数值法预测隧道涌水量及工程措施效果量化评估研究

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第3页来处理具有不透水侧向边界或者诸如河流式的定水头边界的潜水含水层；比廷杰等人(1967)简要地描述了数值模型的数学原理以及用来解产生的代数方程的各种计算方式，并描述了可能遇到的各种边界条件；Louis(1967，1970)、Knnehko(1975)、Neuzzl(1981)、Witherspoon(1981)、Moreno(1988)先后提出了粗糙面单裂隙中地下水渗流公式；1982年，Noorishad等对非连续节理岩体渗流与应力耦合进行了分析，提出了以节理元为基

2、础的有限元法博J。Killsall等(1984)研究了地下洞室开挖后围岩渗透系数的变化，提出了渗透系数与应力的关系；Meiri(1985)基于地下水非稳定流理论，运用有限单元法，提出地下水自由流动的计算模型【91；1985年，Barton对工程岩体地下水渗流场、应力场与温度场之间的耦合作用进行了初步的探讨性研究，但只是针对工程岩体的稳定性和冻土地区隧道涌水问题进行了个别应用研究【l叫；1986年Oda运用渗透率张量和应力张量法，提出了岩体渗流场与应力场耦合分析的等效连续介质模型11】；美国Heuer

3、(1995)根据钻孔水压力试验结果，运用半经验方法预测隧道涌水量【l引。在国内也出现了一批学者致力于这方面的研究，1995年至1999年，仵彦卿先后提出了考虑温度场的岩体渗流场与应力场耦合分析的等效连续介质模型、改进的等效连续介质模型、狭义和广义双重介质模型以及裂隙网络介质模型13】。1999年，黄涛、杨立中提出了渗流与应力耦合环境下以及渗流场、应力场与温度场耦合环境下，裂隙围岩特长大埋深隧道涌水量预测计算的确定性数学模型，并用一隧道实例进行计算验证【14川51。2000年王媛等人对应力场渗流场之间

4、的耦合作用作了较为细致的研究工作【l6‘。就目前隧道工程防治措施安全性量化评估方面的研究目前基本还处于空白状态。1．3本文的研究内容、研究目标及研究思路1．3．1研究目标本文分析裂隙岩体渗流理论，结合隧道围岩体的特殊性，建立二维隧道涌水量预测方程，针对石太客运专线南梁隧道的水文地质条件和工程地质条件，建立相应的数值模型，从而预测出石太客运专线南梁隧道的涌水量。基西南交通大学硕士研究生学位论文第4页于计算所得的涌水量，结合实际地质条件，提出相应的工程措施，并将工程措施作为边界约束条件代入初始模型，观察

5、施作工程措施后水位的变化等情况，依据结果校验工程措施的合理性和有效性。从而为治理和预防在隧道施工及运营过程中可能出现的涌突水地质灾害问题以及隧道工程防排水措施的提出提供依据。1．3．2研究内容1．收集南梁隧道所处区域的相关基础资料，包括详细的地下水、地表水情况、围岩地质情况、气候条件及植被情况等；2．在研究石太客运专线特长隧道水文地质结构模型、地下水流系统模型、地下水动力模型的基础上建立水文地质概念模型；3．将水文地质概念模型转化为合理的地下水渗流确定性数学模型，利用数值法解算2维模型，预测隧道涌水

6、量；4．将工程措施作为约束条件代入初始的数学模型，数值模拟量化评估工程措施的有效性，为提出合理工程措施提供依据。1．3．3研究思路1．3．3．1采取的研究方法结合水力学、地下水动力学等方面的理论，对山区隧道涌水量的预测通过数学演绎，推导出隧道涌水量与环境地下水位、围岩渗透性、地下水补给范围、补给时间等因素的定量数学关系模型。拟采取研究方法如下：(1)理论分析方法运用地下水力学知识，针对隧道的非均质性以及各向异性对隧道围岩分区研究，建立水文地质概念模型。(2)数值模拟方法①应用地下水运移数值模拟方法，

7、在水文地质概念模型的基础上建立确定性数学模型并预测隧道涌水量。②将工程措施作为约束条件代入初始的数学模型，量化评估工程措施的有效性。西南交通大学硕士研究生学位论文第5页1．3．3．2技术路线本课题的技术路线以理论研究和数值模拟为基础，建立数学模型，最后把得出的模型和结论再反馈到实际问题中检验，研究过程遵循“资料收集一理论分析一现场调研一建立模型一解算模型一措施评估”的研究思路。拟采取的技术路线如下图1．1所示：图1-1论文技术路线图西南交通大学硕士研究生学位论文第6页第2章隧道涌水预测相关理论研究2

8、。1裂隙岩体渗流理论2．1．1裂隙岩体概述裂隙岩体是坝基、边坡、地下洞室等岩体工程中广泛遇到的一类复杂岩体，它的强度、变形、渗透性及与时间相依性将直接影响各类岩体工程设计、施工、运行期的稳定分析与加固处理。裂隙岩体作为地质体的一部分，经历过漫长的成岩与各种构造运动，赋存在一定的地质和应力环境中，裂隙岩体内存在大量的节理、裂隙，而且节理裂隙往往是成组展布。这些节理裂隙的规模不大，小到几十厘米，大至几米。从工程力学参数上，裂隙的存在与扩展使得岩体的变形模量和强度参数降低，