裂隙岩体隧道渗流场特征研究

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密级：公开奔滅Ｉ论文类型：应用研究ＳＨｇｉＡＺＨＵＡＮＧＴＩＥＤＡＯＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ工程硕壬学位论文裂隙岩体隧道渗流场特征研究Ｓｔｕｄｙ０凸ｔｈｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＳｅｅａｅＦｉｅｌｄｉ归ｐｇＦｒａ（：ｔｕｒｅｄＲｏｃｋＭａｓｓｏｆＴｉｍｎｄ墙养单位：主木工程学晚专业领域：安全工程学生姓名：艾旭峰校巧导师：高新强教授校外导师：蔡忠泽教授级高工二〇—五年六月 独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导Ｔ进行的巧巧工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加标注和致谢的地方夕ｈ论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石家庄铁道大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：巧心关于论文使用授权的说明！本人完全了解石家庄铁道大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部口送交论文的复巧件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入《中国优秀博硕±学位论文全文ｉ；数据库》和编入《中圃学位论文全文数据库）〉。本人授权石家庄铁道，大学，可采用影印、缩巧或其他复制手段保存论文可公巧论文的全部或部分内容。｛保密的论文在解密后应遵守此规定）作者签名；女批日期：妙Ｕ３矛。导师签名＾少、；占杂緩吕期：０＾ 密级：公开论文类型：应用研究工程硕士学位论文裂隙岩体隧道渗流场特征研究StudyontheCharacteristicsofSeepageFieldinFracturedRockMassofTunnel培养单位：土木工程学院专业领域：安全工程学生姓名：艾旭峰校内导师：高新强教授校外导师：蔡忠泽教授级高工二○一五年三月 摘要采用数值分析方法，对高水压富水区裂隙岩体隧道渗流场进行分析。根据裂隙岩体隧道的特点，结合三维离散元软件3DEC的功能特性，建立三维离散元模型。首先，研究了裂隙的不同产状与裂隙岩体等效渗透系数的关系。在假定为光滑、平行裂隙的基础上，建立了相应的数值模型并进行运算。结果表明，通过3DEC软件计算出来的裂隙岩体等效渗透系数与用渗透系数张量公式计算出来的结果非常一致。因此，当假定裂隙为光滑、平行时，可通过渗透系数张量来研究裂隙产状对渗流场的影响，可使模型简化、运算效率提高。在此基础上，建立了隧道主要施工过程（开挖、喷混凝土、衬砌）中渗流场的数值模型，对隧道开挖、喷混凝土、施作二衬后的渗流场进行了数值模拟，并分析了其变化特征。最后，采用施作喷混凝土后的裂隙岩体隧道数值模型，分析了围岩裂隙宽度、注浆圈厚度、注浆圈渗透系数及喷混凝土渗透系数等因素对裂隙岩体隧道渗流场的影响。结果表明，裂隙宽度在一定范围内(0.2mm~1.8mm)变化时对影响较小；注浆圈的厚度及其渗透系数是影响渗流场的关键因素，在一定范围内-7（注浆圈厚度为0~8m；注浆圈等效渗透系数为0~2.0×10m/s）对喷混凝土背后水压力及隧道渗水量影响非常显著，超出此范围后，影响减弱；喷混凝土的渗透系数也是影响渗流场的重要因素，它对背后水压力和隧道渗水量的影响同-8注浆圈渗透系数的影响一样，在一定范围内（0~4.0×10m/s）影响显著，超出-84.0×10m/s后，影响减弱。关键词：裂隙岩体；离散元；3DEC；数值模拟；渗透系数张量；渗流场 AbstractThispaperstudiestheseepageoffracturedrockmasstunnelinhighhydraulicpressureandwater-enrichedregionthroughthemethodofnumericalanalysisandbuilds3dimensionaldiscreteelementmodelinthelightofthecharacteristicsoffracturedrockmasstunnelandthefeaturesof3dimensionaldistinctelementcode.First,therelationbetweenthediverseoccurrenceofjointandtheequivalentpermeabilitycoefficientoffracturedrockmassisresearched.Onthebasisofjointbeingsupposedtobesmoothandparallel,correspondingnumericalmodelsarebuiltthenbeingoperated.Resultsindicatethattheequivalentpermeabilitycoefficientoffracturedrockmasscalculatedby3DECandbytheformulaofcoefficienttensorofpermeabilityisequal.Therefore,theoccurrenceofjointcanbereplacedbycoefficienttensorofpermeabilitywhentheimpactonseepagefieldmadebythediverseoccurrenceofjointisresearched,whichsimplifiesnumericalmodelsandimprovestheoperationefficiency.Onthisbasis,numericalmodelsofseepagefieldofmaintunnelconstructionprocess(excavation,shotcreteandlining)arebuilt.Theseepagefieldofmainworkingconditionissimulatedbynumericalmodelsandthechangingcharacteristicsofseepagefieldareanalyzed.Atlast,theimpactontheseepagefieldoffracturedrockmasstunnel,madebytheapertureofjoint,thethicknessofgroutingcircle,thepermeabilitycoefficientofgroutingcircleandthepermeabilitycoefficientofshotcrete,isanalyzedbymakinguseofthenumericalmodeloffracturedrockmasstunnelthathavebeenconstructedshotcrete.Theresultsshowthattheapertureofjointhasalittleimpactontheseepagefieldwhenitvariesincertainrange(0.2~1.8mm),thatthethicknessandpermeabilitycoefficientofgroutingcirclearecriticalfactorstotheseepagefieldandhavearemarkableimpactonthehydraulicpressurebehindshotcreteandthedischargerateoftunnelwhenitvariesincertainrange（thethicknessofgroutingcircleis0~8m;and-7permeabilitycoefficientofgroutingcircleis0~2.0×10m/s）,however,beyondthe certainrange,theimpactdiedown,thatthepermeabilitycoefficientofshotcretealsohasanimportantimpactontheseepagefieldandhasthesameimpactonthehydraulicpressurebehindshotcreteandthedischargerateoftunnelwiththepermeabilitycoefficientofgroutingcircle.Whenitvariesincertainrange（0~4.0×-8-810m/s）,theimpactisremarkableandwhenitisgreaterthan4.0×10m/s,theimpactbecomeweakening.Keywords:fracturedrockmass,discreteelement,3DEC,numericalsimulation,coefficienttensorofpermeability,seepagefield 目录第一章绪论...............................................................................................................11.1研究背景.........................................................................................................11.2国内外研究现状.............................................................................................21.3研究内容与方法.............................................................................................51.3.1研究内容.................................................................................................51.3.2研究方法.................................................................................................61.4预期成果.........................................................................................................7第二章裂隙岩体渗流基本理论...............................................................................82.1裂隙介质水动力学理论基础.........................................................................82.1.1岩体的裂隙性.........................................................................................82.1.2结构面的几何特征.................................................................................92.1.3裂隙岩体渗透规律及渗透系数张量.....................................................92.1.4裂隙介质渗透的多尺度特性...............................................................122.2达西渗流定律...............................................................................................132.2.1达西定律...............................................................................................132.2.2达西定律的适用范围...........................................................................132.3裂隙岩体渗流模型选择...............................................................................142.3.1等效连续介质模型...............................................................................142.3.2双重介质模型.......................................................................................142.3.3网络裂隙介质模型...............................................................................152.3.4本研究采用的模型...............................................................................152.4本章小结.......................................................................................................15第三章裂隙岩体隧道渗流场离散元数值模型.....................................................163.13DEC离散元软件简介..................................................................................163.23DEC软件中的裂隙渗流理论......................................................................163.2.1概述.......................................................................................................163.2.2裂隙渗流理论.......................................................................................173.3裂隙岩体隧道渗流场模型建立...................................................................203.3.1基本简化...............................................................................................203.3.2数值模型的建立...................................................................................213.4本章小结.......................................................................................................28-I- 第四章裂隙产状对岩体等效渗透系数的影响.....................................................294.1单组裂隙的产状对岩体等效渗透系数的影响...........................................294.2多组裂隙的产状对岩体等效渗透系数的影响...........................................294.2.1数值模型...............................................................................................294.2.2计算结果...............................................................................................304.3本章小结.......................................................................................................34第五章裂隙岩体隧道渗流场变化特征.................................................................355.1初始渗流场...................................................................................................355.1.1初始渗流场模型...................................................................................355.1.2初始渗流场特征...................................................................................365.2毛洞渗流场...................................................................................................375.2.1毛洞渗流场模型.....................................................................................375.2.2毛洞渗流场特征.....................................................................................385.3注浆后开挖渗流场.......................................................................................425.3.1注浆后开挖渗流场模型.......................................................................425.3.2注浆后开挖渗流场特征.......................................................................435.4施作喷混凝土后渗流场...............................................................................465.4.1施作喷混凝土后渗流场模型...............................................................465.4.2施作喷混凝土后渗流场特征...............................................................475.5施作二次衬砌后的渗流场...........................................................................505.5.1施作二次衬砌后渗流场模型...............................................................505.5.2施作二次衬砌后渗流场特征...............................................................515.6本章小结.......................................................................................................55第六章主要参数对裂隙岩体隧道渗流场的影响.................................................566.1数值计算模型...............................................................................................566.2围岩裂隙宽度对渗流场的影响...................................................................586.2.1围岩裂隙宽度对水压力的影响...........................................................586.2.2围岩裂隙宽度对隧道渗水量的影响...................................................596.3注浆圈厚度对渗流场的影响.......................................................................596.3.1注浆圈厚度对水压力的影响...............................................................606.3.2注浆圈厚度对隧道渗水量的影响.......................................................616.4注浆圈渗透性对渗流场的影响...................................................................626.4.1注浆圈等效渗透系数对水压力的影响...............................................636.4.2注浆圈等效渗透系数对隧道渗水量的影响.......................................636.5喷混凝土渗透系数对渗流场的影响...........................................................646.5.1喷混凝土渗透系数对水压力的影响...................................................656.5.2喷混凝土渗透系数对隧道渗水量的影响...........................................65-II- 6.6本章小结.......................................................................................................66第七章结论与展望.................................................................................................687.1主要结论.......................................................................................................687.2问题及展望...................................................................................................69参考文献.........................................................................................................70致谢.........................................................................................................................73个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文.............................................74-III- 第一章绪论1.1研究背景我国地缘辽阔，但山地面积在国土总面积中所占比重很大，约为2/3。隧道线路无论是在公路还是在铁路线路中，均占有较大的比重。因此，作为地下建[1]筑物，隧道在修建过程中将会遇到各种工程地质、水文地质条件的裂隙岩体，尤其是在我国的西南地区修建隧道，常难免穿越高水压富水地区，因而将面临[2-4]技术上颇具挑战性的难题。裂隙水广泛分布于山区中，尤其在高水压富水区修建隧道的过程中，裂隙水的存在对隧道施工和管理都存在重大的影响，裂隙水的汇集带来诸多工程问题，可能导致冒顶、塌方、涌水等。研究表明，结构面经裂隙水浸泡后会发生软化现象，从而降低了围岩的强度。在渗流的过程中，裂隙中的填充物会被地下水带走，从而使围岩进一步恶化，严重时导致塌方。然而，裂隙的产状非常复杂，致使其中地下水的运动规律也特别复杂，因此，一直以来难以有效控制[5]隧道中裂隙水带来的不良影响。在高水压富水区修建隧道时常常发生涌水灾害，隧道开挖后大量地下水从[1]开挖暴露面渗出，隧道成为地下水的排泄通道。地下水的涌出以及在水压力的作用下，导致围岩失稳、隧道结构发生破坏的情况时有发生，如著名的青函海43底隧道，最大涌水量8.64×10m/d，造成辅助隧道被淹没3015m，主隧道被淹43没1493m；瑞典的Halladasas铁路隧道，最大涌水量2.42×10m/d，水压力0.8MPa。因此，高水压地下水问题引起了隧道工程界的关注与重视。为了防止地下水水压力对结构造成破坏，减少水压力对隧道结构的影响，采取了以排为主的处理措施，因此，在隧道衬砌的设计和计算中，常常忽略了水荷载。然而，这种处理方式是不合理的，长期的大量排水会严重影响地下水环境，导致地下水水位显著下降，从而使农田的地表环境遭到破坏，生活和农业用水无法得到保障，影响人们正常的生产和生活。地下水水位的下降还可能引起地表塌陷，使围岩稳定性降低，给隧道的运营和管理带来隐患。但是，如果采取以堵为主的方案，尤其是隧道穿过高水压富水区时，隧道衬砌结构承受-1- [6,7]的水压力将会非常大，从而导致结构的设计变得非常复杂。目前，在保护地下水环境的要求下，在高水压富水区修建隧道时，多采用“以堵为主、限量排放”的原则，由于长期以来很少专门考虑水荷载，导致了对隧道地下水力学作用机理的忽视，使得研究隧道地下水力学作用机理并进一[5,8,9]步确定衬砌上水压力的问题更为迫切。因此，对隧道渗水量、衬砌承受的水[5]压力以及注浆圈参数等的确定，成为隧道安全设计和施工的关键问题。隧洞开挖后，使其周围一定范围内的地下水处于渗流状态，这是一个动态变化过程，治水方案的不同必将导致地下水渗流状态的变化。当采取“限量排放”的方案时，隧道的排出的水量小于地下水渗透到衬砌背后的水量，这样必然会产生一定的水压力，作用在衬砌背后。所以，对裂隙岩体隧道水压力分布规律问题的研究，是高水压富水区修建隧道时设计和施工的关键所在。水压力是影响隧道结构安全和耐久性的关键因素，而隧道围岩的渗流状态及地下水对围岩和结构的力学作用机理是研究富水隧道开挖后围岩稳定、隧道衬砌水压力和预测涌水量的理论基础。1.2国内外研究现状在岩体地下水运动规律方面，早在十九世纪六十年代苏联学者Ломизе通过对单裂隙的水流运动进行实验研究，得出了基于平板模型的单裂隙水流立方定律。考虑到裂隙的粗糙度，Tsang研究发现由于裂隙中存在岩桥，加之裂隙宽度[10-13]的变化，裂隙渗流会出现沟槽流现象，立方定律并不成立；Gentir、Engelder、Scholz等通过试验对裂隙渗流进行了进一步地深入研究，明确了立方定律的适用条件，一些学者还对立方定律进行了修正；田开铭、王媛、速宝玉、詹美礼等[14-20]对单裂隙、光滑裂隙和交叉裂隙进行了水力学试验及水流模型的研究；C.Louis、Wilsor、Withespoon和Maini等对裂隙岩体的“典型单元体”（REV）问题进行了研究，分别提出了把裂隙岩体看作不连续介质，还是看作连续介质[21]的适用条件。在岩体地下水运动模型方面，现阶段采用较多的是等效连续介质模型，把[21]岩体概化为非均质各向异性的等效连续介质。Long，Oda等通过计算机生成[22]网络从而建立了裂隙网络水力学，奠定了各向异性岩体渗流的基础。毛昶熙在水量平衡原理的基础上，提出了求解裂隙网络非连续介质模型的方法。王志-2- 恩参照非连续介质方法建立了离散网络裂隙介质渗流模型，很好地解决了岩体剖面上存在自由面的裂隙网络渗流计算问题。Faihurst和Lin将拓扑理论用于裂隙岩体网络特征的描述上。林德璋、莫海鸿提出了以代数拓扑理论为基础的裂[21]隙网络中流体分布的离散性模型以及其相应的求解方法。国内外学者建立了各种数学模型，主要有等效连续介质模型、离散裂隙网络模型、双重介质模型[23-30]以及耦合模型等，用来求解裂隙介质中地下水的渗流场。杨延毅、周维垣创建了渗流-损伤耦合模型，分析了岩体的应力状态对裂隙渗透性产生的影响，[21,31]以及渗流对裂隙岩体的力学作用。王媛等对裂隙岩体的等效连续介质渗流与[21,23]应力全耦合问题进行了研究，并给出了其分析计算方法。柴军瑞的研究结果表明，在岩体中裂隙水的渗流会对裂隙壁产生切向的拖拽力和法向的渗透静水压力，在这两种力的作用下，岩体各应力分量都会增大，计算岩体应力时应给[21]予考虑这种双重力学效应。在岩体地下水数值模拟方面：最早用于水文地质计算的是有限单元法和有限差分法。20世纪80年代后，数值方法得到广泛的应用，是模拟计算各类岩体地下水问题的非常有效的方法之一，具有很大的优越性。关于裂隙岩体渗流离散元数值分析研究方面，王勇、胡勇等基于离散单元法对裂隙岩体渗流场与应力场耦合的离散网络模型进行了分析，表明两场耦合情况下结果才更符合工程[32]实际。孙玉杰、邬爱清等采用UDEC离散单元法，分析了裂隙岩体洞室开挖[33]后，围岩应力场与渗流场耦合作用导致的裂隙隙宽变化及渗流变化的过程。宋晓晨、徐卫亚采用编制的模拟程序FracFlow，发展了用于模拟裂隙岩体渗流[34]的三维离散裂隙网络数值模型。刘泉声、吴月秀等采用离散元法研究了裂隙[35]岩体水力学特性，探讨应力对裂隙岩体等效渗透系数的影响规律。工程地质体复杂多变，难以用数学模型来描述，使得岩体地下水运动问题成为学术界和工程界的难题。目前对地下水运动数值模拟上存在着诸多不足，计算精度、复[21]杂构造的精细程度等问题有待解决和完善。在岩体透水性参数确定方面，在研究岩体地下水运动问题上，重要的参数有结构面渗透系数、结构面当量渗透系数、岩体渗透系数张量等。岩体结构面的透水性决定了岩体的透水性，因为确定结构面以及岩体的渗透性参数，并保证其正确性和有效性，一直是学者们关注的问题。国内外许多学者在确定岩体渗透系数张量的方法上做了大量工作，主要分为四大类：第一类是裂隙样本法，Snow提出的渗透系数张量的概念，它是以单裂隙水流运动的立方定律为基础，-3- 并考虑了岩体中裂隙结构面的隙宽、隙间距、倾向、倾角等几何要素提出来的，可称作裂隙样本法。第二类是Papadapulos提出的岩体渗透系数张量的抽水试验方法。第三类是Snow首先提出的压水试验方法，用以确定裂隙渗透系数张量。之后Louis等学者通过研究，发展出现场交叉孔压水实验法、现场三段压水试验法等。第四类为数值反演的方法。这四中方法各具优缺点，适用于不同的条件[21]和情况。这些研究成果多着眼于水电工程，但对预测隧道涌水量具有重大借鉴意义。目前，对于岩体水力学特征的研究多集中在天然岩体，而对于隧洞开挖后岩体的渗流特征研究较少。为了准确地模拟围岩中地下水的运动规律，一些学者对隧道渗流场进行了研究。邢彭龄、张国有等用边界元方法，对各向异性介质的渗流场问题进行了求解计算，研究了双孔洞隧道周围的渗流场，并分析不[36]同边界条件对隧道周围渗流区域水压分布的影响。黄涛、杨立中将裂隙围岩介质的渗透性进行等效处理，在此基础上提出了渗流场与应力场耦合条件下预[37]测裂隙围岩隧道涌水量的计算的确定性数学模型方法。陈伟、阮怀宁应用随机连续模型，较好地预测了锦屏二级水电站隧洞开挖过程中地下水的最大入渗[38]率。杨会军、王梦恕以岩体非连续介质渗流的研究成果为基础，结合新七道梁隧道工程对最大涌水区段的渗流进行了数值模拟，并模拟了不同工况条件下[39]地下水的渗流特性以及地表水体的水位变化。殷黎明、杨春和等对裂隙岩体渗流运动的基本规律进行了分析，研究了应力对渗流作用影响的机理。结合工程现场测量及试验，通过回归分析，得出了该地区渗透系数与地应力之间的变[30]化规律。LeeIM和NamSW利用有限元分析了隧道开挖速率对围岩渗流场[40]的影响。LipponenA和ManninenS研究了岩体裂隙渗流对隧道长期稳定性的[41]影响。ColiN和PranziniG研究了隧道裂隙岩体的水力特性，提出了新的围[42]岩渗透参数的预测方法。鉴于隧道围岩的复杂性，对其进行流固耦合分析的研究工作相对较少，目前运用较多的方法是将裂隙介质等效为连续介质，用等效连续介质模型对隧道渗流场进行研究，这样就可以直接应用孔隙介质渗流理论来求解裂隙介质渗流[43]问题，操作性较好，这种方法被许多学者采用，求解了各种实际问题。实际上，由于岩体中结构面的存在，隧道围岩绝大部分都是各向异性的裂隙岩体，而非各向同性的均质围岩。围岩中裂隙的数量、几何特征以及分布情况决定了其整体的渗透性，从而决定了隧道围岩内地下水渗的流状态，进而影-4- 响了衬砌的水压力。目前对裂隙岩体渗流场以及流固耦合所进行的研究多集中在水电工程，但针对于裂隙岩体隧道工程的特点，建立裂隙岩体隧道渗流模型（由隧道围岩、注浆圈、喷混凝土以隧道的防排水系统等组成）对裂隙岩体隧道渗流场特征所进行的分析研究工作还较少，以致不能全面地确定隧道施工过程中地下水对隧道裂隙岩体、注浆圈、喷混凝土、衬砌及排水系统中渗流场的特征及力学相互作用机理。因此确定裂隙岩体隧道地下水力学作用机理是迫切需要解决的问题。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容裂隙岩体的裂隙结构分为裂隙结构、交汇结构、裂隙-空穴结构等。本论文研究对象是以裂隙结构（包括单裂隙结构、多裂隙结构）为主的裂隙介质。针对高水压富水区裂隙岩体隧道的修建过程和特点，研究裂隙岩体、注浆圈、喷混凝土等多层离散非连续介质和等效连续介质与管道流（防排水系统）相结合的裂隙岩体隧道渗流模型。这种模型根据注浆圈和喷混凝土的渗透系数与原状裂隙围岩渗透系数的比较将渗流分为连续流和非连续流两种情况进行研究，本文主要研究连续流情况，揭示地下水与围岩及隧道结构的相互作用机理，阐明在高水位区，隧道采取堵水和防排水措施后，水压力远小于静水压力的现象。主要的分析计算内容如下：(1)采用离散元数值分析方法，分析裂隙产状对岩体等效渗透系数的影响。(2)考虑隧道施工过程和隧道排水系统特点，研究裂隙岩体隧道在裂隙岩体、注浆圈、喷混凝土及衬砌背后渗流特征。重点分析连续流条件下的渗流特征，主要分析隧道施工过程裂隙岩体渗流场的变化特征，包括初始渗流场、开挖后毛洞渗流场、注浆后开挖渗流场、初支施作后渗流场、二衬施作后渗流场等的渗流特征。(3)在渗流场分析的基础上，研究裂隙岩体、注浆圈、喷混凝土及衬砌背后地下水力学相互作用机理、水压力宏观规律及作用方式。分析围岩裂隙参数、注浆圈厚度、注浆圈等效渗透系数、初支渗透系数等因素对隧道渗流场的影响。-5- 1.3.2研究方法1.3.2.1裂隙岩体隧道渗流数值模型研究裂隙岩体隧道的渗流介质由裂隙岩体、注浆圈、喷混凝土、排水系统和衬砌5部分组成。针对其特点概化隧道渗流物理模型，如图1-1所示。裂隙岩体、注浆圈采用离散裂隙介质渗流模型、喷混凝土采用各向同性等效连续介质渗流模型，因衬砌混凝土自身渗透系数很小，并且衬砌背后设置了排水系统，衬砌在隧道渗流模型中可视为不透水层，将排水系统视为衬砌背后的管道流，形成多层离散裂隙网络介质、等效连续介质与管道流相结合的隧道渗流概化模型。裂隙岩体注浆圈喷混凝土二次衬砌排水盲管裂隙岩体图1-1裂隙岩体隧道渗流物理概化模型隧道内渗流边界条件在隧道施工过程中是变化的：(1)隧道开挖后以注浆圈开挖暴露面水压力为0作为压力边界条件或现场测试的注浆圈开挖暴露面排水量作为渗流流量边界条件；(2)喷混凝土后以喷混凝土表面水压力为0作为压力边界条件或现场测试的喷混凝土表面渗流量作为渗流流量边界条件；(3)施作排水系统和衬砌后，以隧道的排水比作为渗流流量边界条件。从调查区域工程地质和水文地质入手，首先明确工程区的区域地表汇水特征，查明地下水的补给水源及工程区区域地质构造等，确定隧道围岩的含水特-6- 征及地下水渗流系统。从地下水的补给、径流和排泄三个方面建立隧道区域水文地质模型的边界条件。1.3.2.2裂隙岩体隧道渗流场特征研究采用数值分析方法研究隧道施工过程中渗流场特征。根据渗流模型和裂隙岩体、注浆圈的渗透性，采用3DEC离散元数值分析软件，对隧道施工过程中的连续流渗流场特征进行分析。隧道开挖后，将隧道的渗流场等效为裂隙岩体及注浆圈2层离散裂隙介质，以注浆圈开挖暴露面水压力为0作为压力边界条件或现场测试的注浆圈开挖暴露面排水量作为渗流流量边界条件，模拟隧道开挖后渗流场特征。喷混凝土施作后，将隧道的渗流场等效为裂隙岩体、注浆圈和喷混凝土3层离散裂隙网络介质与等效连续介质，以喷混凝土表面水压力为0作为压力边界条件或现场测试的喷混凝土表面渗流量作为渗流流量边界条件，模拟隧道喷混凝土施作后渗流场特征。排水系统和衬砌施作后，将隧道的渗流场等效为裂隙岩体、注浆圈和喷混凝土3层离散裂隙网络介质与等效连续介质模型，衬砌作为不透水边界，以排水系统排出的水量作为渗流流量边界条件，模拟隧道施工完成后渗流场特征。根据以上研究结果，分析隧道施工过程中渗流场的变化规律，重点分析后一步工序对已完成工序渗流场的影响。得出裂隙岩体、注浆圈、喷混凝土及二衬地下水力学相互作用机理、水压力宏观规律及作用方式。1.4预期成果预期成果为：完成裂隙岩体隧道渗流场离散元数值模型的建立；完成裂隙产状与岩体等效渗透系数之间关系的分析；完成裂隙岩体隧道主要施工过程渗流场变化特征的数值分析；完成裂隙岩体隧道渗流场主要参数（围岩裂隙宽度、注浆圈厚度、注浆圈渗透系数、喷混泥土渗透系数等）对渗流场影响的分析。-7- 第二章裂隙岩体渗流基本理论2.1裂隙介质水动力学理论基础2.1.1岩体的裂隙性岩体在多次构造作用下，形成各种断层、褶皱、裂隙，而这些结构面很大程度上决定了岩体的透水性和其物理力学性质。地下水主要是沿着构造作用产生的结构面运动的，所以如何把握裂隙介质的性质（结构面的规律性），是研究[21]裂隙介质地下水的关键问题。根据岩体中空隙的类型，多孔介质（即具有空隙的岩体）可分为孔隙介质、裂隙介质和溶穴介质。广义上，裂隙介质也可涵盖溶穴介质。相比于孔隙介质，由于裂隙（溶穴）发育、分布的不均匀性和方向性，裂隙介质的渗透具有明显[21]的不均一性和各向异性特点。岩体的裂隙按地质成因可分为三大类：原生裂隙、构造裂隙和次生裂隙；按力学成因可分为张性裂隙面和剪性裂隙面两大类。张性裂隙面由张应力形成，一般连续性差，张开度大，形态不规则，粗糙度大，断面凹凸不平。张性裂隙面含水丰富、导水性强，是最主要的地下水运动通道。剪性裂隙面由剪应力形成，断面光滑、有擦痕，具有位移方向性、共轭性等特征，是最主要的控制岩[21]体地下水运动的结构面之一。在裂隙介质中，可能存在固体、液体、气体。固相称为骨架；气相多为空气，主要存在于非饱和带中；液相或是地下水或是水与其他物质的混合物或是[21]其他流体，地下水可能以吸着水、薄膜水、毛管水和重力水等多种形式存在。裂隙介质中流体的运动大致为两类：一类是流体沿裂隙介质的裂隙、溶穴或遍布于介质中的孔隙运动，这种运动的特点是连通性较好，流体相对分散；另一类是流体沿大裂隙（断层带）和管道流动，这种运动的特点是流体集中，且在相当大的范围内只有一个或几个大裂隙或管道，流动孤立，沿裂隙或管道[21]流量大。-8- 2.1.2结构面的几何特征结构面的几何特征表征了岩体结构面的自然特性及空间展布。结构面的几何特征是指结构面的隙宽、方位、间距或密度、粗糙度、连通性、形态、规模和充填性等。以上这些几何特征值，直接影响着裂隙介质渗透性的方向、大小[21]和规律。(1)隙宽（裂隙张开度）是指裂隙结构面相邻岩壁间的垂直距离（包括充填物的结构面宽度）。裂隙张开度是表征裂隙渗透性最重要的几何参数之一。(2)方位是指用倾向和倾角表示的结构面在空间的分布状态。裂隙介质渗透的方向就是由结构面的方位决定的。(3)间距一般是指同一组、相邻结构面之间的垂直距离，表示一裂隙组的最常见的或是统计平均的间距。结构面的间距反映了岩块的大小、岩体的完整程度以及裂隙介质表征单元体体积的大小。(4)粗糙度指裂隙结构面侧壁的粗糙程度，是计算裂隙渗透性的关键性指标之一，通常用起伏差或起伏度来表征。起伏度常用起伏角来表示，起伏差用裂隙结构面波峰与波谷之间的距离来表示。(5)连通性是指各组裂隙结构面相互连通的程度，包括单个裂隙结构面的连通程度和不同裂隙结构面间的连通程度。裂隙结构面的连通性对裂隙介质的渗透性有着重要的影响。(6)组数是指组成交叉裂隙系统的裂隙组数目，可划分为有系统的和随机的两大类。(7)充填物是指充填于裂隙结构面相邻岩壁间的物质，填充物的类型和多少[21]对裂隙介质整体的渗透性有直接影响。2.1.3裂隙岩体渗透规律及渗透系数张量2.1.3.1单裂隙中水流的立方定律岩块的渗透性相对于结构面来说非常小，当忽略了岩块的渗透性时，仅认为流体在裂隙内运动，因此，研究裂隙岩体的水流运动规律，首先要研究单裂隙的水流运动。前苏联学者Ломизе将裂隙简化为光滑平行板，认为流体不可压[21]缩，在此基础上通过大量试验成果分析导出了单个裂隙水流运动的立方定律。-9- ρgΔH3q=b(2-1)12μL332式中，q为单宽流量(m/s)；ρ为流体质量密度(kg/m)；g为重力加速度(m/s)；μ为动力黏滞系数(Pa·s)；b为隙宽(m)；ΔH/L为水力坡度。由Darcy定律可得，裂隙中平均水流速度ρgΔH2vf=b(2-2)12μL隙宽为b的裂隙渗透系数ρg2Kf=b(2-3)12μ而裂隙的导水系数T=Kf·b(2-4)裂隙的渗透率（压力梯度为1时，动力黏滞系数为l的液体在介质中的渗透速度）与裂隙中的水流方向有关。若某一条裂隙面是倾斜的，倾向与水流方向相反，倾角为α(°)，则倾斜裂隙的渗透率2b2Kff=cosα(2-5)12对具有n条方向相同的裂隙，此裂隙系统的渗透率可写为2cosαn2Kff=∑bi(2-6)12i=1[21]由此可以得出不同方向裂隙的渗透率。2.1.3.2岩体渗流及渗透系数张量在单裂隙水流运动的基础上可建立裂隙介质的渗透系数张量。当水流服从Darcy定律时，平行光滑的裂隙内水流平均速度的理论公式为式(2-2)。把裂隙介质等效成连续性多孔介质来考虑，即把在裂隙内流动的水假想为连续地充满整个岩体，其在岩体中的假想流动速度称为当量渗透速度。若有一组平行光滑、裂隙间距相同且裂隙面与水力梯度平行的裂隙，则其当量渗透速度为3bgbve=KfJ=J=KeJ(2-7)l12vwl-10- 式中，ve为当量渗流速度(m/s)；Kf为隙宽为b的裂隙渗透系数(m/s)；b为隙宽(m)；2l为裂隙的间距(m)；J为水力梯度；g为重力加速度(m/s)；vw为水的运动黏滞系2数(m/s)；Ke为裂隙组的当量渗透系数(m/s)；ve在坐标轴上的三个分量为别为v1，v2，v3，J在坐标轴上的三个分量为别为J1，J2，J3，裂隙面的法向量nf与坐标轴的余弦值分别为cosα1，cosα2，cosα3，则可推导出v1=Ke[J1(1-cosα1cosα1)-J2cosα2cosα1-J3cosα3cosα1]v2=Ke[-J1cosα1cosα2+J2(1-cosα2cosα2)-J3cosα3cosα2](2-8)v3=Ke[-J1cosα1cosα3-J2cosα2cosα3-J3(1-cosα3cosα3)]上式中的Ke(1-cosα1cosα1)、-Kecosα2cosα1、-Kecosα3cosα1、-Kecosα1cosα2…等九个量即为张量，而且为对称张量，可称其为渗透系数张量，用K表示，为了简便，式中cosα可用α表示，K中的个分量用K11、K22、…表示，有Ke(1-α1α1)-Keα2α1-Keα3α1K=-Keα1α2Ke(1-α2α2)-Keα3α2=-Keα1α3-Keα2α3Ke(1-α3α3)K11K12K13K21K22K23(2-9)K31K32K33因此，式(2-7)可写成ve=KJ(2-10)式(2-10)表示了把具有一组裂隙的岩体等效为连续介质时，裂隙岩体渗流场内的渗流速度ve、此组裂隙的倾角、倾向、走向、隙宽、间距以及水力梯度J之间的关系。上述公式表示的是一组裂隙，当裂隙岩体具有几组裂隙且产状不同时，同样可推导出nnve=∑vei=∑Kei[J﹣(J·nfi)nfi]=i1=i1=-11- 1-α1iα1i-α2iα1i-α3iα1in∑Kei-α1iα2i1-α2iα2i-α3iα2iJ=i=1-α1iα3i-α2iα3i1-α3iα3in∑KiJ=KJ(2-11)i=1式中，i为第i组裂隙的编号；n为岩体中裂隙的总组数；nfi为垂直于第i组裂隙面的单位矢量。实际中，裂隙岩体的一组裂隙往往是非等宽度和非等间距的，对于这种情况式(2-11)仍成立，可推导出n3gb3gb3gb3g∑b1i11121mi1=Ke1=+++=(2-12)12vwLcosθ112vwLcosθ112vwLcosθ112vwLcosθ1式中，i为第i条裂隙的编号；m为裂隙总的个数；θ1为第1组裂隙面法线方向与水流方向的夹角(°)。因为有n组裂隙，所以可求得Ke1、…、Ken，将以上各值代入式(2-11)的渗[21]透张量K中，即可求得该岩体的渗透系数张量。2.1.4裂隙介质渗透的多尺度特性在裂隙岩体中，试样区域的体积在增大的过程中其渗透性也随之发生变化，当其体积增大到一定值后，渗透性不再有显著的变化，即试样体积区域能够宏观反映研究区域裂隙岩体的渗透特性，此时试样的体积即为裂隙岩体的渗透性表征单元体REV。在裂隙岩体渗流分析中，REV是衡量选用岩体等效连续介质模型还是选用离散裂隙网络模型的重要标准，即判定是否存在裂隙岩体渗流的[21]REV以及其取值的范围是否合适。研究裂隙岩体地下水运动时，因研究目的、研究对象不同，根据所要研究问题的时间和空间的规模大小，划分为小尺度模型、中尺度模型、大尺度模型、[21]超大尺度模型。不同尺度的模型分别适用于研究不同的问题。-12- 2.2达西渗流定律2.2.1达西定律在做了大量试验的基础上，达西总结出了渗流能量损失和渗流速度之间的基本关系式，被称为达西定律。表达式如下Q=kωJ(2-13)32式中，Q为渗流量(m/s)；k为渗透系数(m/s)；ω为过水断面面积(m)；J为水力坡度。将(2-13)的两端同除以过水断面ω，可得Qv==kJ(2-14)ω[44]式中，v为渗流断面平均流速(m/s)。2.2.2达西定律的适用范围达西定律仅在一定范围内是适用的，它所表达的渗流运动中，流体的水头损失与流速呈线性关系，即与流速的一次方成正比。很多学者通过试验研究发现，在渗流运动中，当流体的流速达到一定值后，其水头损失与流速呈非线性关系，与流速的1~2次方成比例。因此，不是所有的渗流运动达西定律都能适[44]用。达西定律适用的是符合线性关系的渗流，对于非线性关系的渗流问题，一些学者根据试验结果得到其渗流运动规律的表达式：1v=kJm(2-15)当m=1时，与(2-14)相同，即为达西定律；当1