节理岩体隧道渗流场模型构建

根据小三峡地勘资料，本书结合高水压富水区节理岩体隧道的修建过程和特点，建立节理岩体隧道渗流数值模型，模拟施工过程中节理岩体隧道的渗流场。建立的各工况数值模型主要包括初始渗流场模型、毛洞渗流场模型。

岩体经过多次构造作用后，其内部的裂隙、断层等结构构造就会变得十分复杂，从而导致研究节理岩体地下水介质的性质变得错综复杂。在裂隙岩体中，一般可能同时存在固体、液体、气体，流体在节理岩体中的运动非常复杂，所以在建立节理岩体隧道渗流场模型时，需要对实际问题进行合理的简化，以实现对工程实际的模拟。在此建立岩溶隧道渗流场模型时，采用如下简化方法：

（1）认为流体是可不压缩的，忽略应力场的作用，只研究渗流场。

（2）认为岩块不透水，流体只在裂隙中运动，即忽略了岩体裂隙系统和岩块系统之间的水量交换，这也跟3DEC软件的功能特性相一致。

（3）忽略裂隙介质中的固体和气体以及混凝土等连续介质中的气体，认为介质中只存在流体且处于饱和状态。

（4）忽略了裂隙的粗糙度、填充物等，认为裂隙是光滑平行、无填充物的，节理岩体中单裂隙的渗流服从立方定律。

（5）忽略了裂隙中可能遇到的紊流，认为流体在裂隙介质及连续介质中处于层流状态。

在节理岩体渗流模型中，节理几何特征直接影响节理介质渗透性的大小、方向和规律。本书采用的3DEC离散元软件能够较好地实现对裂隙方位、间距、张开度、组数等参数的模拟，两组节理J1和J2的产状和几何参数如表4.5所示。

表4.5　节理产状参数(www.xing528.com)

为了便于分析在渗流场作用下充水溶洞对隧道围岩的影响，将溶洞简化为边长为5 m的立方充水体，根据4.4节关于充水溶洞的计算结果，当充水溶洞分布于拱顶（工况一）及左侧拱肩（工况六）时，隧道围岩的变形最大，因此在分析隧道围岩在渗流场作用下的变形和应力时只选取工况一和工况六，分别建立溶洞位于距隧道拱顶、左拱肩1 m、3 m、5 m、7 m、9 m时的渗流计算模型。建立模型时，岩溶水密度、弹性模量和黏度分别按103 kg/m3、2 GPa和0.001 kg·m·s－1考虑，并在模型外侧施加孔隙水压边界条件（图4.19），溶洞静水压力参照表4.4中工况一和工况六进行取值。

计算完成后提取图4.6所示8个监测点的位移和应力数据进行分析。结果发现：在渗流场作用下，当充水溶洞位于左拱肩距离隧道7 m的位置时，隧道围岩竖向位移最大；当充水溶洞位于拱顶距离隧道9 m的位置时，隧道围岩主应力最大；当充水溶洞位于拱顶距离隧道1 m的位置时，隧道围岩中的孔隙水压最大，相应的典型云图如图4.20所示。鉴于此，在后续分析渗流场对岩溶隧道围岩应力、位移和孔隙水压影响时仅选择充水溶洞位于左拱肩距离隧道7 m时、充水溶洞位于拱顶距离隧道9 m时以及充水溶洞位于拱顶距离隧道1 m时的三种典型工况。需要说明的是：在后续分析时直接采用计算结果数据绘制的变化图进行阐述，各测点的位移和应力数值详见附录三。

图4.19　节理岩体渗流模型孔隙水压边界条件

图4.20　渗流场作用下隧道围岩位移、应力和孔隙水压