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,R
2、EV、等效水力参数难确定,不能很好刻画裂隙渗透特性,大规模裂隙分布稀疏、 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，
3、外边 界取为30倍的洞径，设衬砌有 两条缝隙，恰和外部两组结构 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 fig 3 The distribution of water head,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
4、如图3所示，由于结构面渗透系数较大，岩块渗透系数很小。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；为应力向量；G 为应力矩阵；f ( ) ，g() 为应力 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,建立以位移表示的平衡微分方 程和以渗流水压力表示的渗
5、流方程,将两方程联立, 建立同时以、为未知量的基本方程. 大型稀疏非线性非对称方程组()=() 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，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
6、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,
