水下隧道流固耦合模型试验与数值分析
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类型 原型 模型 注浆圈 渗透 抗压 容重 弹性模量 泊松 黏聚力 内摩擦 系数 k 强度 － /(kN·m 3) E/GPa 比 c/MPa 角/(° ) － c /MPa /(cm·s 1)
P P R R P P
透压下深埋引水隧洞进行了施工过程中围岩内部的 渗流及演化规律的物理模拟；刘爱华等[7]研制了可
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岩石力学与工程学报
P P P P
2011 年
析方法 [8-10] 和数值分析 [11-12] 研究水下隧道的现状
1
引
言
必须改变，应该将模型试验这个强大的工具引入 进来。本文以胶州湾海底隧道为工程背景，利用自 行研发的试验架、非亲水相似材料和光纤传感器进 行了水下隧道的模拟试验，并通过对试验结果的分 验证了试验的可靠 析及与FLAC3D计算结果的对比，
P P
information got from the representative working condition accord with the general rule. Compared with the numerical simulation，physical test can take influence factors such as the excavation disturbances，water level fluctuations and wall-rock weakness due to seawater immersion into account；so that the results obtained from physical test approach the actual engineering conditions more. Key words： tunnelling engineering； underwater tunnel； solid-fluid coupling； analogous material； multiple information
0.287 5.31×10 0.273 7.55×10
P
0.40 2.42×10 0.46 6.04×10
P
－4
4.69×10
P
－2
－2
－5
海底隧道处于半无限空间内，必须选择合适的 范围才能得到比较精确的结果，本次试验原型如 图 1 所示。
第 30 卷
第7期
蔚立元等：水下隧道流固耦合模型试验与数值分析
收稿日期：2011–02–24；修回日期：2011–05–11 基金项目：国家自然科学基金委重大国际合作项目(50820135907)；国家自然科学基金委青年科学基金项目(50909056)；中国矿业大学人才引进项目 作者简介：蔚立元(1982–)，男，博士，2005 年毕业于山东大学水利水电工程专业，现任讲师，主要从事岩石爆破动力学、隧道监控量测方面的教 学与研究工作。E-mail：yuliyuan@cumt.edu.cn
• 1469 •
外水源通道 加水装置 方钢 进水口
回水口
观测管
传感器数据线
图1 Fig.1
试验原型示意图(单位：m) Sketch of test prototype(unit：m) 图2 试验系统实物照片 Fig.2 Photo of the model test system
为了得到更多有价值的信息，本次试验除了模 拟上述断面情况外，还希望能得到不同覆盖厚度、 开挖面积、注浆圈厚度和海水深度条件下的数据。 为此，可采用由内向外逐步开挖、分部成洞(实际分 4 次)的方法进行试验，相应隧道编号分别记为 TA， TB， TC， TD，其面积相似比为 TA： TB： TC： TD =1：2：3：4。最终开挖成形的隧道(TD)范围内 使用渗透系数较小、强度较大的相似材料压实，这 样隧道 TA，TB 和 TC 开挖时就相当于有一定厚度 的注浆加固圈。 2.3 试验装置 根据几何相似比及所选择的工程原型，可以得 到试验台架的尺寸(150 cm×50 cm×115 cm)。但为了 真实还原水下隧道围岩的饱和状态，实际试验架高 120 cm，试验时多出来的空间里将充满水，使得相 似材料能充分被水浸润。为避免传统钢结构台架对 信息采集的干扰，试验架主体由高强 PVC 材料构 成，只有立柱采用钢结构，以保持整体稳定性 (见 图 2)。试验台架可用于准三维平面应力和平面应变 模型试验，厚度可在一定范围内调整，并预留扩展 为真三维模型架的延伸结构。为了达到方便填料、 引出测试元件数据线以及调整台架尺寸等目的，试 验架前视面由 4 块移动板(150 cm×30 cm)组成；后 视面中间安装一透明有机玻璃板(150 cm×60 cm)， 以便于观察试验过程中围岩破坏特征和海水渗流情 况，其余部分仍由 2 块 PVC 板组成。 在上盖板上开有一直径 2 cm 的孔，通过蛇皮 管外接加水装置。加水装置是由钢化玻璃制作的敞 口水池(50 cm×30 cm×20 cm)， 通过底板中央的小孔 与试验架连通。试验时，外水源直接注入加水装置， 为了保持固定水位，在其侧面板距底面 5 cm 的位
百度文库
[3]
水下隧道的开挖将打破围岩原来的平衡状态， 引起围岩应力场与渗流场的变化：一方面水在岩土 体中渗流将产生渗流体积力，改变岩土体中原有的 应力状态；另一方面，应力状态的改变，又将影响 岩土体的结构，进而改变其渗透性能，水在岩土体 中的渗流状态必将发生变化。另外，水的存在还会 造成岩土体强度和弹性模量的降低。 由于水下隧道的上述复杂性，应该借助具有优 越性能的地质力学模型试验进行相关研究。但由于 流固耦合相似理论尚不完善、相似材料遇水易崩解、 模型架难于密封以及测试手段复杂等方面的原因， 目前大多数模型试验都未涉及渗流问题。为数不多 的流固耦合试验主要是煤矿开采和山岭隧道领域的 研究成果：张 杰和侯忠杰[4]以砂和滑石粉为骨料研
(1. Geotechnical and Structural Engineering Research Center，Shandong University，Jinan，Shandong 250061，China；2. School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China)
Abstract： Recently， underwater tunnels have progressed vigorously in China. Therefore it is necessary to research this type of tunnel using the analogous material test. The test bench composed of high-strength PVC board and structural steel was manufactured. Optical fiber monitoring system and collection device of water seepage were exploited. The new type of solid-fluid coupling analogous material was improved. Then the fluid-solid coupling model test was performed for the Kiaochow Bay Subsea Tunnel. Water inflow and multiple information like the displacement，stress and seepage pressure of key points were recorded in the test process. In order to verify each other，numerical simulation which was similar to the physical test was made using fast Lagrangian analysis of continua in 3 dimensions(FLAC3D). The test results are credible because that the spatial distributions of multiple
P P
2
相似材料试验
2.1 相似基本原理 由于流固耦合理论过于复杂，采用量纲分析法 来推导相似指标。3 个独立的物理量取为几何尺寸 l，容重 和渗透系数 k，这样就能得到其他物理量相 似常数的计算公式，如下所示：
t l / k (时间) l E l Q l 2 k
STUDY OF SOLID-FLUID COUPLING MODEL TEST AND NUMERICAL ANALYSIS OF UNDERWATER TUNNELS
YU Liyuan1 2，LI Shucai1，XU Bangshu1，WANG Yukui1，LIU Richeng1
，
P P P P P P P P P
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般规律，这说明试验采集的结果是可靠的。与数值模拟相比，物理试验能够考虑开挖扰动、水位波动以及海水浸 泡、渗流造成的围岩弱化等因素的影响，其结果更接近于工程实际。 关键词：隧道工程；水下隧道；流固耦合；相似材料；多元信息 中图分类号：U 451 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)07–1467–08
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近现代以来，人类的交通需求急剧增加，江河 湖海等水体成了社会进一步发展的制约和瓶颈，人 们便利用轮渡、桥梁和隧道等手段对其进行跨越， 水下隧道由于其独有的特点得到了迅猛发展，逐渐 成为与桥梁并举的跨越方式[1-2]。
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性。
水下隧道与一般山岭隧道最主要、最显著的区 别在于以下 2 点：一是存在上覆水体，水源补给无 穷无尽；二是其纵断面曲线必须选用排水困难的倒 人字坡，而山岭隧道一般采用单向坡或人字坡以利 排水。这 2 个原因导致水成为影响水下隧道安全性 和经济性的重要因素：渗入隧道内的水量大小决定 防排水费用的多少，而一旦发生突水事件，对整个 工程将是灾难性的破坏。比如，日本青函隧道施工 期间发生了 4 次严重的突水事故，给工程进展造成 了严重的影响 。
表1 围岩物理力学参数
制出流固耦合相似材料，并模拟了水下煤矿开采中 的渗流问题；王经明[5]采用相似模型试验研究了承
P P
压水沿煤层底板递进导升的突水机制；王克忠和李 仲奎[6]结合锦屏二级水电站引水隧洞工程，对高渗
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Table 1 Physico-mechanical parameters of surrounding rock
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26.7 20.1 19.9
3.64 3.38×10
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0.280
－2
5.52
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39.0 40.8 42.5
43.50 2.35×10
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模拟深部开采突水机制的模型试验系统。上述研究 未实现位移、应力、渗透压力和涌水量等多元信息 的并行实时采集，并且其水源都是位于围岩内部的 裂隙水、岩溶水等水量有限的隐伏水体，而水下隧 道上覆水体的补给是无穷的。 随着我国水下隧道的蓬勃发展，仅限于应用解
第 30 卷 第 7 期 2011 年 7 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.30 No.7 July，2011
水下隧道流固耦合模型试验与数值分析
蔚立元1 2，李术才1，徐帮树1，王育奎1，刘日成1
，
P P P P P P P P P
P P R R
(应力) (弹性模量) (渗流量)
(1)
综合考虑多种因素，本次试验的相似比定为：
l = 1/80， = 1/1.33， k = 1。这样就可以由式(1)
R R R R
得到其他各物理量的相似常数，而应变、泊松比和 内摩擦角等量纲一化参数的相似常数为 1。 2.2 原型参数及范围 试验以胶州湾海底隧道右线 IV 级围岩中 40 m 长(YK6+885～925 m)的一段为原型。 该段无第四系 覆盖层，基岩裸露，为含晶屑火山角砾凝灰岩，海 水深约 32.0 m，岩石覆盖层厚度为 26.2 m。根据勘 察设计阶段提供的资料，其物理力学参数见表 1。
(1. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061；2. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221116)
摘要：我国水下隧道蓬勃发展，对其进行相似材料试验研究非常必要。通过改装由高强PVC板和型钢组成的试验 架，开发光纤监测系统和渗流量计量器，并改进研发的新型固流耦合相似材料，在此基础上以青岛胶州湾海底隧 道为工程背景开展流固耦合模型试验。试验过程中记录渗流量和关键点的位移、应力及渗透压力等多元信息。为 了相互对比验证，采用软件FLAC3D进行与物理试验相似的数值模拟。代表性工况多元信息的空间分布情况符合一
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透压下深埋引水隧洞进行了施工过程中围岩内部的 渗流及演化规律的物理模拟；刘爱华等[7]研制了可
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析方法 [8-10] 和数值分析 [11-12] 研究水下隧道的现状
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引
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必须改变，应该将模型试验这个强大的工具引入 进来。本文以胶州湾海底隧道为工程背景，利用自 行研发的试验架、非亲水相似材料和光纤传感器进 行了水下隧道的模拟试验，并通过对试验结果的分 验证了试验的可靠 析及与FLAC3D计算结果的对比，
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information got from the representative working condition accord with the general rule. Compared with the numerical simulation，physical test can take influence factors such as the excavation disturbances，water level fluctuations and wall-rock weakness due to seawater immersion into account；so that the results obtained from physical test approach the actual engineering conditions more. Key words： tunnelling engineering； underwater tunnel； solid-fluid coupling； analogous material； multiple information
0.287 5.31×10 0.273 7.55×10
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0.40 2.42×10 0.46 6.04×10
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海底隧道处于半无限空间内，必须选择合适的 范围才能得到比较精确的结果，本次试验原型如 图 1 所示。
第 30 卷
第7期
蔚立元等：水下隧道流固耦合模型试验与数值分析
收稿日期：2011–02–24；修回日期：2011–05–11 基金项目：国家自然科学基金委重大国际合作项目(50820135907)；国家自然科学基金委青年科学基金项目(50909056)；中国矿业大学人才引进项目 作者简介：蔚立元(1982–)，男，博士，2005 年毕业于山东大学水利水电工程专业，现任讲师，主要从事岩石爆破动力学、隧道监控量测方面的教 学与研究工作。E-mail：yuliyuan@cumt.edu.cn
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外水源通道 加水装置 方钢 进水口
回水口
观测管
传感器数据线
图1 Fig.1
试验原型示意图(单位：m) Sketch of test prototype(unit：m) 图2 试验系统实物照片 Fig.2 Photo of the model test system
为了得到更多有价值的信息，本次试验除了模 拟上述断面情况外，还希望能得到不同覆盖厚度、 开挖面积、注浆圈厚度和海水深度条件下的数据。 为此，可采用由内向外逐步开挖、分部成洞(实际分 4 次)的方法进行试验，相应隧道编号分别记为 TA， TB， TC， TD，其面积相似比为 TA： TB： TC： TD =1：2：3：4。最终开挖成形的隧道(TD)范围内 使用渗透系数较小、强度较大的相似材料压实，这 样隧道 TA，TB 和 TC 开挖时就相当于有一定厚度 的注浆加固圈。 2.3 试验装置 根据几何相似比及所选择的工程原型，可以得 到试验台架的尺寸(150 cm×50 cm×115 cm)。但为了 真实还原水下隧道围岩的饱和状态，实际试验架高 120 cm，试验时多出来的空间里将充满水，使得相 似材料能充分被水浸润。为避免传统钢结构台架对 信息采集的干扰，试验架主体由高强 PVC 材料构 成，只有立柱采用钢结构，以保持整体稳定性 (见 图 2)。试验台架可用于准三维平面应力和平面应变 模型试验，厚度可在一定范围内调整，并预留扩展 为真三维模型架的延伸结构。为了达到方便填料、 引出测试元件数据线以及调整台架尺寸等目的，试 验架前视面由 4 块移动板(150 cm×30 cm)组成；后 视面中间安装一透明有机玻璃板(150 cm×60 cm)， 以便于观察试验过程中围岩破坏特征和海水渗流情 况，其余部分仍由 2 块 PVC 板组成。 在上盖板上开有一直径 2 cm 的孔，通过蛇皮 管外接加水装置。加水装置是由钢化玻璃制作的敞 口水池(50 cm×30 cm×20 cm)， 通过底板中央的小孔 与试验架连通。试验时，外水源直接注入加水装置， 为了保持固定水位，在其侧面板距底面 5 cm 的位
百度文库
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水下隧道的开挖将打破围岩原来的平衡状态， 引起围岩应力场与渗流场的变化：一方面水在岩土 体中渗流将产生渗流体积力，改变岩土体中原有的 应力状态；另一方面，应力状态的改变，又将影响 岩土体的结构，进而改变其渗透性能，水在岩土体 中的渗流状态必将发生变化。另外，水的存在还会 造成岩土体强度和弹性模量的降低。 由于水下隧道的上述复杂性，应该借助具有优 越性能的地质力学模型试验进行相关研究。但由于 流固耦合相似理论尚不完善、相似材料遇水易崩解、 模型架难于密封以及测试手段复杂等方面的原因， 目前大多数模型试验都未涉及渗流问题。为数不多 的流固耦合试验主要是煤矿开采和山岭隧道领域的 研究成果：张 杰和侯忠杰[4]以砂和滑石粉为骨料研
(1. Geotechnical and Structural Engineering Research Center，Shandong University，Jinan，Shandong 250061，China；2. School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China)
Abstract： Recently， underwater tunnels have progressed vigorously in China. Therefore it is necessary to research this type of tunnel using the analogous material test. The test bench composed of high-strength PVC board and structural steel was manufactured. Optical fiber monitoring system and collection device of water seepage were exploited. The new type of solid-fluid coupling analogous material was improved. Then the fluid-solid coupling model test was performed for the Kiaochow Bay Subsea Tunnel. Water inflow and multiple information like the displacement，stress and seepage pressure of key points were recorded in the test process. In order to verify each other，numerical simulation which was similar to the physical test was made using fast Lagrangian analysis of continua in 3 dimensions(FLAC3D). The test results are credible because that the spatial distributions of multiple
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相似材料试验
2.1 相似基本原理 由于流固耦合理论过于复杂，采用量纲分析法 来推导相似指标。3 个独立的物理量取为几何尺寸 l，容重 和渗透系数 k，这样就能得到其他物理量相 似常数的计算公式，如下所示：
t l / k (时间) l E l Q l 2 k
STUDY OF SOLID-FLUID COUPLING MODEL TEST AND NUMERICAL ANALYSIS OF UNDERWATER TUNNELS
YU Liyuan1 2，LI Shucai1，XU Bangshu1，WANG Yukui1，LIU Richeng1
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般规律，这说明试验采集的结果是可靠的。与数值模拟相比，物理试验能够考虑开挖扰动、水位波动以及海水浸 泡、渗流造成的围岩弱化等因素的影响，其结果更接近于工程实际。 关键词：隧道工程；水下隧道；流固耦合；相似材料；多元信息 中图分类号：U 451 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)07–1467–08
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近现代以来，人类的交通需求急剧增加，江河 湖海等水体成了社会进一步发展的制约和瓶颈，人 们便利用轮渡、桥梁和隧道等手段对其进行跨越， 水下隧道由于其独有的特点得到了迅猛发展，逐渐 成为与桥梁并举的跨越方式[1-2]。
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性。
水下隧道与一般山岭隧道最主要、最显著的区 别在于以下 2 点：一是存在上覆水体，水源补给无 穷无尽；二是其纵断面曲线必须选用排水困难的倒 人字坡，而山岭隧道一般采用单向坡或人字坡以利 排水。这 2 个原因导致水成为影响水下隧道安全性 和经济性的重要因素：渗入隧道内的水量大小决定 防排水费用的多少，而一旦发生突水事件，对整个 工程将是灾难性的破坏。比如，日本青函隧道施工 期间发生了 4 次严重的突水事故，给工程进展造成 了严重的影响 。
表1 围岩物理力学参数
制出流固耦合相似材料，并模拟了水下煤矿开采中 的渗流问题；王经明[5]采用相似模型试验研究了承
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压水沿煤层底板递进导升的突水机制；王克忠和李 仲奎[6]结合锦屏二级水电站引水隧洞工程，对高渗
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Table 1 Physico-mechanical parameters of surrounding rock
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26.7 20.1 19.9
3.64 3.38×10
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43.50 2.35×10
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模拟深部开采突水机制的模型试验系统。上述研究 未实现位移、应力、渗透压力和涌水量等多元信息 的并行实时采集，并且其水源都是位于围岩内部的 裂隙水、岩溶水等水量有限的隐伏水体，而水下隧 道上覆水体的补给是无穷的。 随着我国水下隧道的蓬勃发展，仅限于应用解
第 30 卷 第 7 期 2011 年 7 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.30 No.7 July，2011
水下隧道流固耦合模型试验与数值分析
蔚立元1 2，李术才1，徐帮树1，王育奎1，刘日成1
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(应力) (弹性模量) (渗流量)
(1)
综合考虑多种因素，本次试验的相似比定为：
l = 1/80， = 1/1.33， k = 1。这样就可以由式(1)
R R R R
得到其他各物理量的相似常数，而应变、泊松比和 内摩擦角等量纲一化参数的相似常数为 1。 2.2 原型参数及范围 试验以胶州湾海底隧道右线 IV 级围岩中 40 m 长(YK6+885～925 m)的一段为原型。 该段无第四系 覆盖层，基岩裸露，为含晶屑火山角砾凝灰岩，海 水深约 32.0 m，岩石覆盖层厚度为 26.2 m。根据勘 察设计阶段提供的资料，其物理力学参数见表 1。
(1. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061；2. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221116)
摘要：我国水下隧道蓬勃发展，对其进行相似材料试验研究非常必要。通过改装由高强PVC板和型钢组成的试验 架，开发光纤监测系统和渗流量计量器，并改进研发的新型固流耦合相似材料，在此基础上以青岛胶州湾海底隧 道为工程背景开展流固耦合模型试验。试验过程中记录渗流量和关键点的位移、应力及渗透压力等多元信息。为 了相互对比验证，采用软件FLAC3D进行与物理试验相似的数值模拟。代表性工况多元信息的空间分布情况符合一