渗流-应力耦合作用下深埋隧洞涌水量分析
太原市某深基坑降水开挖渗流-应力耦合分析
一
Ｊ
（１）
式 中 为流量 ，由渗透 系数 七和地 下水 头梯 度计 算 得到 。地 下水 头 的计 算公 式 为 ：
第 ５２卷
３ 基坑 开挖模 型 建立 为 了便 于基 坑 开挖 数值 模 拟 工作 的开 展 ．需 对
模 型 进行 一 定程 度 的 简化 处理 ，且 由 于基 坑 开挖 左 右对 称 ，仅选 取 左侧 进 行 分析 。最终 得 到 的计 算 模 型长 ３０ ｍ，高 ２０ ｍ，基坑 底 边长 １０ ｍ，高 １５ ｍ，开挖 分 ４步 完成 。模 型如 图 １所示 。
— — 土体 的总体 积 。
收 稿 日期 ：２０１６—０２—２３ 作者简 介 ：刘振 中（１９８７一），男 ，山西太原人 ，助理工程师 ，学位 ，主要从事水利工程和岩土工程设计 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｚｈｅｎｚｈ０ｎｇ１９８７＠ｓｉｎａ．ｔｏｍ。
· １６ ·
第 ２期
刘 振 中 ：太 原 市 某 深基 坑 降水 开 挖 渗 流一应力 耦 合 分 析
１ 前 言 随 着 我 国 城 市 地 下 交 通 工 程 的 大 规 模 建 设 ．
出现 了大 量 复杂 水 文 地 质 条 件 下 的深 基 坑 开挖 工 程 。深 基 坑 开 挖 将 导 致 地 下 水 运 动 方 向发 生 变 化 ． 从 而 对 基 坑 自身 的 稳 定性 造 成 影 响 。因此 ，准 确 把 握 基 坑 开 挖 过 程 中渗 流场 的 变 化 和评 估 各 阶段 内 基 坑 稳 定 性 大 小 对 保 障 基 坑 的 施 工 安 全 至 关 重 要 。
深埋隧洞渗流与应力耦合分析
力（ 力和 面力） 体 产生 的虚功 相等 ， 即
Ｉ ａＶ—Ｉｕｄｄ ｔ 一０ （） ＆ｄ ｄ ｆＶ—Ｉ ｄｄ ８ ｏ Ｎ ｓ １
式 中 ， 为 面力 ， ｔ ，为 体力 ； 抛 分 别 为虚位 移 和虚 应 ＆、
变．
Ｉ ｄ ｄ ＝０ 口 Ｖ＋Ｉ 百 Ｓ： ６ ＝
２０ ９ ） １ ０ ８
摘要 ： 富水 区深 埋 隧洞工程 ， 在建 设过 程 中面临着 与 浅部 隧 洞 明显不 同的岩 石力 学 问题 ， 水 压 力 高
和 高地 应力是 这 类工程 遇到 的两大 难题． 下水 的渗流 一方 面 对地 下 洞 室的排 水及 周 围地 下 水 位 地 有 很大 影响 ， 一方面地 下水 渗流对 洞 室围岩 的力 学 、 另 物理和 化 学 性能 产 生影 响． 以有 效 应力 原 理 为基础 ， 应用 渗透 系数和 孔 隙度 随体 积应 变 改变而 改变 的动态 演化模 型 ， 过 ＡＢ 通 ＡＱＵＳ提供 的接 口， 制 了用 户子 程 序 ， 而 实现 了渗 流 与应 力 完全 耦 合 ， 析 了渗 流场 与应 力 场 的相 互 影 响 程 编 从 分
函数 ； ｇ为 重力 加速度 矢量 ； ｎ为孔 隙度 ； 为水 的体 ｋ
积 模量 ．
１３ 有 限 元 方 程 的 离 散 ． 定 义 形 函 数
Ｕ— Ｎ
ｅ— Ｂ
Ｐ 一 Ｎ
（） ４
方法 的研 究也开 展 了大量 卓有成 效 的工作 ， 当前 的研
究成 果虽 然很 丰富 ， 在 工程实 际应 用上 由于一 些计 但 算规 模 和岩体实 际条 件所 限还受 到 限制． 文 以高水 本 位 富水 区隧道 围岩 为研究 对象 ， 以有 效应 力 原理 为基 础 ， 用渗 透 系数 和孔隙 度随体 积应 变改 变 而改 变 的 应 动 态演 化模 型 ， 现 了渗 流 与应 力 完 全耦 合 ， 析 了 实 分 渗 流场 与应力 场 的相互影 响程 度 ， 给工程 实 际 的渗 流
流固耦合作用下深埋高水压隧道稳定性的数值模拟研究
Ｄ Ｉ ０３６／．ｓｎ １０ － ８．００ ０ ．２ Ｏ ： ．９９ｊｉ ．０ ９ ８１２１ ．３０５ １ ｓ ４
流固耦合作用下深埋高水压隧道稳定性的数值模拟研究
贺 战文 张传成 ，
（． １武汉工业学 院 机械工程学院 ， 湖北 武汉 ４ ０ ２ ； ３０ ３ ２ 武汉工业学院 土木工程与建 筑学 院，湖北 武汉 ４ ０ ２ ） ． ３０ ３
第２ ９卷第 ３期
２１ ０ ０年 ９月
武
汉
Hale Waihona Puke 工 业学院 学
报
Ｖ０ ９ ． Ｌ２ Ｎｏ ３ Ｓｐ ２ １ ｅ ．００
ｉ ｅ ｓｔ ｙ Ｊ ｕｎ ｌ ｏ Ｗｕ ａ Ｐ ｌｔｃ ｎｃ Ｕｎｖ ｒｉ ｏ ｒａ ｆ ｈｎ ｏｙｅ ｈ ｉ
文章 编号 ：０ ９４ ８ （０ ０ ０ －１００ ３ １ ０ －８ １ ２ １ ） ３０ ０ －０
２ Ｓ ｈ ｌ ｆ ｉｉＥ ｇ ｅｒ ｇａ ｄＡｃ ｉ ｃ ｒ ． ｏ ｖ ｎ ｉ ｅ ｎ ｎ ｒｈｔ ｔ ，Ｗｕ ａ ｏ ｅｈ ｉ Ｕ ｉｅ ｉ ， ｈ ３ ０ ３ Ｃ ｉａ ｃ ｏＣ ｌ ｎ ｉ ｅｕ ｈｎＰ ｌ ｃ ｎｃ ｎｖｒ ｔ Ｗｕ ａ ４ ０ ２ ， ｈ ） ｔ ｙ ｓｙ ｎ ｎ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｕｓ ｇ ｔ ｅ Ｆ Ａ ｓ ｆ ｒ ｔ ｅ ｔ ｒ ｅ ｄ ｍｅ ｓｏ ａ ｕ ｒ ａ ａｙ ｉ ｆｒｔ ｅ ｓ ｒｏ ｎ ｉ ｇ ｒｃ ｆｔ ｅ ｔｎ ｓｒ ｃ ： ｉ Ｌ Ｃ ｎ ｈ ｏ ｔ ｅ， ｌ ｅ — ｉ ｎ ｉ ｎ ｎ ｍｅ ｃ ａ ｌ ｓｓ ｏ ｕ ｒ ｕ ｄ ｎ ｏ ｋ ｏ — ｗａ ｌｈ ｌ ｉｌ ｎ ｈ ｈ ｕ
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深基坑降水开挖的渗流场与应力场耦合分析的开题报告
深基坑降水开挖的渗流场与应力场耦合分析的开题报告一、课题背景及意义随着城市化不断推进，高层建筑、桥梁、地铁等大型工程的建设越来越多。
其中，深基坑作为城市建设中不可或缺的一部分，其开挖施工所面临的困难和风险也越来越大。
在深基坑开挖的过程中，渗流场和应力场是相互耦合的，二者之间存在着复杂的相互作用关系。
因此，对深基坑降水开挖的渗流场与应力场耦合分析进行研究具有重要的理论和实际意义。
二、研究内容及方法本研究将从以下几个方面对深基坑降水开挖的渗流场与应力场耦合分析进行探究：1. 深基坑开挖及降水对渗流场和应力场的影响分析。
2. 渗流场及应力场耦合作用机理研究。
3. 建立深基坑开挖的渗流场与应力场耦合分析数值模型，并采用数值模拟的方法进行分析。
4. 借助 ANSYS 软件建立深基坑开挖的实验模型，进行物理实验验证。
三、预期成果本研究旨在探究深基坑降水开挖的渗流场与应力场耦合分析问题，预期成果包括：1. 深入研究深基坑开挖对渗流场和应力场的影响机理，深入探究二者相互耦合的作用机理。
2. 建立深基坑开挖的渗流场与应力场耦合分析模型，并进行数值模拟分析和物理实验验证，为该领域的研究提供新的思路和方法。
3. 为深基坑降水开挖施工提供重要的理论基础和技术支持，促进城市建设的有序推进。
四、研究计划及进度安排1. 阶段一：文献阅读与综述撰写；2. 阶段二：深入研究深基坑开挖对渗流场和应力场的影响机理，深入探究二者相互耦合的作用机理，并建立数值模型进行分析；3. 阶段三：基于 ANSYS 软件建立深基坑开挖的实验模型，进行物理实验验证；4. 阶段四：总结分析研究结果，撰写论文。
预计时间安排：1. 阶段一：2022 年 4 月至 2022 年 6 月；2. 阶段二：2022 年 7 月至 2023 年 3 月；3. 阶段三：2023 年 4 月至 2023 年 7 月；4. 阶段四：2023 年 8 月至 2023 年 10 月。
深埋隧道涌水过程的水力劈裂作用分析
2000 年 9 月C h i n e se J ou rn a l of R ock M ech a n ics a n d E n g in ee rin gS ep t . , 2000深埋隧道涌水过程的水力劈裂作用分析3黄润秋1 王贤能1 陈龙生2( 1成都理工学院工程地质研究所 成都 610059) (2 香港大学地质学系 香港)摘要 从断裂力学角度分析了高压水头作用下, 裂隙的扩展机理, 认为裂隙的扩展多属II 型裂纹断裂扩展问题, 由 此推导了水力劈裂作用发生的临界水头压力值。
在此基础上, 探讨了高压水头作用下裂隙张开度的变化, 提出了裂 隙张开度变化的计算公式。
关键词 深埋隧道, 涌水, 临界水头压力, 劈裂作用文章编号 1000 26915 (2000) 05 20573 204 分类号 TU 451 文献标识码 A透能力。
除此之外, 动水压力作用还能使裂隙面上的 充填物发生变形和位移, 尤其是剪切变形和位移, 由 此导致裂隙的再扩展。
本文主要探讨静水压力的水 力劈裂作用和静水压力作用对裂隙张开度的改造这 两个基本理论问题。
前 言1 涌水是隧道施工中常见的主要地质灾害, 也是 隧道运营中的主要病害。
我国 1988 年以前建成的铁 路隧道有 80% 在施工中遇到了涌水问题, 而在运营过程中还有涌水漏水病害的隧道占 30% 左右, 因此 隧道的水害是广大地质工作者关注的焦点之一。
在 深埋隧道中, 由于隧道通过的地段地质条件复杂, 揭 露的水文地质单元多, 水源补给量充足, 所以其涌水 具有两个重要特点: 一是涌水量大, 二是水头压力 高。
如日本的旧丹那隧道 1918 年开工后曾 6 次遇到 大突水, 最大的一次断层突水达 3. 3 m 3 /s , 水头压力 高达 1. 4～ 4. 2 M P a , 贯通时总涌水量达 1. 68 m 3 /s , 致使该隧道历时 16 年才建成。
渗流应力场耦合作用下苏州工业园区某地下车库基坑的变形分析
渗流应力场耦合作用下苏州工业园区某地下车库基坑的变形分析摘要：地下水渗流对基坑变形的影响成为当前研究的热点，以苏州工业园区某地下车库基坑为例，采用ABAQUS模拟基坑开挖及支护过程，分析基坑开挖过程中的变形及渗流场规律。
结果表明：在开挖间歇期的坑外地表沉降量均比同期开挖结束后的沉降量要小，而基底隆起量比同期开挖结束后的隆起量要大。
每步开挖间歇结束时，围护墙的水平位移有所减小。
随着开挖的进行，围护墙周围的水头等势线越来越密，地面沉降形状为下凹的盆地形状。
关键词：基坑；渗流-应力耦合分析;有限元模拟1引言基坑开挖时，坑内外通常存在着水头差，地下水将在坑内外水头差作用下发生渗流。
基坑开挖过程是地下水渗流与岩土变形动态耦合的过程。
利用渗流-应力耦合理论研究开挖过程中地下水的渗流形态和孔隙水压力场的分布，分析地下水渗流对基坑稳定性的影响具有重要意义。
近几年来，许多研究者在分析渗流稳定问题时，引入了渗流场与应力场的关系，即渗流-应力耦合关系，并在岩土工程的各个领域取得了一定的成果和进展，渗流-应力耦合问题已成了研究的热点问题。
谢兼量[1]进行了渗流应力耦合条件下的海堤边坡稳定性研究；贾善坡等[2]进行了泥岩隧道施工过程中，渗流场与应力场完全耦合的损伤模型研究；张巍等[3]对大型地下洞室群围岩进行了应力-损伤-渗流的耦合分析；张媛媛[4]，苗丽等[5]，周建国等[6]在土坝的渗流场与应力场的耦合应用方面的研究获得了一些进展；王强等[7]，杨永恒[8]，郭娟[9]，周舒威等[10]基于渗流-应力耦合对尾矿坝的稳定性进行了研究；李筱艳[11]、纪佑军等[12]采用渗流-应力耦合分析，求解基坑的渗流场以及位移场。
本文结合苏州工业园区星海街站南北两侧公共地块地下车库项目，利用ABAQUS有限元软件进行了基坑工程在渗流－应力耦合作用下的变形分析，可为基坑工程的设计和施工提供参考。
2工程概况和地质条件星海街站南北两侧公共地块地下车库场地，位于苏州工业园区星海街及其以西、苏华路南北两侧的公共地块内。
地铁深基坑渗流应力耦合研究
具 有 重要 的 现实 意义 。
研究结论 ： 对深基坑降水与开挖的流固耦合效应进 行 了分析 ， 建立 了渗流场与应力 场耦 合计算 模型。使
用 ＦＡ ３ Ｌ Ｃ Ｄ对武汉长江一级 阶地深基坑降水与开挖施工过程进 行了渗流应力 耦合模拟 ； 计算结果 表 明， 地表 沉降形成了二次函数曲线分 布形态 的沉 降凹槽 ； 地下连续墙以下渗流速度最大 ， 容易发生渗透破坏 ； 相较于不
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｃ ｎ ｌ ｓｏ ｓ：Ｔ ｅ ｆｕ ｄ — ｓ ｌｄ ｏ ｐ ｉ ｇ ｆｅ ｔ ｏ ｒ ｃ ｐｔ ｔｏ ａ ｄ ｘ ａ ａｉ ｎ ｆ ｄ ｅ ｆｕｎ ａｉｎ ｉ ｗａ ｓ ａ ｃ ｏ ｃｕ ｉｎ ｈ ｉ ｌ ｏｉ ｃ ｕ ｌｎ ｅｆｃ ｆ ｐ ｅ ｉ ｉａｉｎ ｎ ｅ ｃ ｖ ｔｏ ｏ ｅ ｐ ｏ ｄ ｔｏ ｐｔ ｓ ａ ａｙ ｅ ｎ ｈ ｏ ｐ ｉ ｇ ｃ ｌ ｕ ａｉ ｎ ｍｏ ｅ ｒｔ ｅ ｓ ｅ ｇ ｅｄ ａ ｄ ｓｒｓ ｅ ｄ ｗａ ｓａ ｌｓ ｅ ｎ ｌｚ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｃ ｕ ｌｎ ａｃ ｌｔｏ ｄ ｌｆ ｈ ｅ ｐａ ｅ ｆ ｌ ｎ ｔｅ ｓ ｆ ｌ ｓ ｅ ｔｂ ｉｈ ｄ．Ｔ ｅ ｓ ｅ ａ ｅ—ｓｒ ｓ ｏ ｉ ｉ ｈ ｅ ｐ ｇ ｔｅ ｓ
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10渗流模块-渗流应力耦合分析
Tunnel
在桌面背景中选择 SoilWorks实行图标 1. 2. 3. 4. 5. 选择 Project Manager> Seepage 定义初始参数上，单位系用 kN, m, sec 设定后，点击确认 选择 主菜单> 使用 > CAD文件 点击Section.dwg 文件后，点击打开 按钮 Command窗上，输入 Z(zoom) > e 键，确认模型数据 按钮
节点水头: 输入节点水头( 总水头、压力水头) 节点流量/面流量 : 节点，表面的流出与流入, 以渗流条件为基础 调查再边界: 难以知道正确的侵润线的状况
(1) 节点水头 节点水头边界条件是指选择节点，以总水头和压力水头输入边界条件。通过总水头输入(与模型的 位置无关的输入)，从基点开始计算的水头值，压力水头输入的情况下，在地下水位面适当的节点 上输入0，就能够模拟地下水位条件。 从模型的内部模拟渗流的侵润面 (phreatic surface)的约束水流(confined flow)和侵润面的自由水 流 (unconfined flow)。每个情况适用的节点水头方式都不相同，需要特别决定侵润面的自由水流 的情况下，要正确考虑排水及边界再调查条件。
挡土墙 堤坝 基坑开挖
固结土层
[ 地基-地下水位的相互作用的例子 ]
隧道
虽然原则上应力 -渗流的问题应该用耦合分析来计算，但耦合分析时，因分析方法非常复杂，一般 情况下，使用有效应力和水压分开进行分析后组合的方法。空隙水压是完全排水问题，在空隙水压 的增量和应力的增量统一的完全非排水状态下，主要使用这个分析方法。但是，与移动地段一起随 着时间应力和空隙水压变化的情况下，必须进行位移和空隙水压耦合分析(Coupled Analysis)，压
渗流场与应力场耦合作用下截渗墙位移应力分析
水库水位高程为 ２． ｍ， ９ 初始地下水位 １． 位 ９ ６ ０ｍ。 ３
式 中 ｎ为土体初始 的孔 隙率 ；。 。 ， 为土体单元 的体
积 应变 ； ｋ分别 为与孔 隙率 ｎ ， ｋ， 。ｎ相对 应 的渗
在 计算 时 ．根 据应 力场和 位 移场 的计 算结 果， 按上 式计 算 出土体 新 的渗 透系数 ， 重新 计算 渗流 场。
（） ３ 模型求解。将渗流场数值模型、 应力场数
考虑两场耦合对渗流影响时的计算结果由于土体发生变形孔隙体积变小渗透性降低自由面的位置有稍微的上升坝体坝基防渗墙下游等势线加密水力坡降有较明显增加表明相应区域渗流流速加大其中最大水力坡降出现部位仍然位于截渗墙的底部其数值为536
维普资讯
６
［ 文章编号 ］０２ ０２ （０７ ０一ｏ０一ｏ １ － ６４ ２０ ）９ ０６ ３ ０
Ｊ口 Ｉ ） 。 【 Ｎｄ （ ］ Ａ
②应 力场基本方程 。
［】６ ＝ ｑ ＋｛ｓ Ｋ ｛） ｛ Ｆ） （） ３
的多少和 大小 的关系很大 。 而在伴随位移场 变化 的同时 。 土介质的孔隙率也将发生变化进而 引 岩 起介质渗透性能 的改变 。 这样岩土介 质的渗 流场 也会 受到影 响。所 以 ， 在土坝的实际运行 中， 渗流 力的存在改变 了原有的应 力场 。 而应 力场 的变化
截渗墙 ； 渗流 场 ； 力场 ； 应 位移
［ 关键词］三峡船闸； 高边坡； 地下排水 ［ 中图分类号］ Ｖ ２． ２ Ｔ ２ ３ ＋ ４ ［ 文献标识码］ Ａ
渗流场和应力场是岩土工程力学环境 中的最 重要 组成部 分之 一 ， 二者 之间是相 互联系 、 互 相 作 用的。目前 ， 在对土石坝的研究工作 中， 渗流分
基于渗流场与应力场耦合的高压隧洞设计
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幻 ｏ ｆＷａｅ Ｒ ￣ ｒｅａ ￣ ｒ ｏｅ Ｅ ｇｍ ｒ ｇＳｉｌ ， ｈｎＵ ｉｅ ｉ ，Ｗｕａ ，Ｈ ｂｉ ３０２ ｈｎ ） ｔ ｅ ｕｃ ｎ Ｈ ｏ ｕ ｒ ｎｉ ｒｉ ｃ ｒｅ Ｗｕａ ｎｖｒｔ ｒ ｓｄ ｐ ｎ ｅｃ ｓｙ ｈｎ ｕｅ ４ ０７ ，Ｃ ｉａ
本文 按 上述 透水 隧 洞设 计 理论 ， 内水 压力 以 将
ｍ，Ｄ 水头乘直径） Ｐ （ 值很大 。在高 Ｐ Ｄ值下 ， 钢筋混 凝 土衬砌 难免 会 开 裂 。 当钢 筋 混凝 土 衬 砌 开裂后 ， 围岩地层在经历一段时间后必将存在高压 内水头产
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔｈ ｎ ｒｗａｅ ｒｓｕ ｅｉ ａ ｐｉｄｔ ｈ ｎｎ ｌｃ ｎ ｕｒ ｕ ｄｎ ｏ ｋａ ｈ ｓｃ ｌ ｏｃ ，ａ ｄｔ ｅ ｅｉ ｅ ｔｒ ｅｓ ｒ ｐ ｌ ｔｅｌ ｉｇ ｂｏ ｋ ａ ｄｓ ｒｏ ｎ ｉｇｒ ｓｐ ｙ ｉａ ｒｅ ｎ ｈ ｎ ｐ ｓ ｅ ｏ ｉ ｃ ｆ ｃ ｕ ｌ ａｙ ｉ ｍｏ ｅ ｏ ｅ ｐ ｇ ｉｌ ｄ ｓｒｓ ｉｌ ｓｆｒ ｄ ．Ｔｈ ｌｕａｉｎ ｍｅｈ ａ ｒ ｆｒｂ ｙｒ ｆ ｃ ｏ ｐｅ ａ ｌｓｓ ｄ ｎ ｄ ｌ ｆｓｅ ａ ｅｆ ｄａ ｔｅｓｆ ｄｉ ｏｍｅ ｅ ｎ ｅ ｅｃ ｃ ｌｔ ｔｏ ｃ ｎ ｐ ｅｅａ ｌ ｅｌ ｔ ａ ｏ ｄ ｅ ｔ ｅａ ｔ ａ ｓｒｓ ｄ ｓｒｉ ｉ ａｉｎ ｏ ｙ ｒｕｉ ｔｎ ｅ ｔ ｉｈ ｐ ｅｓ ｒ ｔ ｅｐ ｇ ｒｍ ｎ ｅ ｕ ｎ ｌ ｏ ｈ ｃｕ ｌ ｔｅｓａ ｔａｎ ｓ ｕ ｔ ｆｈ ｄ ａ ｌ ｕ ｎ ｌ ｎ ｔ ｏ ｃ ｗｉ ｈｇ ｒｓｕ ｅｗｉ ｓｅ ａ ｅ ｆｏ ｉｎ ｒｔｎ ｅ ｔ ｈ ｈ ｏ ｔｒｔ ｎ ｅ ．Ｉ ｐ ｌ ｄｔ ｈ ｏ ａ ｉｇｒｓａｃ ｏ ｅｔ ｎ ｅ ｔ ｉｈｐ ｅｓ ｒ ｔｒｉ ｉｈ ｕＰ ｍｐ ｄ ｕ ｅ ｕ １ ｔｉ ａ ｐｉ ｏｔ ｅｃ ｍｐ ｒ ｅｅ ｒｈ ｆｒｔ ｎ ｌ ｈ ｈｇ ｒｓｕ ｅｗａｅ Ｈｕｚ ｏ ｕ ｅ ｓ ｅ ｎ ｈ ｕ ｗｉ ｎ Ｓ ｏ ａ ｅＰ ｗｅ ｔｔ ｎ，ａ ｄａｓ ｒ ｓｏ ｎ ｌｓ ｎ ｒｗｎ． ｔｒ ｇ ｏ ｒＳ ａ ｉ ｏ ｎ ｅ ｉ ｆｃ ｃ ｉ ｓｉ ｄ ａ ｅ ｏ ｕ ｏ ｓ
第七章 隧道涌水分析
隧 道 工 程 力 学 原 理
压性断层破碎带中常含有一定规模的透水性 极弱的断层泥和糜棱岩，两侧为两个独立的水文地 质单元。上盘破碎岩体中含水量相对较丰富且水位 相对较高，由此产生的水压全部由其下伏透水性较 弱的断层泥或糜棱岩承担，一旦施工从下盘开挖至 该不透水层时，由于该层被开挖破坏或由于水压使 其破坏，携带大量泥砂的水体将从破坏处涌入隧道， 发生涌水突泥，大瑶山隧道因F9断层而发生的涌水 突泥灾害即属此类。 扭性断层，在其两侧常发育多组平行的张性和 扭性的次级断层或节理，且其主错动面上也常有相 对不透水的断层泥发育，因而与压性断层破碎带相 似，其富水性较好，两侧亦为两个不同的水文地质 单元。
隧 道 工 程 力 学 原 理
开挖中的非定常涌水称为集中涌水，尔后的定 常涌水称为恒定涌水。集中涌水一般有一定压力， 流速大、水量多，有时使隧道积水显隧道地下水涌水的定性分析：通过查明隧道含 水围岩中地下水的分布及赋存规律，分析隧道开挖 区的水文地质及工程地质条件，依据钻探、物探、 水化学及同位素分析、水温测定等手段，确定地下 水的富集带或富集区，以及断裂构造带、裂隙密集 带等可能的地下水涌水通道，并且用均衡法估计隧 道涌水量的大小。 隧道涌水的定量评价和计算，主要体现在隧道 涌水位置的确定和涌水量预测这两方面。 在隧道涌水位置的确定方面，人们通过对隧道 围岩水文地质及工程地质条件的定性分析，发展了 随机数学方法和模糊数学方法。
二、隧道涌水灾害的发生条件
隧 道 工 程 力 学 原 理
在隧道掘进过程中，必然破坏含水或潜在含水 围岩，揭露部分地下导水通道，使地下水或与之有 水力联系的其它水体(地表水、地下暗河及溶洞等) 突然涌入隧道，发生涌水突水灾害。隧道涌水是由 于隧道的掘进破坏了含水层结构，使水动力条件和 围岩力学平衡状态发生急剧改变，以致地下水体所 储存的能量以流体(有时有固体物质伴随 )高速运移 形式瞬间释放而产生的一种动力破坏现象。当涌水 中有大量的固体物质(尤其是泥质物 )时，称为隧道 的突泥。隧道涌水突泥是否发生，需满足一定的条 件，即含水围岩的能量储存性能、释放性能、水动 力性能和围岩稳定性能等。
考虑渗流固结耦合作用的软土深基坑降水施工的三维数值模拟
沉 降
圜
铁漕勘
Ｄ ＳＧＮ２ １ （） Ｅ Ｉ ０ Ｏ ５
２ ０ 集 团 公 司 青年 科 技 论 文 专 辑 ０ ９年
令◇ ・ 令
的物 理力 学指标 见表 １ 基 坑开 挖所涉 及 的土层 主 。
带 ， 设沉 降缝 ， 不 以减少 主楼 和裙楼 的不 均匀 沉 降。 基坑开挖 深度为 主楼 １ ．５ 裙楼 １．５ 整个基 １ ｍ， ７ ４９ ｍ， 坑面 积为 ７ ５ ｍ ４ ４ 。基坑 西 南侧 的建筑 物距 离基 坑
源 为大气 降水 。水位 随季节 的变 化而 变化 ， 稳定 地 下水 位 的埋深 为 ０ ． ０６ 相应 标 高为 ３６ ２～ ．５ ｍ， ．７～
基 土均 属第 四系河 口～滨 海相 、 滨海 ～浅海 相沉 积
坑降水及其引起周边土体 变形的计算中， 运用该数值模拟方法具有重要 的现实意义。研究成果可为 日 后 类似工程的设计 、 施工和研究提供有益的借鉴和参考。 【 关键词】 软土深基坑 修正剑桥模型 三维有限元分析 降水 渗流固结耦合
耦合 分析 ； 廖红建等 ” 深基坑 开挖进行 了饱和－ 对 非
和借 鉴 。
起 的环 境 效应进 行 了渗 流应 力耦 合 的弹 塑性有 限
元法分 析 ； 志芳等 。 出了深 基坑 降水与沉 降 的 周 提
非线性耦合 计算方 法 ， 并将 其应用基 坑降水 开挖土
１ 程概 况 工
某基坑 工程 主体结构 由 １ ３层裙 楼和 ｌ 栋 栋
体变形预 测及控 制 ； 李筱艳 利 用位移 反分析 计算 渗 透系 数非线性 耦合 响应 的渗流． 应力 完全耦 合模
０引 言
近年 来随着经 济的发 展 ， 国的城 市建 设发展 我 也异常迅速 。从 高层 、 高层建筑 到城 市轨道 交通 超 建设 ， 相关 的地下 工程越 来越 多 ， 涌现 出 了大 量 的
渗流-应力耦合下深埋引水隧洞变形稳定性分析
渗流-应力耦合下深埋引水隧洞变形稳定性分析王克忠;唐雨蔷;李伟平;孔令民;秦绍坤【摘要】隧洞开挖过程中,地下水渗流作用引起围岩应力重分布,其对围岩稳定性的影响不容忽视.依托日照市沭水东调引水隧洞工程,基于渗流-应力耦合理论,利用MIDAS-GTS有限元分析程序,对有无渗流作用下隧洞的开挖过程进行仿真分析,得出了隧洞开挖过程中围岩孔隙水压力分布及围岩变形规律.计算结果表明:开挖使一定范围内的围岩孔隙水压力降低,并导致围岩内孔隙水压力呈环形带状分布;渗流-应力耦合下围岩位移空间分布规律与未考虑孔隙水压力时相似,耦合作用对拱顶的竖向位移影响最大.【期刊名称】《浙江工业大学学报》【年(卷),期】2016(044)002【总页数】5页(P207-211)【关键词】引水隧洞;开挖;渗流-应力耦合;孔隙水压力;位移【作者】王克忠;唐雨蔷;李伟平;孔令民;秦绍坤【作者单位】浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州310014;浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州310014;浙江省交通规划设计研究院浙江杭州310014;日照市供水工程管理处,山东日照276800;浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TV672+.1水在岩体中流动会改变岩体的原始应力状态，同时，岩体应力状态的变化又会影响岩体中水的流动特性,两者相互作用产生渗流-应力耦合现象[1-2].隧道工程施工过程中，渗流-应力耦合作用主要体现在隧道开挖后应力重分布所引起的原始应力场及渗流场的改变.目前，国内外学者对隧道岩体内的渗流-应力耦合分析开展了大量的理论研究，靳晓光等[3]在对越江隧道的渗流-应力耦合分析中，考虑了开挖过程中渗流边界的变化；刘仲秋等[4]对锦屏二级水电站深埋引水隧洞施工到运行的全过程进行了渗流-应力耦合数值模拟分析，并考虑了围岩和衬砌结构渗透系数及变形特性的动态变化；李术才等[5]利用研制的新型流固模型试验系统，结合新型流固耦合相似材料，对海底隧道施工过程中洞壁压力和围岩位移场、渗流场等的变化规律进行了研究.纪佑军等[6]利用渗流-应力耦合数学模型，借助Comsol模拟隧道开挖中不同工况下围岩应力及地面沉降情况.黄涛等[7]借助含水裂隙岩体中地下水渗流场与地应力场之间的耦合作用，对裂隙围岩隧道涌水量预测计算的确定性数学模型方法进行了研究.已有的研究表明，岩体中的渗流场和应力场耦合原理及过程极其复杂，现有的理论还不能完全解释实际工程中所出现的渗流应力及其破坏现象[8-12].笔者依托日照市沭水东调引水隧洞工程，利用MIDAS-GTS有限元分析软件建立数值模型，结合开挖过程中渗流边界的变化，确定合理的渗流-应力耦合数值模拟方法，获取孔隙水压力分布规律，分析开挖过程对渗流场的重分布及其演变规律，进一步获取围岩位移场的演化规律及其特征点的位移值.在MIDAS-GTS软件中，模型采用有限单元法求解渗流-应力耦合问题[13-14]，其求解步骤如下：1) 利用渗流控制方程求得水头函数H=H(x, y, z).在计算模型中，假定围岩为均质各向同性连续介质，渗流方式为稳定渗流，服从达西定律，其控制方程为式中：H为各计算点的总水头；kx，ky，kz分别为x，y，z各方向的初始渗透系数；Q为流量.2) 在渗流域内，利用前面得到的水头函数，计算相应的渗透压力和渗透体积力.由水力学原理可知渗透体积力的计算方式为式中：f为渗流体积力的大小；γw为水的容重；fx，fy，fz分别为x，y，z渗透体积力在方向的分力；Jx，Jy，Jz分别为x，y，z单元在方向的水力坡降.3) 在有限元分析中，将得到的渗透体积力以等效结点荷载的方式作用于岩体上，求解岩体的位移场和应力场.4) 将前一步计算得到的正应力值代入等效连续介质受荷载作用下的渗透系数矩阵中.一般情况下，渗透系数的变化设为应力的指数函数，因此，等效连续介质受荷载作用下的渗透系数矩阵为式中为渗流主轴的正应力[14]，代入后求得应力场影响下的渗透系数.5) 重复1)～4)步的计算，直至计算结果达到程序中给出的相应允许值.日照市沭水东调工程引水隧洞工程起点位于店子集镇工业园东北、何家庄村北；终点位于三庄镇西北、省道335北的三庄河左岸，隧洞全长约18.368 km，采用无压过流，洞身为城门洞形，毛洞断面尺寸为4.1 m×3.3 m加半圆拱，半圆拱直径4.1 m.整个隧洞分为入口段、洞身段以及出口段，其中大埋深段主要位于洞身段的东段，累计长度达6 km，最大埋深420 m左右，属于深埋小断面隧洞.隧洞洞身段沿线岩石分布大致可分为三段：西段岩性以安山质角砾石、长石砂岩和凝灰质长石砂岩为主；中段为白垩系与侵入岩群混合区域，岩性有长石砂岩、石英二长岩等；东段主要为侵入岩群，主要岩性为不等粒角闪石英二长岩、二长花岗岩和二长闪长岩等.岩体完整，节理裂隙较发育，裂隙面较平直光滑，连通性较好.以岩石强度、岩体完整性程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状等五项因素总和的总评分为基本依据，围岩强度应力比为限定判据，该岩体完整段围岩分类为II类，较完整段围岩分类为III类，破碎带及构造断裂带影响带围岩分类为IV类，构造断裂带围岩分类为V类.3.1 模型建立在数值模拟中，假定岩体为均质各向同性连续介质，模型范围：选取输水隧洞大埋深段，取其中100 m进行数值计算.该段隧洞穿越地层主要以花岗岩为主，地下水赋存、裂隙较发育，属弱-中等透水，围岩分类为II类.三维模型坐标原点位于模型中心剖面上输水隧洞横剖面顶拱的圆心处，该处实际高程为101.3 m，利用地形线生成曲面，用以模拟该段实际地表情况，确定该段最大埋深处实际高程为275 m.取隧洞轴线在水平面上的投影线为y轴，指向下游为正，x轴为水平面上垂直隧洞轴线方向，z轴以竖直向上为正.模型范围：-40 m≤x≤40 m，-50 m≤y≤50 m，z向原点以上取至地表，原点以下取30 m.采用MIDAS-GTS进行建模计算，模型为四面体剖分单元，单元数为55 938个，节点数为10 460 个.有限元分析本构关系采用弹塑性模型，计算采用Mohr-coulomb屈服准则，模型按全断面法开挖，每步开挖进尺5 m，共分20 个步骤开挖，采用锚喷支护，且支护滞后一个开挖施工步进行.MIDAS-GTS采用钝化单元来实现隧道的开挖，并采用激活单元实现支护的模拟.所谓钝化单元，即是此单元在该次计算中不发挥作用，相反，激活单元就是在计算中运用此单元.整个模拟过程：1) 初始地应力平衡，设置位移清零，得到初始应力场.2) 初始渗流分析，得到未开挖前的渗流场.3) 开挖一个施工步，即钝化相应的开挖土体单元.4) 开挖下一个施工步，并激活上一个施工步的支护单元，计算采用板单元模拟混凝土喷层，桁架单元模拟锚杆.应力计算的同时进行渗流计算，以此模拟渗流与应力的耦合作用.计算中不考虑开挖的时间效应.5) 重复以上步骤，直至施工结束.计算模型如图1所示.3.2 边界条件及参数确定根据实际情况，并结合静力学中相关连续介质模型有关应力边界、位移边界和混合边界的规定，设定边界条件如下：底面限制z向位移，左右侧面限制x向位移，前后面限制y向位移，上边界为自由面.渗流边界定义中，模型的左右两侧设置竖直方向的节点水头高度为80 m，底部边界为不透水边界，假定隧洞开挖前节点水头以下的围岩饱和，以上的围岩为非饱和.具体力学参数见表1，2.4.1 围岩孔隙水压力分布特征隧洞开挖改变了围岩的初始应力场,与此同时产生开挖松动区，并导致围岩损伤，节理裂隙进一步扩展.进而影响原岩内孔隙水压力的分布.利用MIDAS-GTS，对模型隧洞节点孔隙水压力进行监测，并将其开挖前后的孔隙水压力进行对比分析.对比分析结果见图2，未开挖时，地下水以静水压力的形式保持平衡，水平方向上孔隙水压力分布较均匀，且孔隙水压力随着深度增加而增加.开挖后，岩体内渗流场发生变化，隧洞周围较大范围内形成的孔隙水压力场重分布，隧洞掌子面及洞壁孔隙水压力为0 kPa.计算和监测均显示，靠近隧洞掌子面及洞壁的孔隙水压力梯度较大.图3为开挖后围岩孔隙水压力的分布图，其中等值线上孔隙水压力的数值单位为kPa，由图3可知:围岩孔隙水压力分布沿隧洞轮廓呈环形带状分布.4.2 围岩位移分布特征图4(a)是不考虑孔隙水压力时的围岩竖向位移等值线图，图4(b)是考虑孔隙水压力时的围岩竖向位移等值线图，图5(a)是不考虑孔隙水压力时的围岩水平位移等值线图，图5(b)是考虑孔隙水压力时的围岩水平位移等值线图.如图4所示，未考虑渗流-应力耦合作用时Y=0断面拱顶的沉降值为2.18 mm，底部隆起值为2.97 mm.考虑耦合作用时，拱顶沉降值为2.97 mm，增大了0.79 mm，底部隆起值为2.35 mm，减小了0.62 mm.图5中，考虑耦合作用的水平位移比未考虑时要小，减小量约为1 mm.由图5可知：隧洞在不考虑孔隙水压力的影响下开挖支护完成后，隧洞底部的隆起值大于拱顶沉降值.当考虑渗流场的影响时，拱顶的沉降值增大，底部的隆起值与水平位移值均有一定程度的减小.产生这种现象的原因：隧洞开挖后，隧洞底部岩体因为卸荷作用而产生向上位移，但考虑渗流作用时，因孔隙水压力降低产生的固结沉降将使底板的隆起值小于不考虑渗流时的隆起值.这说明，隧洞的变形并不完全受应力影响，围岩的固结变形对隧洞变形同样有一定程度的影响.为进一步确定渗流作用对围岩的影响，在数值计算过程中选取隧洞拱顶正上方不同的特征点进行沉降值监控，各监测特征点及对应坐标见表3.通过计算，得出节点随开挖推进的竖向沉降值.从图6中可以看出：随着开挖的推进，围岩拱顶的竖向位移从最初的增大到逐渐趋于稳定，其中，节点845为距开挖区域较近的特征点，三个特征点中其沉降值最大，在考虑渗流-应力耦合作用时，其沉降值有所增大，但增幅较小.而节点493，该特征点距离开挖区域较远，三个特征点中其沉降值最小，但考虑渗流-应力耦合作用时，其增幅最大.由图6可知：拱顶上方距离开挖区域越远的点沉降值越小，受应力耦合作用影响越大.隧洞开挖破坏了岩体的初始应力场，降低了岩体的孔隙水压力，且越靠近开挖临空面，孔隙水压力梯度变化越大.开挖后的围岩孔隙水压力分布沿隧洞轮廓呈环形带状分布；在渗流-应力耦合作用下，围岩的变形空间分布规律与未考虑孔隙水压力的情况相似，隧洞拱顶沉降值有所增大，而隧洞围岩水平收敛值和底部隆起值均有不同程度的减小，孔隙水压力产生的固结沉降对围岩的位移有很大的影响；对比开挖后的孔隙水压力分布图与位移分布图，从中可知，开挖对孔隙水压力的影响范围大于开挖对位移的影响范围；从孔隙水压力对围岩沉降值的影响来看，隧洞拱顶沉降值受孔隙水压力影响最大，且拱顶上方距离开挖区域越远的点，沉降值越小，受渗流-应力耦合作用的影响越大.因此，在深埋小断面引水隧洞中，拱顶的位移稳定性较差，应加强防护.【相关文献】[ 1] 何川，谢红强.多场耦合分析在隧道工程中的应用[M].成都：西南交通大学出版社,2007.[2] 刘仲秋,章青.岩体中饱和渗流应力耦合模型研究进展[J].力学进展，2008,38(5):585-600.[3] 靳晓光,李晓红,张燕琼.越江隧道施工过程的渗流-应力耦合分析[J].水文地质工程地质,2010,37(1):62-67.[4] 刘仲秋,章青.考虑渗流-应力耦合效应的深埋引水隧洞衬砌损伤演化分析[J].岩石力学与工程学报,2012,31(10):2147-2153.[5] 李术才,宋曙光,李利平,等.海底隧道流固耦合模型试验系统的研制及应用[J].岩石力学与工程学报,2013,32(5):883-890.[6] 纪佑军,刘建军,程林松.考虑流-固耦合的隧道开挖数值模拟[J].岩土力学,2011,32(4):1229-1233.[7] 黄涛,杨立中.渗流与应力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量的预测研究[J].铁道学报,1999,21(6):75-80.[8] 王克忠,李仲奎.深埋长大引水隧洞三维物理模型渗透性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(4):725-731.[9] 王克忠,王玉培,林峰,等.平行双隧道盾构法施工地表沉降仿真计算研究[J].浙江工业大学学报,2013,41(3):300-308.[10] 王克忠,程青云,王玉培,等.粉质砂性土地基中盾构区间隧道开挖过程数值计算研究[J].浙江工业大学学报,2012,40(5):587-590.[11] 张春阳,曹平,靳瑾,等.金川矿区深部巷道围岩流固耦合稳定性数值模拟[J].科技导报,2013,31(33):31-36.[12] 喻军,刘松玉.隧道洞口边坡变形控制与数值分析[J].浙江工业大学学报,2012,40(1):101-105.[13] 李新平,代翼飞,胡静.某岩溶隧道围岩稳定性及涌水量预测的流固耦合分析[J].山东大学学报,2009,39(4):1-6.[14] 魏纲,郭志威,魏新江,等.软土隧道盾构出洞灾害的渗流应力耦合分析[J].岩土力学,2010,31(s):383-387.。
盾构隧道开挖面稳定渗流场与应力场耦合分析
材料 密度 ／ 弹性模 泊松 比 内摩擦 粘聚力 ／ 层辱 ｆ
人 工 填土 淤 泥 质 土
全 压力 的确 定 也类似 ， 也应 比极 限支护 压 力小 许 多 ， 如
何 合理 选 取其 安全 系数 ， 要考 虑 施工 的许 多 因素 ， 需 但
志或 以塑 性流 或屈服 应力 状态 作为 失稳标 志 『； １ ］
２ 以广 义 塑性 应变 或 者等 效塑 性 应变 发 生整 体性 ） 的贯通破 坏作 为 失稳标 志 ［ ； １ 。 ］ ３ 以开挖 面 中心 点水 平位 移达 到 一 定数 值 时作 为 ）
失稳依 据 ｎ 。
式 中 ：ｘｋ、 别 为 Ｘ Ｙ Ｚ方 向 的渗 透 系 数 ； ｋ， ｋ 分 、、 ｈ
单位 ： ｍ
图 １ 渗 流 分 析 模型
开挖 前 隧道孔 隙压 力为 静水 压 力 ，水压 力场 与深 度成 正 比 。力学边 界条件 为 固 定左右 边 界 以及 沿 隧道 轴 向 的前 后 边界 和底 部边 界 ； 始应 力 为 自重应 力 ， 初 侧 向应 力乘 以相应 的侧 压 力系 数 。管 片材 料 为强 度 等级 Ｃ ０弹性钢 筋混 凝土 ， ５ 厚度 为 Ｏ ３ ， 料 参数见 表 １ ． ５ｍ 材 。
与 开挖 面 变形 以及 应 力 的 关 系， 隙水 压 力 的逐 渐 消散 导 致 土体 中发 生 沉 降 。 孔
通 过 孔 隙水压 力的存 在对 盾 构 隧道 开挖 面 的塑 性状 态 、 力 、 移及 其 大 小的影 应 位
响比较发现： 渗流场与应 力场的耦合对隧道开挖 面稳定产生很不利影响， 是不可
岩 体 渗流 与 应力 弹 塑性 全 耦合 分 析 。 隧道 开挖 面 的研
地下水渗流应力耦合分析
ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｗａ ｔ ｅ ｒ ｓ ｅ ｅ ｐ ａ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ．
关键词 ： 地下水； 地 下 空 间利 用 ； 岩土体； 效应
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ； ｕ ｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ ； ｇ ｅ ｏ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ； ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ
摘要 ：随着地 下空间的不断开发利用 ， 涌现 出很 多关于地 下工程 的相 关研究。 通过分析地下水的布局 以及与岩土体的相 互作 用， 来分析地 下水渗流一 应力耦合 的效应影响。
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｉ ｎ ｕ ｏ ｕ ｓ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｕ ｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ ，ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｐ ｒ ｕ ｎ ｇ ｕ ｐ ｍａ ｎ ｙ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ．Ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｙ ｏ ｕ ｔ ｏ ｆ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｗａ ｔ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ ｒ ｏ ｃ ｋ ａ ｎ ｄ ｓ ｏ ｉ ｌ ｍａ ｓ ｓ ，ｔ ｏ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ
渗流—应力—温度耦合下裂隙围岩隧道涌水量的预测
渗流—应力—温度耦合下裂隙围岩隧道涌水量的预测
黄涛;杨立中
【期刊名称】《西南交通大学学报》
【年(卷),期】1999(034)005
【摘要】基于系统理论研究及工程实践的分析应用，提出了渗流－应力－温度耦合环境下大埋深裂隙围岩隧道渗水量预测计算的确定性数学模型方法（水文地质值模拟法），并通过一隧道工程实例进行了计算验证。
【总页数】6页(P554-559)
【作者】黄涛;杨立中
【作者单位】西南交通大学土木工程学院;西南交通大学土木工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U456.32
【相关文献】
1.渗流与应力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量的预测研究 [J], 黄涛;杨立中
2.初论环境地质中裂隙岩体渗流rn-应力-温度耦合作用研究 [J], 杨立中;黄涛
3.煤层覆岩采动裂隙应力-渗流耦合模型及涌水量预测 [J], 程香港;乔伟;李路;江传文;倪磊
4.高水压隧道围岩渗流-应力耦合作用模式研究 [J], 王建秀;胡力绳;张金;唐益群;杨坪
5.隧道裂隙岩体温度-渗流耦合数学模型研究 [J], 黄涛;杨立中
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抽水蓄能电站钢筋混凝土衬砌水道渗流-应力耦合分析方法、钢筋混凝土衬砌结构计算原则
附录A 渗流-应力耦合分析方法第4.0.5规定，对于高压水道，渗流分析应采用应力-渗流耦合方法，即考虑应力场和渗流场的相互影响。
目前岩体应力-渗流耦合分析方法主要有间接耦合方法和直接耦合方法。
对于间接耦合分析方法，渗流场和应力场是分开进行求解，然后通过两场的叠加实现耦合，具体实现方法是先通过求解渗流场得到渗透体积力，然后将渗透体积力以体力形式施加到应力场分析中；对于直接耦合分析方法，渗流场和应力场是耦合求解，建立以应力场和渗流场为未知值的数学模型，通过求得此模型实现直接耦合，分析理论一般采用Biot 固结理论。
（a ）渗流-应力耦合间接分析方法1）渗流场分析通常，假定地下水在岩体中的流动满足达西定律，根据质量守恒或渗流连续性条件，地下水稳定渗流微分方程可表示为：Q x y z HH H K K K x xy y z z ⎛⎫∂∂∂∂∂∂⎛⎫⎛⎫++= ⎪ ⎪⎪∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭ （A.1） 式中：H 为渗流测压管水头（m ），pH z gρ=+；x K 、y K 、z K 分别为x 、y 、z 方向的渗透系数(m/s)；Q 为内源项。
2）渗透体积力计算水在渗流过程中由于水压力的坡降而产生渗流体积力，渗流体积力与水力梯度成正比例，由渗流产生的渗透体力可根据如下公式计算：x w y w z wHf x H f y H f z γγγ⎧∂=-⎪∂⎪∂⎪=-⎨∂⎪⎪∂=-⎪∂⎩（A.2） 式中：x f 、y f 、z f 分别为x 、y 、z 方向的渗透体积力。
3）应力场分析根据弹性力学理论，在小应变条件下，应力场分析中任一单元体满足如下方程： ①平衡方程：000xy x xzx yx y yzy zy zx z z b x y z b x y z b x y z τσττστττσ∂⎧∂∂+++=⎪∂∂∂⎪⎪∂∂∂⎪+++=⎨∂∂∂⎪⎪∂∂∂⎪+++=∂∂∂⎪⎩（A.3） 其中，x xy y z zb f b f b g f ⎧=⎪=⎨⎪=+⎩②几何方程：==x xy y yz z zx u u v x y x v v w y z y w u wz z x εγεγεγ∂∂∂⎧=+⎪∂∂∂⎪∂∂∂⎪=+⎨∂∂∂⎪⎪∂∂∂==+⎪∂∂∂⎩，，， （A.4） ③本构方程：222x x v xy xyy y v yz yz z z v zx zxG G G G G G σελετγσελετγσελετγ=+=⎧⎪=+=⎨⎪=+=⎩，，， （A.5） 式中：x σ，y σ，z σ，xy τ，yz τ，zx τ为应力分量；x b ，y b ，z b 为体积力，包括重力和渗透体积力；x ε，y ε，z ε，xy γ，yz γ，zx γ为应变分量；v ε为体积应变；λ和G 为弹性常数。
渗流_应力耦合作用下深埋黏土岩隧道盾构施工特性及其动态行为研究
对大变形问题的处理有 3 种方法：完全拉格朗 日法、更新拉格朗日法和欧拉法。因拉格朗日法的 坐标附着在物质点上，易于引入本构关系和处理自 由表面外载问题，因此多采用此种方法。拉格朗日 法以增量方法求解，即从时刻 t 到 t t 求解期间， 必须先选定一个已知状态的构形作为参照构形，以 定义克希霍夫应力张量和格林应变张量。完全拉格 朗日法取 t0 0 时刻的构形作为参照构形，而更新 拉格朗日法在时步 [t，t t ] 增量求解期间的所有 变量，均以这个时步的开始时刻 t 的构形作为参照 构形来定义[13]，随着时步的变化，参照构形也在不 断改变[14-15]。本文采用更新拉格朗日法建立黏土岩 大变形渗流–应力耦合分析模型，在分析区域内假 定岩土介质的骨架为均质弹塑性体，孔隙水流动服 从达西定律。 2.1 物质描述的大变形控制方程 在饱和岩土介质中，用克希霍夫应力张量表示 的总应力增量[15]为 Sij Sij ij pow
收稿日期：2011–03–31；修回日期：2011–04–28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(41102182)；中国石油科技创新基金项目(2011D–5006–0603)；湖北省自然科学基金资助项目(2011CDB008) 作者简介：贾善坡(1980–)，男，博士，2002 年毕业于中国石油大学(华东)土木工程与石油工程专业，现任副教授，主要从事岩石力学与工程方面的 教学与研究工作。E-mail：jiashanporsm@
，
(1. 长江大学 城市建设学院，湖北 荆州 434023；2. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061； 3. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071； 4. Euridice，SCK• CEN，国家核能研究中心，比利时 摩尔 2400)
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式 中：Ｖ （ ， ， ） 表示流速 。
由达西定律得 ：
ｖ ＝一 【 ２ ）
水 量预测 的经验公 式。关于 深埋隧洞涌水量预测 的问题 ，由 于地 质条件 复杂 ， 多采用数值法进行研究 。例如 ， 王建秀等 ［ ６ 】
通过 反复试算对初定 涌水量 修正 ，将 围岩极 限给水能力 对应
测的研究具有一定的参考价值 。
一
其
中
地应 力的作用 ，初始状态 时岩体 中裂隙较为 闭合 ，对 隧洞涌 水没 有太大影 响；而在 开挖 过程 中，由于高地应力 释放 ，引 起隧洞围岩裂 隙张开 ，渗透 性发生改变 ，导致一 系列地 质灾
害问题 ，从而严重威胁地 下工程开发利用 的施工 安全。在此 过程 中 ， 应力释放导 致渗透特性 改变 ，进而使得应力重分布 ， 渗流 场与应力场是相互作 用的。 因此 ，高地应力 引起的渗流 特性 变化对工程 安全性具有重 要意义…，在深埋 隧洞涌水量
１ ９ ４
Ｉ 】
中 国 水 运
第 １ ５卷
（ ＋ｚ ）
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质分区的初始渗透 张量
（ ４ ） 反分析求得） 。
（ 也可 由地下水位观测资料 的
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｛ Ｉ 昙（ ＋ ）
法建 立了三维水文 地质数值模 型进行预测 ；潘明 明等 Ｉ ９ 采 用 模糊 层分析法研究 了影 响长 大隧洞涌水量 的因素 ；郭纯清等 Ｈ Ｄ Ｊ 提出 “ 岩溶隧道涌水量综合预测四步建模法” 。目前所建立 的深埋 隧洞涌水预测模型 中较少考虑 围岩渗流场与应力 场的 耦合作 用，仅有学者考虑渗流一 应 力耦合作 用下高水 压隧洞围 岩应力 、应变 、变形破坏模 式等 ｎ 珀 Ｉ 。 本文 基于 南水北调工程 区岩体透 水性 的研究成果 ，并对
、
渗流一 应 力耦 合方 法
在所研究 的工程岩体范 围内，节理 裂隙密集 ， 数 目众 多。 根据对沿洞线 节理 测量资料 的区域性节理 统计 ，模 拟 区除砂
板岩面理外 ，节理 可概 化为两组 区域性节 理 ：假设 以洞轴线
— ． 。 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．
方 向为 ０。， 第一组裂隙产状 ５ ０ 。 ６ ５ 。， 第二组裂隙产状 ３ １ ０ 。 ７ ０。。 因此 ，可将模拟 区岩体视 为等效连 续介 质 ，
第 １ ５卷 第 ５期
２ ０１ ５钜
中 国
水
运
Ｖ ｏＩ ． １ ５
Ｎ ｏ． ５
５月
Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｗ ａ ｔ ｅｒ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｐ ｏ ｒ ｔ
Ｍ ａ ｙ
２ ０ １ ５
渗流一 应力耦 合作 用下深埋隧洞涌水量分析
刘 阳 ， 高晓 兵
（ 中交第三航务工程勘察设计 院有 限公 司，上 海 ２ ０ ０ ０ ３ ２ ）
大 幅度显著 。 在 分水岭、峡谷及陡倾地层地区应对涌水量计算加 以修正 ， 渗流一 应力耦合分析方法为隧洞涌水量预 测
提供 了较有效 的途径 。 关键词 ：深埋 隧洞 ；涌水量 ；渗流一 应力耦合 ；地应力 ；地下水径流 ；面理产状
中 图分 类号 ：Ｔ Ｕ ４ ５ ２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章编 号 ： １ ０ ０ ６ — ７ ９ ７ ３（ ２ ０ １ ５ ）０ ５ — ０ １ ９ ３ — ０ ５
隧洞 涌水受地层岩性、地质构造 、地 应力等复杂 因素 的
影 响 ，是威胁施工安全 的重 要地 质灾害之一 。深埋 隧洞 具有
埋深 大、洞线长、所处 的地 质环境复杂 的特点 ，尤 其是 受高
演分析耦合参数 ，研究渗流场与应力场耦合作 用下地 应力、 地下水径流及面理 产状 对隧洞涌水量 的影 响 ，对 隧洞涌水预
工程 区节理裂隙进行统计 ，通过 建立等效连续介质模 型 ，反 收稿 日期 ：２ ０ ｌ ５ ． ０ ３ — ２１
水的运动粘滞系数 ， ｎ 、ｎ 、 ｎ 分别为裂隙面法线与 瓜
ｚ 轴夹 角的余弦 。 为水力坡降列 阵，有 ：
作者简介 ：刘
阳 （ １ ９ ８ ５ 一 ），女 ，博士 ，中交第 三航 务工程勘察设计 院有限公 司 ，从事港 １ １ ３ １ 程设计、科研及渗 流分析 。
建立基本方程 。
１ ． 渗 流 连 续性 方程
预测 中考 虑两场耦合作 用十分必要。 隧洞涌水量预测经过 半个多世纪的发展 ，已逐渐从 经验 估 算法发展到试验探测法 和各类数值模拟 方法 。例 如朱 大力
等【 ２ 用降雨 入渗 系数经验值预测涌水量 ； 张怀军等－ ３ 】 通过分析
根据质量守恒定律 ， 可 以得到稳定 流的水流连续 方程 为 ：
＋Байду номын сангаас
盟＋ ： ０
瑟
（ １ ）
勘探 试验洞 的水文地质条件 对隧洞开挖过程 中的涌水量 进行 预测 ；杜红梅 Ｈ 通 过同位素氚测 试法预测 隧洞 地下水 的补 给
量 ；张庆华 等＿ ５ 】 根据几个典 型项 目总结 了越 岭隧道 的几种 涌
摘
要 ：深埋隧洞在开挖过程 中由高地应力 释放 引起岩体 渗透特性改变 ，造成涌水等重要地质灾害 。基于 南水 北调
工程 区岩体透 水特性的研究成果 ，反演 了该 区的渗流一 应 力耦合参 数 ，通过渗流一 应力耦合方法建立三维等效连续介 质模型 ，研究 了耦合作 用下地 应力 、地 下水径 流及面理产状对隧洞涌水量 的影响 。研究表 明 ：高地应力作 用对 隧洞 涌水量 的影 响不容忽视 ，隧洞涌水量 随外 水压 力、水力坡降及面理倾 角的增加而增大 ，且渗流一 应力耦合作 用下该增
的涌 水量定为隧洞涌水量 ；王媛 等将地下水径流模 数和 透水
乏 乏 ｌ 为 渗 透 张 量 ：
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式 中： 、 分别为第 １ ／ ／ 组裂 隙的隙宽和 间距 ， 为
性规律应用于估算深埋隧洞涌水量 】 ． 王玮等【 ８ ｌ 采用有限差分