黄奕轩, 张谊鹏

(四川省川建勘察设计院, 四川成都 610031)



隧道渗流场数值模拟的实现

黄奕轩, 张谊鹏

(四川省川建勘察设计院, 四川成都 610031)

依某高寒区隧道工程实际，对现场结构面参数进行实测，在此基础上，利用Monte Carlo法生成节理贯通网络图，得到主要的优势结构面。利用渗透张量法计算得到不同方向的渗透系数，同时利用单孔压水试验修正，得到裂隙岩体的渗透系数张量。采用有限元软件模拟隧道的渗流场，模拟结果为下一步渗流场影响温度场的数值模拟提供渗流速度的参数。

隧道；Monte Carlo法；渗透张量法；裂隙岩体；渗流场

高海拔严寒地区修建隧道时，冻害是必须要考虑的问题。运用数值模拟方法计算隧道温度场并结合现场温度测量数据验证的方法是目前隧道防冻层设计的主要依据。目前工程上应用的数值模拟方法多数只考虑了围岩与空气的对流换热，比较少的综合考虑水的渗流对围岩温度场的影响。本文以省道S303线某高海拔隧道为依托工程，结合前人对隧道渗流场的研究成果[1-4]，对隧道开挖前的渗流场进行数值模拟，为渗流影响下的隧道温度场模拟提供参数。

1　隧道概况

隧道位于四川省省道S303线小金县，进口海拔3 849 m，出口海拔3 852 m。隧址区年平均气温1.8℃，其中12月～次年1月平均气温在-5℃以下。隧址区地层以三叠系中统杂谷脑组和三叠系上统侏倭组的砂岩夹板岩为主。

2　裂隙水渗流场模拟

2.1隧道围岩结构面实测

对隧址区的岩体节理裂隙进行实测，取得8条断面1 000

余组结构面数据。节理裂隙主要发育有三组。J1：244°～286°<35°～82°，间距0.25～0.85 m；J2：160°～185°<48°～82°，间距0.05～0.2 m；J3：75°～100°<52°～80°，间距0.1～0.5 m。岩层层理产状为335°～348°<78°～79°，间距0.2～0.6 m。

2.2结构面网络模拟

由实测数据进行分析归纳得出隧址区结构面分布特点，运用现场实测结构面得到的数据的数理统计结果，得出节理结构面网络模拟原始数据，如表1所示。

将表1的数据输入到利用Monte Carlo法编制的程序中，在计算机上生成岩体节理网络图。选择两个大角度相交的典型断面进行结构面网络模拟，以更加全面的模拟反应隧址的结构面网络的分布情况。图1、图2为程序自动生成的去除盲裂隙结构面节理连通图，可反映节理面在断面上的渗透方向。从贯通节理网络图中可以看出，岩体中裂隙水的主渗流方向为层理延伸方向，其它几组节理的贯通性较差，主要起到各层理面之间连通的作用。

表1　Monte-Carlo模拟时输入的数据

图1　345°断面节理网络连通

图2　256°断面节理网络连通

3　隧道渗流场模拟分析研究

3.1渗透张量的计算

渗透张量反映了岩体结构面渗透能力的各向异性的特性，是用来反映隧道裂隙水运动规律分布特征的最常用的方法，具有比较成熟的理论和应用的基础。

由渗透张量计算公式及现场实测数据得出渗透张量的主轴和主渗透系数。根据现场实测的多组数据进行统计得出各向异性的渗透张量。单孔压水试验资料可求得均质各向同性渗透系数值，综合利用压水试验取得的平均渗透系数值和统计学方法得到的渗透系数张量方向，即可获得裂隙岩体的渗透系数张量，如表2所示。

表2　渗透张量取值结果

3.2渗透系数取值

根据隧址区区气象资料及隧道勘察报告中对降雨入渗法预测隧道涌水量中描述的各分段的降雨入渗系数估算降雨下渗的系数对隧道各分段进行赋值。降雨入渗补给量及入渗系数取值见表3。

3.3岩石力学参数取值表

隧址地区主要为砂岩、板岩及其互层，岩石的各种力学特性的试验结果取得的综合参数，板岩及砂岩的力学参数如表4所示。

采用上述现场实测结果及计算得出的渗流场模拟的重要参数，对隧道区的渗流场运用有限元软件进行数值模拟，以比较直观的观察到隧道围岩裂隙水沿纵向的分布规律，对隧道渗漏水情况有了比较直观的了解。

表3　降雨入渗补给量及入渗系数取值

表4　岩石力学参数取值

3.4模型边界

模型均根据隧道实测剖面各点坐标建立的1∶1的模型，模型长度8 000 m，厚度为3 500 m。模型根据隧道实测断面坡面线建立模型。对隧道不同位置处赋不同的渗透参数进行隧道渗流场的计算。计算隧道未开挖时初始平衡渗流场。

3.5模拟结果

图3、图4显示了隧道未开挖时渗流场的整体情况，从图中可以看到由于隧道不同位置的渗透系数的各向异性及隧道上方地形的影响，山体初始渗流场在F1断层断裂破碎带、夹金山向斜及美兴镇背斜等易形成汇水通道的地质构造处会引起压力水头减小，压力水头在断层破碎带及褶皱影响范围内分带，可以判断这些地方渗流量较大。

图3　山体纵断面初始渗流场水头等值线

图4　山体纵断面初始渗流场孔隙压力云图

4　结　论

(1)对隧道围岩节理裂隙特征进行实测，利用Monte-Carlo法生成围岩岩体节理网络图并绘制了贯通节理网络图，从贯通节理网络图中可以看出，岩体中裂隙水的主渗流方向为层理延伸方向，其它几组节理的贯通性较差。

(2)隧道开挖后在F1断层破碎带、夹金山向斜及美兴镇背斜处形成汇水通道隧道使得该处的压力水头及孔隙压力出现陡降，可以判断出这些位置处的渗流量较大，特别是美

兴镇背斜处压力水头值陡降的趋势更为明显，隧道最大渗流量可能出现在美兴镇背斜处。在隧道开挖过程中，应该重点注意这些区段的涌水情况。

(3)隧道渗流场的模拟结果为下一步渗流场影响温度场的数值模拟提供了相对准确的渗流速度参数。

[1]颜佳林, 黄武. 隧道地下水渗流场和水位的变化规律[J]. 交通科学与工程, 2015,31(2)：58-63.

[2]华福才. FLAC3D在青岛地铁渗流场中的应用[J]. 岩土力学，2013,34(1)：299-304.

[3]王道良，刘新荣，陈山泉，等. 连拱隧道围岩渗透系数对渗流场影响的数值模拟研究[J]. 西华大学学报: 自然科学版，2011,30(5):106-109.

[4]马龙祥，张冬梅. 软土盾构隧道稳定渗流分析[J].地下空间与工程学报, 2013,9(1)：37-42.

[5]郭红梅. 地下水数值模拟在济南地铁规划中的应用研究[J].勘察科学技术,2012(5)：32-37.

黄奕轩(1983～)，男，学士，工程师，从事建筑工程建设项目管理工作。

U451+.2

B

[定稿日期]2016-03-24