，确定渗流场、渗透比降。（2）计算工况及水力边界条件湘江左岸明挖段牌楼口路和师大路之间有一内湖——桃子湖，湖长约460m，宽约200m，面积约为138亩。桃子湖和湘江之间有涵闸相通，在汛期涵闸关闭，通过泵站将桃子湖湖水排入湘江。为了分析对比隧道工程（湘江左岸段）建设前后堤防的渗流状况，在分析隧道明挖工程施工进度及工后堤防复原的基础上，本次渗流分析对隧道K0+740所在堤防断面拟定了如下计算工况：①工程建设前堤外设计洪水位38.2m，堤内桃子湖低水位35.0m；②工程建设前堤外设计洪水位38.2m，堤内桃子湖高水位36.4m；③工程建设后堤外设计洪水位38.2m，管顶填土，堤内脚两道隧道防渗帷幕，堤内防渗帷幕临江侧水位36.4m，堤内防渗帷幕桃子湖侧水位35.0m；④工程建设后堤外设计洪水位38.2m，管顶填土，堤内脚两道隧道防渗帷幕+堤身一道防渗墙，堤内桃子湖水位35.0m。对隧道ZK0+280所在堤防断面拟定了如下计算工况：工程建设前堤外设计洪水位38.2m，堤内桃子湖低水位35.0m；②工程建设前堤外设计洪水位38.2m，堤内桃子湖高水位36.4m；③工程建设后堤外设计洪水位38.2m，堤内桃子湖高水位36.4m，管顶开敞；④工程建设后堤外设计洪水位38.2m，堤内桃子湖高水位36.4m，管顶填土。由于隧道明挖段枯水期的施工需挖除局部堤防，并利用围堰临时挡水，在枯水期的施工外江水位低于28.5m，低于堤内地面高程36.4m，因此可认为施工枯水期水位条件下的渗流对堤防渗流无影响。计算断面及参数湘江左岸接受Y型地下立交穿越堤防，堤内隧道引坡接紧邻堤后的潇湘中路。Y型分叉下游为左、右线，上游为C、D匝道均平行于堤防布置，其中左线及D匝道轴线距堤内脚约8～9m，右线及C匝道轴线距堤内脚最小距离约60m。C、D匝道及左右线以-4.4％～-5.55％坡度下穿堤防堤基，由于C、D匝道和左右线的布置、结构尺寸及相对堤防位置大致相同，因此本次评价选取左右线隧道所在堤段的代表断面进行计算分析。考虑到工程建成后可能的渗流处理措施的不同，选取右线K0+740所在堤防断面代表隧道埋管段典型断面进行计算分析，选取左线ZK0+280所在堤防断面代表隧道开敞段典型断面。同时，考虑到右线基本布置在现状堤内的桃子湖内，即可认为右线布置基本不影响堤内水位变更，因此分析各堤防所在断面渗流时忽视距堤较远的右线隧道的影响。各计算断面水平方向堤外约300m，堤内约220m。依据工程区的地质勘察资料、以往堤防设计资料，结合工程阅历，确定各土层分区的渗透系数及允许渗透坡降参数，见表1。表1各土层渗透特性表序号土层渗透系数（cm/s）允许渗透坡降1堤身填土5.6×10-60.502粉质粘土15.6×10-60.503粉质粘土24.3×10-54含砾、卵石细砂2.0×10-35中等风化白云岩3.2×10-5计算结果渗流分析计算的主要目的是评价工程建设前后堤防的稳定渗流变更对该段堤防防渗实力的影响。选定断面各工况的渗透坡降计算结果见表2。各工况的浸润线及等势线图见图1～图7。表2渗透坡降计算结果表断面编号计算工况渗透坡降出逸点地面上高度堤内脚塘坡K0+740①工程建设前，桃子湖低水位0.080.24桃子湖塘坡出逸②工程建设前，桃子湖高水位0.63/0.4③工程建设后，堤内脚两道防渗帷幕1.60/0.5④工程建设后，堤内脚两道帷幕、堤身一道防渗墙0.160.02桃子湖塘坡出逸ZK0+280①工程建设前，桃子湖低水位0.080.24桃子湖塘坡出逸②工程建设前，桃子湖高水位0.50/0.4③工程建设后，桃子湖高水位，管顶开敞0.45/0.35④工程建设后，桃子湖高水位，管顶填土0.50/0.4备注断面编号接受隧道左右线里程桩号代表堤防断面。2.2堤防渗流分析一、隧道暗埋段以K0+740所在断面为例工程分析工程建设前后堤防渗流状况如下：（1）工程建设前，桃子湖低水位时，堤身浸润线相对较低，出逸点在桃子湖塘边出逸。当桃子湖水位35.0m，堤外设计洪水位时，堤内脚渗透坡降为0.08，桃子湖塘坡出逸点旁边，渗透坡降为0.24。当桃子湖水位上升至36.4m，和堤内地面齐平常，堤身浸润线抬高，堤内脚旁边出逸，出逸点旁边渗透坡降为0.63。由于堤内地面位置相对较高，约为36.40m，当实际洪水发生时，桃子湖内水位一般相对较低。因此，该断面计算工况一更符合实际状况。即工程建设前堤内脚渗透坡降为0.08，小于填土的允许渗透坡降0.5，堤防渗流是稳定的。渗流场等势线图见图5-1～图5-2。（2）工程建设后由于堤内脚建有2道旋喷桩墙防渗帷幕，K0+740断面堤内脚旁边2道防渗帷幕深约19.0m，考虑帷幕两侧渗流水头损失影响，堤内脚帷幕临江侧水头高于桃子湖水位，帷幕临江侧堤内水位极可能达地面高程即36.4m。渗流分析计算表明，工程建设后，堤身浸润线抬高最大处约0.42m，堤内脚出逸，渗透坡降进一步提高至1.60，大于土的允许渗透坡降0.5。因此，隧道工程暗埋段的建设会影响堤防渗流稳定。渗流场等势线图见图5-3（3）考虑隧道工程布置对局部堤段（暗埋段）堤防防渗的不利影响，设计单位初拟在堤身布置再布置一道防渗墙，该防渗墙作用使堤内隧道防渗帷幕前水头降低。渗流分析计算表明，隧道工程建设后，堤身布置有防渗墙时堤身浸润线降低，堤内脚渗透坡降为0.16，满足堤防渗流要求。工程建成后接受防渗墙进行处理是合适的。渗流场等势线图见图5-4。二、隧道开敞/暗埋段以ZK0+280所在断面为例，分析工程建设前后堤防渗流状况如下：（1）工程建设前，桃子湖凹凸水位时的堤身浸润线位置、渗流场形态基本同K0+740所在断面。桃子湖低水位时堤内脚渗透坡降为0.08，桃子湖高水位时堤内脚渗透坡降为0.5。同理可推断该断面工程建设前堤防渗流是稳定的。渗流场等势线图见图5-5。（2）工程建设后堤内建有的2道旋喷桩墙防渗帷幕深约9.0m，同理假设帷幕临江侧堤内水位达地面高程36.4m。工程建设后，堤身浸润线位置基本同工程建设前，堤内脚出逸，渗透坡降为0.45。分析表明，在防渗帷幕不深且堤后堤基帷幕处发生绕渗的状况下，堤脚的渗透坡降低于工程前桃子湖高水位时的渗透坡降是合理的。渗流场等势线图见图5-6。（3）隧道左线桩号ZK0+280处为隧道开敞段和暗埋段的分界面，工暗埋处理后计算的渗透坡降为0.5，同桃子湖高水位时工程建设前渗透坡降，即隧道ZK0+280进行填土暗埋处理后，该段工程建设对堤防渗流无实质不良影响。渗流场等势线图见图5-7。3、结束语综上所述，工程建设后部分堤段受堤后防渗帷幕深度影响，致使帷幕临江侧堤内水位极易上升，不利于部分堤段堤内坡的渗流