（水工结构工程专业论文）深埋隧洞外水压力分析与研究.pdf

摘要 摘要 随着我国水电建设逐步向西南转移，深埋隧洞方案大量被采用，而深埋隧洞的高 外水压力和突涌水问题己成为目前隧洞设计和施工中亟待解决的难题。对于外水压力 的计算方法主要有渗流场分析方法和外水压力作用系数法。本文在总结前人研究成果 的基础上，围绕深埋隧洞的突涌水和高外水压力问题，系统地研究了深埋隧洞衬砌水 荷载和外水压力的作用机理及计算方法等理论，并对锦屏二级水电站深埋引水隧洞的 外水压力问题进行了详细的分析和研究。主要内容如下 ( 1 ) 从渗流基本理论出发，用等效入渗强度法来探讨降雨入渗对地下水位影响的 综合效应。 ( 2 ) 采用有限元离散一优化法进行参数的反演分析 ( 3 ) 针对深埋隧洞的高外水压力问题，进一步分析和研究了衬砌水荷载及外水压 力的作用机理和计算方法； ( 4 ) 以锦屏二级水电站深埋长引水隧洞作为本文的主要研究对象，采用考虑降雨 入渗渗流场分析的方法对排水方案和灌浆封堵方案不同情况下的渗流场的水头分布进 行了数值模拟，并对其外水压力进行了分析和研究，提出了渗流控制的具体措施。 关键词：深埋隧洞；等效入渗强度法；渗流场分析；降雨入渗：反演分析 外水压力；渗流控制：锦屏二级水电站 摘要 a b s t r a c t n u m e r o u s d e e pl y i n g t u n n e l sa r e a d o p t e d w i t ht h ew a t e r p r o j e c t c o n s t r u c t i o n t r a n s f e r r i n gt ot h es o u t h - w e s ta r e ao fc h i n a ，t h eh i g he x t e r n a lw a t e rp r e s s u r ea n df l o wa r e t h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m sf a c e di nt h et u n n e ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o n i no r d e rt o c a l c u l a t et h eh i g he x t e r n a lw a t e rp r e s s u r e ，t h er o c ks e e p a g ef i e l da n de x t e r n a lw a t e rp r e s s u r e c o e f f i c i e n ts h o u l db et r e a t e di nd e t m l c o n c e n t r a t e do nt h eq u e s t i o n so fh i g he x t e r n a lw a t e r p r e s s u r ea n d f l o wo ft h ed e e p - l y i n gt u n n e l ，t h eb a s i ct h e o r ya n dm e t h o dc a l c u l a t i n ge x t e r n a l w a t e r p r e s s u r ea r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d ，t h eh i g h e x t e r n a lw a t e r p r e s s u r eo f j i n p i n gc a s c a d e 2h y d r o p o w e rs t a t i o ni sa n a l y z e da n ds t u d i e di nd e t a i l t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h ef u n d a m e n t a ls e e p a g et h e o r y ，t h e a l l - a r o u n de f f e c to fw a t e rt a b l eb yr a i n i n f i l t r a t i o na r ed i s c u s s e dw i t ht h ee q u i v a l e n ti n f i l t r a t i o ni n t e n s i t ym e t h o d ( 2 ) t h em e t h o d o ff i n i t ee l e m e n td i s c r e t ea n do p t i m a lp a r a m e t e rb a c ka n a l y s i s i s a d o p t e d ( 3 ) c o n c e n t r a t e do nt h eq u e s t i o n o fh i g he x t e r n a lw a t e rp r e s s u r eo ft h ed e e p l y i n g t u n n e l ，t h eb a s i ct h e o r ya n dm e t h o dc a l c u l a t i n ge x t e r n a lw a t e rp r e s s u r ea r es y s t e m a t i c a l l y s t u d i e d ( 4 ) b a s e d o n j i n p i n g c a s c a d e2 h y d r o p o w e r s t a t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o nr a i n i n f i l t r a t i o no fs e e p a g ef i e l du n d e rd i f f e r e n td r a i n a g ep a t t e r na n dg r o u t i n gp a t t e r na r es t u d i e d ， a l s o ，t h eh i g he x t e r n a lw a t e rp r e s s u r e i s a n a l y z e da n ds t u d i e da n ds o m es e e p a g ec o n t r o l m e a s u r e sa r ep u tf o r w a r d k e y w o r d s ：d e e p l y i n g t u n n e l ；e q u i v a l e n ti n f i l t r a t i o ni n t e n s i t ym e t h o d ；s e e p a g ea n a l y s i s r a i ni n f i l t r a t i o n ；b a c ka n a l y s i s ；e x t e r n a lw a t e rp r e s s u r e ；s e e p a g ec o n t r o l ； j i n p i n g c a s c a d e2h y d r o p o w e rs t a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) 二，雌 2 。4 年3 月2 5 日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存文件。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在 保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包 括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) 王薹盔 2 0 0 4 年3 月2 5 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水工隧洞概述 水工隧洞是以输水为目的在地下开凿而成的建筑物。按其输水目的不同，水工隧 洞可分为发电引水隧洞、灌溉供水隧洞、城镇工业及生活供水隧洞、泄洪隧洞、排沙 隧洞、施工导流隧洞等。根据洞内水流的压力状态，水工隧洞可以分为有压隧洞和无 压隧洞。有压水工隧洞的洞内水流无自由面，为具有一定压力的满流状态；而无压水 工隧洞是指洞内水流有自由面的输水隧洞。 1 1 1 水工隧洞的发展概况 中国幅员辽阔，但水资源相对贫乏且分布极不均匀。为了解决干旱地区工农业用 水，需要进行跨流域调水。不少跨流域调水工程输水干线穿过分水岭及山岭地带，主 要依靠水： 隧洞引水。例如，已建成的由青海大通河引水至甘肃秦王川的调水工程， 总干线全长8 6 9 k m ，其中隧洞3 3 座，总长7 5 1 k m ，最长的盘道岭隧洞长1 5 7 2 k m 。 在建的由万家寨大坝引黄河水穿过海河流域至太原的引水工程，隧洞总长度超过 2 0 0 k m ，最长的南干线7 号隧洞长达4 2 9 k m 。计划兴建的从长江上游引水至黄河上游 的南水北调西线工程穿过巴颜喀喇山，隧洞长度超过l o o k m ，地质条件极其复杂，将 是这个世纪的宏伟工程。随着我国工农业生产和国民经济的发展，特别是改革开放以 来，水工隧洞的建设取得了举世瞩目的巨大成就。据不完全统计，1 9 9 2 年以前我国已 建的水工隧洞总长3 1 3 k m ，其中大于l k m 的隧洞6 5 条，长2 7 4 k m ；而1 9 9 7 年统计， 大于1 k m 的隧洞1 1 3 条，长度达6 0 8 k m 。短短的五六年间，水工隧洞建设的数量和长 度就增加了一倍。 随着科学的发展和技术的进步，以及地质勘测手段、岩石力学理论、施工机械设 备等的不断发展，世界上各种用途水工隧洞工程的建设得到了突飞猛进的发展，其主 要表现就是隧洞长度不断增长以及埋深不断的增加。随着隧洞埋深的增加，隧洞的高 水压和突涌水问题就会变得更加突出。隧洞的高水压和突涌水问题己成为目前水利工 程建设中亟待解决的难题。 河海大学硕j ? 学位论文 从目前己收集到的资料看，世界上最长的隧洞是芬兰的p a l j a n n e 水工隧洞，该 隧洞始建于1 9 7 3 年，于1 9 8 2 年完工，洞长达1 2 0 k m 。其次为南非的0 r m m g e f i s h 施工 隧洞( 8 3 k m ) ，瑞典的b o l m e n 水工隧洞( 8 0 k m ) 等等。随着隧洞长度的增加，隧洞埋 深不可避免的也越来越大，许多过去被认为是难以实现的深埋水工隧洞工程在世界各 地相继建成。表1 一卜l 给出了世界上己建的深埋水工隧洞工程的一些实例。在我国， 随着经济的发展和技术的进步，地下工程发展迅速，一些深埋长隧洞也相继建成。表 卜l 一2 为国内已建和拟建深埋长水工隧洞工程实例。 表1 - 1 1国外已建的埋深大于1 0 0 0 m 的水工隧洞工程 序号隧洞名称最大埋深( m )所在国家修建时间 1贝勒多纳2 1 8 0法国1 9 7 4 - 1 9 7 8 2奥立摩斯2 0 0 0秘鲁 3奇科斯奥伊1 5 0 0危地马拉1 9 7 7 1 9 8 l 4亚坎布1 2 7 0 委内瑞拉 1 9 7 5 1 9 8 4 5 阿尔帕一谢万 1 2 3 0 苏联 一1 9 8 8 6阿贝特马科1 2 0 0意大利 7德拉斯尼兹1 2 0 0奥地利 表1 - 1 2国内已建和拟建部分深埋水工隧洞工程 序号隧洞名称最大埋深( m )洞长( m )修建时削 1锦屏二级2 5 2 51 6 6 2 5拟建 2 渔子溪二级 8 0 07 6 1 11 9 8 2 1 9 8 5 3 天生桥二级 7 6 09 7 7 61 9 8 5 4渔子溪一级6 5 08 6 0 l1 9 6 6 1 9 7 2 5下马岭5 4 07 6 3 31 9 5 8 1 9 6 l 6太平驿4 8 01 0 5 0 01 9 9 4 第一章绪论 1 1 2 水工隧洞的主要地质灾害问题 水工隧洞中常见的地质灾害问题主要有：突涌水和高外水压力、高地应力及岩爆、 高地温等问题。对于深埋隧洞，这些地质灾害问题尤为突出。 1 1 2 1突涌水问题 突涌水是深埋隧洞中常见的地质灾害，也是目前比较难解决的问题。隧洞突涌水 是由于隧洞的掘进破坏了含水层结构，使水动力条件和围岩力学平衡状态发生急剧改 变，以致地下水体所储存的能量以流体( 有时有固体物质伴随) 高速运移形式瞬间释 放而产生的一种动力破坏现象 2 l 。因涌水量过大迫使隧洞施工中断以致隧洞必须改线 的情况也有发生。隧洞施工时产生大量涌水主要受下列因素的影响：( a ) 山体地下水 位较高；( b ) 隧洞埋深较大从而产生较大的外水压力；( c ) 水源充足，如年降水量较 大地区的山岭且存在相对平坦且厚度较大的风化层储水构造带：( d ) 有岩溶存在及排 水不畅的陡倾角大裂隙等。深埋长隧洞具备这些因素的可能性较大，施工时很容易出 现突涌水现象。因此对深埋长隧洞来说，应预先进行水文地质条件的勘探和勘测，并 做好施工过程中的超前预报工作。 1 1 2 2 高外水压力问题 通常所称的外水压力是指作用在隧洞衬砌外缘的地下水压力，它是隧洞衬砌设计 时应考虑的重要荷载。由于地下岩溶发育程度的不同，深埋长隧洞更容易遇到透水性 很强的地带，如天生桥二级水电站引水隧洞实测的外水压力达3 4 m p a ，锦屏二级水 电站深埋长引水隧洞，埋深最大处达2 5 2 5 m ，近5 k m 的探硐封堵后测的多年平均地下 水压力为8 5 6 8 6 0 m p a ，最大值达到1 0 2 2 m p a 。由于探洞未深入至最大埋深处，预 计最大埋深处的外水压力值将更大。如此高的外水压力对隧洞围岩和衬砌的稳定是十 分不利的。高外水压力问题成为该工程的关键技术问题之一。 对外水压力的处理方法一般是：( a ) 采用排水方式，由排水洞与排水孔组成的排 水系统将地下水排出从而降低其外水压力，天生桥二级水电站隧洞用此法；( b ) 采用 “以堵为主，堵排结合”的方式，锦屏二级水电站引水隧洞拟用此法。第二种方式是 通过采用超前预注浆和局部地带二次高压固结灌浆，使隧洞周边形成一定厚度固结灌 浆圈，使之成为承载高外水压力和地应力的主要结构，从而保证隧洞衬砌结构的安全。 河海大学硕：l 学位论文 1 1 2 3 高地应力及岩爆 岩爆是地下隧洞开挖后，在较短时间内岩体发生脆性破坏，岩体内残留的弹性应 变能突然释放，发生高速崩块、弹射、甚至抛掷的一种局部失稳现象7 4 1 。产生岩爆现 象时，会使洞周边岩石成片状破裂以高速度冲进洞内，造成人员及设备伤害，严重影 响施工安全。岩爆的产生条件主要是：( a ) 岩体本身坚硬、完整而强度高，能集聚高 的弹性能：( b ) 岩体处在使其变形和破裂的高地应力场的作用之下。对于深埋隧洞来 说，由于其处在较高的地应力场之下，因此，施工时发生岩爆的可能性很大。 岩爆的机理十分复杂，与初始应力场、岩石性质、洞室布置、剖面形状、开挖方 法等多种因素有关。一般认为，当洞轴线处初始最大主应力盯。，大于岩石0 3 0 倍单 轴抗压强度时，就有发生岩爆的可能。防治方法宜采用短进尺、锚杆及时跟进的办法， 可以提前约束岩爆，以减轻其烈度。必要时在掌子面及洞周边快速铺设钢筋网，以防 止飞石伤人。采用钻爆丌挖与t b m 开挖相比，采用钻爆丌挖由于表面难以避免棱角， 易产生较大的应力集中而引发岩爆口】。 1 1 2 4 高地温 据大量实测资料，对浅表地层，地面以下每深l o o m 地层温度平均约提高3 ( 对 孤立山体因边界条件不同，且受地下水活动的影响，不能按此估算深层地温) 。隧洞 施工时因机械作业，特别是t b m 掘进将产生大量热，更增大了隧洞施工的环境温度。 因此，对于深埋隧洞常可能遇到高地温问题p j 。 地下水自上而下流动可显著降低隧洞围岩的地温。如锦屏二级水电站深埋引水隧 洞，埋深一般在1 5 0 0 m 以上，最大达2 5 2 5 m ，由于垂直裂隙发育，山顶年平均气温 较低，地下水丰富，因低温水自上而下流动，从而显著降低了隧洞施工时环境温度， 对施工基本不产生影响，这己被5 k m 探洞实测资料所证实。对有高地温的隧洞，采用 山体人工注水或人为改变地下水流向以降低围岩地温应是可行的。 综上所述，深埋隧洞的地质灾害问题都很严重，但本文主要是结合锦屏二级水电 站深埋引水隧洞工程来分析与讨论深埋隧洞衬砌水荷载及其高外水压力的问题。 第一章绪论 1 2 水工隧洞衬砌水荷载及外水压力的分析方法与现状 1 2 1 衬砌水荷载及外水压力分析的方法 水工隧洞外水压力计算方法主要有以f 两种： ( 1 ) 渗流场分析方法 渗流场分析方法是指通过渗流场分析求得渗流场的水头分布后，再根据式 ( 1 2 1 ) 计算出作用在隧洞衬砌及注浆加固圈上的外水压力 6 1 。 砒 p ，2 7 面 。：一y 丝 ( 1 2 1 ) n y 面 “ 矾1 、 p ：= 一y l = 一一l j 式中：x ，y ，z 为笛卡坐标：z 以向上为正：y 为水的容重。 ( 2 ) 外水压力修正系数方法 在实际工程中，由于施工工艺及各种客观因素的制约，二次衬砌很难作到与围岩 紧密结合，此时外水压力一般考虑为边界力。对于这种情况，一般采用外水压力作用 系数法来计算作用在隧洞衬砌上的外水压力，计算公式如( 卜2 2 ) 。 式中：p 外水压力； 口外水压力修正系数 p = 8 y w h y 、。地下水重度： h 渗流场模拟出的水头。 外水压力修正系数的取值较复杂，具体取值问题参见后面第四章。 ( 卜2 2 ) 河坶大学顿= 1 学位论文 1 2 2 衬砌水荷载及外水压力的研究现状 在深埋隧道外水压力计算时，通常情况是先查明深埋隧洞区域的地下水位，再用 地下水位与隧洞中心线之间的差值乘以折减系数来对水头进行折减，然后根据折减后 的水头计算外水压力。文献 6 中论述了水头折减系数的综合指标法，该方法实际上 是考虑到了渗流场不同状态下折减系数的取值问题。 水荷载是水工隧洞最主要的荷载，水荷载包括内水压力和外水压力。内水压力是 有压隧洞洞内的水荷载。通常所称的内水压力为作用于衬砌内缘的面力，外水压力则 为作用于衬砌外缘的面力。严格地说，仅当衬砌是不透水时，水对衬砌的作用力才是 表面力。因为混凝土衬砌是透水的，所以水对衬砌的作用是渗流体积力。隧洞的主体 是岩石，衬砌只是隧洞一个并非完全必要的组成部分。研究隧洞，不仅要研究衬砌， 更需研究围岩。因此，隧洞的水荷载应是作用于包括围岩和衬砌在内的地下水位以下 空间的渗流体积力【5 】。 我们若知道岩体、固结灌浆圈和衬砌的渗透系数，由边界条件用考虑降雨入渗的 渗流场分析元方法就可求得渗流场g ，y ，z ) ，求得渗流场后，即可求得渗流体积力， 也可计算出作用在隧洞衬砌及灌浆圈上的外水压力。 隧洞围岩应力场和衬砌外水压力的计算都与隧洞围岩渗流场作用密切相关。因 此，我们首先应计算出隧洞所在区域的初始渗流场及隧洞开挖及支护后的渗流场，再 计算其外水压力。采用渗流增量荷载理论进行隧洞衬砌及围岩的累计应力分析。 1 3 问题的提出及本文的主要研究内容 1 3 1 问题的提出 根据我国水资源的分布特点，水电建设的重点f 逐步向西南转移，由于这一地区 雨量充沛，河谷狭窄陡峻，适宜修建许多高水头大容量的水电站。为了取得集中高水 头落差，常需布置长引水隧洞或高坝。据统计，中国已建成长度4 k m 以上引水发电隧 洞2 2 座。不少长度2 0 k m 以上直至l o o k m 以上的引水发电隧洞将待修建。高山峡谷地 第一章绪论 区修高坝，地下厂房常是经济的，有时是唯一的选择【4 】。因此，今后必将兴建更多的 规模更大的深埋引水隧洞。此外，由于河谷狭窄，常需要大断面泄洪洞来宣泄洪水， 施工期需要大断面隧洞来导流。例如，雅砻江上的二滩水电站导流隧洞断面达1 7 5 x 2 3 m 。小浪底泄洪隧洞直径1 4 5 m 。要修建这些深埋隧洞就会面临着如何解决其突涌 水及高外水压力、高地应力及岩爆和高地温等问题，而深埋隧洞中的突涌水和高外水 压力问题又显得尤为重要。因此，要保证隧洞结构设计的合理性和隧洞施工的安全性， 就首先要解决隧洞的突涌水和衬砌水荷载及其高外水压力的问题。目前，深埋隧洞的 高外水压力及施工时突涌水己成为水利工程建设中亟待解决的难题。因此，有必要对 深埋隧洞的高外水压力问题进行分析和研究。 1 3 2 本文的主要研究内容 本文围绕降雨入渗渗流场分析的方法、外水压力作用机理、衬砌水荷载及外水压 力计算方法的分析与研究，主要完成了以下几方面的研究内容： ( 1 ) 从渗流基本理论出发，用等效入渗强度法来探讨降雨入渗对地下水位影响 的综合效应。 ( 2 ) 采用有限元离散一优化法进行参数的反演分析； ( 3 ) 针对深埋隧洞的高外水压力问题，进一步分析和研究了衬砌水荷载及外水 压力的作用机理和计算方法： ( 4 ) 以锦屏二级水电站深埋长引水隧洞作为本文的主要研究对象，采用考虑降 雨入渗渗流场分析的方法对排水方案和灌浆封堵方案不同情况下的渗流场的水头分 布进行了数值模拟，并对其外水压力进行了分析和研究，提出了渗流控制的具体措施。 第二二煮渗流撼本理论及降雨入渗渗j | 场分析 第二章渗流基本理论及降雨入渗渗流场分析 渗滚现象在窦然雾中是普遍谨在匏，蟊圾 枣、溺蒸戆渗流，降雨入渗对地下承 懿补给鞋及鞋l 予簿藤导致迭瑗豹必稳等闻题。陲雨入渗对缝下承静 绘怒渗滚力学 的一个古老课题，虽然人们普遍关注，但对这过瑕的模拟及其求解仍存在一些问 题。我们知邋，自然界的降雨过稷是一个极不恒定的过程，降雨强度随时间在变化， 入渗强度也髓时间、水文地质条件等在不断变化。对予降雨入渗问题，严格说来属 予邃霹嚣键毅稳定婆稳定渗滚。缎溱子曩翦对于考虑魄表入渗兹裂骧老体渗滚麓疆 究还远未达戮实用的阶段。因此，矫究其它等效方法泉对有地表入渗鲶裂隙岩体饱 和非饱和渗流场进行分析是很商工程意义的。在一定条件下，我们可毗对这一过程 进行合理的简化，用等效入渗强度法来探讨降雨入渗对地下水位影响的综合效应。 本研究并不谍碧芑对降疆入渗过程的糖确模拟，而是将降雨入渗效果看作维持地下渗 滚场稳定鹄鞭豢。零章穆基于这一遴念寒势凝薅曩二缀水毫站雩l 东疆瀛嚣域菜一冀 型断面的初始渗流场。 2 1 渗流基本理论 2 1 1 渗流分析的重要性及獒主要任务 渗流分析是水利工程设计的煎要组成部分。以往的工程实践证明，所设计工程能 秀安全可靠鞠经济合理，在很大稷发上取决于能否正确进芎亍渗流分析和选择合理的渗 渡控嗣獾熬。爨诧，在隶羁工戆豹设诗中，应怼渗浚分舔予| 羞是够貔曩毒雯。 渗流分析的主要任务是确定给定渗流场的水头、流速分布和渗流懿等基本物理 量，并据此通过有关设计计算对工程的安全性和经济效益做出评价，选择合理的渗流 控制措施 1 6 1 。就水工隧洞而言，主要有以下三点： ( 1 ) 确囊窭水量 根霸所求得的渗流量，来确定程整个慈工遮程中建采躅辩东方寨还怒采鬃注浆鹭 堵方案，以防止瞬时大量突涌水j i 寸施工人员和设备安全构成的威胁。 ( 2 ) 确定渗透坡降 铡海火学埘一 。学位论建= 根掘所求得的渗流场的承头分布可计算出所研究区域各点的水力坡降，并用它来 评判围岩的渗透稳定性。若水力坡降己接近或超过围岩的允许渗透坡降，则需要采取 一定的渗流控制措施来保证围糟的稳定。 3 ) 承萄载计算 良渗瀵力豹形式为霞老及支护静稳定分橱摹爨应力、应交劈褥疆供承穗载。 2 1 2 求解渗流问题的方法 求解渗流问题的方法通常宥三种：解析法；数镳法；实验模拟法。 ( 1 ) 籁瓠法 就是爝数学物理方法，诸如分离变量法、积分交换等解数学阏题的方法求得渗流 微分方程的解析解。由于解析解可以将描述渗流的各种物理量，例如水头、水量及各 种参数反映在一个表达式中，这样就可以利用数学分析的方法来研究释个量相互联系 与相互制约的内在援律。因此，在霹能条 孛下应罨爨蠲这秘方法来求魑。但是当含求 是条 孛霸迭赛条件复杂霹难予纛接求藤。 ( 2 ) 数值法 用数假方法求得的解称为数值解。它是一种i 匠似解。用数值法求解般都要借助 于电子计瓣机。它是求解大烈地下水流问题的主灏方法。这种方法的鼹点是把整个渗 藏嚣分割戏落予个影竣麓列弱小块( 稳为摹元) 。这撵藏把形获不缀铡翡、冀鹭矮润 题转他为容翁计算的形状规则的、均质问题。数德法可以很方便墙处磺解析法碰到的 难以解决的问题。事实上，数值法对任何复杂的地下水流问题都能给出有足够精度的 解。渗流计算中常用的数值方法有：有限差分法、肖限单元法、边界元法等。 ( 3 ) 实验模拟方法 蠲各耱实验手段繇究鳃浚渗漉阉题懿方法都称为实验法，主要鸯渗流稽模季敛实 验、水电比拟实验、电网络模拟实验、窄缝槽模拟实验等多种。 每种求解方法都有其优点，也存在着不足。随着计算机技术水平的不断提高，数 值方法在渗流分析中得到愈来愈广泛的应用。1 9 6 5 年，津克维茨( o c z i e n k i e w i z ) 窝张( y k c h e u n g ) 提爨毒羧肇元法适臻于掰套哥羧变分形式进行计冀熬场阉题，为 该方法在渗流分析中的应用擒供了理论基础。因此，作为数值解法鹃一种有限单 元法由于熊独特的优势在渗流场的求解中得到了广泛的应用。 窜 第二章渗流基本理论及降雨入渗渗流场分析 2 1 3 渗流基本方程 2 1 3 1 渗流连续性方程 连续性方程是质量守恒定律在渗流问题中的具体应用。它表明，流体在渗透介质 中的流动过程中，其质量既不能增加也不能减少。 若把渗水假定为不可压缩的均质流体，其密度为常数，即有稳定渗流情况下的连 续性方程： 盟+ 生十盟：o( 2 十1 ) 苏 咖 龙 2 1 3 2 稳定渗流基本微分方程 根搬达曲1 缪迈疋佯，x 、y 、z 力i 口j 刚、廖搋理厦口j 万刑衣不刀 a h ”t 一2 r 面 ，o h ”，一七，百 a h ”：2 毗：i 将式( 2 - 1 2 ) 代入式( 2 - 卜1 ) 有： 昙c t 鼍) + 昙( b 等，+ 鲁( t 警) = 。 上式即为描述无源汇和各向异性稳定渗流场的基本微分方程。 对于各向同性渗流场，即当k ，= k 。= 女：时，式( 2 1 3 ) 变为 a 2 ha 2 a 2 h 一0 x 2 + 可十可刨 背r 2 一卜4 、目口柏薯幺的抽普柿斯( i ，a d l a c e ) 方程。 1 0 ( 2 一l 一2 ) ( 2 一卜3 ) ( 2 1 4 ) 河海人学硕士学位论文 2 1 4 基本微分方程的定解条件 基本微分方程的定解条件包括边界条件和初始条件。对于稳定渗流，其定解条件 仅为边界条件。 ( 1 ) 第一类边界条件( d i r i c h l e t 条件) ，又称为给定水头边界。 h ( x ，y ，z ) = 妒( x ，y ，z ) k y j ) 。r 式中：f i 为渗流区的边界，p ( x ，y ，z ) 为已知函数，x ，y ，z 位于边界f 上。 ( 2 1 5 ) ( 2 ) 第二类边界条件( n e u m a n n 条件) ，又称给定流量边界。 女掣|=g(x,y,z)l。蝎(2-h)on 式中：f ，为具有给定流入流量的边界段，月是f 2 的外法线方向。 对于二维各向异性渗透介质情况，这一边界条件又可写成 女，掣c 。s ( ) + 七，掣c 。s ( w ) ：g ( 2 十7 ) 翻洲 在绝水边界上，q = 0 ，此边界条件又可写成 型：0 锄 2 2 降雨入渗特点 ( 2 一l 一8 ) 地下水的来源主要是大气降水产生的地表入渗。大气降水在时间序列上是一间断 过程，降水量和降水频度又与季节密切相关。就一般而言，我国的6 9 月为雨季， 降水量占全年8 0 以上，降水频度大，但一次降水时间一般不超过一昼夜。其他月份 降雨量小，频度小。由于一年内降雨极不均匀，地下水位变幅很大。但如果有地表风 化壳蓄水构造带，能对极不均衡的降水入渗过程起到调节作用，地下水位年变幅将能 第二章渗流某本理论及降雨入渗渗流场分析 显著减小直至大体稳定 2 9 】。 大气降水至地面即开始入渗过程。若地表上层或岩层湿度不大，在分子引力作 用下降水为地表介质吸收为薄膜水，当薄膜水量达到最大值，入渗水则充填介质中 的毛细裂隙形成毛细水，即所谓毛细下渗。岩体裂隙的开度很不均匀，毛细水只能 填充缝隙内较小的那部分面积，开度较大的那部分裂隙仍为空气所占据，介质处于 非饱和状态，形成非饱和渗流。当地下水位埋深较浅，降水强度大且持续时间较长 时，地下水位逐渐上升到地表而达到饱和状态，形成连续的饱和渗流。通常地下水 位埋藏均有一定深度，一次降水地下水位上升值不大，难以达到饱和入渗的条件。 尤其在山区，山体的水位维持在一个很高的水平，所以对山区的降水而言，入渗过 程基本是非饱和的1 4 ”。 降雨入渗是一个动态的、随时间和空间变化十分强烈的过程。雨水的入渗量受降 雨强度、降雨历时、地表介质的物理性质、入渗面坡度、粗糙程度、植被情况等诸多 因素的影响。当降雨强度超过她表介质的入渗能力时，将在表面产生径流或积水，向 介质内部形成不断扩大的饱和区，此时，介质中水分的运动为饱和一非饱和流动。这 种模型可称为“积水模型”。如果降雨强度低于入渗能力，入渗过程受供水能力控制， 可称之为“降水模型”。一般降雨过程可分为两个阶段：开始时，地表的含水率梯度 很大，入渗率很高，一般而言大于降雨强度，这一阶段称为通量控制阶段，这一阶段 属于无压入渗或自由入渗。随着入渗的进行，含水率梯度不断减小，入渗率也不断降 低，当小于降雨强度时，开始形成地表径流或积水，这一阶段称为剖面控制阶段，为 有压入渗。因此，实际的入渗量取决于介质的初始含水量、降雨强度和持时以及表面 径流量。降雨八渗的概念模型如图2 2 1 所示口。 如上所述，降雨入渗过程十分复杂，要完全模拟这一过程难度很大。对于实际工 程而言，可以用一种简单而又有效的方法来解决这一问题。在一定的水文地质条件下， 我们可以考虑对某一时间段( 如一年) 内整个降雨过程对地下水位的综合影响效应。 因此，可用等效入渗强度来代替极不恒定的降雨入渗过程，从而为解决这种问题提供 一种简单而又有效的方式。 河海大学硕：l ：学位论文 图2 - 2 1入渗概念模型 2 3 有自由亟渗流分析概述 2 3 1 有自由面渗流场数值模拟的研究现状 在早期进行的渗流场数值模拟研究中，人们一般只注意饱和渗流区的渗流场模 拟，常用的方法有变网格法和固定网格法。在求解有自由面的饱和渗流问题的过程中， 作为渗流域边界的自由面位置是待求的。变网格法沿用了6 0 年代中期z i e n k i e w i c z 等 提出的解有压渗流问题的方法，即将自由面作为可变边界处理，在迭代过程中修改自 由面的位置，使网格发生相应变化，直到自由面位置稳定为止。这种方法虽然成功的 运用于渗流计算，但具有自身无法避免的缺陷。主要有以下几个方面： ( 1 ) 当初始自由面位置和最终自由面位置相差较大时，网格将会过分变形而导 致畸形，影响解题精度甚至不收敛，有时在计算过程中须对网格重新剖分。 ( 2 ) 在每一次迭代中，计算网格都要随自由面的变动而变动，总体传导矩阵要 重新计算和分解，计算量较大。 ( 3 ) 自由面附近有不均匀介质，特别是有水平分层不同渗流介质时，网格移动 第二章 渗流慕本理论及降雨入渗渗流场分析 会破坏介质分区边界。 ( 4 ) 渗流域内有结构物时，网格移动会改变结构边界。 ( 5 ) 进行渗流分析和应力与稳定分析时，有限元网格难以统一。 针对变网格法的上述缺陷，国内外的学者致力于寻找有自由面渗流问题求解的瓤 方法，其研究核心是不变网格法。在固定网格法发展应用中，比较有影响的几种方法 是：n e u m a n 于1 9 7 3 年提出的g a l e r k i n 方法；d e s a i 于1 9 7 6 年提出的剩余流量法，并 于1 9 8 3 年发展到用于计算不稳定渗流：b a t h e 于1 9 7 9 年提出的传导矩阵调整法及李 春华1 9 8 6 年针对其在三维问题上应用提出的改进法 3 3 1 ：张有天等于1 9 8 8 年在剩余流 量法的基础上引用类似于非线性应力分析中的初应力概念提出初流量法【3 4 1 ；朱岳明于 1 9 9 1 年提出结点虚流量法 3 5 】：吴梦喜于1 9 9 4 年提出有自由面渗流分析的虚单元法 3 6 】； 梁业国等于1 9 9 7 年提出有自由面渗流分析的子单元法【3 ”。 2 3 2 单元传导矩阵调整法 单元传导矩阵调整法由b a t h e 于1 9 7 9 年提出的，它是将全域剖分成单元，在自 由面以上的各单元，其渗透系数k = 0 ，但为了计算的稳定性，自由面以上单元的渗 透系数给- - d 值，b a t h e 建议： h z 时，k = k h z ) ，自由面以上为非饱和区( z 时，f = 0 ，因此可将饱和与非饱和渗透张量统一用k f 来表示。若 不考虑渗流与应力耦合，对稳定渗流的水头函数可写出如下的泛函关系 u ( = 吉鼻( 亿一州( 芸) 2 + ( 2 + ( 2 】) 艘一a 盯 式中：r 2 表示第二类边界条件，即有入渗的边界；q 为入渗强度。 将分析域剖分成单元，对每一个单元p ，其内部坐标x ? 及水头h 8 均采用同一插 值函数i n ，而与其在结点上的值有如下的关系 h 8 ( r ，s ，f ) = 砩。 x ? ( ，s ，f ) = ) 。 式中：( r ，s ，r ) 为单元内的自然坐标。 对单元q 。，将上述关系式代入泛函式r 取变分可得如下基本方程 归九k 。”】m 。一p 7 f b l d n 。 哪8 = 【 7 协。d r n 。n ，e 9 第二二章渗流基奉理论及降雨入渗渗流场分析 式中 将所有单元集合并经简化得： 【k 】 协= 俾) + r ，) 旧= 别7 i x ，】 b 擒。 8 = f 】 g ) 订 。q - 肛】， f b d 9 2 l h 。 2 4 3 3等效入渗强度法对过渡单元的处理 所谓过渡单元是指在这一单元中既存在饱和渗流，也存在非饱和渗流。处理这些 单元的过程，也即确定饱和区与非饱和区分界线的过程。对于有自由面的无压渗流来 讲，这个面被称为自由面，但在本文模拟计算中的这个面并非严格意义上的“自由面”， 因为在这个面上并不满足流量为零的条件。在实际的求解过程中，仅把它作为p = 0 的 一个压力面。 过渡单元的处理方法很多【3 3 【3 4 】【3 6 【3 7 1 ，但需要注意的是，非饱和区的单元不能 被甩掉，它们也是组成整个渗流场的重要部分。本文在应用这一方法时引用了文献 3 6 中的单元渗透矩阵调整法的概念。出于文中算例使用的是三角形单元，故是根据结点 所处的状态( 饱和区或非饱和区) 来确定单元的渗透系数的。每个结点在最终的渗透 系数中的权值为l 3 。 2 ，4 3 4 等效入渗强度法的计算步骤 ( 1 ) 假设整个计算区域饱和，计算在此入渗条件下稳定渗流场的水头分布口) ( 2 ) 根据 ：旦+ z 计算p ，对于所有结点的p 都小于零的单元，令其渗透系数 y 等于入渗强度，而对于所有结点的p 都大于零的单元，其渗透系数仍等于饱和渗透系 数； 2 0 河海大学硕：b 学位论文 ( 3 ) 将单元新的渗透系数代入，再次求解在此边界条件下的渗流场的水头分布， 直到前后两次求得的水头差小于某一控制精度，停止迭代，输出结果。 为保证迭代的稳定性，实际计算中一般取非饱和渗透系数略大于入渗强度( 主要 是考虑到计算机舍入误差的影响) 。 2 4 3 5 溢出边界的处理 由于零压力面是通过迭代计算求得的，所以溢出边界的最高点也要通过不断调整 才能确定。在计算过程中，一般是先假设一排较低的点为溢出点，待迭代过程结束后， 算出每个结点的流量。若所有结点的流量都为负( 即流出) ，则向上增加溢出点的个 数，直到边界最高点的结点流量为正( 即流入) ，则将由此时所有的溢出点组成的边 界作为近似的溢出边界。 2 5 锦屏二级水电站深埋隧洞区域初始渗流场分析 等效入渗强度法在实际工程中的应用 2 5 1 计算模型和计算假定 锦屏二级水电站引水隧洞地处锦屏高山地区，地下水的来源主要是大气降水和降 雪而产生的入渗。降水和降雪而产生的入渗，其地下水运动有着自身特殊的规律性。 降水入渗过程是一个非常不稳定的过程，入渗率又与地表介质的含水量密切相关，这 种入渗过程非常复杂，在分析时要完全模拟这一过程难度较大。由于该地区地下水位 部分在风化壳内，因此存在一个风化壳储水构造带，对这类问题可以进行简化，用等 效入渗率来代表极不恒定的降水入渗过程【5 “。 引水隧洞洞线( 景峰桥一大水沟) 的洞线长度为1 6 6 2 5 k m ，洞线方向n 5 8 。w ， 最大埋深2 5 2 5 m ，埋深大于1 5 0 0 m 的洞线长度约为1 2 5 k m 。计算断面选在杂谷脑组大 理岩t 2 ：( 该岩层相对稳定，结构致密、质纯) 之最大埋深处，两边出水边界分别为 第二章渗流基本理论及降雨入渗渗流场分析 老庄子泉和磨房沟泉。不考虑东西雅砻江形成的渗流场影响，高程1 0 0 0 m 以下为相 对不透水层。入渗强度= 1 9 0 x1 0 c m s ：该区域的渗透系数取为k = 4 6 3x 1 0 c m s 。有限元计算网格如图2 - 5 1 所示。单元总数为1 3 8 8 2 ，结点总数为7 0 3 3 。 图2 - 5 1 渗流计算有限元网格图 图2 - 5 - 2 初始渗流场压力分布单位：k p a 2 5 2 初始渗流场分析 初始渗流场是指隧洞在没有施工时其自然状态下的渗流场。工程区的初始渗流场 是工程区水文地质情况最真实的反映，它作为渗流分析的初始条件，对准确确定工程 区水文地质参数至关重要，是渗控分析的基础，其准确性决定了将来渗控计算结果的 合理性和精度。工程区内的地下初始渗流场分布规律受地层岩性、地质构造、地下水 动力条件、地形地貌及新构造运动及岩溶发育的影响。 采用上面讲述的渗流场分析的有限单元方法对锦屏二级水电站引水隧洞区域初始 渗流场进行计算分析，得出其渗流场压力分布见图2 5 2 。由于岩体渗透较大，地下水 位受两边排泄条件及岩体渗透性的影响，造成浸润线总体上分布较为平缓，在隧洞中 部最大埋深处，地下水埋藏较深，洞线处最高地下水位大约为2 8 0 0 r f l 。 第三章 岩体水文地质参数的反演分析 第三章岩体水文地质参数的反演分析 水文地质参数的正确确定，是渗流分析的基础和决定其成败的关键。因此，在大 量的地质勘探、压水试验及原位观测数据分析的基础上进行建模和反演求解水文地质 参数来提高渗流分析的可靠性和实用性是至关重要的。目前广泛采用有限元离散一优 化的方法求解这类参数反问题。本章就是基于有限元离散一优化的方法来反演确定岩 体水文地质参数的。 3 1 概述 在水利工程中，为了尽量弄清岩体地质构造体系及其渗流特性等，一般事先都得 进行大量地质勘探、压水试验及地下水水位的观测等工作，有时还尽可能准确地对地 质平硐等洞室中的地下水突逸点和天然泉水的出露点进行认真观测和记录。这些现场 观测资料是岩体中各种实际渗流影响因素综合影响结果的集中表现。因此，按某种或 某些算法，依据尽可能多的测点的原始观测数据来反演岩体水文地质参数的工作已是 岩体渗流场求解与渗流控制设计工作的重要组成部分。近年来这一工作己越来越受重 视。 对于此类参数反问题，最经典、最古老的求解方法是解析法，工程水力学中许多 著名的反求参数的公式都是用解析方法推得的。但对于实际工程水力学反问题，由于 研究区域的形状、范围及控制方程较为复杂，由此形成的数学模型无法用解析的方法 直接求反问题的解【i 叭。目前广泛采用有限元离散一优化的方法求解这类较为复杂的工 程水力学反问题。 地下水的运动可以用有限单元等数值方法来模拟，这种方法能解决复杂岩体及边 界条件下的渗流问题，但是目前最大的困难是不易获得准确可靠的渗透系数。传统的 确定渗透系数的方法是现场压水试验法，这种方法往往是通过现场压水试验由 j d u p u i t 公式或c v t h e s i s 公式解析求解实际渗流场的渗透系数。但是，这两个 公式只有在渗流介质和边界条件比较简单的情况下才适用，在工程实际中，由于研究 区域的形状、范围及控制方程较为复杂，由此形成的数学模型无法用解析的方法直接 求反问题的解：此外压水试验往往需要耗费大量的人力、物力和财力，试验所受的局 河海大学颂二b 学位论文 限性又很大；而且这种方法其结果的宏观代表性及综合性较差。因此，最大限度地从 现场大范围内测得的渗流资料中吸取信息，通过反分析综合地反演出岩体水文地质参 数等物理量是目前大家所关心的事。 3 2 1 反演的方法 3 2 1 1 解析法 3 2 反演的方法及基本原理 解析法是最古老、最经典的一种有效的反分析方法，工程水力学中许多著名的反 求参数的公式都是用解析方法推得的。由于大气降水的入渗补给或浅层潜水的蒸发等 因素的影响，潜水含水层中的地下水运动一般是非恒定流，但如果入渗是均匀的，即 时问和空间分布上都是比较均匀的情况下，则可以把潜水的运动近似作为恒定流来研 究( 见图3 2 1 ) 。 入渗强度 向j ，翻“矗 向， 1 0 ， 7 ，7 口_ - 一 x 一 图3 - 2 - 1 解析法水文地质模型 第三章岩体水文地质参数的