（岩土工程专业论文）蓝商高速公路李家河隧道岩体渗流观测与分析.pdf

摘要 蓝商高速公路李家河隧道岩体渗流观测与分析 专业：岩土工程 作者：马建超 指导教师：丁卫华副教授 答辩日期：2 a 2 , d r 、7 签 名：与违熟 签 名：了卫酶 捅要 渗水和涌水是公路隧道施工中常见的主要地质灾害，也是运营中的主要病害。在深埋 隧道中，隧道通过的地质条件复杂，揭示的水文地质单元较多。隧道的开挖，引起周围岩 体应力重分布，同时也破坏了地下水的排泄通道。因此对隧道裂隙岩体渗流场进行观测与 分析，在设计、施工中采取相应的防、排水措施对隧道施工和运行有着重要的意义。 本文以蓝商高速公路李家河隧道为研究对象，进行的主要研究工作有：( 1 ) 分析了裂 隙岩体渗流研究现状，明确了李家河隧道渗流分析的主要目标是正确估计水库蓄水后隧道 的渗流量，为防、排水设计提供依据；( 2 ) 在隧道区域地质调查基础上，进行了隧道与水 库之间裂隙调查与统计、断层调查。重点进行了隧道开挖期间渗流量的观测与分析；( 3 ) 结合现场钻孔压水实验、钻孔放水试验，初步确定了岩体的渗透系数；( 4 ) 建立了李家河 隧道渗流数值模型，依据隧道开挖施工期间渗流量的现场观测结果，基于软件g e o - s l o p e 的模拟分析反演得到分区渗流参数分布；( 5 ) 根据求得的渗流参数分布场，模拟了李家河 水库蓄水后隧道的渗漏量，为隧道的防、排水设计提供了依据。在渗流分析过程中，对考 虑耦合与不考虑耦合作用进行了比较。得出如下结论： ( 1 ) 通过现场观察、实测，获得了隧道开挖状态下的渗漏状态和隧道总的渗漏量。 ( 2 ) 隧洞涌水预测中，考虑渗流场与应力场的耦合作用得到的渗漏量比不考虑耦合 时大3 0 以上。 ( 3 ) 通过反复调整渗透系数，模拟天然渗流状态下隧道的渗流量使之与实测渗流量 相符，从而得出准确的渗透系数。 ( 4 ) 根据反演得到的分区渗流参数分布，经模拟获得了水库蓄水后总的隧道渗水量。 ( 5 ) 根据模拟计算的隧道渗水量，提出隧道防渗设计依据的建议。分析现场的渗流 状态，提出修改设计的建议：以排为主，渗流量较大部位增加灌浆措施，减小渗漏量，减 轻排水设施的压力。 关键词：渗流：裂隙岩体：渗流场一应力场耦合：数值模拟 a b s t r a c t 0 b s e r v a t i o na n da n a l y s i so fr o c k m a s ss e e p a g ei nl ij i a h e t u n n e lo fs h a n gl u ot ol a nt i a nh i g h w a y p r o f e s s i o n ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gd a t e ：五内 a u t h o r ：m aj i a n c h a o s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：d i n gw e i h u a a s s o c i a t ep r o f s i g n a t u r e ： a b s t r a c t 6 ；| c l 肌碥。( 幻 勺儿k t u n n e lf l o o d i n gi st h ec o m m o nm a i ng e o l o g i c a ld i s a s t e ri nt h et u n n e lc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n i nd e e p l y b u r i e dt u n n e l ，g e o l o g yc o n d i t i o ni sc o m p l e x m a n yg e o l o g i c a lu n i t sa l eo p e n e do u t t u n n e le x c a v a t i n g ，c a u s e s s t r e s sh e a v yd i s t r i b u t i o no fr o c km a s si nt u n n e l m e a n w h i l e d e s t r o y e d t h eg r o u n d w a t e r d r a i n a g e c h a n n e l t h e r e f o r e ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n tf o ro b s e r v a t i o na n da n a l y s i so f t h er o c km a s si n f i l t r a t i o nf l o wf i e l d si n t u n n e la n da d o p t i n gb a i l i n gt e c h n i q u ei nd e s i g n a t i o na n dc o n s t r u c t i o no fs t r e s s f i e l d sc o u p l i n g i nt h i sa r t i c l e ，t h er e s e a r c ho b j e c ti sl ij i a h et u n n e lo nx i a n - h e r e ih i g h w a y , t h em a i nr e s e a r c h w o r k ：( 1 ) a n a l y s i st h es t a t u so f f r a c t u r e dr o c kf l o w ，n a i ld o w nt h em a i no b j e c to fl ij i a h et u n n e ls e e p a g e a n a l y s i si se s t i m a t i n gt u n n e ls e e p a g ed i s c h a r g ea f t e rw a t e rl e v e lo fr e s e r v o i rr e a c h8 8 0 m ，p r o v i d et h eb a s i sf o r t h ed r a i n a g ed e s i g n ；( 2 ) b a s i so nt h er e g i o n a lg e o l o g i c a ls u r v e yi nt h et u n n e l ，i n v e s t i g a t ea n ds t a t i s t i ct h ec r a n n y a n df a u l t a g eb e t w e e nt u n n e la n dr e s e r v o i r , i n v e s t i g a t eh y d r o g e o l o g i c a lb a c k g r o u n do fl ij i a h et u n n e l ，f o c u s i n g o ns e e p a g ed i s c h a r g eo b s e r v a t i o na n dr e c o r dd u r i n gt h ee x c a v a t i o no ft h et u n n e l ( 3 ) b o r e dw i t ht h es c e n eo ft h e p r e s s u r i s e dw a t e r , d r i l l i n gw a t e rt e s t , f i r s t l yd e t e r m i n e dt h er o c kp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ；( 4 ) e s t a b l i s h e da s e e p a g en u m e r i c a lm o d e lo fl ij i a h et u n n e l ，b a s e do nt h es e e p a g ed i s c h a r g eo b s e r v a t i o n sa tt h es c e n ed u r i n gt h e e x c a v a t i o no ft h et u n n e l ，b a s e dg e o - s l o p es o f t w a r es i m u l a t i o na n a l y s i sg e th o l do fd i s t r i c tp a r a m e t e r so f s e e p a g e ；( 5 ) a c c o r d i n gt oa c h i e v et h ef l o wp a r a m e t e r sd i s t r i b u t i o n ，s i m u l a t i o nt h el e a k a g eo ft h et u n n e la f t e r w a t e rl e v e lo fr e s e r v o i rr e a c h8 8 0 m ，p r o v i d et h eb a s i sf o rt h ed r a i n a g ed e s i g n i nt h ep r o c e s so fs e e p a g e a n a l y s i s , c o m p a r e dc o n s i d e rc o u p l i n gw i t hn o tc o n s i d e rc o u p l i n g r e a c h e dt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) t h r o u g hf i e l do b s e r v a t i o na n dm e a s u r e m e n th a so b t a i n e du n d e rt h e t u n n e le x c a v a t i o nc o n d i t i o n l e a k a g ec o n d i t i o na n dt h et u n n e lt o t a ll e a k a g eq u a n t i t y ( 2 ) t u n n e lw e l l su pi nt h ew a t e rf o r e c a s t ，c o n s i d e r e di n f i l t r a t e st h ef l o wf i e l da n dt h es t r e s sf i e l dc o u p l i n g f u n c t i o ni nab i gw a yo b t a i n st h el e a k a g eq u a n t i t yc o m p a r e sd o e sn o tc o n s i d e rw h e nt h ec o u p l i n ga b o v e3 0 ( 3 ) t h r o u g ha d j u s t st h ep e n e t r a t i o nc o e f f i c i e n tr e p e a t e d l y , u n d e rt h es i m u l a t i o nn a t u r a lt r a n s f u s i o n c o n d i t i o nt h et u n n e ls e e p a g eq u a n t i t yc a u s e si tw i t ht h ea c t u a ls e e p a g eq u a n t i t ym a t c hc a s e ，t h u so b t a i n st h e a c c u r a t ep e n e t r a t i o nc o e f f i c i e n t ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ep a r t i t i o ns e e p a g ep a r a m e t e rd i s t r i b u t i o ni nb a c ka n a l y s i s ，o b t a i n e dt h et u n n e l sl e a k a g e q u a n t i t ya f t e rl ij i a h er e s e r v o i rs t o r a g eb ys i m u l a t i o n ( 5 ) b a s i sa n a l o gc o m p u t a t i o nt u n n e ls e e pq u a n t i t y , p r o p o s e dt h et u n n e lg u a r d sa g a i n s ti n f i l t r a t e st h ed e s i g n b a s i st h es u g g e s t i o n a n a l y z e st h es c e n et h et r a n s f u s i o nc o n d i t i o n ，p u t sf o r w a r dt h er e v i s i o nd e s i g np r o p o s a l ： b yt h er o wp r i m a r i l y , t h es e e p a g eq u a n t i t yb i gs p o ti n c r e a s e st h eg r o u t i n gm e a s u r e ，r e d u c e st h el e a k a g eq u a n t i t y , r e d u c e st h ed r a i n i n gw a t e rf a c i l i t yt h ep r e s s u r e 1 西安j e - y - 大学硕士学位论文 k e yw o r d ：s e e p a g e ，c r a c kr o c km a s s ，s e e p a g e s t r e s sc o u p l i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：与建怨 伽踔月7 日 学位论文使用授权声明 本人墨垄婆在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：与遣超 导师签名：4 溯年厂月7 日 1 绪论 1 绪论 在山岭重丘地区修建高等级公路，为缩短公路里程，改善线性，保护自然环境，修建隧 道已十分普遍。但隧道作为地下结构，普遍存在着隧道衬砌渗漏水的情况，特别在隧道两端 更为严重，形成衬砌漏水、涌水现象，成为公路隧道的病害主要因素。同时，隧道工程还存 在结构衬砌开裂、界限受侵及洞内通风、照明不良等病害。在当代高速公路建设飞速发展的 情况下研究公路隧道的渗流规律，对隧道的防渗设计和施工具有重要的工程应用价值和科学 意义。 1 1 公路隧道的特点 a 公路隧道分类 我国现行公路隧道设计规范( j t j 0 2 6 8 9 ) 根据公路隧道在勘测、施工和管理中不同 的技术要求和现状，按长度将公路隧道分为四类，见下表： 表卜i 公路隧道按长度分类 t a b l ei - ic l a s s i f i e da c c o r d i n gt ot h el e n g t ho fh i g h w a yt u n n e l 公路隧道分类特长 长中短 隧道长度l ( m ) l 3 0 0 03 0 0 0 至l 耋1 0 0 01 0 0 0 - - l 羔2 5 0l 2 5 0 b 公路隧道的特点 公路工程中所施工的隧道主要为山岭公路隧道，山岭公路隧道主要有以下特点： ( 1 ) 断面大 一般而言，公路隧道与铁路隧道、水工隧道、矿山地下巷道相比断面比较大，双车路公 路隧道的断面面积可达8 0 m 2 左右。因此公路隧道受扰动范围较大，其轮廓对围岩块体的不利 切割增多，围岩内的拉伸区与塑性区加大，导致施工难度加大。若公路隧道位于土层或软弱 岩层内，施工难度更大，通常需要采用特殊的施工方法来建造。 ( 2 ) 形状扁平 在满足使用功能和施工安全的前提下，尽可能地降低工程造价是隧道设计的基本要求。 由于公路隧道的建筑界限基本上是一个宽度大于高度矩形断面，总是在保证施工安全和结构 长期稳定条件下，尽量围绕建筑界限设计开挖断面和净断面。因此，公路隧道的断面常为形 状扁平的割圆形、马蹄形或直墙拱顶形。 断面扁平容易在拱顶围岩内出现拉伸区。由于岩土等天然材料强度较低。因此，施工中 隧道顶部容易崩落，威胁人身安全。正是因为断面呈扁平状，在断面积相同的条件下，公路 隧道较铁路隧道、水工隧道、矿山巷道施工难度更大。 ( 3 ) 防水要求高 在高等级公路上，车辆行驶速度较快，如果隧道出现渗漏或路面积水，则会造成路面湿 滑，不利于行车安全。特别是在严寒地区，冬季隧道内的渗漏水或在隧道上部挂冰柱，或在 西安理工大学硕士学位论文 路面形成冰湖，常常会诱发交通事故。此外，长期或大量的渗漏水，可以破坏隧道衬砌结构， 还会对隧道内的机电设备、动力及通讯线路构成威胁。 ( 4 ) 隧道通风与照明 对于长度较大的公路隧道而言，自然风和交通风对隧道内的空气置换作用有限，如不采 用有效措施，则会使隧道内空气环境恶化，危及司乘人员安全，影响视线。因此，长度较大 的公路隧道因根据具体条件，选择合适的通风除尘方式，以改善隧道内空气环境及防火排烟 条件。 高速行驶的车辆在白天接近并穿过隧道时，行车环境要经历一个“亮一暗一亮”的变化过 程，司机的视觉在此过程中要发生视觉效应问题。为了减轻通过隧道司机的心理和生理压力， 消除车辆进洞时的黑洞或黑框效应和出洞时的眩光现象，从有利安全行车角度考虑，公路隧 道一般都应根据具体条件，对隧道进行有效的照明。 ( 5 ) 隧道防灾及消防 公路隧道在运营期间发生洞内火灾、交通事故、洞内渗水、洞顶塌方，以及运行车辆 载运的可燃或有毒气体( 液体) 泄露都是可能的。因此，长度较大公路隧道一般设有防灾、 消防系统，以应对突发性灾难事件。 ( 6 ) 运营监控 监控是公路隧道运营过程中的重要监管手段，它涉及到隧道的交通控制、通风控制、照 明控制、养护维修、防灾救灾、逃生救援等。隧道建成后，监控是保证隧道安全运营和服务 水平的必要手段。 1 2 公路隧道渗流的研究意义 1 2 1 公路隧道的渗水危害 隧道工程的病害主要体现在渗透水的问题上，在隧道两端更为严重，路面积水造成行车 环境恶化，导致行车中轮胎和路面摩擦力降低。由于衬砌漏水，造成隧道侵蚀破坏，特别是 渗漏水具有侵蚀性的情况下，对衬砌和隧道设备的腐蚀更为严重。各种附属结构及设备如通 风、照明、监控、交管等机电设施在潮湿条件下工作将影响其使用寿命，导致不良后果，必 须在保证不渗漏水的前提下才能正常工作。 隧道衬砌混凝土在渗漏水的冻融作用下开裂破坏，在衬砌与围岩之间引起拱墙变形、破 坏，在拱墙上悬挂冰柱、冰溜，侵入净空。在隧道底发生冻胀会形成冰坡、冰锥，使行驶滑 溜，无法通过。因此，做好隧道防排水设计及裂缝防水技术，使隧道衬砌不渗不漏，是保证 行车安全和隧道发挥长远效益的重要条件。 1 2 2 公路隧道建设方兴未艾 近年来，随着国家对公路建设投入的加大，高速公路发展十分迅速，且有大量高速公路 2 1 绪论 穿山越岭进入山区，山区公路隧道的修建数量逐年增多。据来自于各方面的统计资料表明， 至2 0 0 3 年年底，我国大陆上已建成的铁路隧道有七千四百余座，总延长4 2 0 0 k m ；公路隧道一 千九百七十余座，总长度近1 0 0 0 k m ：从最近几年的建设规模和速度来看，铁路隧道和公路隧 道分别约以每年3 0 0 k m 和1 5 0 k m 的建设速度在增长川。山区高速公路修建的特点是：桥隧设 置数量大，路线多以桥隧衔接，桥隧比例占路线总长度的5 卜7 0 ，甚至比例更高，工程造 价高。受山区地形条件的制约、地质构造和地层岩性复杂多变的影响，公路选线再好，也经 常要穿越深山峡谷、复杂地质构造影响带、煤系地层、山区水库库区等地区。公路建设是百 年大计，安全是最关键的因素。 -，。 ， 高速公路隧道穿越农田灌溉、发电、城市生活供水水库区，或沿库区边缘通过就是其中 一种特殊情况。围绕库区修建高速公路隧道，存在许多影响隧道设计的因素，如路线方案总 体规划设计，断层与水库库区、隧道的水力联系，大气降水、地表水、地下水的转换关系， 洞室围岩裂隙岩体渗流问题等，其中裂隙岩体渗流问题研究是最关键的问题之一。我国1 9 8 8 年以前建成的铁路隧道有8 0 在施工中遇到了涌水问题，而在运营过程中还有涌水漏水病害 的隧道占3 0 左右，因此隧道的水害是广大地质工作者关注的焦点之一n 1 。j j 国内很多水利工程在施工过程中出现过涌水问题。例如，锦屏二级水电站位于四川省凉 山彝族自治州境内的雅碧江锦屏大河弯处雅碧江干流上，系利用雅碧江锦屏1 5 0 k m 长大河 弯的天然落差，截弯取直凿洞取水，获得额定水头2 8 8 m 的优越水力条件，通过开挖隧洞即 可建成引水发电的引水式水电站。该工程引水隧洞长1 8 k m ，开挖洞径1 2 1 3 m ，最大埋深 约为2 5 0 0 m ，具有大埋深、大洞径的特点。为了解地下洞室的工程地质和水文地质情况，以 便为设计和施工提供科学依据，前期曾开挖了两条约5 k m 长的探洞。施工过程中发生了集 中涌水现象，单点最大涌水量达4 9 0 m 3 s ，稳定时流量达2 0 m 3 s 。由于探洞大量出水，对周 边环境水文地质条件造成巨大影响，后进行封堵，封堵后洞顶外水压力观测值高达1 0 2 m p a t 因探洞未深入至最大埋深处，预计最大埋深处的外水压力更大，涌水问题更突出+ 3 1 。“i 大瑶山隧洞位于我国广东省北部的南岭山区，全长1 4 2 9 5 k m ，埋深1 0 0 - - - 9 1 0 m ，是我国 最长的双线铁路隧洞，居世界第十位。充沛的雨水成为大瑶山隧洞区域地下水充足的补给源 之一，另外由于班古坳灰岩盆地易于集水，其两侧的桂头群石英砂岩、砾岩亦极易富水，因 此突水、突泥、涌砂，就成为隧洞施工的主要障碍。自1 9 8 5 年4 月1 9 8 7 年5 月1 0 日， 大瑶山隧洞施工的主要地段涌水总量为6 5 2 x 1 0 4 m 3 ，突泥、涌砂总量4 8 x 1 0 4 m 3 ，坑道最大 涌水2 8 x 1 0 4 m 3 d 。先后导致竖井被淹，洞内似暴雨倾泻涌水成河，严重阻碍了工程进展。 1 2 3 蓝商高速公路李家河隧道渗流研究对防渗设计影响巨大 本文所研究的西安合肥高速公路是沟通我国东西部的重大交通要道，该公路的建设对于 加快西部大开发具有十分重要的意义。该公路的陕西境内部分蓝( 田) 一商( 州) 高速公路段，横穿 秦岭山脉，中交第一公路勘察设计研究院的设计方案以深大隧洞为主。在该隧洞的西侧 西安理工大学硕士学位论文 5 0 0 - 1 0 0 0 m 处为李家河，拟建的李家河水库为西安市供水。李家河水库的设计岛程为8 8 0 m ， 而平行水库的3 号隧洞底部高程为7 8 9 - 8 8 5 m ，睹存在大约2 0 5 4 m 的水头差。定量分析李 家河水库与李家河隧洞的水力联系，预测不同方案下水库向隧洞的渗漏量，对采取合理的防 渗排水设计、保证隧洞的安全运行具有重要意义。 李家河3 号隧道位于蓝商高速公路a 8 一b i 标段( 图1 一1 ) 。水库坝址区到库尾对隧道的 影响范围全部在3 号隧道a g b i 段隧洞纵坡比23 5 。李家河3 号琏道分左线和右线， 中心线相距3 0 m 。隧道横剖面形状为圆型，隧道全长4 2 0 0 米。 吲i1 孝家i 町水库2 j 隧道忙置图 f i 9 1 - 1 t h e i o c a t i o n o f l lj i a h e t u n n e la n dr e s e r v o i r 1 3 渗流场与应力场耦合分析的工程应用研究 隧道的开挖，破坏r 甬岩的应力状态使初始麻力状态发生r 很大的变化引起应 力的二次重分布。戍力的重分布造成r 嗣岩的变形、破坏改变r 天然岩体的裂隙分布 如使岩打原有的裂隙张开、闭合、扩展或贯通，使地下水的排泄有了新的通道，破坏了 原有的补排循环系统，在隧道周围形成指向洞内的渗透力场致使地下水不仅沿着原有 的裂隙流动，而且还会沿着新产生的裂隙流动从而改变丁岩体的渗透性。对于深埋隧 道来说由于水头压力高，这种力学改造作用尤为显著。因此进行深埋隧道周围裂隙岩 体的渗流场与应力场的耦合分析具有极其重要的实用意义。日前，裂隙岩体渗流应力耦 合分析在1 = 程中l 得到广泛应用。 1 绪论 1 3 1 渗流应力耦合理论在水利水电工程中的应用 在水电工程、石油开采、地下工程和采矿工程等领域，都会遇见与岩土体渗流应力 耦合作用相关的问题，许多学者试图应用已有的成果解决实际工程问题。陈平、张有天6 1 对重力坝坝基进行了裂隙岩体渗流应力二维耦合分析，并指出：进行岩基上水工建筑物 设计时，应当进行耦合分析以确保工程安全。耿克勤6 1 等对龙羊峡水电站重力坝坝基和 坝肩进行了三维有限元分析，结果表明：考虑耦合作用的影响，坝底扬压力将增加，不 利于大坝等建筑物的稳定。王媛和速宝玉1 等人对裂隙岩体边坡和重力坝岩基进行了渗 流应力全耦合分析，结果表明：如果不考虑耦合作用的影响，则计算结果可能会夸大排 水孔的作用。杨太华1 对三峡船闸岩区进行了渗流与力学的耦合计算，发现渗流场对应 力场有较大扰动，在考虑渗透压力的情况下，比不考虑渗透压力的最大拉应力有2 1 的变 化幅度，最大压应力增大1 1 7 。 1 3 2 渗流应力耦合理论在高边坡工程中的应用 大量的工程实践表明，岩体中水位的上升及裂隙渗流是岩石边坡失稳的重要原因之 一。水渗流通过增加坡体重量、降低潜在滑动面及坡体强度等方式影响斜坡应力场，从 而影响斜坡稳定性。因此，在斜坡稳定性评价中进行渗流场与应力场耦合分析的核心是 研究渗流场影响下的应力场。张国新阳1 等认为考虑裂隙渗流与变形耦合作用的d d a 法并 可以充分反映裂隙水对岩石边坡稳定的影响，并提出了根据d d a 结果计算整体和局部滑 动安全系数的方法，不仅可以对岩体整体进行稳定安全评价，而且可以对每一条裂隙的 安全性进行单独评价，从而找出威胁岩石边坡稳定的最危险部位，并总结以下方面的因 素对坡体稳定十分重要：坡体含水率、滑动面上的扬压力、渗流动水压力、渗透变形。 王洪涛“们运用裂隙岩体渗流模型与离散元力学模型耦合分析充水岩质高边坡的稳定性， 并对乌江构皮滩水利枢纽水垫塘两侧充水岩体的边坡稳定性进行了分析。朱德珍n 等建 立了裂隙岩体损伤演化方程，考虑裂隙扩展给出了渗流场与损伤场耦合方程，并通过三 峡船闸验算分析，验证了模型的正确性。 1 3 3 深基坑工程渗流应力耦合分析 深基坑工程中大幅降低基坑及周边地区地下水位，坑内外巨大的水头差使深基坑开 挖区域附近地下水发生激烈的流动，从而影响到深基坑的整体稳定性并对邻近建筑物产 生不良影响，其环境效应不容忽视。平扬、白世伟2 1 等基于比奥固结理论，将渗流场与 应力场耦合，用有限单元法模拟得到了深基坑开挖及降水过程中，开挖范围及邻近区域 地面沉降等环境效应的基本规律的认识，为深基坑开挖设计与信息化施工提供借鉴。 5 西安理工大学硕士学位论文 1 3 4 核废料储存中的渗流应力耦合分析 刘亚晨i t 3 吴玉山、刘泉声等把裂隙岩体视为等效连续介质，对裂隙岩体介质温度一 水力一力学耦合参数特性进行分析，建立描述裂隙岩体介质t h m 耦合的数学模型，导出了 求解所建立的温度一水力一力学耦合数学模型的有限元计算公式，并编制了二维有限元计 算程序，从而显示了其数值模拟的成功性。另外，为研究核废料地下储存的安全问题， 瑞典、美国、日本、英国和法国于9 0 年代联合进行了国际合作研究项目c z e 7 ，旨在对岩 体的热、水和力学耦合过程进行理论和实验研究，给出了等效连续法和离散法的数学模 型，该项目取得了许多有意义的成果。 1 3 5 深埋隧道工程渗流应力耦合分析 黄涛、杨立中n 4 1 对隧道岩体渗透性能、热传导性能和变形参数进行等效处理，根据 等效连续介质力学方法研究渗流一应力一温度场耦合作用下隧道涌水和稳定性问题，提出 了深埋隧道开挖支护应采取的一些措施。曹阿静n 钉在程潮铁矿西区进行了渗流耦合分析。 随着我国经济发展的需要，对岩土工程有关理论提出了很高的要求。因此，应大力推动 岩土体渗流等相关领域的研究，使工程设计和计算建立在更合理可靠的理论基础之上。 以上分析说明，在岩体稳定和渗流分析中应力和渗流的耦合研究具有重要的意义。 1 4 裂隙岩体渗流与应力耦合的研究现状 1 4 1 裂隙岩体渗流的研究历史 地下水在孔隙介质中的渗透规律研究始于1 9 世纪中叶。1 8 5 6 年，法国学者达西通过 砂柱中水的渗透试验，总结出著名的达西定律，与随后另一位法国学者裘布依提出的裘 布依微分方程和1 9 0 4 年布西涅斯克提出的非稳定微分方程，成为地下水动力学的理论基 础。到2 0 世纪初，法国、德国、前苏联等学者对地下水动力学作了进一步发展，得出了 许多具体的计算公式。1 9 3 5 年美国学者泰斯利用前人的试验资料和热传导方程第一次提 出了实用的非稳定渗流公式，即著名的泰斯公式。2 0 世纪5 0 年代，雅可比、汉图什等对 非稳定渗流作了进一步发展。虽然近百年来地下水动力学得到了迅速的发展，取得了丰 富的成果，但其应用范围却有限。这段时间的地下水理论多用于地下取水，而在分析边 坡、大坝稳定性方面应用得很少，即岩体水力学方面的研究基本没有涉及，直到2 0 世纪 7 0 年代还一直沿用土壤渗流力学来解决岩体渗流问题。 早在2 0 世纪四五十年代，前苏联的一些学者就对裂隙介质的水力学问题进行了试验 研究，并提出了最早的成果，但真正对岩体渗流特殊的实质性研究却始于m a l p a s s e t 拱 坝失事以后，从此，国外学者们做了大量的研究，获得了丰富的研究成果，对岩体渗流 6 1 绪论 理论及其应用作出了重大贡献【1 6 7 l l t 盯。我国田开铭、张有天、杜延龄 等学者较早开 始裂隙岩体渗流研究，近年来，我国在这一领域的研究成果迅速增长。 裂隙岩体渗流研究发展目前可大致归纳为四个阶段： ( 1 ) 不考虑渗流场和应力场之间的耦合作用。两场往往是分开单独考虑的，对岩体 进行力学分析时，水压力也作为荷载的形式作用在岩体上；而进行渗流分析的时候，并 没有考虑到裂隙岩体水力特性随应力变化的改变。 ( 2 ) 考虑渗流场和应力场两场之间的耦合作用，分别建立渗流场与应力场的有限元 方程，在进行渗流场的计算时，认为位移是已知的；而在进行应力场计算时，认为水头 是已知的，这样通过两场的迭代来达到耦合的目的。因此从方法上该法尚不能称为真正 的耦合分析方法，实际上是两场交叉迭代法。 ( 3 ) 为进行裂隙岩体渗流与应力真正意义上的耦合分析，将裂隙岩体渗流场和应力 场作为同一场进行考虑，将裂隙岩体满足的渗流方程和应力方程联立，建立同时以结点 位移和结点渗流水压为未知量的耦合有限元方程组，通过求解方程组，同时解出应力场 与渗流场中的各个未知量，这样避免了两场之间的迭代。 ( 4 ) 考虑渗流场和损伤场的耦合。裂隙岩体在开挖卸荷作用下，原有裂隙产生损伤 扩展连通，其作用除降低岩体的整体强度、增大变形外，还有可能形成新的渗流裂隙网 络，显著改变渗流场，从而改变岩体的压力场。这种渗透与岩体损伤的相互关系是互为 关联的，称之为裂隙岩体渗流场与损伤场之间的耦合效应。这种耦合效应对于岩土工程， 特别是高边坡和隧道工程而言，是造成失稳的重要因素。从国内外发展现状来看，目前 对渗流场和损伤场的耦合问题研究则刚刚起步2 0 引1 。郑少河等心幻在已有研究成果的基 础上，深入研究了拉剪、压剪等复杂应力下裂隙岩体渗流场与损伤场的相互作用机理及 耦合机制，推导了初始损伤和损伤演化的本构关系，分析了渗透压力对变形机制的影响 机制，从裂隙变形角度出发，定量分析了裂隙岩体断裂损伤效应对岩体渗透性的影响。 最后基于两场的耦合机理，建立多裂隙渗流一损伤的耦合模型。 1 4 2 裂隙岩体渗流模型的研究现状 渗流模型是岩体裂隙渗流分析、计算的基础，只有对渗流体结构特征具有正确的、 客观的描述或认识，才有可能计算出正确的渗流场，从而获得岩体的水头分布、地下水 压力及渗流量等，为工程的设计提供科学的依据。由于岩体富含节理，而节理的方向性、 分布密度、张开程度、裂隙面粗糙度、渗径曲折程度、裂隙间的连通度、裂隙面的接触 面几率、填充物的范围及材料等因素对裂隙岩体的渗流特性有着巨大的影响，形成了岩 体非均匀各向异性渗流的显著特征。复杂的影响因素，可视性极差的裂隙几何形态使得 对岩体结构的客观认识难度增大，从而出现了许多描述裂隙岩体渗透结构的计算模型， 即渗流模型。目前，渗流模型大体上可分为三大类：等效连续介质模型、网络裂隙介质模 7 西安理工大学硕士学位论文 型和双重介质模型。 a 等效连续介质模型 等效连续介质模型是将裂隙中的水流平均到整个岩体中，将裂隙岩体模拟为具有对 称张量的各向异性连续体，由于可以利用现有成熟的连续介质理论来分析，应用较广。 该模型以渗透张量和达西定律为基础，将裂隙岩体看作非均质各向异性连续孔隙介质进 行模拟，该处所说的连续只是统计意义上的等效连续。s n o w 于1 9 6 8 、1 9 6 9 年表示n ， 任何裂隙水流问题，都可以用达西定律和一个各向异性的水力传导率张量所构成的标准 孔隙介质技术来解决。s n o w 这样的描述应有其特有的限制，即连续介质的适用条件，许 多学者在这方面作了大量的研究。 肖裕行等2 2 5 1 从力的运动效果和对应应力状态两方面探讨了渗透作用力，证明了水 力等效连续介质中渗透作用力运动效果等效的必然性和对应应力状态性质的一致性，继 而建立裂隙岩体水力等效连续介质是否存在的二维判别方法。仵彦卿n 盯运用等效连续介 质理论，提出了两种岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型：一是以渗透水压力与裂隙变 形关系、应力与渗透系数关系为基础，建立渗透系数张量计算公式，进而建立等效连续 介质渗流数学模型。以裂隙岩体应变张量分析为基础，建立裂隙岩体等效应力张量数学 模型，然后组合建立耦合分析模型：二是在前一模型的基础上，考虑裂隙岩体系统贮水项 受应力作用变化的特点，建立既考虑渗透项与应力关系，又考虑贮水项受应力作用关系 的双场饱合模型。王媛等2 采用四自由度全耦合法，建立了等效连续裂隙岩体渗流与应 力的全耦合有限元方程组，进行了等效连续裂隙岩体渗流与应力的全耦合分析。王媛等n 钉 引入能反映裂隙剪胀特性的非线性弹塑性本构模型，从而考虑了裂隙非线性法向变形和剪 胀对裂隙隙宽的影响，更实际地反映了裂隙变形对岩体渗透性的影响。 连续介质的适用条件均以裂隙的相对密度来表示，即由裂隙间距与建筑物尺寸的比 值来确定。w il s o n 和w i t h e r s p o o n ( 1 9 7 0 ) 经过连续介质和非连续介质模型对比分析指出， 最大裂隙间距与最小边界尺寸( 例如坝基的宽度和边坡的高度等) 之比小于1 5 0 时可按连 续介质处理 2 9 | om a i n i 指出，应把上述的最大裂隙间距改为平均裂隙间距，其相应比值 小于1 2 0 时，可按连续介质模拟。显然，前者比后者的限制条件严格许多。d e r s h o w i t z l 咖1 认为，对石油开采、道路、核废料以及水资源工程，裂隙岩体不能采用连续渗透介质 模型。l o u l s 认为能否按连续介质处理必须慎重考虑，但没有提出具体的准则。张有天、 曹敦履等人根据实例分析，认为当节理连通率不小于5 0 ，裂隙间距不大于建筑物尺寸的 1 2 0 ，应尽量采用连续介质模型。 b 裂隙网络介质模型 裂隙网络介质模型是把裂隙介质看成由不同规模、不同方向的裂隙个体在空间相互 交叉构成的网络状系统，成为裂隙网络，地下水沿裂隙网络运动。该模型将裂隙及其交叉 点上的水动力关系逐个列出，揭示了裂隙水流运移的内在联系，为裂隙网络流模型的研究 奠定地学理论的基础。岩体裂隙网络渗流的特点是渗流沿裂隙网络定向流动，体现出明显 1 绪论 的非均质性和各向异性。当岩块很致密，确实可以忽略其渗透性时，具有拟真性好、精 度高的优点。 裂隙介质主要以相互交叉成网络的较大尺度的裂隙( 包括断层) 构成流体的通道， 在渗透机制上与等效连续介质很大区别。多孔连续介质的渗透理论已经很成熟且与实际 有较好地吻合，与之相比，离散裂隙介质的地下水理论还与实际有着相当大的差距。后 者借用了前者的许多现成理论，但是，这些理论应用于裂隙岩体地下水流上还有严重的 与实际不符之处。主要表现在：1 在现有裂隙介质地下水流理论中，大多用同一种代表 体来表征节理和岩块，连续性方程是相同的，这不能体现较大的裂隙，如导水断层对地 下水流状态的影响；2 即便是注重了裂隙网络在地下水流中起主要作用的理论，如w i t t k e 的线素理论等，在应用于实践上尚有许多困难。同时该模型学要明确研究区中全部有效 裂隙的集合参数( 裂隙的产状、张开度、间距、迹长等) ，这在实际工程中是很难办到的， 虽然可以用网络模拟生成技术模拟裂隙网络，但将其应用来解决实际工程问题还有待于 进一步验证。 毛昶熙n 系统推导了裂隙网络模型，正交和非正交裂隙组的连续均质场模型计算 公式，编制了数值计算方法的程序。万力3 幻假定裂隙面为多边形，提出了三维裂隙网络 的多边形单元渗流模型。王恩志3 3 1 针对剖面裂隙网络渗流问题，采用全区域不变网络分 析方法，并引用初流量概念，化非线性分析为线性分析，成功地解决了岩体剖面上有自 由面的裂隙网络渗流计算问题。王洪涛，李永祥假定裂隙面为圆盘形，提出了随机裂 隙网络非稳定渗流模型。仵彦卿3 钉，高海鹰“6 1 等对裂隙网络介质模型的研究做了大量的 工作。 c 双重介质模型 双重介质模型是将裂隙岩体空隙系统分解为裂隙结构面子系统和岩块孔隙子系统两 个部分。在裂隙岩体地下水渗流问题分析研究中，它是同时考虑岩块孔隙子系统给水和 裂隙结构面子系统导水的一类特殊而又普遍的裂隙岩体渗流问题求解模型。从宏观的角 度上，该类模型类似于连续介质模型的处理方式，只不过是将离散化的裂隙岩体看成是 由裂隙介质和孔隙介质叠加的连续介质。 双重介质模型最早是由前苏联学者b a r e n b l a t t ( 1 9 6 0 ) 提出的，此后d u g u i d ( 1 9 7 7 ) 、 b a r t o n ( 1 9 7 8 ) 相继进行了这方面的工作，提出了改进的双重介质模型。这些模型定义双 重介质是由孔隙和裂隙共存于裂隙岩体系统中而形成的一类含水介质，从一定意义上来 说只能被称为是狭义双重介质模型。随着工程实践的深入，结合裂隙岩体渗流问题的研 究，我国学者王恩志( 1 9 9 1 ) 在上述狭义双重介质模型基础上提出了似双重介质模型将双 重介质的概念加以了拓展，定义为均质各向同性、非均质各向同性的孔隙介质或具非均 质各向异性渗流特性的裂隙连续网络介质，与连通或部分连通的裂隙非连续网络介质共 存于裂隙岩体中，形成具水力联系的含水介质，相对狭义双重介质模型，又可称其为广 9 西安理工大学硕士学位论文 义双重介质模型。 b a r e n b l a l l t t 等人认为岩体被裂隙切割成大小不等、形状不一的岩块，裂隙与岩块 均遍布整个区域，形成两个重叠的连续体。岩体的裂隙率比孔隙率小几个数量级，而裂 隙的渗透率比孔隙的渗透率大几个数量级。在建立模型时作了三个假定：第一，假定每一 点存在两种流体压力一孔隙水压力和裂隙水压力，正是这种压力差引起孔隙和裂隙系统 之间的剧烈水交换：第二，假定水交换流量与压力差成正比：第三，假定裂隙和孔隙水流 运动均服从达西定律。两种介质的渗流运动方程通过水交换方程联系起来，可求解整个 流场的水头值。w a r r e n 和r o o t 在b a r e n b l a l l t t 模型的基础上考虑了均匀介质各向异性 的特点，假定岩体发育有均质的正交的互相连通的裂隙系统，同一组裂隙的间距和隙宽 不变，不同组数的裂隙间距和隙宽可以不一致，渗透主轴与每一方位裂隙组平行，同时 导出裂隙水流非稳定方程。b o u l t o n 和s t r e l t s o v a 按照b a r e n b l a l l t t 的假设，推导出只 含裂隙水头的微分力一程。 虽然双重介质模型对岩体的描述较为客观，但没有考虑岩体典型的非均质各向异性 特点，同一点具有两种水压力也很难理解和确定( b a r e n b l a l l t t 模型) ，即使考