特色应用
本文提出的框架可直接应用于浅埋压力隧道、压力管道和输水管的设计与安全审查，这些结构需要穿越靠近开阔河谷边坡、河岸或开挖面的易蚀土壤。由于该框架将依赖于水头的开裂衬砌源与截面渗流模型相结合，并采用锚定于土壤易蚀颗粒含量的出逸梯度判据，因此设计人员可以据此识别控制性荷载工况、量化自由面处的管涌风险，并以数值目标而非经验规则为依据设计渗透注浆处理方案。从业人员可在可行性阶段应用该工作流程筛选穿越软土区的线路方案，在详细设计阶段用于确定灌浆帷幕厚度、残余渗透系数和受围岩限制的注浆压力，并在运行阶段评估现有水电输水道的首次充水和降水位条件。
摘要
穿越靠近开阔河谷边坡的易蚀土壤的短段压力隧道，存在一种压力隧道工程实践和水工结构工程实践均未能全面应对的危险；通过开裂混凝土衬砌的渗漏会在自由面出逸，当水力出逸梯度接近临界值时，可能引发反向侵蚀管涌，危及边坡安全，最终威胁隧道本身。本文提出了一个六步框架用于评估和控制这一危险，该框架耦合了地层与边界表征、地下水状态确定、依赖于水头的衬砌表征、截面有限元渗流模拟、基于锚定于土壤易蚀颗粒含量的安全梯度的管涌评估，以及受可施工性约束的基于模型的加固设计。其显著特征在于各步骤之间的信息传递；衬砌并非以固定渗透系数表示，而是作为半透水元件，其等效渗透系数由衬砌-地层荷载分担关系确定，这一依赖于水头的源驱动渗流模型，其出逸梯度又反过来设定加固处理所需达到的定量目标。该框架在巴基斯坦尼勒姆-杰赫勒姆水电项目引水隧洞约136米长的软土地段进行了示范应用，该段隧道穿越河谷边坡沿线的粗粒河流阶地冲积层，内水压力水头为18–24米。冲积层（截断均值 7.25 × 10?6 m/s）和基岩（3.89 × 10?7 m/s）的渗透系数通过67个钻孔试验确定。由于可压缩的冲积层仅承担净内水压力的17%，首次充水期间计算得到的衬砌渗透系数接近周围地层的渗透系数，因此首次充水（在排水地层条件下）而非长期运行成为控制渗漏的工况，累计渗漏量为9.1 L/s，而运行工况为2.7 L/s；然而两种工况的最大出逸梯度相似。对二十六个截面进行的稳态分析表明，边坡面处的出逸梯度在临界梯度时达到1.06，而根据小于19毫米的易蚀颗粒含量采用5的安全系数得出的场地特定安全梯度为0.20。参数研究表明，厚度5米、目标渗透系数为6.5 × 10?8 m/s的渗透注浆环带可将首次充水渗漏量减少约90%，将边坡面处的潜水面交线降低约15米，并将参考截面的出逸梯度降至0.215。然而，对所有截面进行评估后，首次充水时大部分截面的出逸梯度仍超过安全梯度，运行工况下所有截面均超过安全梯度（此时流向边坡的水流由水库库岸的渗漏驱动），因此在注浆环带的基础上增设了渗流面处的反滤层。实施阶段规定了灌浆材料、注浆速率、受围岩限制的注浆压力以及验证方案。该案例研究展示了该框架从表征到加固设计的应用全过程；计算得到的加固效果仍有待规定的验证试验和首次充水观测结果予以确认，该工作流程可推广应用于易蚀土壤中的浅埋压力隧道。
