考虑非线性渗流与渗透系数时变性的海底隧道侵蚀机理研究

为解决海底隧道在高压高盐环境下因非线性渗流(Hansbo's non-linear seepage)和渗透系数时变性导致的侵蚀机制不明问题，研究人员开展了考虑grouting zone(注浆区)与lining zone(衬砌区)差异渗流特性的三阶段侵蚀模型研究。通过建立Hansbo非线性渗流模型，获得侵蚀深度与氯离子浓度的解析解，揭示孔隙水压力随水头线性增长、隧道仰拱处侵蚀最显著等规律。该研究为海底隧道耐久性设计提供了理论依据。

　　

在沿海城市快速发展的背景下，海底隧道作为不受天气影响的全天候跨海通道，正面临着一个隐形杀手——高盐海水的侵蚀。与普通陆地隧道不同，这些"海底蛟龙"长期浸泡在富含氯离子的海水中，部分隧道衬砌短短5年就出现严重损坏。更棘手的是，传统研究存在两大认知盲区：一是简单套用达西定律(Darcy's law)描述渗流，忽略了高密度注浆区实际遵循的非达西流(non-Darcy flow)特性；二是将渗透系数视为恒定值，未考虑氯离子持续侵蚀造成的时变效应。这些简化使得工程人员难以准确预测隧道的"寿命倒计时"。

针对这一难题，中国国家自然科学基金资助项目团队开展了一项突破性研究。研究人员创造性地将侵蚀过程划分为三个阶段：初始侵蚀、发展侵蚀和快速侵蚀，重点攻克发展侵蚀阶段的机理问题。通过引入Hansbo非线性渗流模型，首次同步考虑注浆区线性段与衬砌区曲线段的差异渗流特性，并创新性地引入渗透系数随时间线性变化的函数关系。

研究采用理论解析与数值模拟相结合的技术路线。首先建立考虑时变渗透系数的控制方程，通过COMSOL Multiphysics构建包含围岩、注浆区和衬砌区的三维模型，采用无限元域模拟半无限含水层，并耦合地下水流模块与ODE接口。验证阶段通过对比数值解与解析解的一致性，确保模型的可靠性。

【Erosion development based on non-linear seepage law】
研究揭示注浆区作为第一道防线，其低强度和非均匀性导致在离子侵蚀下性能易退化。通过建立考虑时变渗透系数的控制方程，发现当注浆区遵循Hansbo线性段、衬砌区遵循曲线段时，高水位会显著加速侵蚀进程。

【Comparison with numerical solutions】
数值模拟验证显示，解析解与数值解在孔隙水压力分布和侵蚀深度预测上高度吻合，最大误差不超过5%。特别值得注意的是，采用无限元域能有效解决半无限边界模拟难题。

【Parametric analyses】
参数分析发现三个关键规律：1)孔隙水压力与地表水头呈近似线性增长；2)隧道仰拱处侵蚀深度随服役时间增加最显著；3)考虑渗透系数线性变化比恒定值预测的侵蚀深度增加12-15%，但对离子浓度影响微弱。

【Conclusions】
该研究突破传统达西定律的局限，首次系统阐明了非线性渗流与时变渗透系数耦合作用下的侵蚀机制。提出的解析解可精准预测不同服役阶段的侵蚀深度，为海底隧道"把脉问诊"提供了量化工具。工程应用表明，忽略渗透系数时变性会严重低估仰拱部位的侵蚀风险，这对优化隧道排水系统设计和防腐措施具有重要指导价值。研究成果发表于《Geomorphology》，相关方法已被纳入辽宁省教育厅重点项目的技术标准。