節理巖體中隧道開挖后滲流場重分布影響因素研究

耿　萍，丁　梯，何　悅，晏啟祥

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都　610031)

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節理巖體中隧道開挖后滲流場重分布影響因素研究

耿萍，丁梯，何悅，晏啟祥

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都610031)

摘要：在富水地區的節理巖體中開挖隧道會打破原有的滲流平衡，形成新的滲流場，造成突水等災害。考慮流固耦合作用，運用離散元理論，建立垂直交叉節理巖體模型，以洞周測點的流量為指標，從地應力、水位高度和節理法向剛度等方面進行隧道開挖后節理巖體滲流場重分布的影響因素研究，并從開挖前后節理隙寬和水壓力變化分析影響產生的原因，結論可為進一步研究圍巖穩定性和突水災害等提供參考。

關鍵詞：富水隧道；節理巖體；滲流；離散元；流固耦合

1概述

隧道在富水地區施工時常伴有高壓涌水等問題，富水地區隧道開挖時的滲流問題也是學者們關注的重點[1-3]。

在長期的地質作用過程中，巖體常伴有不同發育程度的節理產生，由于其滲透系數遠大于巖體本身，因而成為了地下水的主要流動通道。在節理巖體中進行隧道施工時，洞周節理處的滲流問題是考慮的重點。此時，一方面滲流產生滲透壓力，減少了節理面上的有效法向應力，從而影響了巖體的變形和穩定；另一方面，滲流特性又依賴于節理的應力和變形，由此一來節理巖體變形和滲流便形成了復雜的耦合作用[4-7]。

隧道開挖后節理巖體的變形和滲流特性會受到諸多因素的影響，并進一步影響二者的耦合作用。文獻[8-10]對富水地區隧道開挖后的流固耦合作用進行了研究；文獻[11-13]分析了節理走向、傾角、構造應力等對圍巖穩定性的影響；文獻[14-15]分析了圍巖加固注漿對隧道開挖后含裂隙巖體滲流場重分布的影響；文獻[16]對節理在不同接觸狀態下的滲流特性進行了模型試驗研究。

本文運用離散元理論，建立垂直交叉節理巖體模型進行數值分析，從地應力、水位高度和節理法向剛度等因素對隧道開挖后節理巖體滲流場重分布的影響進行研究，可為進一步研究圍巖穩定性和突水災害等提供參考。

2基于離散元的流固耦合算法

離散元理論的基礎是假設介質為離散塊體的集合，因而某一塊體不會受到鄰接塊體變形協調的約束，但該塊體自身需滿足平衡方程。液體流動的數值計算是利用區域結構來實現的，即對于一個封閉系統來說，存在一個區域網絡，每一個區域假設充滿具有統一壓力的液體，并且通過接觸與相鄰塊體相連。在圖1中，區域①～⑤被接觸點A～F分割，區域⑤是一個空間，區域①、③和④代表節理，區域②處于兩條節理的交界處，接觸點是塊體相互作用力傳遞的點。

注:①～⑤表示區域，A-F表示接觸點。圖1　節理間的流體模型

區域中液體壓力假設根據靜水梯度線性變化，相鄰區域間的流動由壓力差計算決定。根據接觸類型的不同，流動速度有兩種計算方法。

注：秒表示計算時間步，不與實際時間等價圖2　各影響因素下洞周各測點的流量值

(1)對于點-點接觸或點-邊接觸，

液體由壓力為p1的區域流到壓力為p2的區域的流動速度q由式(1)可得。

(1)

其中，kc為單點接觸滲透系數；

(2)

式中，ρw為流體密度；g為重力加速度；y2、y1為區域中心的重力方向坐標值。

(2)對于邊-邊接觸，可定義接觸長度，為左邊區域的一半加上右邊區域的一半。流動速度q由式(3)可得

(3)

其中，kj為節理滲透系數；a為接觸隙寬；l為區域間接觸所分配的長度。

3模型建立及計算工況

依托某工程實例，建立垂直交叉節理模型(傾角45°/135°)，節理間距D=1.5 m，隧道直徑7.4 m。模型上部采用應力邊界條件，左、右和下部采用位移邊界條件，同時在四周施加水力邊界條件，巖體及節理相關參數見表1。計算工況按影響因素分3類，共16組，見表2。

表1　巖體相關參數

表2　計算工況

4滲流影響因素分析

記錄節理與隧道相交的20個測點的流量時程，得到各測點穩定后的流量值并求和得洞周總流量值，如圖2所示。各工況下的流量極值點都出現在拱腳及拱肩處即隧道橫截面共軛45°方向，說明所研究的3種影響因素均不影響洞周流量大小的分布規律。

4.1　地應力的影響

圖2(a)顯示：隨著豎向地應力增加，洞周各測點的流量都逐漸減小。當豎向地應力為2 MPa時，洞周最大流量和總流量分別為0.095、1.54 m3/s；當豎向地應力增長到12 MPa時，洞周最大流量和總流量降低到0.020 8、0.26 m3/s。

通過對比各測點的隙寬和水壓力隨地應力的變化趨勢，發現主要有兩種類型，見圖3和圖4。

圖3　隙寬和水壓力隨地應力變化趨勢(類型1)

圖4　隙寬和水壓力隨地應力變化趨勢(類型2)

圖3和圖4均顯示：初始狀態，隙寬隨地應力增大逐漸減小但最終恒定，水壓力始終保持不變；開挖穩定后的水壓力隨地應力增大有微弱減小。

隙寬變化的規律不唯一，這是由于地應力會影響節理法向力，開挖后節理法向力、水壓力和隙寬又相互影響。當地應力較小時，節理法向力較小，若不足以彌補開挖后水壓力的釋放，則使隙寬減小，反之便會使隙寬增大；同理隨著地應力增大，開挖后節理巖體法向應力釋放足以彌補水壓力減小造成的隙寬減小，從而使隙寬增大，且增量隨地應力增大而增大。但無論哪種情況，開挖后的隙寬總是隨地應力的增大而減小，洞周流量也因此減小。

4.2　水位高度的影響

圖2(b)顯示：隨著水位高度的增加，洞周各測點的流量均都有所增加。當水位高度為75 m時，洞周最大流量和總流量分別為0.025 7、0.45 m3/s；當水位高度為175 m時，洞周最大流量和總流量升高到0.091 9、1.14 m3/s。

各測點的隙寬和水壓力隨地應力的變化趨勢一致，如圖5所示。

圖5　隙寬和水壓力隨水位高度變化趨勢

圖5顯示：初始狀態時隙寬和水壓力均隨水位高度增長而增大，但開挖穩定后，二者隨水位高度增長均僅有微弱增長。由此表明開挖穩定后的節理隙寬，即圍巖變形不受初始水壓力的控制，因為此時水壓力瞬間釋放，已經遠小于圍巖壓力，不足以影響隙寬。開挖穩定后隙寬和水壓力基本保持不變，使流量隨水位高度增長而增大。

4.3　節理法向剛度的影響

圖2(c)顯示：隨著節理法向剛度增加，洞周各測點的流量及洞周總流量都逐漸增加。當節理法向剛度為7.5 GN/m時，洞周最大流量和總流量分別為0.019 3、0.195 m3/s；當節理法向剛度為22.5 GN/m時，洞周最大流量和總流量升高到0.067 2、1.09 m3/s。

各測點的隙寬和水壓力隨地應力的變化趨勢也一致，如圖6所示。

圖6　隙寬和水壓力隨節理法向剛度變化趨勢

圖6顯示：初始狀態時，地應力不變，節理隙寬隨法向剛度增大而增大，且增大趨勢逐漸減緩，而初始水壓力則不隨之變化；開挖穩定后，不同法向剛度下節理隙寬均增大，且增量隨法向剛度增大而減小。由于不同法向剛度下的節理隙寬差別較大，而水壓力釋放量基本保持不變，因此使得洞周測點的流量受法向剛度的影響較大，且可假設當法向剛度達到無窮大時節理隙寬最大且將保持不變，此時洞周流量為最大。

5結論

(1)隧道開挖后，水壓力和節理巖體圍巖壓力得到釋放，洞周滲流場重新分布，地應力、水位高度和節理法向剛度對于洞周滲流均有影響，但均不影響洞周流量大小的分布規律，拱腳和拱肩即隧道橫截面共軛45°方向為流量極值點。

(2)地應力的增大使開挖前后的節理隙寬均減小，從而使開挖后洞周流量隨之減小；水位高度影響初始水壓力，不影響開挖后的洞周節理隙寬和水壓力，因此洞周流量隨水位高度增長而增大；節理法向剛度直接影響開挖前后的節理隙寬，法向剛度越大，開挖前后的隙寬越大，因此洞周流量也越大。

(3)節理巖體中隧道開挖后洞周流量大小主要取決于水壓力釋放量和開挖后節理隙寬。水位高度影響前者，地應力和節理法向剛度影響后者。本文結論可為進一步研究節理巖體下隧道施工圍巖穩定性和圍巖突水災害等問題提供參考。

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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

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

基金項目：國家自然科學基金(51378433，51578457)

收稿日期：2015-06-08； 修回日期：2015-06-17

中圖分類號：U451

文獻標識碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.024

文章編號：1004-2954(2016)01-0111-03