（岩土工程专业论文）高水压隧道渗流场的流固耦合研究.pdf

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 c r i no r d e rt os t u d yt h ed i s t r i b u t i o nr u l e so fs e e p a g ef i e l di nt h es m r o t m d i n gr o c k - m a s so f t u n n e l sw i t hh i g hh y d r a u l i cp r e s s u r ei nk a r s ta r e o 噶, as e r i e so fm e t h o d s , s u c ha st h e o r y a n a l y 3 i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , m o d e lt e s ta n ds i t ei n v e s t i g a t e , a r ei n t r o d u c e da n da p p l i e di n t h i sp a p 伐m a n ym 嘲n i n g 甜r e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d r e l y i n g0 1 1r e s e a r c ht o p i c sn a m e d “s t u d yo nt h eh y d r a u l i cp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c sl o a d e do nt h el i n i n go fq i y u e s h a nt u n n e l , r e s e a r c hw o r ki sc a r r i e do u ta n dt h er e s u l t sa r ea p l l i e di nt h ep r o j e c to f q i y u e s h a nt u n n e l i n t h i g p a p e r , t h e m a i n w o r k i n c l u d i n g ： f i r s t l y , i ti sp r o p o s e df i r s t l yt h a tt h ef o r m a t i o no fs e e p a g ef i e l d sc a nb ed i v i d e di n t ot w o s t a g e s , i n c l u d i n gs t e a d ya n du n s t e a d yf l o w i nu n s t e a d yf l o w , t h ed e f o r m a t i o no fr o c ka n d r e - d i s m b u f i o no fs e e p a g ef e l dc h a n g e s 砒t h es a m et i n 眩a n dm u t u a li m p a c tt a k e sp l a c e b e 铆嘲e a c ho t h e r c o u p l e df l u i d - m e c h a n i c a li n t e r a c t i o nh a st ob ec o n s i d e r e di nt h i ss t a g e h o w e v e r , t h ed e f o r m a t i o no f r o c ka n dr e - d i s 乜- i b u t i o no f s e e p a g ef i e l dw i l lb es t e a d ya n dn o c h a n g ow i l l o c c u ri n s t e a d ys t a g e m u t u a li m p a c tb e t n v e e l le a c ho t h e rc a nb en e g l e c t e d t h e r e f o r e , c o u p l e df l u i d - m e c h a n i c a li n t e r a c t i o nd o n th a v et ob e t a k e ni n t oa c c o u n t s e c o n d l y , b a s e do nt h ec o n f o r m a lm a p p i n go fc o m p l e xf u n c t i o nm e t h o d sa n d ”c i r c u l a r i s l a n dm o d e l 。f o rp u m p i n gw e l l st h o e r y , t h ed i s 缸i b u t i o nr u l eo fs e e p a g ef i e l di n h o m o g e n e o u s , i s o t r o p i cm e d i u mi ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y af o r m u l ai sg i v e n w h i c hi s a p p l i e df o rt h ec a l c u l a t i o no f t u n n e l 埘t l lh i 咖h y d r a u l i cp r e s s u r e t h e n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i sc a r r i e do u tt ov e n f yt h ec o r r e c t n e s so ft h ef o r m u l a m o r e o v e r , t h ef o r m u l aa p p l i e df o r s u r r o u n d i n gr o c kw i t ha d v e r s eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n si sp u tf o r w a r d t h i r d l y , t a k i n gi n t oa c c o u n tc o u p l e df l u i d - m e c h a n i c a li n t e r a c t i o n , t h em a t h e m a t i c a l m o d e lf o re q u i v a l e n tc o n t i n u o u sm e d i u mj si n v e s t i g a t e d t h e n , t h em e t h o d 幻c a l c u l a t et h v d i s t r i b u t i o no f s e e p a g ef i e l df o r t h es t e a d yf l o wa f t e rc o u p l e df l u i d - m e c h a n i c a li n t e r a c t i o n f o u r t h l y , t h es e e p a g ef i e l da n dc h a r a c t e r i s t i c so fs t r u c t u r eu n d e rl o a d sa r cs t u d i e d t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fb o t hs t e a d ya n du n s t e a d yf l o w i nt h es t e a d yf l o wa n a l y s i s , t h er e l a t i o n s h i pb c t w c e l lt h et u n n e li n f l o wa n ds o m ep a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h et h i c k n e s s ，t h e p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to fg r o u t i n ga n dt h ed i s c h a r g eo ft u n n e l ，a n dt h er e l a t i o n s h i pc u r v e b e f w e o nh y d r a u l i cp r e s s u r eb e h i n dl i n i n ga n dd i s c h a r g eo ft u n n e li sg i v e w h i l ei nt h e u n s t e a d yf l o wa n a l y s i s ，s o m ew o r ki sf i n i s h e dt or e s e a r c ht h el a w so ft h ed i s t r i b u t i o no f s e e p a g ef i e l d , t h ed e f o r m a t i o no f s t r a t u ma n d c h a r a c t e r i s t i c so f s t r u c t u r eu n d e rl o a d s ，w h i c hi s i n v e s t i g a t e dt h r o u g hc o m p a r a t i o no f “k e e p i n gu pw i t ht h es u p p o r t a n d “s u p p o r tl a g g i n g 竹 f i f t h l y , a sam e a l k s tm o d e lt e s ti sc a r r i e do u tt or e s e a r c ho nt h ed i s t r i b u t i o no fs e e p a g e 矗e l da n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs l r u c t m eu n d e rl o a d s 1 1 l a w so fd i s t r i b u t i o nf h y d r a u l i cp r e s s u r ei sg a i n e da n dt h ef o u n c t i o no f g r o u t i n gi sp r o o 缸i nt h ee n d , t h e t e s tr e s u l t s m c h e c k e db y n u m e r i c a ls 洫u l a f i o n f i n a l l y , f i e l dt e s tf o rt h eh y d r a u l i cp | 屯s s 哪b e h i n dl i n i n ga n dt u n n e li n f l o wi se x e c u t e d i nq i y u e s h a nt u n n e l h o w e v e r , d u et ot h a tt h et u n n e li ss i l l li nc o n s t r u c t i o n , w a t e rp r e s s t w e b e h i n dl i n i n gi ss t i l lv e r ys m a l l , i tn 础t ob ei m p r o v e df u r t h e r k e y w o r d s ： t u n n e l s 耐t hh g hh y d r a u l i cp r e s s u r e ；, s e e p a g ef i e l d ；c o u p l e df l u i d - m e c h a n i c a li n t e r a c t i o n ； m o d e lt e s t ；c o m p l e xv a r i a b l ef u n c t i o n ；i m a g em e t h o d ；f i b e rb r a g gg r a t i n g 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 2 0 0 6 年1 2 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i j 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f ，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r e v 存在且相对于计算域 甚t i l l 4 1 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g b a r e n b l a t t 予1 9 6 0 年首先提出的，b a r e n b l a t t 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、 式中：k p 、k 、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5 s t r e l t s o v a ( 1 9 7 7 ) 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 、 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，a l 为延迟指数的倒数，s f 、s p 分别为裂隙介质和孔隙岩块的贮水系数。 此外，d u g l 】i d 0 9 7 7 ) 、h u y a k o r n ( 1 9 8 3 ) 、n 朗细i e l 【s ( 1 9 8 4 ) 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8 0 年代。第一个系统研究裂隙介质渗 流问题的田开铭教授，1 9 8 2 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”p j ，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 6 1 ，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 - 9 1 。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 1 0 - 1 3 。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d 4 - 1 6 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【1 7 。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【1 9 - 2 5 1 。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 2 8 - 2 9 。 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2 0 世纪7 0 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。 2 0 世纪8 0 年代末，9 0 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( 1 9 8 2 ) 、张有天( 1 9 8 2 ) 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 ( 1 9 8 4 ) 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0 4 0 1 。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( 1 9 9 4 ) 1 4 ”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( 1 9 9 7 ) f 4 2 】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( 1 9 9 7 、2 0 0 0 ) o - 4 4 1 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( 1 9 9 7 、2 0 0 3 ) 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( 2 0 0 3 ) 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( 2 0 0 5 ) 1 4 7 、皇甫明【4 8 l 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，h a r t ( 1 9 6 2 ) 4 9 1 基于镜像法和叠加原理 求得了隧道围岩孔隙水压力分布，b o u v a r d 和p i o t o ( 1 9 6 9 ) 5 0 1 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m j 和王 秀英【5 2 1 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l a p l a c e 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l a p l a c e 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 ba jr ( 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5 3 】 z = 烈d = 埘葛毒 1 0 ( 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 ，+ _ j i ) 2 m ，2 z 平面的原点对应于f t - - 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r i v l ( 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i n ( 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 = h 2 ( 2 - 7 ) b 、洞周边界；l 纠= 盯，即，+ ( y + 1 1 ) 2 = 舌：h = 日 由喝= 羔i n 盯+ 皿，易知，隧道排水量为： q ：2 # _ i _ ( h 2 - 一i - i ) ( 2 - 8 ) ( 3 ) 公式求解 当瞥i = p ，( p = 0 了虿，且口 p 口 口( 一+) + _ i i 。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l x l 0 3 k g m 3 ，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b h2 a y 乃 4 l n 口 口( 一+ ) + 。一6 j b ，。 、 ( 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 - 1 2 ) ，可将 渗流场表示成捧水量q 的函数为： 肌马+ 罴h 纂嚣粉一y 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