渗流场-隧洞结构 稳定分析 - 河海大学

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1、渗流场影响下的隧洞结构稳定分析杜小凯河海大学2006年5月1工作背景水工隧洞设计规范存在以下一些问题围岩弹性抗力取值隧洞设计方法协调问题水压在衬砌外缘的分布衬砌和钢筋内力的计算支护抗力计算公式修正隧洞设计方法协调问题问题以索风营工程为依托，针对上述隧洞设计存在的问题，首先对隧洞内水外渗、渗流场进行了研究。2裂隙岩体渗流场裂隙岩体渗流的模型等效连续介质模型裂隙网络模型双重介质模型2.1经典模型等效连续介质模型双重介质网络裂隙应用孔隙介质渗透理论、操作性好不是所有的裂隙岩体可以等效REV、等效水力参数难确定不能很好刻画裂隙渗透特性大规模

2、裂隙分布稀疏、研究区域看为非连续介质明确全部有效裂隙的集合参数假设两个重叠的连续系统，裂隙网络、岩块系统物质交换系数难以确定，影响拟真性模型说明：等效连续介质模型应用较广；裂隙网络模型、双重介质模型，需要详尽的地质勘测资料如：各裂隙的分布情况、产状等，较难应用。2.2采用的模型：分区同时考虑结构面和岩块的渗透，将较大结构面按准平面连续介质模型考虑（双向渗透），微细裂隙和岩块按等效连续介质模型处理。2.3控制方程（稳态）岩块部分结构面部分2.4算例图2算例模型洞径为10m、衬砌厚1m，外边界取为30倍的洞径，设衬砌有两条缝隙，恰和外部两组

3、结构面（六条）中的两条相交，且两组结构面分别与x轴方向（逆时针）成60°、300°，结构面宽1m、间距80m，内边界水头100m,外边界水头0m。岩块渗透系数为1E-7m/s（各向同性），结构面的渗透系数取为（1E-4m/s顺结构面方向、垂直结构面方向取为1E-7m/s），衬砌渗透系数取为1E-10m/s。如右图所示：2.5算例结果图3水头分布fig3Thedistributionofwaterhead对整个区域用四节点等参元剖分，采用商用软件GeoStudio(SEEP/W)进行了计算。水头分布如图3所示，由于结构面渗透系数较大，岩块

4、渗透系数很小。结构面为主要渗水通道，故结构面附近水头梯度变化较小，整个水头变化向四周渐进变化至0水头，图中的黑箭头很好地刻画了结构面的渗透特性。3渗流应力耦合及对衬砌作用影响3.1控制方程：式中：[K]为渗透矩阵；{H}为地下水水头向量；{Q}为渗流补给源；[S]为地下水储水矩阵；[Kn]为岩体的刚度矩阵；{u}为岩体位移向量；{R}为荷载向量；{}为节点水压力变化量；A为水压力作用面积；{σ}为应力向量；[G]为应力矩阵；f(σ)，g(σ)为应力σ的函数。四自由度全耦合法：基本思想是将渗流场与应力场作为同一场进行分析,建立以位移表示的

5、平衡微分方程和以渗流水压力表示的渗流方程,将两方程联立,建立同时以ｕ、ｖ、ｗ、ｐ为未知量的基本方程.大型稀疏非线性非对称方程组[Ｍ(σ)]{δ}={Ｆ(σ)}非对称性：波阵法转化为对称的来求解方程非线性：耦合初流量法河海大学：王媛教授3.2本构模型选用线性扩展Drucker-Prager本构模型：—摩擦角，—粘聚力，—单轴压缩屈服应力值，k—控制屈服面与PAI平面交线的形状，依赖中间主应力值。如下图3.3算例简图结构面：顺延结构面渗透系数取为，垂直结构面岩体：各向同性渗透，渗透系数取为衬砌：各向同性渗透，渗透系数取为裂纹：各向同性渗透，

6、渗透系数取为3.4结果比较（内水外渗计算结果与衬砌完好近似不透水，受内水压力计算结果对比）3.4.1孔压分布比较图6有裂缝—内水外渗图7衬砌完好图6孔压内边界（）；图7衬砌完好，受内水均布压力3.4.2衬砌上应力分布比较图8有裂缝—内水外渗图9衬砌完好图16有裂缝—内水外渗图17衬砌完好初步算例结果说明，考虑由于衬砌开裂，高强内水外渗，改变原有流场分布（地下水），内水外渗情况衬砌结构的应力小于衬砌完好情况下应力值。结语1岩体的水力学及力学性质主要由结构面（裂隙、节理）决定，结构面的性质对渗透性质有重要的影响。2同时考虑了岩块（包括微小裂

7、隙）、结构面的渗透特性，采用有限单元法处理,方法简单、理论成熟，且在计算结果上也较为精确。3在衬砌结构稳定性分析中，应同时考虑原有地下水、后继地下水渗流场对衬砌结构的影响（利与弊）。谢谢各位