北京2022年冬奥会延庆赛区地下管廊渗流分析*

方 坤，毛宗原，郭 豪，高识涵

(1.清华大学水利水电工程系，北京 100084； 2.中国建筑技术集团有限公司，北京 100013)

1 工程概况

北京2022年冬奥会延庆赛区位于北京市延庆区小海坨山南麓，将在此建设国家高山滑雪中心、国家雪车雪橇中心两个竞赛场馆和延庆冬奥村、山地新闻中心两个非竞赛场馆。延庆赛区地下综合管廊里程长达7.9km，系我国首次在山岭隧道中建设的大落差大坡度综合管廊，是延庆赛区造雪用水、生活用水、再生水、电力、电信及电视转播信号等的接入通道。该管廊沿线经过Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ类围岩区，并发育有多个断层，地质条件非常复杂，若不采取合理渗控措施，施工期和运行期廊道内渗漏量将难以控制，一方面增大了管廊施工和运行的安全隐患，另一方面将造成上方山体地下水位下降，影响山体地表植被发育和周边区域生态环境。

虽然现行相关规范对地下管廊的渗控系统设计给定了相关设计方法和参数，但只做了定性分析或给定了上下限，仍需设计人员根据工程实际细化设计指标，且对于设计方案的防渗效果缺乏定量化描述。本文从数值计算角度，选择地质条件复杂的3+810断面，复核该断面原设计渗控系统的合理性，并对固结灌浆和衬砌内排水进行敏感性分析，最后优化原设计渗控系统，在保障工程施工和运行安全的前提下减少工程投资和运营成本，并减轻因地下水位下降对地表生态环境造成的不利影响。

2 地质条件与渗流模型

2.1 地质条件和设计断面

3+810断面所在地貌单元属于中低山及山间谷地，管廊埋深13m，地质条件较差，管廊周边范围内围岩岩性均为Ⅳ类花岗岩，上覆第四系全新统冲洪积层，右侧斜穿1个软弱夹层，厚度1m，角度70°，岩性为Ⅳ类构造角砾岩。

管廊断面为城门洞型，施工完成后宽7.8m，竖直段侧壁高5.6m，顶拱高1.5m，混凝土衬砌厚度0.55m。

2.2 渗流模型

根据本断面的岩体结构和本工程的渗流特性，本次计算采用ANSYS建立二维断面模型，采用清华大学水利水电工程系自开发的渗流计算软件Geoseepage进行渗流分析计算，采用Tecplot作为主要后处理工具。

模型计算范围长宽取为：78m×53m(长×宽)，管廊底高程30.000m，底部边界高程0.000m，左右边界距管廊侧壁35m。模型材料包括山体、固结灌浆体和混凝土衬砌3大类，其中山体和固结灌浆体按风化程度进一步细分为冲洪积层、强风化、弱风化和新鲜基岩4小类，计算单元的划分主要考虑风化分界线、断层、固结帷幕和结构混凝土。整个模型划分为15个分区，3 632个节点和6 949个单元，如图1所示。

图1 渗流模型

按地勘资料将以上15个材料分区划分为11种不同渗透系数的单元，单元位置信息如图2所示。

图2 单元位置信息

按从上到下、从左到右的分区顺序，计算模型各单元经率定后的水文地质参数汇总如表1所示。

表1 单元材料分区及渗透系数

根据地勘资料，模型边界条件规定如下：左侧水头边界49m，左侧水力梯度边界0.01，右侧水头边界44m，右侧水力梯度边界-0.01，廊道不间断抽水，衬砌内排水正常，以保持廊道表面不积水状态(廊道底高程)。

3 渗流计算分析

本次渗流计算的目的为分析在不同固结灌浆透水率、厚度、不同排水效果等工况下，管廊渗流场、渗流量、衬砌外水压力和管廊顶最大水位降幅的变化规律，为后续的方案优化和运行期工程安全及生态环境保护提供评价依据。本次计算主要考虑方案如下。

1)原设计渗控系统处理方案。

2)固结帷幕敏感性分析，包括透水率敏感性和厚度敏感性两类。

3)衬砌内排水敏感性分析。

3.1 原设计渗控系统

原设计渗控系统方案为：对廊道周壁3m范围内的岩体(包括断层)进行固结灌浆，要求达到透水率3Lu。在混凝土衬砌内布置排水管，将水排出管廊。模拟得到渗流场分布云图如图3示。

图3 原设计方案渗流场分布云图

整理渗流量、衬砌外水压力和廊道顶地下水位降幅如表2示。

表2 原方案渗流量及衬砌外水压力

分析图3、表2可知。

1)进入地下管廊的渗流量为3.0m3/d，相对较小，可采用排水沟导出，管廊内渗水问题不严重。

2)管廊上方出现较大范围的地下水位降落漏斗，半径65m，最大水位降幅出现在管廊正上方，地下水埋深从4.6m变为6.8m，水位降幅2.2m，作用在洞壁衬砌处的外水压力相应减小为69kN/m。地下水位降落漏斗虽然水位降幅较小，但半径范围较大，对地表植被生态将造成一定的不利影响。

3.2 固结灌浆敏感性分析

3.2.1透水率敏感性

根据SL62—2014《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》，水工建筑物水泥灌浆透水率应控制在3～5Lu，为分析其敏感性，在此范围内选择2种透水率(规范下限3Lu，上限5Lu)，其余设计条件按原设计方案，对管廊渗流场和渗出量的敏感性进行计算分析。模拟得到各透水率情况下渗流量、衬砌外水压力和廊道顶地下水位降幅如表3所示。

表3 灌浆透水率敏感性分析

1)当固结灌浆透水率要求从3Lu放宽到5Lu后，进入地下管廊的渗流量由3.0m3/d增加到5.1m3/d，增加比例为66.7%，但增加绝对值相对较小，管廊内排水沟可顺利导出，管廊内渗水问题不严重。

2)当固结灌浆透水率要求从3Lu放宽到5Lu后，管廊上方地下水位降落漏斗的半径范围变化不大，最大水位降幅出现在管廊正上方，地下水埋深变为7.4m，水位降幅2.8m(增加27.3%)，作用在洞壁衬砌处的外水压力相应增加为87kN/m(增加27.5%)。

3)总体来说，当固结灌浆透水率要求从3Lu放宽到5Lu后，渗流量、管廊衬砌外水压力和管廊上方地下水位降幅的增量有限，可考虑放宽固结灌浆透水率要求至5Lu。

3.2.2厚度敏感性

原设计固结灌浆厚度为3m，为分析其敏感性，分别计算无固结灌浆、3m厚及6m厚固结灌浆3种工况的渗流情况(其余设计条件按原设计方案)。

模拟得到渗流场分布云图如图4所示。整理渗流量、衬砌外水压力和廊道顶地下水位降幅如表4所示。

图4 0，6m灌浆厚度渗流场分布云图

表4 灌浆厚度敏感性分析

分析以表4，图4可知。

1)当固结灌浆厚度从3m缩小到0m(即不灌浆)后，进入地下管廊的渗流量由3.0m3/d急剧增加到20m3/d，增加比例为567%，管廊内渗水问题将非常严重。地下水位降落漏斗半径范围和最大降幅也迅速扩大，管廊顶部地下水已完全疏干，将对地表植被生态将造成严重影响。

2)当固结灌浆厚度从3m增加到6m后，进入地下管廊的渗流量由3.0m3/d减少到2.2m3/d，减少比例为36.4%，但减少绝对值相对较小。衬砌外水压力减小比例10%，最大地下水位降幅减少0.9m，减少比例41%。

3)总体来说，固结灌浆是减少渗流量和降低地下水位漏斗范围及最大降幅行之有效的手段。6m厚度固结灌浆方案可有效降低最大地下水位降幅。

3.3 衬砌内排水敏感性分析

考虑衬砌内排水堵塞失效的极端工况，其余设计条件按原设计方案，对排水系统作敏感性分析如表5、图5所示。

表5 排水敏感性分析

图5 排水堵塞时渗流场分布云图

分析可知：衬砌内排水失效后，地下水位不出现降幅，不形成降落漏斗，渗流量也减少到可忽略的水平。但衬砌外水压力急剧增加，增加比例为119%，对衬砌结构稳定非常不利。

4 结语

1)原设计渗控系统的渗流场和进入地下管廊的渗流量在可控范围内，渗控系统设计总体合理可行。原设计渗控系统存在一定范围的地下水位降落漏斗，最大地下水位降幅将对地表植被产生一定影响，有一定优化空间。

2)渗控系统对固结灌浆质量的敏感度较低。建议固结灌浆透水性指标从规范下限(3Lu)放宽到规范上限(5Lu)，以减小工程投资和施工难度。

渗控系统对固结灌浆厚度的敏感度较大。原设计3m基本可行，但为了更好地保护地表植被生态，可考虑扩大为6m。

3)渗控系统对排水敏感性高，一旦排水发生堵塞，将引起地下管廊衬砌外水压力急剧增大，从而造成衬砌结构稳定性降低，应引起足够重视，防止排水堵塞，如排水管段纵横向互相连通、加强水位监测等措施。