高水压隧道渗流场的流固耦合研究

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Y1082264中图分类号：UDC：学校代码：密级：公开北京交通大学硕士学位论文高水压隧道渗流场的流固耦合研究ACoupledFluid-mechanicalStudy011SeepageFieldofTunnelswithHighHydraulicPressue作者姓名：吴金刚导师姓名：谭忠盛学位类别：工学学号：04121218职称：教授学位级别：硕士学科专业：岩土工程研究方向：隧道与地下工程北京交通大学2006年12月 摘要为了研究高水压隧道渗流场的分布规律，本文利用理论解析、数值模拟、模型试验和现场测试等多种手段，对其进行了全面系统的研究，取得了一些有意义的研究成果，并依托铁道部研究课题。宣万铁路齐岳山隧道衬砌水压力特征研究”和厦门路桥公司科研项目“应力场、渗流场组合作用下衬砌结构受力特征及断面优化的模型试验研究”进行了工程应用．本文主要开展了以下几方面的研究工作：(1)提出将隧道的渗流过程区分为稳定流和非稳定流两个阶段的研究思路．在非稳定流阶段，围岩变形和渗流场的重新分布同时进行且相互影响，须考虑流、固耦合作用对渗流场分布的影响；而在稳定流阶段，围岩变形和渗流场分布趋于稳定，不再发生变化，此时可不考虑其间的相互影响作用，从而不予考虑流、固耦合作用对渗流场分布的影响。(2)利用复变函数方法与抽水井的“圆岛模型”，运用解析解的方法系统的研究了均匀介质中稳定流的渗流场分布，给出了高水压岩溶隧道周边地层水压分布规律计算公式。并通过数值模拟进行计算对比，验证了本文解析解的正确性。此外，本文还推导了不良地质围岩中(含溶洞、断层和隔水层)渗流场的计算公式．(3)研究了流、固耦合条件下等效连续介质中渗流场分布的数学模型，并对围岩应力作用下渗流场参数的变化进行了研究，提出将耦合后的渗流参数代入稳定流方程，计算耦合作用结束后的稳定流渗流场的研究方法。(4)通过数值模拟，分析了稳定流和非稳定流的渗流场和结构受力规律。在稳定流分析中，研究了隧道涌水量和注浆圈参数之间的关系，如注浆厚度、注浆圈渗透系数以及不同排水量，得到了衬砌背后水压力和排水量的关系曲线；在非稳定流计算中，研究了流、固耦合条件下不良地质条件围岩中的渗流场分布，对“支护紧跟”和“支护滞后”两种情况下围岩地表变形和衬砌结构受力等进行了对比，最后通过数值模拟对比研究双场叠如和双场耦合的不同作用，得到耦合远比叠加作用危险的结论。(5)以模型试验为手段，进行了厦门海底隧道渗流场和衬砌结构受力特征进行了试验研究．得到了隧道断面注浆圈内、外侧水压力的分布规律；对结构受力变形特征进行了试验测试，得到衬砌的受力变形规律，并对测试结果进行了数值分析验证。(6)对齐岳山隧道的衬砌背后水压力和隧道涌水量进行了现场量测试验。但由于隧道还处于施工中，衬砌背后水压力还没有形成，本部分的工作还需要进一步完善。关键词：高水压隧道；渗流场；流固耦合；模型试验；复变函数；镜像法；光纤光栅 ^B鼹R^CRInordertostudythedistributionrulesofseepagefieldinthesmrotmdingrock-massoftunnelswithhighhydraulicpressureinKarstareO噶,aseriesofmethods,suchastheoryanaly3is，numericalsimulation,modeltestandsiteinvestigate,areintroducedandappliedinthispap伐．Manym嘲ning甜resultshavebeenobtained．Relying011Researchtopicsnamed“StudyOnthehydraulicpressurecharacteristicsloadedOntheliningofQiyueshanTunnel",researchworkiscarriedoutandtheresultsareaplliedintheprojectofQiyueshanTunnel．Inthigpaper,themainworkincluding：Firstly,itisproposedfirstlythattheformationofseepagefieldscanbedividedintotwostages,includingsteadyandunsteadyflow．Inunsteadyflow,thedeformationofrockandre-dismbufionofseepagefeldChanges砒thesametin眩andmutualimpacttakesplacebe铆嘲eachother．Coupledfluid-mechanicalinteractionhastobeconsideredinthisstage．However,thedeformationofrockandre-dis乜-ibutionofseepagefieldwillbesteadyandnOchangowilloccurinsteadystage．mutualimpactbetNveelleachothercanbeneglected．Therefore,coupledfluid-mechanicalinteractiondon’thavetobetakenintoaccount．Secondly,baSedontheconformalmappingofcomplexfunctionmethodsand”circularislandmodel。forpumpingwellsthoery,thedis缸ibutionruleofseepagefieldinhomogeneous,isotropicmediumisstudiedSystematically．Aformulaisgivenwhichisappliedforthecalculationoftunnel埘tllhi咖hydraulicpressure．Then,numericalsimulationiscarriedouttoVenfythecorrectnessoftheformula．Moreover,theformulaappliedforsurroundingrockwithadversegeologicalconditionsisputforward．Thirdly,takingintoaccountcoupledfluid-mechanicalinteraction,themathematicalmodelforequivalentcontinuousmediumjsinvestigated．Then,themethod幻calculatethvdistributionofseepagefieldforthesteadyflowaftercoupledfluid-mechanicalinteraction．Fourthly,Theseepagefieldandcharacteristicsofstructureunderloadsarcstudiedthroughnumericalsimulationofbothsteadyandunsteadyflow．Inthesteadyflowanalysis,therelationshipbctwcellthetunnelinflowandsomeparameters，includingthethickness，thepermeabilitycoefficientofgroutingandthedischargeoftunnel，andtherelationshipcurvebefweonhydraulicpressurebehindlininganddischargeoftunnelisgive．．Whileintheunsteadyflowanalysis，someworkisfinishedtoresearchthelawsofthedistributionofseepagefield,thedeformationofstratumandcharacteristicsofstructureunderloads，whichisinvestigatedthroughcomparationof“Keepingupwiththesupport'’and“Supportlagging竹． Fifthly,asamealkstmodeltestiscarriedouttoresearchOnthedistributionofseepage矗eldanddeformationcharacteristicsofslructm'eunderloads．11"lawsofdistributionfhydraulicpressureisgainedandthefounctionofgroutingisproo缸Intheend,thetestresultsmcheckedbynumericals洫ulafion．Finally,fieldtestforthehydraulicp|屯ss哪behindliningandtunnelinflowisexecutedinQiyueshantunnel．However,duetothatthetunnelissilllinconstruction,waterpresstwebehindliningisstillverysmall,itn础tobeimprovedfurther．Keywords：tunnels耐thh／ghhydraulicpressure；,seepagefield；coupledfluid-mechanicalinteraction；modeltest；complexvariablefunction；ImageMethod；FiberBragggrating 致谢两年半的研究生学习生涯即将结束，此时我的心中充满无限感慨!回顾这段难忘的经历，我首先万分感谢我的导师谭忠盛教授的悉心指导。从论文的选题、思路的形成直到最后的成文，每一环节都凝结着导师的心血和智慧．导师不仅学识渊博、治学严谨、思路敏锐，而且平易近人、胸中无私。学生在导师的教诲和指导下，不但学到了丰富的专业知识，掌握了分析解决工程问题的基本方法，更重要的是为导师的人格魅力深深感染，明白了许多为人处世的道理，这些必将使学生终生受益l值此论文完成之际，谨再次向我的导师致以最崇高的敬意和最衷心的感谢!特别感谢王秀英副教授在论文工作中给予了作者很大的关心、支持和帮助，感谢王磊老师在试验过程中和生活上给予作者的帮助，在此谨向两位老师致以衷心的感谢!在论文研究过程中，作者得到了隧道中心刘维宁教授、李涛副教授、黄明利副教授、贺少辉教授、项彦勇副教授、李兆平副教授的关心、帮助以及在学业上的支持，在此谨向各位老师致以衷心的感谢!感谢中铁十二局齐岳山隧道项目部席继红总工在现场测试中给予作者得支持和帮助!也感谢铁道第四勘测设计院朱丹总工、苗德海总工在论文课题中给予的帮助以及提出的中肯意见l特别感谢皇甫明博士、董志明师兄、代忠梅同学在论文研究过程中给予的极大帮助!感谢他们在学术见解方面的启迪和室内试验、数值计算等方面给予的帮助!衷心感谢张鹏、张宇川、刘恒、张明德、唐培连、金健伟、李云丽和周小宾等同学和师兄弟们给予的热忱帮助，感谢郑鹏武、宋艳彬、刘芳等师兄师姐给予的帮助!也感谢同窗好友曹磊、魏英华、曲军彪、李春峰、崔安杰等同学的相互鼓励!深深感谢我勤劳朴实的父母，在我漫漫的求学道路上所给予的莫大的理解和支持。因我的求学，他们牺牲了很多!只愿本文的完成能使他们感到由衷的宽慰!吴金刚2006年12月5日于北京交通大学 第一章绪论I绪论I．1问题的提出及选题依据随着国民经济的飞速发展，大量高水压山岭隧道的建设和海底隧道构想的提出，隧道修建与运营过程中的涌水地质灾害已成为勘测设计阶段需要重点考虑的问题之一．在进行高水压隧道支护结构设计时，合理的确定衬砌上作用的水压力是结构设计的关键，目前国内铁路设计规范和公路隧道设计规范在确定衬砌结构外水荷载时，从对地下水“以捧为主”的原则出发，而不考虑地下水的作用。而有的工程贝Ij干脆参照水工隧道设计规范和经验，根据开挖后地下水渗入情况，采用折减系数的方法对地下水位进行相应的折减来计算隧道衬砌的外水压．大量工程经验和研究表明，在隧道防排水设计中采用“以排为主”的设计方针，将会造成三方面的问题，一是由于“以摔为主”的设计方针，在衬砌结构设计计算中往往不考虑水压力，衬砌设计较薄，尽管初期节约了一定资金，但在运营中衬砌破裂的事例屡有发生；二是地下水长期由隧道大量排走，地下水位降低，造成洞顶地表失水并发生沉降变形；三是地下水从隧道大量流失，围岩中的地下水渗流通道(如岩层节理裂隙或岩溶管道)中的充填物被水冲走，贯通性愈来愈好，可能造成隧道洞内流量不断增大，各种病害如衬砌渗漏变形、路面翻浆冒泥、排水沟淤塞漫流等逐年严重，同时，衬砌背后渗水通道的扩大还会造成衬砌受力不均匀。由此可见，高水位岩溶隧道在设计中对地下水采取“以排为主”的设计思想应当改变，但是在高水位地区，如果采取浅埋地铁隧道的全封堵方案，将会招致数值很大的水压力，增大隧道结构的施工的难度，并且成本将非常昂贵．因此，高水位岩溶隧道应根据隧道周围环境的要求，采取“以堵为主，限量排放”即“堵水限捧”的防排水设计准则，“堵”是减少流向衬砌背后的总水量即控制流量，而“排”则是减小作用在衬砌结构上水压力的主要手段，这样既减少了作用在衬砌背后的水压力，又不致因大量无限制排水对地表环境造成难以弥补的破坏．然而，对于“堵水限排”下隧道渗流场的分布规律，目前却没有系统的研究．对于高水压隧道而言，隧道开挖引起屡岩应力场和渗流场的变化，一方面地下水渗流在岩体中引起的渗流体积力(动水压力)将改变岩体中原始存在的应力状态；另一方面，应力状态的改变，又将影响岩体结构的改变，进而改变岩体的渗透性能。此外，地下水的存在不仅会减弱岩体的物理力学性能，即岩体强度和弹性模量的降低，而且静水压力和动水压力也会对岩体产生作用力，其中静水压 北京交通大学硬士论文力则降低岩土体有效应力，使得地层的承拱作用和稳定性较差，动水压力则产生渗透体积力。另外，在岩溶发育地段，溶洞、暗河及断层频繁出现。这些特殊地质条件将改变隧道渗流场的分布规律．经典渗流力学一般假定流体流动的多孔介质(比如岩石、土壤等)是完全刚性的，即在孔隙流体压力变化过程中，固体骨架不产生任何弹性或者塑性变形，这时可将渗流视为非耦合问题来研究．这种简化可以得到问题的近似解，对于初期或者说以往的学科发展、工程实践都产生了巨大的和积极的作用，但是它存在着很多的缺陷．实际的多孔介质，不论是天然地质材料还是人造多孔固体，大多为可变形体，在实际的渗流过程中，由于孔隙流体压力的变化，一方面要引起多孔介质骨架有效应力变化，由此导致储层特性比如渗透率、孔隙度等的变化：另一方面，这些变化又反过来影响孔隙流体的流动和压力的分布。因此，在许多情况下，必需考虑孔隙流体在多孔介质中的流动规律及其对多孔介质本身的变形或者强度造成的影响，即考虑多孔介质内应力场与渗流场之间的相互耦合作用。近年来，流固耦合渗流问题越来越受到人们的重视fⅧ，这方面的研究涉及到很多工程领域，诸如石油、天然气开发过程中的流固耦合问题，地下水抽放和油气开采引起的地表沉降的流固耦合，软土地基固结沉降中的流固耦合问题，地热开发理论中的流固耦合，核废料处理，水库诱发地震的流固耦合，岩坡和坝基的稳定性问题等等。此项研究已经成为目前科学研究的热门课题。国内这方面的研究还处于起步阶段，有待进一步加强。在本论文研究过程中，作者有幸参加了铁道部科技研究项目“宜万铁路齐岳山隧道衬砌水压力特征研究”和厦门路桥公司科研项目“应力场、渗流场组合作用下衬砌结构受力特征及断面优化的模型试验研究”。论文以此为依托，以“尚水压隧道渗流场的流固耦合研究”为题，研究高水位岩溶隧道在堵水限排下围岩中的渗流场分布。1．2国内外研究现状与存在的问题1．2．1理论研究如前所述，场力是水荷载的一般形态，因此，地下水荷载研究的一个重要课题就是地下水渗流研究。山岭隧道是在岩体中建造的，其穿越的岩体多数为裂隙型和裂隙岩溶型，围绕裂隙岩体渗流，国内外学者进行了大量的研究。这一领域的主要研究成果可以归纳如下：2 第一章绪论对于裂隙系统渗流模型的研究，目前主要可以概括为三类：等效连续多孔介质模型、双重介质模型、非连续介质模型。(I)等效连续多孔介质模型等效连续多孔介质模型是美国加州大学劳伦斯伯克利研究所的学者经多年研究后提出的．他们认为。如果把裂隙导水率平均到岩体，就得到各向异性的等效连续介质．从而将裂隙含水介质中的水流，处理为连续多孔介质中的水流，可以用传统的孔隙介质渗流理论来求解裂隙系统中的地下水渗流问题。当然，能否用等效连续多孔介质模型的条件是岩体渗流样本单元体积REV存在且相对于计算域甚till41．由于该模型概念清晰，计算处理方便，目前仍是岩体渗流计算中应用最广泛的数学模型．(2)双重介质模型双重介质模型是由前苏联学者GBarenblatt予1960年首先提出的，Barenblatt认为岩体被裂隙切割成大小不等和形状不一的岩块，即岩体在原生孔隙的基础上存在范围广泛韵随机分布的裂隙，二者都遍布整个区域，形成两个重叠的连续体。与传统的渗流理论不大相同，在渗流场中每一点都存在两个流体压力，即该点附近孔隙中和裂隙中流体的平均压力．水在岩体中的运动表现为两类不同系统之间压力差和剧烈的水交换，且假设二者之间的交换的水量与它们的水头差成正比。该模型把岩体看成是由裂隙介质和孔隙介质组成的一种连续介质，以裂隙介质导水、孔隙介质储水为特征，分别建立裂隙介质渗流模型与孔隙介质渗流模型，并通过裂隙与孔隙岩块间水量交换公式连接，组成一个耦合方程式，在方程式中存在两种水头，其数学模型为：巧争等+》叫等一盯哆椰⋯、巧謦+等+争科警叫q例㈤、式中：Kp、K／、Ⅳ、以、日，分别为孔隙岩块和裂隙介质的渗透系数、储水系数和地下水水头；a为孔隙岩块与裂隙介质之间的水量交换系数5Streltsova(1977)也提出了类似的双重介质渗流模型，他认为岩体是由裂隙和岩块组成的。把岩体看成由裂隙系统分割开的许多水平岩块组成，岩块水平方向无限延伸，岩块厚度和裂隙隙宽不变，且岩块厚度远远大于裂隙宽度，裂隙中的水流是水平流，岩块中的水流是垂向流，于是得出承压含水层中渗流偏微分方程式如下：3 北京交通大学硕士论文昙c巧争+参啄挚=墨警蚺謦尹饥㈤、式中，乃2岛射，％3如M分别为X、Y方向上的导水系数，M为含水层厚度，al为延迟指数的倒数，Sf、sp分别为裂隙介质和孔隙岩块的贮水系数。此外，Dugl】id0977)、Huyakorn(1983)、N朗细iel【s(1984)也分别研究了双重介质渗流模型，他们的研究促进了岩体双重介质渗流模型的发展。(3)非连续介质模型该模型认为水在岩体中的裂隙网络内流动，即所谓裂隙网络水力学，这一数学模型主要用裂隙水力学参数和几何参数来表征裂隙介质空间结构的渗透性，这一模型的难点不在于水力学本身，而在于岩体中裂隙几何特性(包括倾向、倾角、开度、尺寸及形状等)的随机性。除去较大的结构面可以按确定值处理，对为数较多的小裂隙只能进行统计分析。由于参数难以确定，这一模型在实际工程中的应用受到了限制。我国对岩体渗流的研究起步较晚，始于80年代。第一个系统研究裂隙介质渗流问题的田开铭教授，1982年撰写了有关裂隙介质渗流研究的文章‘‘对裂隙岩体渗透性的初步探讨”pj，此后又指导研究生杨立中教授对非均质各向异性裂隙含水介质研究方法进行了探讨，首次将渗透张量理论应用于山西榆次地区三迭系砂岩裂隙含水介质的分析研究[61，得到了理想的效果。此后，田开铭、杨立中等又就裂隙岩体渗透性进行了多方面的研究U-91。张有天系统研究了裂隙岩体渗流的特殊性，以裂隙水力特性的研究为基础，根据裂隙变形只能以其机械隙宽的压缩来表示，对以等效水力隙宽表示的立方定理进行修正建立了应力耦合理论及程序，同时，在国内外首次用初流量法实现三维裂隙网络有自由面渗流分析[10-13]。王恩志等通过对裂隙介质渗流模型的系统研究，提出了“似双重介质”渗流模型D4-16]．王洪涛将裂隙系统分为主干裂隙和网络状裂隙两类，为裂隙岩体渗流计算提供了有效的分析方法【17。叼。仵彦卿依据岩块中空隙结构和渗流特点的差异性，将岩体系统分成裂隙网络系统(忽略岩块中的渗流，仅在裂隙网络中发生渗流)、狭义双重介质(岩体可看作由非连续的裂隙网络和具各向同性的孔隙岩块组成)以及广义双重介质(岩体可看作由非连续的裂隙网络和具各向异性的等效裂隙岩块组成)，从而提出分析渗流场与应力场耦合的岩体裂隙网络系统模型、岩体双重介质模型和岩体广义双重介质模型【19-251。徐则民等进行了深埋隧道围岩渗透性的预测研究【2∞7】，此外，贺少辉、黄涛等学者也对裂隙介质渗流和应力耦合问题进行了专门研究，得出了有益的结论[28-29]。4 第一章绪论1．2．2数值分析方法岩体地下水数值模拟方面，自20世纪70年代开始，有限单元法和有限差分法被引入水文地质计算．∞年代起数值方法已被广泛用于计算模拟各类与裂隙介质地下水运动有关的问题，是岩体地下水资源评价、荷载分析、水质预测中非常行之有效的计算方法之一．数值法在模拟裂隙介质地下水离散模型、连续性模型、混合模型和耦合模型方面具有其它方法无法代替的优越性。数值方法在应用过程中也得到了不断发展，从最初的有限差分法、有限元法，发展到后来边界单元法、有限分析法等多种数值方法并存，每一种数值计算方法本身在解决具体问题过程中也不断的被发展和完善。20世纪80年代末，90年代初，有关水工建筑物附近岩体地下水运动问题得到了生产、设计、科研人员的广泛关注，其中朱伯芳(1982)、张有天(1982)国内最早采用数值法从事这方面的研究。起初研究的重点是排水孔在渗流场数值模拟中的处理方法。在水利枢纽工程岩体地下水运动计算中，朱伯芳提出了考虑排水孔作用的杂交元法，张有天则采用边界元法求解有摔水孔的渗流场。关锦荷等(1984)用捧水沟代替排水井列的有限单元法分析渗流场。这些方法尽管从不同角度考虑了排水孔在渗流场中的作用，但没有严格反映捧水孔尺寸大小及三维排水降压效应。目前裂隙介质地下水运动数值模拟方法，就方法本身的计算精度、处理复杂构造的精细程度而言，虽然仍存在着这样那样的不足，但可以说足以满足目前工程计算的精度要求。然而，很多实际工程计算结果不尽人意，甚至招致“数学游戏”的戏语，究其根源是在实际工程计算是构造了不全面、不正确的概念模型。地质体因地而异，千变万化，复杂之程度至少现今为止无法用数学语言全面描述。学术界和工程界对岩体地下水运动的研究存在难以逾越的鸿沟。一方面理论界对单个裂隙面几何形态、透水性采用各种数学方法、试验方法做精细研究，有关成果层出不穷的见诸期刊；另一方面实际工程裂隙介质地下水运动问题计算是，不考虑或不深入研究地质体构造特征、结构面发育规律、控水结构面特点、研究区域边界和边界条件，就直接套用某类模型模拟计算现象相当普遍。理论研究与实际应用如何衔接值得深思。1．2．3模型试验研究模型试验作为隧道工程研究的一项重要手段，对隧道工程的发展起着很大的推动作用弘0401。但从查找文献来看，对隧道渗流场的模型试验研究还处于起始阶5 北京交遁大学硕士论文段，文献量很少，速宝玉、詹美礼、赵坚(1994)14”对光滑裂隙水流模型进行了试验研究，试验结果表明，对于一般隙宽且流态属于层流时，立方定律是适用的．当裂隙宽度进入微裂隙是，尽管雷诺数很小，立方定律亦不适用，似呈非牛顿流体特性．速宝玉、詹美礼、郭笑娥(1997)f42】进行了交叉裂隙水流的模型试验研究，在大量交叉裂陈水流模登试验的基础上揭示了交叉流的基本规律，论述了局部水头损失的客观存在性。崔岩等(1997、2000)[o-441对浅埋地下结构外水压力这件系数试验研究表明对浅埋地下结构，如不采取导排水措施，外水压力是不能折减的。彭朝全、吴相超、肖本职(1997、2003)郴l对重庆捧污工程长江隧洞岩体渗透压力监测结果分析显示渗透压力变化主要受长江隧洞岩体渗透压力监测结果分析显示渗透压力变化主要受长江水位变化的影响，长江水位降低，渗透水压力降低，长江水位上涨，渗透水压力降低。同时，水位变化量与渗透水压力变化量比较一致．中铁西南科学研究院(2003)郴l采用模型试验研究了均匀围岩、在控制排水条件下隧道衬砌结构背后水压力折减系数。王秀英(2005)147]、皇甫明【48l对不同注浆参数条件时渗流场的分布进行了研究，得到衬砌水压力随注浆圈厚度、注浆圈渗透系数的变化规律，研究了不同排水量时衬砌背后水压力的变化规律。1．2．4现场监控量测现场监控量测是隧道工程旌工的三大支柱之一，其特点是以现场量测为手段的·种设计、旆工方法，这种方法的最大特点是在施工时一边进行各种量测，一边把量测得结果反馈到设计、施工中，从而最终确定支护参数，使设计、施工更符合现场实际。由于这种方法以现场实测为依据，可以获取控制围岩渗流场的宏观信息，因此可以最大限度的实现安全性和经济性的统一．但是，测量数据的分析和应用，仍依赖于人们的经验，而且量测信息的反馈和应用还存在着滞后问题，要使监测信息在实际工程中得到普及应用．还需要做大量的工作。1．3需要进一步研究的问题从以上论述可以看出，尽管国内外学者在岩体渗流方面做了大量研究工作，且取得了一系列的研究成果，但是对高水压岩溶隧道渗流场的分布问题，仍存在以下方面问题有待进一步的研究和探讨：(1)作为连续介质模型。限量排放条件下高水压隧道渗流场的分布规律。(2)对于高水压岩溶隧道而言，不良地质条件，溶洞、暗河、断层破碎带周6 第一章绪论边渗流场的分布规律。(3)流、固耦合场作用下隧道渗流场的分布。(4)注浆圈在“堵水限排”中所起作用的模型试验研究，树砌结构在应力场、渗流场联合作用下的受力耦合研究．1．4本文的研究思路及主要内容在深入分析已有文献的基础上，笔者分别通过理论解析、数值模拟、模型试验和现场量溯四种手段对隧道渗流场分布进行了研究．本文的重点主要是通过模型试验手段，充分模拟应力场和渗流场的耦合作用，研究围岩中渗流场的分布．其次对不良地质条件围岩中渗流场分布进行理论解析研究；并辅助以理论解析、数值模拟和现场测试手段进行了分析验证．在以上研究成果的基础上，对高水压岩溶隧道渗流场分布进行系统的研究，并加以工程应用。最后，有机组合论文的研究内容，以期解决高水压岩溶隧道设计与旌工中的一些问题。根据以上研究思路，本文研究的主要内容编排如下：第一章：介绍论文的选题依据，综述国内外在本领域的研究现状，指出尚需进一步解决的问题。第二章：建立不考虑围岩变形条件下高水压岩溶隧道渗流场分析的解析模型，对不良地质，如岩溶、暗河、断层等，围岩中渗流场的分布进行了研究。第三章：充分考虑应力场和渗流场之间的耦合作用，分析了围岩介质在耦合场作用下数学模型参数的变化，并提出了计算耦合稳定渗流场的计算方法。第四章：通过有限元和有限差分数值模拟，分别计算了稳定流场(不考虑耦合)和非稳定流场(考虑耦合)时隧道渗流场的分布。稳定流计算考虑了注浆圈参数对水压力的影响，同时通过调整排水量得到围岩水压力的变化规律；非稳定流中考虑双场耦合条件下支护结构施作时机不同对渗流场和结构受力特征的影响，并对双场叠加与双场耦合作用进行了对比。第五章：通过模型试验，研究了双场耦合条件下水压力分布规律和结构受力特征，分析了注浆圈的捧水减压作用，对有、无无纺布时隧道渗流场的分布规律进行了对比，并得到衬砌结构在耦合场作用下的变形特征。第六章：通过对齐岳山隧道现场水压和排水量的现场量测，分析了齐岳山隧道的水文地质情况。第七章：对本文的研究成果进行总结，并对本领域需要进一步解决的问题进行展望．7 北京交通大学颈士论文1．5本文的创新点(1)采用复变函数保角映射的方法，建立了均质、各项同性高水压岩溶圆形隧道周边地层稳定渗流场的计算模型，推导出了隧道洞周为等水头条件下，水压力的计算公式。(2)根据镜像法和叠加原理，推导出高水压岩溶隧道中不良地质围岩中水压力的分布。(3)通过稳定流的数值模拟，分析了不同注浆条件下，海底隧道渗流场的分布。得到了隧道涌水量随注浆圈厚度、注浆圈渗透系数的变化规律；得到了“限量排放”时衬砌背后水压力随排水量的变化规律。通过对耦合场非稳定流的分析，对双场叠加和双场耦合进行对比，得出对结构受力来说，双场耦合作用远比叠加作用要危险的结论。(4)应用国内首例可以同时施加土压力和水压力的模型试验台架，完成流、固耦合场中渗流场、应力场的测试。对目前学术界一些有争议的问题进行了试验验证，得出无纺布铺设的必要性和隧道的排水量有关的结论。(5)采用光纤光栅测试系统，对模型试验中的围岩应力、结构应变进行量测，充分解决了传统应变片在水下环境中工作不稳定的技术难题，此举在国内室内试验研究中尚属首例。8 第二章不考虑围岩变形条件下高水压岩溶隧道渗流场分布的解析解2不考虑围岩变形条件下高水压隧道渗流场分布的解析解2．1引言在进行高水压山岭隧道或海底隧道支护结构设计时，合理的确定衬砌上作用的水压力是结构设计的关键．目前，分析水下隧道地层渗流场，通常采用数值模拟或解析解的方法，数值模拟对于复杂边界条件有很大的优势；而解析解具有简洁方便、精度高及物理概念清晰等特点，Hart(1962)[491基于镜像法和叠加原理求得了隧道围岩孔隙水压力分布，Bouvard和Pioto(1969)[501假设隧道周围镜像流动，提出了渗流计算公式．此外，根据无限含水层中井的理论，王建宇mJ和王秀英【521推导出隧道中无内水压时地下水排放量和支护结构外水压力及注浆圈外水压的计算公式。需要指出的是，以上研究主要针对深埋高水压山岭隧道。而且对于复杂边界而言，要找到合理的镜像源汇比较复杂，通常只讨论平面边界和圆柱面边界。皇甫明【耱】通过复变函数保角映射对海底隧道渗流场进行研究，将隧道边界映射成矩形边界，然后在矩形范围内解Laplace方程，求得海底隧道渗流场分布规律。但是由于其研究中只能确定两个边界条件，因此在Laplace方程求解中，只保留了两个未知常数项，求解过程的简化影响了公式的精度。2．2渗流过程的划分及本章研究思路根据隧道开挖对地下水渗流场的影响，本节提出把渗流过程划分为两个阶段：第一阶段就是隧道开挖变形过程中，此时隧道围岩变形尚未稳定，渗流压力也会随之变化，称之为非稳定渗流阶段；第二阶段是隧道开挖后，围岩变形与渗流稳定，不再随时间变化，称之为稳定渗流阶段．在非稳定渗流阶段，隧道开挖造成围岩松动变形，应力场的改变必将改变渗流场水压力的变化，而渗流的不稳定性也会改变围岩应力的变化，因此这个阶段的分析要充分考虑流固耦合作用。在稳定渗流阶段，围岩变形和渗流已达到稳定，围岩应力和渗流参数都不再随时间而变化，可以不考虑流固耦合作用。这里指出，稳定渗流阶段不考虑耦合作用并不是说它们之间没有耦合作用，只是对稳定渗流阶段的渗流场分布来说，可以应用稳定流理论来分析．值得提出的是，在非稳定渗流分析中，应充分考虑围岩应力变化和围岩变形对渗流场的影响，将应力场的变化对渗流参数的影响考虑到渗流方程，即可求得耦合后的围岩渗流方程。9 北京交通大学硕士学位论文本章运用解析方法对离水压山岭隧道或海底隧道稳定流中的渗流场水压分布进行了研究。通过复变函数保角映射得到了隧道周边渗流场的分布规律；同时通过镜像法研究了特殊地质条件周围渗流场的水压分布规律。最后，对各向异性岩体也进行了研究，通过坐标系的变化，将各向异性围岩中的渗流参数用各向同性渗流场中的参数表示．2．3高水压隧道稳定流渗流场分析2．3．1各向同性均匀连续围岩介质中隧道渗流场的解析解根据高水压山岭隧道的特点，提出如下假设条件：a、隧道的排水不会影响到地下水位线的位置，即认为地下水位不变，设为飓；b、圆形断面隧道，围岩为均匀、各向同性介质：c、地下水不可压缩，且渗流符合稳定流规律；d、隧道洞周为等水头(或等水压)两。研究思路：a、梅z平面上较复杂的问题借助保角变换映射到f平面上，保证在f平面上映射区域的边界条件不变；b、考虑到f平面上映射区域的特点，应用抽水井的“圆岛模型”解出区域内水压力的分布规律；c、用反变换返回到z平面，将水压分布计算式表示成0，力的函数。(1)保角映射J×BAjr(轰1／■飘。6巡岁3图2．1隧道渗流场计算区域图2-2映射后的区域利用映射函数‘53】z=烈D=埘葛·毒10(2-1) 第二章不考虑匿岩变形务停下高承压岩溶隧道渗流场分布的解析解其中h为隧道中心距离地下水位线的深度，口为由_r的值决定的参数，三：三(2．2)h1+口。、7将z平面的区域R保角映射为f平面内的由圆纠=l和f爿=口(口<1)围成的环域，并将这个环域用，表示(如图2--2所示)．在f平面内易知，圆脚=l对应于J，=0，而圆目=口对应于圆，+o，+_jI)2m，2．Z平面的原点对应于ft--1，且z平面内的无限远点对应于f=I．在映射后的环形区域内，设液体的密度为常数，通过半径为r，长度为单位长度的圆形隧道的流量为Q=2万rIVl(2-3)这里v是径向的渗流速度，由于r．=-M=警(2-4)伊是势函数，则巧一杀(2-5)积分之，则得矢径为r处水头为日z一罢=篆In⋯(2-6)七2石．|}式中Q、a为未知，，=川，应由边界条件确定，其中a为常数。(2)边界条件a、地下水位线边界：I纠=l。即y=o：H=皿则得a=H2(2-7)b、洞周边界；l纠=盯，即，+(y+．11)2=舌：H=日由喝=羔In盯+皿，易知，隧道排水量为：ⅢQ：—2#—_i}_(H—2-一I-／I)(2-8)(3)公式求解当瞥I=p，(P=0了虿，且口‘口口‘(一+)+∥_iI。一’其中口：l+口2，6：1一口2，口：生二!垒：二二。(s)捧水渗流场与重力场叠加(求解压力水头)考虑到流体自身重力场的作用，隧道渗流场在重力作用下沿竖直方向呈线性分布，梯度为流体重度凡，假定水的密度为lxl03kg／m3，则将排水渗流场和重力场叠加。计算式变为：肌％一警2×h筹眷糌bh2a—y㈣乃4ln口口‘(一+∥)+。。一6jb，。、’(6)表示成流量的形式考虑到隧道的“以堵为主、限量排放”防排水原则，将(2-8)式代入(2-12)，可将渗流场表示成捧水量Q的函数为：肌马+罴h纂嚣粉一y㈣此时。只需确定洞周水头或洞周排水量就可确定隧道周围渗流场的水压分布。2．3．2特殊地质条件围岩中渗流场解析解一镜像法镜像法(欧射法)实质上是叠加原理的一种特殊应用，在地下水渗流研究中，具有独特的优势。本节运用镜像法研究不良地质围岩中渗流场的分布，分别将隔水层、断层和溶洞作为特殊边界处理，从理论上解决了一些工程实际中比较棘手的问题。(1)水井的映射理论和叠加原理根据“圆岛模型”，无界含水层中的井流势函数一般表达式为‘5"习：m：曼lnr+c(2．14)扔、’式中m一渗流场势函数；Q—抽水井流量；r一到并心的距离；如图2-3(a)所示，一承压含水层内设置了两口井，两井相距2d，工，Y，z坐标设置如图中所示，Y轴左侧为一抽水井，右侧为一注水井，抽、注水强度相等，均为Q，而图2-3(b)所示的则是y轴左、右两侧均为抽水井，抽水强度两井相等。在两对井的平面图上，虚线代表等势线，实线代表流线，由于两对井的抽水12 第二章不考虑围岩变形条件下商水压岩溶麓道渗流场分布的解析解或注水强度相同，因此，两对井的等压线和流线分布在平面上都是对称于Y轴的．引用水井的势函数原理，设含水层中存在一抽水井、一注水井两井时的单值势函数为o，如图2．3中(·)所示．由叠加原理，西是两个单井势函数中。、o：叠加而成，即m=ml+①2(2—15)设中，是左侧抽水井(以w，表之)在一无界含水层中某一点A的势函数，根据(2．14)式有q；里Lln，i+q(2．16)2‘Jr‘1’式中，QI为左侧抽水井流量；l"I为A点至左侧井距离．设02是右侧注水井(以WR表之)在一无界含水层中A点的势函数，根据(2-14)式有02：．粤ln，2+c2(2-17)‘2万‘式中，幺为右侧抽水井流量；，2为A点至右侧井距离。(b)图2．3井的映射方法将哦、母：代入(2．15)式有Of黑lnrt-立ln吃+(cl+c2)(2-18)22石7r‘、‘“由于抽、注水量相等，即QI=Q2=Q则(2．18)式可改写为o：旦Ia至+C(2q9)2：rr2见图2-3(a)的平面图，当把A点移至Y轴上时，由于Y轴是两井的对称轴，故有rt=r2，代入(4)式后则有o=C(2-20)这表明Y轴是一条等势线，或者说Y轴可被看作一条水头处处相等的供水边13 北京交运大学磺士学位论文界(如河道)．因此。当一口抽水井位于一条供水边界的一侧时，该有界井流的势，可置换成在供水边界另一侧对称位置上布置一口性质相反、强度相等的井(注水并)，这时，供水边界取消，这一抽水井、注水井分别位于无界含水层中的势的叠加。对于图2-30)．两口井同时为等强度的抽水井，可以写成某一点A的势函数为cD=盟ln，i+堕ln，2+(ct+G)(2-21)21t127t‘、‘‘7当把A点移至Y轴上时，由于y轴是两井的对称轴，故有‘=r2tr，则(5)可改写为西；鱼lnr+C(2．21)注：式中的变量，’是沿Y轴上计算点至两井心的等值距离。(2)隧道下卧层隔水当隧道位于隔水层上时，可将下边界作为定流量边界处理，可通过镜像法求解，如图2．4所示。设隧道距隔水边界距离为d，排水量为Q，根据映射方法，以隔水边界为x轴，在对称于隧道的位置上，布置一排水量相等的虚拟隧道，这样，一半无界含水层中隧道被置换成一无界含水层中的两个隧道来处理。设上半平面上一计算点A，距实隧道距离以，距虚隧道距离圪。根据叠加原理，A点的势函数可表示为^电图2-4隧道下卧层隔水m：Qln^一+c27r‘‘其中‘=√≯+o’一矗)2，吃=√∥+(y+矗)2，c为待定常数。对承压含水层，势函数①的表达式为：西=／at#+e对潜水含水层，势函数①的表达式为：西=去彬2+G二式中妒为全水头，且≯=旦+_)，；e与e为任意常数，为方便计算，Pg由式(2-22)、(2-23)和(2—24)，即可求得隧道渗流场的水头分布；14(2—22)(2-23)(2—24)常取值为零。 第二章不考虑围岩变形条件下高永压岩溶隧道渗藏场分布的解析解扣孝掣罢ln历叼+c)㈣=击{罟k{[，m∽2][，+()，卅2]}+c}一妒=詈=-【1铲Q肜石万矿石丽+c)：。．fi≯+(y—d)2]『，+(．，，+d)2]}．九。‘2-25’4／r''"面R2I’”式中九为影响区域边界处的全水头值。日：≯垆旦ln嶝竺二煎!二翌二卿。碗一y(2．26)47。≈'kMR2R⋯、7妒2俘2喙In历而研柑)-岱研={篆ln{[，+0，棚2][矿+【y硼2])+唬}j日千y={罴ln{[，+◇埘2][，+o，∽2]}+死}2一j，(2—26)(3)隧道侧面有断层带，且断层有恒定水源当隧道断层破碎带附近，且断层破碎带具有恒定补水源时，可将断层定义为15 北京交通大学硬士学位论文供水边界，作为定水头边界处理，注意此时水头为全水头，而不是压力水头．如图2-5所示，一半无界含水层中的隧道，隧道中心距供水边界(断层)距离为d，排水量为Q，供水边界上全水头为九，坐标系选择如图所示．根据映射方法，以断层为Y轴，在对称于隧道的位置上，布置一摔水量相等的虚拟隧道，这样，一半无界含水层中隧道被置换成一无界含水层中的两个隧道来处理。设左半平面上一计算点A，距实隧道距离rl，距虚隧道距离r2．根据叠加原理，A点的势函数可表示为图2-5隧道侧面有断层m；旦ln蔓+瓯2万呸’其中，i=√o+d)2+y2，r2=√(x—d)2+J，2。a、承压含水层：全水头分布规律为≯：皇：上f旦ln蔓+哦1：卫ln筚丝堡斗7kMkML2万吒”J27rkM√(工一d)2+J，2压力水头的分布计算公式肚幻=南h错押b、潜水含水层：全水头分布规律为≯=痒=[黑h摇黟寸压力水头的分布计算公式H=妒一y=[罴h蹄办】2一，(4)隧道附近存存溶洞源．日溶洞A有恒补水定补水源当隧道附近存在溶洞，且溶洞有恒定源时，可将溶洞作为点源，进行处理。如图2-6所示，一半无界含水层中的16(2-27)九(2—25)(2-26)(2—27)(2-26) 第二章不考虑匿岩变形条件下高水压岩溶隧道渗流场分布的解析解隧通，兵石侧存在一但足刁(源(浴硐)，隧道甲心距水源(研层)甲心距禹为d，lti道排水量为Ql，溶洞恒定补水量为Q2，坐标系选择如图所示。设左半平面上一计算点A。距实隧道距离rl，距溶洞距离您．根据叠加原理，A点的势函数可表示为o=昙ln吒一垒2n"In吃+吼(2-24)2n"2万‘”其中，i=扣+尹d2+y2，吒=(x-7d2+J，2·a、承压含水层：全水头分布规律为妒=告=啬h卜争y2]_盎h卜矿d-2y2]+磊㈤压力水头的分布计算公式日=妒一y=石璺ih[D+7d．2+y2]一石曼ih[“一7d2+J，2]+九一y(2-26)b、潜水含水层：全水头分布规律为≯=痒=慨k卜争斗铲Q2[@一7d-2t斗2死)．㈣压力水头的分布计算公式州妒慑h[o+一d2t计2篆h卜7d-2ty2¨i—y㈤2．3．3各向异性围岩中隧道渗流场{j：}=-{芝芝差f·仨；蚕∞回对于普通土层来讲，K为一对称矩阵，j0=墨。，—。=足，，K。=置。．因17 北京交通大学硕士学位论文颤4一(置，一x)4+式二4=o}(2-27)l如b—A如l=0(2-28)K0=∑∑口r，口门局，=1，23j’----1，2，3(2-29)式中at,Iars分别为新旧坐标系对应坐标轴的夹角余弦。刖强搬萤㈣∞昙(尺。嚣)+昙(巧．，．爹]+昙(如．詈]=。Q引，Ev窘懈∥矿020+岛窘．o(2-32)令，’=r，Y”=y’(qv／置办．)2，一’=2’(Kw／K；y)2，则可得拉普拉斯方程为祟Ox+害Oy+磐Oz=o(2-3，)”zI．zt口、’18 第二章不考虑圈岩变形条件下高东压岩溶陵遴渗流场分布的解析解2．4解析解的对比验证2．4．1与数值解的对比基于复变函数方法、竖井抽水的圆岛模型和叠加原理，本章2．3节推导了隧道周边地层渗流场水压的分布关系式，它适用于均质、各项同性的潜水层。为确保解析解的正确性，本节通过数值方法，应用有限差分计算软件FLACm，对其进行验证分析。该软件适用于模拟各项地质材料和岩土工程的力学行为，同时可以分方便的模拟地下水在多孔孔隙介质中的流动及流固耦合作用，其基本假定为渗流运动服从各向同性或各向异性条件的Darcy定律，且流体和固体介质均被看作是可变形体。图2-7数值模拟计算模型计算中，假设高水压岩溶隧道的工程条件为：埋深h=105m，隧道开挖半径rffi5m，岩体的渗透系数k=10-6m／s，地下水位线位于地面下5m处．考虑到计算模型的网格划分和计算精度，模型自隧道中心向上只取了50m，作为上部边界，计算模型如图2-7所示。对于本文所得解析解，运用计算软件MATLAB7．1绘制水压等值线图，对FLAC3D计算所得数值解，采用Tecplot软件将等值线绘出，以便于对比。分别计算了洞周水头减小2／3和1／2时的渗流场分布，计算结果如图2．8、图2．9所示。图2-8洞周水头为35m时解析解与数值解的对比19 北京交通大学硬士学位论文图2．9洞周水头为50m时解析解与数值解的对比注：图中左侧是本文解析解的计算结果，单位为m；右侧为FLAC3D计算结果，单位为pa．从图2-8、图2-9可以看出，本文的解析解计算结果和数值解的计算结果完全吻合。但数值计算的结果与渗流计算时间有关。2．4．2与Hart解的对比为验证对比本文解析解的正确性和适用性，本节将本文解析解与经典Hart解析解进行对比验证。Hart(1962)基于镜像法原理求缛了适用与深埋高水头隧道的渗流场分布计算公式为：P=九(JjI—roasO)一凡Q-re∞s们式中：％为隧洞半径，h为隧道中心距地下水位线垂直距离，r为从隧洞中心到计算点的距离。口为从隧道与虚拟隧道中心连线顺时针算起的角度。如图2．10所示。为比较方便。不防取水深(地面与地下水位线的距离)k=O，其余计算条传同2．4。1-数值计算值。鉴于Hart解在进行高水压深埋隧道渗流场的计算中具有很高的精度，本文只针对高水压深埋隧道进行了对比分析，对比结果如图2．1l～2．13所示。(2-34)苌酝。搂o||’翘图2-10Harr解镜像法图解 第二章不考虑围岩变形条件下高水压岩溶隧道渗漉场分布的解析解t越●V诺*t鬈；*图2．II本文解祈解与Ila盯解的对比IlI}I‘Ii，∥r～～：■／’¨j＼}／i．。，卜—叶、。￥l}一Z41★Hm-r解＼：、：jI。Z以+本文解析解一弋■、}；彳7』‘筹|／l∥^获>／。。一∑一j；／～；，I{＼控I‘●＆；m，图2—12本文解析解与Hm解的对比(AB线)}Il二：I：卜‘■H一’：：I卜：：：j：≯帝—f丝二：：嘉p：孝暑it======连I-+-，毅叠解一一—。一／I二盖⋯：}_}⋯}寸一沁，I—。一，位●《●位{m)图2．13本文解析解与Hm解的对比(cD线) 北京交通大学硕士学位论文★Hart解+本文解析解一一一一+一一一一一一■一⋯一*一一一一一■一一一一1—4一一一一1一一’一一一r一一一一二一一一J一⋯．一一⋯一J一⋯一4一一一一一位t‘lL位：_'图2-13本文解析解与Hart解的对比(EF线)经过对比可知，本文解析解在计算高水压深埋隧道时，计算结果与Hart解吻合得很好，而众所周知，Harr解在计算高水压深埋隧道时具有很高的精度，这也证明了本文解的正确性。对于特殊地质条件嗣岩中渗流场的分布规律，考虑到边界条件的复杂性，本节未进行数值模拟验算。但在第四章中，运用流固耦合程序，对三种不良地质条件围岩中的渗流场分布进行了数值模拟，得到了不良地质条件围岩中的渗流场分布规律。2．5本章小结本章对于不考虑围岩变形的隧道渗流场进行了理论研究，得到了具有不良特殊地质条件的围岩中和均匀连续围岩中的渗流场分布计算公式。主要成果总结如下：(1)基于复变函数理论，将排水井的“圆岛模型”应用于隧道渗流场的求解，系统地推导了均匀连续围岩中的隧道渗流场分布公式；(2)基于映射理论和叠如原理，分拆了不良地质条件，如溶洞、暗河和断层周围围岩中的渗流场分布公式，对高水压岩溶地区山岭隧道的设计与施工提供理论了基础：(3)通过对渗透系数矩阵的理论推导，经过坐标系的转换，将各向异性岩体的渗透系数转换为各向同性岩体的渗流方程；(4)以数值分析为手段，并与经典解析解对比，对解析解进行了对比验证，结果表明，本文的解析解与数值解得计算结果基本吻合，与经典解析解在其适用条件下的解完全吻合。证明了解析解的正确性。 第三章考虑田岩变形条件下陵邋渗流场分布的理论研究3考虑围岩变形条件下高水压隧道渗流场分布的理论研究3．1引言研究围岩变形条件下隧道渗流场的分布规律，就必须深入了解水作用下围岩力学特性。经典隧道弹塑性解都是在不考虑渗流场影响情况下得到的[56-59l，张有天等采用数值方法分析计算渗流场与应力场耦合作用下隧洞周围应力位移场[59-601，任青文等(2001)161l对隧洞运行期高内水压时塑性半径计算问题进行了探讨，修正了芬纳公式。A．Bobet(2003)【“l通过解析法研究了水作用下围岩处于弹性状态时的应力．荣传新等(2004)即J利用损伤力学理论研究了地下水渗流对巷道围岩稳定性的影响，并基于此分析了煤矿突水原因，李宗利等(2004)畔】得出了考虑渗流场影响时深埋圆形隧洞的弹塑性解，但二者均没有考虑损伤区或塑性区岩体渗透特性的变化。王秀英(2005)[471得到了围岩处于弹塑性状态下的有效应力和位移，皇甫明(2005)【船】基于应力函数法得到了考虑渗流情况下浅埋隧道浅埋隧道开挖后周边地层应力和位移的解析解，可以同时考虑地层污水和地层含水两种情况．但以上研究仅对于渗流力对围岩应力的影响进行了解析研究，对于应力场的变化对渗流场的研究还尚需进一步的研究。本章在吸收前人研究成果的基础上，进一步深入研究渗流应力联合作用下隧道周边渗流场的分布规律。3．2应力场和渗流场的相互作用机理隧道裂隙岩体在其生成及地质历史发展过程中，均处于一定的应力环境中，即具有特定的应力场分布；另一方面，由于储存并运移于其中的地下水的存在，又使得裂隙岩体存在于一定的地下水渗流场环境中。对隧道裂隙岩体中所存在的渗流场和应力场之间的相互影响称为耦合作用，其主要表现在以下两方面：①当裂隙岩体中有渗流发生(即存在渗流场)时，地下水渗流在裂隙岩体中引起的渗流作用力(包括静水压力和动水压力)将改变岩体中原始存在的应力状态(即裂隙岩体赋存地应力场环境)；②裂隙岩体中应力状态的改变，又将引起岩体结构的变化，进而改变裂隙岩体的渗透性能，使裂隙岩体中地下水渗流场随之变化。以上两方面的相互作用是通过裂隙岩体的渗透性能及其改变而联系起来的，当有渗流发生时。这两种作用将通过反复耦合而达到动态稳定状态。 北豪交通大学硬士掌位论文3．2．1隧道裂隙岩体中渗流场对应力场的影响隧道裂隙岩体中渗流场变化、地下水作用(包括化学潜蚀作用、物理弱化作用和力学作用)会引起应力场环境发生相应变迁，导致岩体发生渗透变形。这种变形过程具有一定的时效性，表现在[651：①地下水对裂隙结构面的物理化学作用，可逐渐地减弱裂隙岩体的物理力学性质；②地下水通过力学作用，对裂隙岩体中的结构面产生扩展作用。(1)化学潜蚀作用地下水的化学潜蚀作用对应力场环境的影响主要表现在裂隙岩体结构面的扩展过程中。试验研究表明，裂隙岩体中渗流场变化引起裂隙结构面扩展的化学潜蚀作用，反映在地下水含有对裂隙岩体产生化学侵蚀作用的成分．其中，地下水对裂隙结构面软弱充填物中的石英颗粒具有溶蚀作用，对铁质具有氧化作用；对碳酸盐岩质的裂隙岩体，地下水具有典型的化学侵蚀作用，其化学反应式为CaC03+C02+I-120=-Ca(I-IC03h就地下水对碳酸盐岩质裂隙岩体的化学侵蚀作用而言，作用的程度取决于地下水与碳酸盐岩质裂隙岩体的接触表面积。而接触表面积的增大可通过两种方式获得：一种方式是地下水渗流速度的提高，加速了地下水的运动，对裂隙结构面网络中充填物的冲刷能力得以增强，同时与碳酸盐岩质裂隙岩体接触反应的地下水浓度得以稀释。这样一则增大了地下水与碳酸盐岩质裂隙岩体的接触表面积，二则提高了地下水与碳酸盐的反应速度，从而可增强地下水对碳酸盐岩质裂隙岩体的化学侵蚀作用程度；另一种方式是增大裂隙结构面的粗糙度，籍此扩大地下水域碳酸盐岩质裂隙岩体的接触表面积，增强地下水渗流过程对碳酸盐之裂隙岩体的化学侵蚀作用程度。从以上两种方式可以看出，前者的地下水渗流速度改变依赖于地下水渗流场，同时在增强地下水对碳酸盐岩质裂隙岩体化学侵蚀作用程度中占据着重要地位，从而碳酸盐岩质裂隙岩体中地下水渗流场的改变对地下水的化学侵蚀作用有重要的意义，其构成了裂隙岩体中应力场发生改变的物理基础。(2)物理弱化效应裂隙岩体中地下水的物理弱化效应表现在裂隙结构面的扩展过程中。大量的试验研究表明，裂隙岩体中渗流场变化引起裂隙结构面扩展的物理弱化效应，反映在地下水物理作用致使裂隙结构面及充填物随含水量国增加，其物理性状不断改变，发生由固态向塑态直至向液态转化的弱化效应，导致其力学性能蜕变，影响裂隙岩体的力学作用过程，进而改变应力场环境。由此可知，地下水物理弱化效应对裂隙岩体应力场环境的影响作用通过两种方式进行：①通过使裂隙结构面及充填物含水量∞的正向变化，引起裂隙结构面扩展以致 第三章考虑围岩变形条件下隧道渗漉场分布的理论研究改变裂隙岩体的应力场环境；②通过使裂隙及构面及充填物含水量国的正向变化。改变其物理性状，发生由固态向塑态直至向液态转化的弱化效应，以致裂隙结构面的力学性能蜕变，改变裂隙岩体的应力场环境。这两种影响作用方式都是通过改变裂隙结构面及充填物的含水量国进行．试验研究表面，不同成分和组构特征的裂隙结构面和充填物具有不同的吸水(含水)效应。表现在：①成因相同而组构不同的裂隙结构面和充填物，因物质成分和颗粒组成各异致使其吸水性能强弱不一，并且与粘土矿物的成份和含量密切相关．其中粘士含量同含水量成正比变化，而粘土成分不同则其含水性能各异，尤以蒙脱石吸水性能最强，高岭石、伊利石和绿泥石等粘土矿物吸水性能相对次之；②以碎屑和泥质(含粘粒)充填为主、具有不同成因类型和组构且总体较薄的充填物有着不同的吸水效应，其中层间错动型吸水性能强、风化碎屑型吸水性能相对较弱；③对含大量泥质成分(包括粘土成份)且具不同成因类型的裂隙结构面，在地下水作用下大多发生以泥化为主要特征的物理弱化效应；④具不同地质力学成因类型的裂隙结构面会表现出不同的水理特性(包括吸水性和到水性)．表3-1随着裂隙结构面及充填物含水量的变化，其物理性状发生同向的变化，即含水量增加时，其液化效应显著加强：而同时期力学性状发生变化，即含水量增加时，其液化效应显著加强；而同时期力学性状发生反向变化。即含水量与裂隙结构面力学强度成反比相关，表现在两个方面；①含水量增加导致力学性能蜕变和弱化(包括抗压、抗减强度的弱化)；②含水量的变化显著影响着裂隙结构面的力学作用过程，即随着含水量的增加，裂隙结构面的力学变形过程整体上发生由弹性向塑性的转化。(3)水的力学作用地下水渗透力作为机械力，对裂隙岩体应力场环境的影响作用通过裂隙结构面的扩展过程得以实现，其形式表现为静水压力和动水压力两种。静水压力是地下水在裂隙结构面上所作用的法向应力。它是一种表面力，是空间位置和时间的标量函数。静水压力作为内水压力，力学作用表现为两类：①使裂隙结构面发生拉一张型扩展作用，增大裂隙结构面的隙宽(张开度)；②使裂隙结构面发 ：ll；lt交通大学硬士学位论文生剪切型延展作用，增大裂隙结构面的延伸长度。对前者，J．C耶格认为，当地下水井水压力A等于或超过裂隙结构面的有效法向应力吒和抗拉强度足之和时，裂隙结构面便发生拉一张型扩展作用。在裂隙结构面充水软化的场合，因地下水软化作用消弱了裂隙结构面的有效法向应力瓯和裂隙结构面的抗拉强度R，增加了裂隙结构面发生拉一张型扩展作用的可能性。对后者，M．k哈巴特给出了剪切扩展作用的依据，他认为，一方面地下水的软化作用消弱了裂隙结构面的C、9值；另一方面地下水的静水压力ps相对降低了法向应力吒的有效性，这两方面的综合作用，提高了地下水静水压力引起岩体沿裂隙结构面发生剪切型延展作用的可能性．动水压力是指在地下水水头差的作用下，地下水为克服其沿裂隙结构砸运动时的阻力而产生的对结构面壁及充填物质的作用力．它是一种体积力，作用方向和地下水流动方向一致，是空间位置和时间的矢量函数。动水压力对裂隙岩体应力场环境的影响通过致使岩体中裂隙结构面扩展的作用得以体现，表现在三个方面：①在动水压力作用下，裂隙结构面及充填物在渗透方向上发生变形和位移，尤其易于发生剪切变形和位移；②沿裂隙结构面发生的变形和位移，致使裂隙结构面再扩展，并不断增加其空隙度、透水性和渗透速度；③当渗透速度增加到某些细小颗粒的潜蚀临界速度时，那些在渗透水流作用下已达到流动极限的细小颗粒，便开始以机构管涌方式被携带出去。其中，裂隙结构面及充填物在动水压力作用下发生的渗透方向变形和位移是裂隙结构面扩展作用的基础。3．2．2隧道裂隙岩体中应力场对渗流场的影响储存并运移于隧道裂隙岩体的连通裂隙结构面网络中的地下水，将在其渗流范围内形成水头分布，构成隧道裂隙岩体中地下水的渗流场。这反映了隧道裂隙岩体中地下水的渗流状态，也揭示了裂隙岩体的渗透性能。隧道裂隙岩体的渗透性能由两个重要的渗流参数——渗透系数万和给水度u(储承系数D表示，计算表达式为(3·1)(3·2)七——裂隙岩体系统的渗透率或内在渗透率，主要取决于裂隙岩体系统本身；p——地下水密度；g——重力加速度；v——地下水的运动粘滞系数。与此同时，隧道裂隙岩体也处于一定的天然应力状态(即初始应力场)中，隧道芦+协培一，Ⅲ=PK|JM以=、-，p∥中式 第三章考虑圉岩变形条件下隧道渗瀛场分布的理论研究未施工前，初始应力场与运移于其中的地下水渗流场处于相对静止的动态平衡中，即认为双场之间的耦合作用属于历史事件；在隧道的开挖过程中，人为的工程活动破坏了岩体的初始应力场，进而产生感生应力场以维持裂隙岩体的力学平衡系统。隧道裂隙岩体应力场环境的改变，导致了应力场与地下水渗流场之间相互作用动态平衡系统的破坏．为了恢复这一作用体系的动态平衡，双场之问必须再进过一定的耦合作用过程而实现．从应力场改变对地下水渗流场的影响作用机制来说，应力场主要是改变了裂隙结构面的隙宽，进而影响裂隙岩体的渗透性能，可从地下水渗流场的变化得以反应。因而渗流场的影响作用表现为对裂隙岩体渗透性能的改变，可由渗透系数K和给水度鼻(储水系数s)表示。3．3双场耦合作用下围岩应力场的分布帆嘲3．3．1囤岩中的孔隙水压力分布规律隧道开挖后，如果开挖后应力达到或超过围岩的屈服条件，则一部分围岩处于塑性状态，圆形隧道在对称应力作用下围岩中塑性区必定是一圆形，设隧道开挖半径为ro，塑性区半径为rd，远场半径为R；对于深埋隧道，忽略洞壁孔隙水压力的变化，设隧道洞壁、塑性半径处以及弹性区外的孔隙水压力分别为Uo、tld、u，，则孔隙水压力在塑性区和弹性区的分布规律为：塑性区％<，<，：，：舻”(Ud--Uo)踹(3-3)弹性区ra>ro处的径向应力crr·3．3．3塑性区的有效应力‘=印唧’+刍吲一吉+己略=孝印纠(P．+刍一己卜南+蛾其中，％=篇，手=高肛寺‘丽IId—I,10如果考虑塑性区岩体参数的变化，则应采用变化后的围岩力学参数c，，痧。3．3．4塑性区半径的确定(3—7)(3罐)塑性区半径可以通过弹塑性区有效径向应力的连续来确定。塑性区半径，=f为：，：，，坚二竺二型：==：竺!二兰!二坚二!二二K．工(u,-uA：==：竺塑竺!l古白确{-————————7ii万j■——————一r。(3—9)舯鼻=酱，如=普·3．4考虑应力变化的渗流场分布裂隙岩体分为完整结构、块状或层状结构、碎裂状结构及散体状结构四类。其中完整块体结构类属连续介质，块状或层状结构及碎裂状结构类属不连续介质，散体状结构类属似连续介质。对类属连续介质的完整块体状结构裂隙岩体和类属似连续介质的散体状结构裂隙岩体可采用等效连续介质模型建立地下水渗流数学模型；对类属不连续介质的块状或层状结构及破碎状结构裂隙岩体则采用离散裂隙网络统计模型或双重介质模型解决． 第三章考虑置者变形条件下隧道渗瘫场分布的理论研究3．4．1数学模型等效连续介质模型是把研究对象一裂隙岩体等效视为无同隙的连续物体，其间的地下水充填整个裂隙岩体介质．等效连续介质模型的假定大大简化了离散化裂隙岩体水力学性质研究的难度，它可以直接利用成熟的连续介质处理方法，宏观地处理裂隙岩体中的水力学问题(即地下水渗流问题)．根据达西定律和质量守恒定律，对等效连续介质中地下水渗流问题，水流连续性方程为去B警]+参(巧等]-I-旦Ozkk塑&)1=以署ts㈣式中阡—地下水水头5疋、蜀、聊别为裂隙介质渗透系数在x、Y、z轴方向上的分量；雎一裂隙岩体介质比弹性储水系数。上式即为等效连续介质模型中地下水渗流方程，根据含水层类型的不同，地下水渗流方程的具体形式分别为：对潜水含水层(即含水介质中地下水具有自由水面)，有晏(髟^警)+号k^等)+妄(疋矗警)+Q=肛詈。小，式中：h——潜水含水层中水层厚度5从——潜水含水层的给水度。对承压含水层(即含水介质中地下水不具有自由水面)，有去(K∥警]4-导(墨∥等)4-鲁B膨警)+Q=soas-s(3-1动式中：卜承压含水层中水层厚度；卜承压含水层的储水系数。地下水渗流方程反映了等效连续介质中地下水运动的普遍规律，对于具体的裂隙岩体系统，应结合边界条件和初始条件建立裂隙岩体中地下水渗流数学模型，并用数学方法求解，以达到对裂隙岩体水力学特性的定量化研究。深埋隧道含水裂隙岩体的含水层大多为微具承压性的潜水，且具第一类已知水头边界r．、第二类已知流量边界r2及自由水面边界r，，存在源(汇)项Q，地下水渗流数学模型为 北京交通大学硬士学位论文昙(K∥“力罢)+号(最∥“y，等)+昙(盖∥似力罢)+Q=s詈t‰似只z，∈Q日如y,z，to)=风“弘力“Y，力∈o日化儿乙f)=蜀“y，z，f)f≥毛，k)，，力∈rlK，肼“力co“一，x，lo。H，+巧M(‘y)cos(n，力罢+疋膨(毛力cos(n，z)罢：ot>to，o，儿z)ELMb，ntzt2to，tk乳订Er3(3·13)式中：Q——地下水渗流区域；峨(毛Y，力——初始fo时刻地下水头值5墨O，)，，毛O——第一类已知水头边界rl上的水头值；，r一第二类已知流量边界r，的外法向矢量。对数学模型的求解，可采用数值计算方法(有限单元法、有限差分法、边界单元法等)，尤以有限单元法最为常用。根据计算结果，可对隧道裂隙岩体中的地下水渗流场进行定量分析研究。3．4．2耦合稳定渗流方程渗透系数研究对耦合稳定阶段渗流方程，有塑：o西(3—14)渗流方程变为昙(即，罢)+号(巧肘詈]+丢(置膨警)_。。，彤，此时应力场对渗流场的影响作用仅通过改变围岩渗透系数K来实现。因此只需研究K随应力变化的变化规律就可得到耦合稳定渗流阶段的渗流场分布。一般情况下，隧道穿越含水裂隙岩体时，由于隧道周身的排水廊道作用，使得隧道洞身两侧各形成一逐渐扩展的降深曲线，当裂隙围岩体用水量达到稳定时，对应的降深曲线也基本上停止扩展，其边缘的水头值几乎等于初始水头上而(x，y)，此外边缘界线便构成了隧道裂隙岩体中地下水渗流场数学模型的第一类已知边界r．．因此，对双场耦合作用下最终达到稳定的渗流场分布状态，可以进行解析研究，而这也是隧道运营阶段研究人员所关心的问题。此时，围岩二维渗流场的渗流方程变为 第三章考虑围岩变形条件下隧道渗藏场分布的理论研究昙(置罢)+导【毛等]=。(3-1回由于应力场的变化，导致裂隙岩体中的裂隙宽度产生变化，与不考虑耦合作用的渗流方程相比，只是其中的围岩渗透系数茁产生了交化．下面讨论渗透系数在藕合场作用下达到稳定时的处于一定的应力环境中，由于受正应力或剪应力的作用，岩体中的裂隙结构面发生相应的变形，改变结构面隙宽，从而影响地下水的渗流运动。到目前为止，对变形条件下单个裂隙结构面中地下水渗流规律的研究，主要以裂隙结构面渗透系数厨与正应力盯之间的关系为出发点；同时以法向应力作用下单条裂朦结构面中单宽流量g与法向应力口的关系为出发点，分析窖与裂隙结构面隙宽b及闭合量△6之间的关系，从而完成对单条裂隙结构面变形条件下地下水渗流规律的研究．3．4．2．1正应力作用下单裂隙结构面渗透系数研究l嘲正应力作用下单裂除结构面中渗流规律的研究，始于20世纪60年代后期，提出了一系列裂隙结构面渗透系数厨随正应力变化的经验公式。Snow(1968)通过试验得到了一组平行裂隙结构面在正应力作用下厨的值经验表达式巧=髟+器(3．17)式中：置：——当盯=cr0时的裂隙结构面渗透系数；毛——裂隙结构面法向刚度；争——裂隙结构面隙宽；Louis(1974)在一坝址钻孔抽水试验资料分析整理基础上，提出了裂隙结构面渗透系数厨与正应力矿之间的关系式巧=碍exp[-a'((7-p)](3-18)式中：口——待定系数；or—P——有效正应力；P——裂隙结构面壁上渗透水压力。实际应用中，常根据实验数据厨一盯之关系，对上式两边取对数，即In茁，=InK；--t：E((7--力(3-19)由此看出，In置，与有效正应力p—p)呈直线关系，其中口为直线斜率；InK；为直线截距。(1)水平单裂隙结构面受正应力作用单条水平裂隙结构面受二向应力作用时，结构面上的正应力31 北京交通大学硕士学位抡文∥=魄+o'3)／2单裂隙结构面渗透系数为巧=x；∞中[川((q+玛)，2一p)]图3-1单裂隙岩体受正应力作用示意图(3-20)(3-21)(2)水平斜交裂隙结构面受正应力作用单条斜交裂隙结构面受单向应力和渗透水压力作用时，结构面上的正应力为or=啦·C052p(3—22)式中：∥——裂隙结构面法线方向与q方向的夹角。单条斜交裂隙结构面受二向应力和渗透水压力作用时，结构面上的正应力为仃=q·cos2∥+乃·sin2∥(3-23)单裂隙结构面渗透系数为巧=衅expI叫(q·cos2p+cr3·sin2p-p)I(3-24)3．4．2．2剪应力作用下单裂隙结构面渗透系数研究剪应力作用下单裂隙结构面渗流规律的研究，目前处于理论探讨阶段，剪应力一方面使结构面形状发生变化，减小了结构面粗糙度；另一方面在裂隙结构面上产生压力或张拉力，改变裂隙结构面展开度(隙宽)。囫}Tl励T图3-2单裂隙岩体受纯剪应力作用示意图 第三章考虑围岩变形条件下隧道渗流场分布的理论研究(1)水平单裂隙结构面受纯剪应力作用水平单裂隙结构面受纯剪应力作用时，纯剪应力在裂隙岩体上派生出最大主应力q和最小主应力‘q。ft玛=--,g(3-25)此时水平裂隙结构面法线方向与正的夹角∥=45，结构面上的正应力为∥=q·COS2p+,73·sin2∥=0(3-26)可以得到，水平裂隙结构面受纯剪应力作用时，结构面上作用的正应力为零，剪应力为f．剪应力f的作用一是使裂隙结构面粗糙度减小，二是使裂隙结构面变疏松，增强渗透性，因而有剪应力与单裂隙结构面渗透系数的正比关系。(2)斜交单裂隙结构面受纯剪应力作用水平单裂隙结构面受纯剪应力作用时，纯剪应力在裂隙岩体上派生出最大主应力q和最小主应力吼q=f，吒=叶(3-27)此时水平裂踉结构面法线方向与q的夹角声≠45，结构面上的正应力为o=ot·C06zO+dl·sinlO=t·cos2／t'Q-28)单裂隙结构面渗透系数为巧=衅唧[川(f·cos2,B-p)](3-29)3．4．2．3正应力和剪应力共同作用下单裂隙结构面渗透系数研究一墨迁～～／一——／一誓縻丢，q囫去，下下，T可，(1)水平单裂隙结构面受正应力和剪应力共同作用水平单裂隙结构面受正应力和剪应力共同作用时，共同作用在裂隙岩体上派生出最大主应力q和最小主应力吒：垡±垡土2』2一(老)l一一一J(3—30) 北寰交通大学硕士学位论文式中，一、一为单裂隙结构面上的正应力，f为剪应力。水平裂隙结构面法线方向与q的夹角卢=吼，结构面上的正应力为仃=q-∞8z∥+吒·s1．2户(3-31)单裂隙结构面渗透系数为巧=碍expl吨(q·c052an+乃·sin2q—p)l(3-32)(2)斜交单裂隙结构面受正应力和剪应力共同作用斜交单裂隙结构面受正应力和剪应力共同作用时，共同作用在裂隙岩体上派生出最大主应力q和最小主应力吒：垡±垡士2卜三一(去]式中，叫、一为单裂隙结构面上的正应力，f为剪应力。水平裂隙结构面法线方向与q的夹角∥，结构面上的正应力为仃=q·cos2P+tr3·sin2∥=q，cos2吒+吒·sin2口。单裂隙结构面渗透系数为巧=碍exp[叫(q·cos2p+,r3·sin2p-p)]3．5本章小结(3-33)(3·34)(3-35)本章通过对流、固耦合条件下水压力和围岩应力的研究，分析了耦合状态渗流场的数学模型，研究了渗透系数K随应力变化的变化规律，从而可将变化至稳定流状态的K值代入第2章的水压计算公式，得到耦合场稳定流的渗流场分布解析解。 第四章齐岳山高水压岩溶隧道渗流场分布的流固耦合数值分析4海底隧道与高水压山岭隧道渗流计算分析4．1厦门海底隧道稳定流场的注浆控制影响分析4．1．1概述与浅埋隧道不同，高水压山岭隧道与海底隧道的水位较高，且海底隧道具有稳定的高水头，要求摒弃“以排为主”的设计原则【6”．但是，如果像盾构隧道那样做成全封堵型衬砌，衬砌将承受巨大的水压力，致使结构设计变得十分困难。采用围岩注浆堵水的好处在于：(1)围岩渗透系数充填围岩裂隙，封堵渗水通道，在隧道周围形成隔水保护圈，防止地下水外泄并减轻隧道结构外水压力．在渗透适量较大或达到一定标准的区段，采用各种注浆方法可使地下水位得以恢复并长期得以保持．围岩注浆在隧道外形成一个环形保护圈层，大大增强了围岩抗渗能力，减少地下水向隧道区域汇集、渗出，可以显著的减轻隧道外水压力。(2)注浆是较锚喷更为积极主动的加固围岩措施。经过围岩注浆，岩层中的裂隙被浆液充填，浆液固化后变成了岩块之间的胶结材料，从而使围岩的力学性质得到改善，抵御地压的能力增加，减小了作用在衬砌结构上的永久荷载。因此，在隧道中的有水区段，尽量采用注浆法对地下水进行封堵与适量排放，同时借此加固围岩。这样才能真正体现“以堵为主、限量排放”的防排水设计原则，起到排水减压的作用。4．1．2渗流场的注浆影响因素分析研究表明，当衬砌采用全封堵防水，无论是采用围岩注浆或围岩渗透系数很小，都不能降低作用在衬砌背后的水压力，在计算水压力时，必须采用同地下水位相应的量值，不能折减；对限量排放海底隧道而言，渗流场的控制因素主要有[6al：围岩、注浆层的渗透系数、注浆层厚度和隧道控制排水量的大小等，由于这些因素的不确定性，使得渗流场的研究变得困难。(1)注浆层厚度试验验证，在保持衬砌排水的情况下，随着注浆层厚度的增加，衬砌上水压减小；并且注浆层在发挥对水压的折减作用时，注浆厚度存在一最优值，当注浆厚度达到一 北京交通大学硬士学位论文定值后，尽管随厚度增加，衬砌水压也会降低，但降低的不明显，因此隧道设计与施工中要选择合适的注浆层厚度，以达到好的堵水效果。(2)注浆层渗透系数随着注浆层渗透系数的降低，村砌上水压明显降低，要使树砌上水压降低到某一值，采用较高的注浆水平可以大大减少地下水捧放量。因此，对于限量排放的隧道来说，采用较高的注浆水平是减小村砌背后水压力和隧道涌水量的主要手段．(3)限定排水量随着衬砌排水量的增加，衬砌上的水压和其他位置上水压都会减小，如果不排水，任何注浆都不能达到减压的目的，只有在保证村砌捧水的情况下才能达到减小水压的目的，而且排水量越大，水压降低越多。4．1．3数值分析4．1．3．1有限元计算原理对于在区域Q内具有不连续的、二阶可微的水头凰其有限元方程如下【唧陋r饵}|+{，r=o，(4-1)[巧]=胍扛警警+k，a勿N,a砂V．，+屯警警卜㈣)彤=弧剑，dxdydz+贩。∥；ds(4-3)式中Ⅳ为形函数矩阵；岛，与，乞为不同方向的渗透系数；q为边界流量；Q为Q内流量。计算时可采用两类边界条件，即第一类边界条件(水头边界)：H=H。(¨)第二类边界条件(流量边界)：t罢／x+砂罢ty协kzO。Hlz：_g(4-5)如果无流量通过此边界法向n，则沿11方向的水头没有变化；又如果屯---k,=屯，而g卸，则上式可简化为．O．H———：0(4-6)砌联立式(4．1)和边界条件(4呦、(4-5)可以求得各节点的水头。渗流分析的目的在于分析隧道区域渗流场的分布，计算衬砌上作用的水压力和排水管排量。 第四章齐岳山高水压岩溶隧道渗流场分布的流固耦合数值分析4．1．3．2厦门海底隧道渗流场数值分析厦门翔安隧道是我国第一条海底隧道，是一项规模宏大的跨海工程，对我国隧道建设技术的进步和发展，缩小与世界先进水平的差距将起到里程碑式的作用．该隧道是连接厦门市本岛和翔安区陆地的重要通道，兼具图4-I厦门海底隧道纵断面图高速公路和城市道路双重功能．该隧道采用三孔形式，两侧为行车主洞，中间为服务隧道，行车主洞为双向六车道。隧道全长约5950m，跨越海域总图p2厦门海底隧道的横断面长约4200m，计算行车速度80km／h，行车隧道建筑限界净高5．0m，净宽13．5m，采用钻爆暗挖法修建。陆域地下水分为松散岩类孔隙水、风化基岩孔隙裂隙水、基岩裂隙水三种，均为潜水．渗透性较差，属于弱或微含水层．地下水主要受大气降水的补给。地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性、对钢结构具弱腐蚀性．海域地下水分为松散岩类孔隙水、风化基岩孔隙裂隙水及基岩裂隙水三种，总体上富水性弱，渗透性较差，为弱或微含水层。地下水主要受海水的垂直入渗补给。地下水对钢筋混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性，对钢结构具中等腐蚀性。(1)隧道施工阶段计算扎模型参数和边界条件采用日本软脑公司开发的3D-flow渗流三维分析软件对隧道施工阶段的涌水量进行了模拟计算，有限元网格划分如图3所示，共划分64160个单元，总节点数为69977个节点。图中采用砂岩分析；模型总长度为450m，其中第一个150m为未开挖地段，第二个150m为隧道毛洞段，末做支护和注浆；第三个150m开挖部分全部施作了初期支护(注浆或不注浆)，但二衬未做。模型考虑了隧道施工对渗流场的影响，通过设置注浆层参数和排水量的大小，得到隧道的排水量、水压力和注浆层参数的关系曲线。由于施工中未设防水板，不考虑二衬与排水盲管的作图4_3隧道地下水渗流分析网格划分图 北京交通大学硬士学位论文用，因此将隧道设置成全断面捧水，并且掌子面也作为捧水面处理．模型自隧道轴线向上取了40米的计算范围，即取到地表，模型上表面设定为定水压面，取压力水头25m,向下取了80米，认为是不透水边界，向两侧分别取100m，认为是等水头边界．考虑到海底隧道的特点，模型的前后、左右和上下边界都定义为等水头边界，水头高度取65mr中间的服务隧道采用全封堵方案。计算参数主要是渗透系数，取参数如表l所示．模型计算材料参数取值表1材料名称全风化层注浆层初村边界条件：(1)上下、左右和前后表面设为为定水头补水边界：各点的水头为等水头，H=65m；(2)底面为不透水边界：法向流速为0，流量为0；(3)排水边界设置：将毛洞内表面、初衬内表面和掌子面设置为浸出面，全捧水。b、计算结果与分析调整了注浆层的渗透系数和注浆层的厚度，分别计算了注浆层渗透系数比围岩减小5、lO、20、50和100倍与注浆层厚度为3m、5m、7m和9m时的隧道渗流场，得到了不同注浆水平条件下的涌水量和渗流场分布，如图4所示。图4-4海底隧道施工期渗流场总体分布注浆层厚度对渗流场的影响计算了注浆层厚度为3m、5m、7m和9m与不设注浆层时的渗流场，设置注浆层渗透系数为2x10-7m／$，计算结果见表2、图5、6。注浆效果对渗流场的影响计算了注浆层渗透系数比围岩分别降低5、10、20、50和100倍时的渗流场，设置注浆层厚度为5m。涌水量与注浆层厚度关系表2注浆层厚度，m03579涌水量与注浆层渗透系数关系表3注浆层渗透系数降低倍数5102050lOO 第四章齐岳山高承压岩溶隧道渗0嗡分布的流固耦合数值分析：4L190．-04iI∞¨‘、＼—1h’———．．图4-5涌水量与注浆层厚度的关系曲线图4．6涌水量和注浆层渗透系数的关系曲线由计算可得，对施工阶段隧道而言，隧道涌水量随着注浆圈厚度的增大而减小，且存在一最优厚度，盲目的增大注浆圈的厚度对隧道的涌水量是不合理、不经济的．另外，隧道涌水量随着注浆层渗透系数的减小而减小，且高水平(渗透系数低)的注浆圈作用明显。(2)隧道运营阶段计算I’模型参数和边界条件采用3D．flow软件对隧道运营阶段的涌水量和地下水位的降深进行了数值分析，有限元网格划分如图7所示，共划分8020个单元，总节点数为10242个节点。模型总长度为10m，二次衬砌已经施作完毕。考虑到防水板的作用，将二衬的渗透系数调整到最低，取为lxl0"12m]$1设置捧水口，排水口与环向盲管连接，考虑到纵向盲管的作用，将图4-7隧道地下水渗流分析网格划分图盲管系统设置为水流畅通区域，其渗透系数取为lxl0"3m／s。其余材料参数与施工阶段模型相同。通过调整排水口的流量，得到地下水位线的变化曲线。模型排水边界改为设置的排水口排水，其余边界同旌工阶段模型。边界条件：(1)上下、左右表面设为为定水头补水边界：各点的水头为等水头，H--65m；(2)前后表面为自由边界：法向无渗流通过；(3)底面为不透水边界：法向流速为0，流量为O；(4)排水边界设置：将排水口内表面设置为定流量边界，通过设置不同捧水量，计算渗流场分布。b、计算结果与分析调整了注浆层的渗透系数、注浆层的厚度和排水口的排水量，分别计算了注浆层渗透系数比围岩减小5、10、20、图4-8海底隧道运营期渗流场分布H埘¨州““*∞孵孵孵孵雕褂嘶孵 北京交避大学硬士学位论文50和100倍，注浆层厚度为3m、5m、7m和9m时，全排水与限定捧水量分别为3．8x10-3、2．85xi0-3、1．9x10-3、9．5x10-4和4．72．85x10"4m3／s／m时的隧道渗流场，得到了不同注浆条件、不同排水条件下的涌水量和渗流场分布。注浆层厚度对涌水量的影响计算了注浆层厚度为3m、5m、7m和9m与不设注浆层时的渗流场，设置注浆层渗透系数为2xlO'7m／s。涌水量与注浆层厚度关系表4I注浆层厚度，Ⅲ3579Il涌水量，10一4m3／(sm)2．72．31．841．63l注浆效果对涌水量的影响计算了注浆层渗透系数比围岩分别降低5、lO、20、50和100倍时的渗流场，设置注浆层厚度为5m。由计算结果知：涌水量随着注浆层渗透系数的减小而降低，当注浆层渗透系数为围岩渗透系数的二十分之一左右时，涌水量减小的最为明显。涌水量与注浆层渗透系数关系表5鳖重丕塑竖堡堡墼!!!!塑涌水量，×lOam3／(sIn)3．262．31．280．8560．766蛙《g■Ⅸt·图4-9涌水量与注浆层厚度的关系曲线由计算可得，对运营阶段隧道而言，■n■t■蕾■t图4-10涌水量和注浆层渗透系数的关系曲线隧道涌水量随着注浆圈厚度的增大而减小，2x10"Tm／s。即取比围岩降低10倍。图4-11村砌作用水头和排水量的关系曲线由计算知，衬砌上作用的水压力随着排水量的增加而降低，排水量过小和过大都对衬砌水压力的折减不明显。 第四章齐岳山高水压岩溶隧道渗流场分布的流固藕合数值分析衬砌作用水头和捧水量的关系表6衬砌作用水头，m0232539404．1．4稳定流分析结论(1)经分析，注浆层的渗透系数控制，即注浆水平为控制水压力的主要因素，比较高的注浆水平可以大幅度的减小衬砌上作用的永压力．(2)施工阶段的衬砌背后水压为0，隧道全断面排水，隧道涌水量随注浆层厚度的增大、注浆层渗透系数的减小而减小．(3)运营阶段的衬砌背后水压随着注浆层厚度的增加、注浆层渗透系数的减小和隧道摊水量的增大而减小．4．2齐岳山高水压岩溶隧道的流、固耦合分析4．2．1概述究竟支护何时施作能最好的发挥作用?这是一个设计与施工人员都很关心的问题。本节以数值模拟为手段，研究支护施作时机对地层变形规律和支护受力特征的影响，为隧道支护的设计与施工提供帮助。耦合不等同于叠加!目前好多业内人士对耦合的概念掌握的不够确切，经常将耦合与叠加等同起来谈。本文以数值模拟为手段，首先对耦合场作用下的渗流场、隧道施工中的力学影响进行了对比分析；然后，在此基础上，对“双场叠加”和“双场耦合”即行了对比分析。4．2．2流、固耦合计算原理FLAC3D可以模拟流体通过可渗透固体的流动，例如模拟地下水在土体中的流动。流体建模即可以由其本身完成，也可以同力学建模并行完成，以便获得流固耦合作用的效果。固结就是一种流固耦合，在这一过程中，空压得逐渐消散导致土体中发生沉降，这种性状的类型包括了两种力学效应。首先，孔隙水压的变化导致有效应力的变化，有效应力又影响固体的力学响应，如有效应力的减小可能产生塑性屈服。其次，区域内的流体也会通过改变孔隙压力来响应力学体积的变化。基本的流动分析处理完全饱和以及由地下水位变化的流动问题。在这种情况下，4l 北京交通大掌硕士学位论文地下水位以上的孔压为零，同时可以认为气相是无抗力的。这种逻辑是用于可以忽略毛细作用的粗糙材料。FLAC3D同时提供了可选的二相流模型，可在多孔介质中存在两种不能混合的流体(有可选的毛细压力)情况下进行流体流动和完全耦合模拟。为了表示在饱和及非饱和区域内部转化的进程，必须模拟非饱和区域内的流动，以便流体能从一个区域转移到另一个区域。是用了一个联系表观可渗透性和饱和度的简单法则，根据这个简单法在，非饱和区域的瞬时特性只是粗略的，但是稳定状态的地下水位应该是精确的．基本的流体流动模型提供了以下特性：对应于各向同性和各项异性渗透性的流体传导定律；不同区域可以具有不同的流体流动特性；可以指定流体压力，流量和不可渗透边界条件；流源(如水并)即可作为点源也可作为体积源嵌入到材料中，这些源头同所指定的流体流入或流出相对应且随时间变化；提供了显式和隐式两种流体流动运算方法；任何力学模型口可以同流体模型一起使用，在耦合问题中，饱和材料可以具有压缩性。FLAC3D中耦合的变形—扩散过程的增量表达式对线形准静态比奥理论提供了数值方法，对应于FLAC3D数值实现的控制微分方程包括：传导方程、平衡方程和本构方程等170】。(1)传导定律流体的传导由达西定律描述：qt=-k,，毒(P—所舐毛)(4-7)、一i式中：吼一比流量矢量；岛，—表关流动性系数，它是饱和度s的函数(2)平衡定律流体的平衡关系是：要=一婺+吼(4-8)研瓯式中：f一流体容量的变化；吼—题记流源强度。动量平衡的形式如下：等+陷=p警件9)柳⋯’出’7式中：p=(1-n)p,+一风是体积密度，只和成分别为固相和液相的密度； 第四章齐岳山高水压岩溶隧道渗流场分布的流固耦合数值分析注意(1-n)p,对应于岩士材料基质(如颗粒骨架)的干密度店(即p=岛+刀“)．(3)本构定律孔隙流动性的响应方程依赖于饱和度的值·在完全饱和状态下，J=l，巧O)=～，并且流体可以维持高达极限L的拉力．对0=l的情况，响应方程为：百oP=肘(筹一?鲁)睁·o)钟L西西，、7式中：jl仁流体容量的变化。口—有效应力的比奥系数；F—体积应交。如果对比排水的散体材料的可压缩性，颗粒本身的可压缩性忽略不计，可得到：肘t!立件11)口；l(4-12)对于J