隧道滲流場數(shù)值模擬的實現(xiàn)

黃奕軒, 張誼鵬

(四川省川建勘察設計院, 四川成都 610031)

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隧道滲流場數(shù)值模擬的實現(xiàn)

黃奕軒, 張誼鵬

(四川省川建勘察設計院, 四川成都 610031)

依某高寒區(qū)隧道工程實際，對現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面參數(shù)進行實測，在此基礎(chǔ)上，利用Monte Carlo法生成節(jié)理貫通網(wǎng)絡圖，得到主要的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面。利用滲透張量法計算得到不同方向的滲透系數(shù)，同時利用單孔壓水試驗修正，得到裂隙巖體的滲透系數(shù)張量。采用有限元軟件模擬隧道的滲流場，模擬結(jié)果為下一步滲流場影響溫度場的數(shù)值模擬提供滲流速度的參數(shù)。

隧道；Monte Carlo法；滲透張量法；裂隙巖體；滲流場

高海拔嚴寒地區(qū)修建隧道時，凍害是必須要考慮的問題。運用數(shù)值模擬方法計算隧道溫度場并結(jié)合現(xiàn)場溫度測量數(shù)據(jù)驗證的方法是目前隧道防凍層設計的主要依據(jù)。目前工程上應用的數(shù)值模擬方法多數(shù)只考慮了圍巖與空氣的對流換熱，比較少的綜合考慮水的滲流對圍巖溫度場的影響。本文以省道S303線某高海拔隧道為依托工程，結(jié)合前人對隧道滲流場的研究成果[1-4]，對隧道開挖前的滲流場進行數(shù)值模擬，為滲流影響下的隧道溫度場模擬提供參數(shù)。

1　隧道概況

隧道位于四川省省道S303線小金縣，進口海拔3 849 m，出口海拔3 852 m。隧址區(qū)年平均氣溫1.8℃，其中12月～次年1月平均氣溫在-5℃以下。隧址區(qū)地層以三疊系中統(tǒng)雜谷腦組和三疊系上統(tǒng)侏倭組的砂巖夾板巖為主。

2　裂隙水滲流場模擬

2.1隧道圍巖結(jié)構(gòu)面實測

對隧址區(qū)的巖體節(jié)理裂隙進行實測，取得8條斷面1 000

余組結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)。節(jié)理裂隙主要發(fā)育有三組。J1：244°～286°<35°～82°，間距0.25～0.85 m；J2：160°～185°<48°～82°，間距0.05～0.2 m；J3：75°～100°<52°～80°，間距0.1～0.5 m。巖層層理產(chǎn)狀為335°～348°<78°～79°，間距0.2～0.6 m。

2.2結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡模擬

由實測數(shù)據(jù)進行分析歸納得出隧址區(qū)結(jié)構(gòu)面分布特點，運用現(xiàn)場實測結(jié)構(gòu)面得到的數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果，得出節(jié)理結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡模擬原始數(shù)據(jù)，如表1所示。

將表1的數(shù)據(jù)輸入到利用Monte Carlo法編制的程序中，在計算機上生成巖體節(jié)理網(wǎng)絡圖。選擇兩個大角度相交的典型斷面進行結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡模擬，以更加全面的模擬反應隧址的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡的分布情況。圖1、圖2為程序自動生成的去除盲裂隙結(jié)構(gòu)面節(jié)理連通圖，可反映節(jié)理面在斷面上的滲透方向。從貫通節(jié)理網(wǎng)絡圖中可以看出，巖體中裂隙水的主滲流方向為層理延伸方向，其它幾組節(jié)理的貫通性較差，主要起到各層理面之間連通的作用。

表1　Monte-Carlo模擬時輸入的數(shù)據(jù)

圖1　345°斷面節(jié)理網(wǎng)絡連通

圖2　256°斷面節(jié)理網(wǎng)絡連通

3　隧道滲流場模擬分析研究

3.1滲透張量的計算

滲透張量反映了巖體結(jié)構(gòu)面滲透能力的各向異性的特性，是用來反映隧道裂隙水運動規(guī)律分布特征的最常用的方法，具有比較成熟的理論和應用的基礎(chǔ)。

由滲透張量計算公式及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)得出滲透張量的主軸和主滲透系數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場實測的多組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計得出各向異性的滲透張量。單孔壓水試驗資料可求得均質(zhì)各向同性滲透系數(shù)值，綜合利用壓水試驗取得的平均滲透系數(shù)值和統(tǒng)計學方法得到的滲透系數(shù)張量方向，即可獲得裂隙巖體的滲透系數(shù)張量，如表2所示。

表2　滲透張量取值結(jié)果

3.2滲透系數(shù)取值

根據(jù)隧址區(qū)區(qū)氣象資料及隧道勘察報告中對降雨入滲法預測隧道涌水量中描述的各分段的降雨入滲系數(shù)估算降雨下滲的系數(shù)對隧道各分段進行賦值。降雨入滲補給量及入滲系數(shù)取值見表3。

3.3巖石力學參數(shù)取值表

隧址地區(qū)主要為砂巖、板巖及其互層，巖石的各種力學特性的試驗結(jié)果取得的綜合參數(shù)，板巖及砂巖的力學參數(shù)如表4所示。

采用上述現(xiàn)場實測結(jié)果及計算得出的滲流場模擬的重要參數(shù)，對隧道區(qū)的滲流場運用有限元軟件進行數(shù)值模擬，以比較直觀的觀察到隧道圍巖裂隙水沿縱向的分布規(guī)律，對隧道滲漏水情況有了比較直觀的了解。

表3　降雨入滲補給量及入滲系數(shù)取值

表4　巖石力學參數(shù)取值

3.4模型邊界

模型均根據(jù)隧道實測剖面各點坐標建立的1∶1的模型，模型長度8 000 m，厚度為3 500 m。模型根據(jù)隧道實測斷面坡面線建立模型。對隧道不同位置處賦不同的滲透參數(shù)進行隧道滲流場的計算。計算隧道未開挖時初始平衡滲流場。

3.5模擬結(jié)果

圖3、圖4顯示了隧道未開挖時滲流場的整體情況，從圖中可以看到由于隧道不同位置的滲透系數(shù)的各向異性及隧道上方地形的影響，山體初始滲流場在F1斷層斷裂破碎帶、夾金山向斜及美興鎮(zhèn)背斜等易形成匯水通道的地質(zhì)構(gòu)造處會引起壓力水頭減小，壓力水頭在斷層破碎帶及褶皺影響范圍內(nèi)分帶，可以判斷這些地方滲流量較大。

圖3　山體縱斷面初始滲流場水頭等值線

圖4　山體縱斷面初始滲流場孔隙壓力云圖

4　結(jié)　論

(1)對隧道圍巖節(jié)理裂隙特征進行實測，利用Monte-Carlo法生成圍巖巖體節(jié)理網(wǎng)絡圖并繪制了貫通節(jié)理網(wǎng)絡圖，從貫通節(jié)理網(wǎng)絡圖中可以看出，巖體中裂隙水的主滲流方向為層理延伸方向，其它幾組節(jié)理的貫通性較差。

(2)隧道開挖后在F1斷層破碎帶、夾金山向斜及美興鎮(zhèn)背斜處形成匯水通道隧道使得該處的壓力水頭及孔隙壓力出現(xiàn)陡降，可以判斷出這些位置處的滲流量較大，特別是美

興鎮(zhèn)背斜處壓力水頭值陡降的趨勢更為明顯，隧道最大滲流量可能出現(xiàn)在美興鎮(zhèn)背斜處。在隧道開挖過程中，應該重點注意這些區(qū)段的涌水情況。

(3)隧道滲流場的模擬結(jié)果為下一步滲流場影響溫度場的數(shù)值模擬提供了相對準確的滲流速度參數(shù)。

[1]顏佳林, 黃武. 隧道地下水滲流場和水位的變化規(guī)律[J]. 交通科學與工程, 2015,31(2)：58-63.

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黃奕軒(1983～)，男，學士，工程師，從事建筑工程建設項目管理工作。

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[定稿日期]2016-03-24