节理岩体中隧道开挖后渗流场重分布影响因素研究

耿　萍，丁　梯，何　悦，晏启祥

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都　610031)



节理岩体中隧道开挖后渗流场重分布影响因素研究

耿萍，丁梯，何悦，晏启祥

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都610031)

摘要：在富水地区的节理岩体中开挖隧道会打破原有的渗流平衡，形成新的渗流场，造成突水等灾害。考虑流固耦合作用，运用离散元理论，建立垂直交叉节理岩体模型，以洞周测点的流量为指标，从地应力、水位高度和节理法向刚度等方面进行隧道开挖后节理岩体渗流场重分布的影响因素研究，并从开挖前后节理隙宽和水压力变化分析影响产生的原因，结论可为进一步研究围岩稳定性和突水灾害等提供参考。

关键词：富水隧道；节理岩体；渗流；离散元；流固耦合

1概述

隧道在富水地区施工时常伴有高压涌水等问题，富水地区隧道开挖时的渗流问题也是学者们关注的重点[1-3]。

在长期的地质作用过程中，岩体常伴有不同发育程度的节理产生，由于其渗透系数远大于岩体本身，因而成为了地下水的主要流动通道。在节理岩体中进行隧道施工时，洞周节理处的渗流问题是考虑的重点。此时，一方面渗流产生渗透压力，减少了节理面上的有效法向应力，从而影响了岩体的变形和稳定；另一方面，渗流特性又依赖于节理的应力和变形，由此一来节理岩体变形和渗流便形成了复杂的耦合作用[4-7]。

隧道开挖后节理岩体的变形和渗流特性会受到诸多因素的影响，并进一步影响二者的耦合作用。文献[8-10]对富水地区隧道开挖后的流固耦合作用进行了研究；文献[11-13]分析了节理走向、倾角、构造应力等对围岩稳定性的影响；文献[14-15]分析了围岩加固注浆对隧道开挖后含裂隙岩体渗流场重分布的影响；文献[16]对节理在不同接触状态下的渗流特性进行了模型试验研究。

本文运用离散元理论，建立垂直交叉节理岩体模型进行数值分析，从地应力、水位高度和节理法向刚度等因素对隧道开挖后节理岩体渗流场重分布的影响进行研究，可为进一步研究围岩稳定性和突水灾害等提供参考。

2基于离散元的流固耦合算法

离散元理论的基础是假设介质为离散块体的集合，因而某一块体不会受到邻接块体变形协调的约束，但该块体自身需满足平衡方程。液体流动的数值计算是利用区域结构来实现的，即对于一个封闭系统来说，存在一个区域网络，每一个区域假设充满具有统一压力的液体，并且通过接触与相邻块体相连。在图1中，区域①～⑤被接触点A～F分割，区域⑤是一个空间，区域①、③和④代表节理，区域②处于两条节理的交界处，接触点是块体相互作用力传递的点。

注:①～⑤表示区域，A-F表示接触点。图1　节理间的流体模型

区域中液体压力假设根据静水梯度线性变化，相邻区域间的流动由压力差计算决定。根据接触类型的不同，流动速度有两种计算方法。

注：秒表示计算时间步，不与实际时间等价图2　各影响因素下洞周各测点的流量值

(1)对于点-点接触或点-边接触，

液体由压力为p1的区域流到压力为p2的区域的流动速度q由式(1)可得。

(1)

其中，kc为单点接触渗透系数；

(2)

式中，ρw为流体密度；g为重力加速度；y2、y1为区域中心的重力方向坐标值。

(2)对于边-边接触，可定义接触长度，为左边区域的一半加上右边区域的一半。流动速度q由式(3)可得

(3)

其中，kj为节理渗透系数；a为接触隙宽；l为区域间接触所分配的长度。

3模型建立及计算工况

依托某工程实例，建立垂直交叉节理模型(倾角45°/135°)，节理间距D=1.5 m，隧道直径7.4 m。模型上部采用应力边界条件，左、右和下部采用位移边界条件，同时在四周施加水力边界条件，岩体及节理相关参数见表1。计算工况按影响因素分3类，共16组，见表2。

表1　岩体相关参数

表2　计算工况

4渗流影响因素分析

记录节理与隧道相交的20个测点的流量时程，得到各测点稳定后的流量值并求和得洞周总流量值，如图2所示。各工况下的流量极值点都出现在拱脚及拱肩处即隧道横截面共轭45°方向，说明所研究的3种影响因素均不影响洞周流量大小的分布规律。

4.1　地应力的影响

图2(a)显示：随着竖向地应力增加，洞周各测点的流量都逐渐减小。当竖向地应力为2 MPa时，洞周最大流量和总流量分别为0.095、1.54 m3/s；当竖向地应力增长到12 MPa时，洞周最大流量和总流量降低到0.020 8、0.26 m3/s。

通过对比各测点的隙宽和水压力随地应力的变化趋势，发现主要有两种类型，见图3和图4。

图3　隙宽和水压力随地应力变化趋势(类型1)

图4　隙宽和水压力随地应力变化趋势(类型2)

图3和图4均显示：初始状态，隙宽随地应力增大逐渐减小但最终恒定，水压力始终保持不变；开挖稳定后的水压力随地应力增大有微弱减小。

隙宽变化的规律不唯一，这是由于地应力会影响节理法向力，开挖后节理法向力、水压力和隙宽又相互影响。当地应力较小时，节理法向力较小，若不足以弥补开挖后水压力的释放，则使隙宽减小，反之便会使隙宽增大；同理随着地应力增大，开挖后节理岩体法向应力释放足以弥补水压力减小造成的隙宽减小，从而使隙宽增大，且增量随地应力增大而增大。但无论哪种情况，开挖后的隙宽总是随地应力的增大而减小，洞周流量也因此减小。

4.2　水位高度的影响

图2(b)显示：随着水位高度的增加，洞周各测点的流量均都有所增加。当水位高度为75 m时，洞周最大流量和总流量分别为0.025 7、0.45 m3/s；当水位高度为175 m时，洞周最大流量和总流量升高到0.091 9、1.14 m3/s。

各测点的隙宽和水压力随地应力的变化趋势一致，如图5所示。

图5　隙宽和水压力随水位高度变化趋势

图5显示：初始状态时隙宽和水压力均随水位高度增长而增大，但开挖稳定后，二者随水位高度增长均仅有微弱增长。由此表明开挖稳定后的节理隙宽，即围岩变形不受初始水压力的控制，因为此时水压力瞬间释放，已经远小于围岩压力，不足以影响隙宽。开挖稳定后隙宽和水压力基本保持不变，使流量随水位高度增长而增大。

4.3　节理法向刚度的影响

图2(c)显示：随着节理法向刚度增加，洞周各测点的流量及洞周总流量都逐渐增加。当节理法向刚度为7.5 GN/m时，洞周最大流量和总流量分别为0.019 3、0.195 m3/s；当节理法向刚度为22.5 GN/m时，洞周最大流量和总流量升高到0.067 2、1.09 m3/s。

各测点的隙宽和水压力随地应力的变化趋势也一致，如图6所示。

图6　隙宽和水压力随节理法向刚度变化趋势

图6显示：初始状态时，地应力不变，节理隙宽随法向刚度增大而增大，且增大趋势逐渐减缓，而初始水压力则不随之变化；开挖稳定后，不同法向刚度下节理隙宽均增大，且增量随法向刚度增大而减小。由于不同法向刚度下的节理隙宽差别较大，而水压力释放量基本保持不变，因此使得洞周测点的流量受法向刚度的影响较大，且可假设当法向刚度达到无穷大时节理隙宽最大且将保持不变，此时洞周流量为最大。

5结论

(1)隧道开挖后，水压力和节理岩体围岩压力得到释放，洞周渗流场重新分布，地应力、水位高度和节理法向刚度对于洞周渗流均有影响，但均不影响洞周流量大小的分布规律，拱脚和拱肩即隧道横截面共轭45°方向为流量极值点。

(2)地应力的增大使开挖前后的节理隙宽均减小，从而使开挖后洞周流量随之减小；水位高度影响初始水压力，不影响开挖后的洞周节理隙宽和水压力，因此洞周流量随水位高度增长而增大；节理法向刚度直接影响开挖前后的节理隙宽，法向刚度越大，开挖前后的隙宽越大，因此洞周流量也越大。

(3)节理岩体中隧道开挖后洞周流量大小主要取决于水压力释放量和开挖后节理隙宽。水位高度影响前者，地应力和节理法向刚度影响后者。本文结论可为进一步研究节理岩体下隧道施工围岩稳定性和围岩突水灾害等问题提供参考。

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Research on Seepage Field Redistribution of Tunnel in Fractured Rock Mass

GENG Ping， DING Ti， HE Yue， YAN Qi-xiang

(Key laboratory of Transportation Tunnel Engineering， Ministry of Education， School of Civil Engineering，

Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Abstract：Tunneling in water-affluent area is likely to break the balance of seepage and form new seepage field， which may result in water outburst. Considering fluid-solid coupled interaction， this paper studies the effect of different crustal stress， water level and joint normal stiffness on seepage of tunnel in fractured rock. Causes of seepage changes resulted from different impact factors are analyzed by analyzing alterations of the width of fissure and water pressure before and after excavation. The conclusions may provide references for further researches on rock stability and water irruption.

Key words：Water-affluent tunnel; Jointed rock mass; Seepage; Discrete element; Fluid-solid coupled interaction

作者简介：耿萍(1964—)，女，教授，博士，E-mail：gengp@scjm.gov.cn。

基金项目：国家自然科学基金(51378433，51578457)

收稿日期：2015-06-08； 修回日期：2015-06-17

中图分类号：U451

文献标识码：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.024

文章编号：1004-2954(2016)01-0111-03