黃奕軒, 張誼鵬

(四川省川建勘察設(shè)計(jì)院, 四川成都 610031)

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隧道滲流場數(shù)值模擬的實(shí)現(xiàn)

黃奕軒, 張誼鵬

(四川省川建勘察設(shè)計(jì)院, 四川成都 610031)

依某高寒區(qū)隧道工程實(shí)際，對(duì)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面參數(shù)進(jìn)行實(shí)測，在此基礎(chǔ)上，利用Monte Carlo法生成節(jié)理貫通網(wǎng)絡(luò)圖，得到主要的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面。利用滲透張量法計(jì)算得到不同方向的滲透系數(shù)，同時(shí)利用單孔壓水試驗(yàn)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(yán)寒地區(qū)修建隧道時(shí)，凍害是必須要考慮的問題。運(yùn)用數(shù)值模擬方法計(jì)算隧道溫度場并結(jié)合現(xiàn)場溫度測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證的方法是目前隧道防凍層設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。目前工程上應(yīng)用的數(shù)值模擬方法多數(shù)只考慮了圍巖與空氣的對(duì)流換熱，比較少的綜合考慮水的滲流對(duì)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(duì)隧道滲流場的研究成果[1-4]，對(duì)隧道開挖前的滲流場進(jìn)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(jìn)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(shí)測

對(duì)隧址區(qū)的巖體節(jié)理裂隙進(jìn)行實(shí)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(luò)模擬

由實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析歸納得出隧址區(qū)結(jié)構(gòu)面分布特點(diǎn)，運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)測結(jié)構(gòu)面得到的數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得出節(jié)理結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)上生成巖體節(jié)理網(wǎng)絡(luò)圖。選擇兩個(gè)大角度相交的典型斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬，以更加全面的模擬反應(yīng)隧址的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)的分布情況。圖1、圖2為程序自動(dòng)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(luò)圖中可以看出，巖體中裂隙水的主滲流方向?yàn)閷永硌由旆较颍渌鼛捉M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(shí)輸入的數(shù)據(jù)

圖1　345°斷面節(jié)理網(wǎng)絡(luò)連通

圖2　256°斷面節(jié)理網(wǎng)絡(luò)連通

3　隧道滲流場模擬分析研究

3.1滲透張量的計(jì)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(yùn)動(dòng)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(yīng)用的基礎(chǔ)。

由滲透張量計(jì)算公式及現(xiàn)場實(shí)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(shí)測的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出各向異性的滲透張量。單孔壓水試驗(yàn)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(yàn)取得的平均滲透系數(shù)值和統(tǒng)計(jì)學(xué)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(bào)告中對(duì)降雨入滲法預(yù)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(duì)隧道各分段進(jìn)行賦值。降雨入滲補(bǔ)給量及入滲系數(shù)取值見表3。

3.3巖石力學(xué)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(xué)特性的試驗(yàn)結(jié)果取得的綜合參數(shù)，板巖及砂巖的力學(xué)參數(shù)如表4所示。

采用上述現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果及計(jì)算得出的滲流場模擬的重要參數(shù)，對(duì)隧道區(qū)的滲流場運(yùn)用有限元軟件進(jìn)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(duì)隧道滲漏水情況有了比較直觀的了解。

表3　降雨入滲補(bǔ)給量及入滲系數(shù)取值

表4　巖石力學(xué)參數(shù)取值

3.4模型邊界

模型均根據(jù)隧道實(shí)測剖面各點(diǎn)坐標(biāo)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(shí)測斷面坡面線建立模型。對(duì)隧道不同位置處賦不同的滲透參數(shù)進(jìn)行隧道滲流場的計(jì)算。計(jì)算隧道未開挖時(shí)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(shí)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(huì)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(duì)隧道圍巖節(jié)理裂隙特征進(jìn)行實(shí)測，利用Monte-Carlo法生成圍巖巖體節(jié)理網(wǎng)絡(luò)圖并繪制了貫通節(jié)理網(wǎng)絡(luò)圖，從貫通節(jié)理網(wǎng)絡(luò)圖中可以看出，巖體中裂隙水的主滲流方向?yàn)閷永硌由旆较颍渌鼛捉M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(yīng)該重點(diǎn)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(duì)準(zhǔn)確的滲流速度參數(shù)。

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黃奕軒(1983～)，男，學(xué)士，工程師，從事建筑工程建設(shè)項(xiàng)目管理工作。

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[定稿日期]2016-03-24