技术领域
背景技术
[0002] 随着隧道及地下工程的发展，越来越多的地下结构在施工和使用过程中，时刻都受到
地下水的危害。由于地下水的渗透和侵蚀作用，使工程产生病害，轻则影响使用效果，重则使整个工程报废，造成巨大的经济损失和严重的社会影响。
[0003] 鉴于隧道地下水问题的重要性，国内外学者对隧道地下水涌水量的研究都很重视，对隧道地下水涌水量问题进行了大量的勘测、试验和分析研究工作。其中确定性数学模型方法是利用水
力学、地下
水动力学等方面的理论，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关系，得出一系列理论或经验解析公式，以预测计算隧道的涌水量。这类方法包括了水文地质类比法(比拟法、径流模拟法)、水均衡法、
解析法和数值模拟法等。
发明内容
[0004] 本发明意在提供一种涌水量的预测方法，采用数值方法预测隧道涌水量时，在不同经验公式的参考下，引入水位调整系数，通过一个工况隧道的涌水量预测，预测不同水位下或不同渗透系数下的隧道涌水量，可以极大降低工作量，提高预测的工作效率。
[0005] 具体技术方案如下：
[0006] 一种隧道涌水量预测方法，其特征在于：根据不同水位H采用不同水位调整系数η进行涌水量的预测值的调整，具体为：
[0007]
[0008] 其中
[0009]
[0010]
[0011]
[0012]
[0013] 以上各式中：K为岩体的渗透系数；H0和H对于式(1)和(3)为含水层中原始静水位至隧道
底板的距离，对于式(2)和(4)为静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离，并且H0为标准水位高度，H为待求水位高度；r0为隧道洞身横截面的等价圆半径；d为隧道洞身横截面的等价圆直径；m为转换系数，取0.86；η1和η2为水位调整系数，在其他参数相同的条件下，不同水位引起涌水量变化的比值；QH为待求涌水量。
[0014] 进一步地：所述预测方法选用FLAC3D
软件建立数值分析模型进行数值模拟。
[0015] 进一步地：所述模拟采用的渗流模型做如下假定：
[0016] (1)视围岩和结石体为均质的、各向同性的等效连续渗透介质；
[0017] (2)隧道处于稳定渗流状态；
[0019] (4)隧道排水是通过衬砌均匀渗水实现的。
[0020] 进一步地：所述模拟所采用的渗流分析的流动方程为：
[0021]
[0022] 式中，qi是
指定的流矢量，p是孔隙压力，k是孔隙介质的绝对动态系数张量，也即FLAC3D中的渗透性张量； 是相对动态系数，它是
流体饱和度s的函数；ρf是流体
密度，ρf是重力矢量的3个分量；在FLAC3D中计算饱和/非饱和流时，空压被假定设置为恒等于零。
[0023] 平衡方程：
[0024] 其中，流体平衡表述如下：
[0025]
[0026] 其中：qv为流体源
体积密度(l/sec)；ξ是描述流体含量的变量或者是由于流体扩散运动而造成的单位体积内流体体积改变的变量；
[0027] 动量平衡方程表述为以下形式：
[0028]
[0029] 其中：ρ＝(1-n)ρs+nsρw是体积密度，ρs和ρw是相应的固相和液相的密度；(1-n)ρs与固体的干密度ρd是相同的；
[0030] 本构方程：流体容量的改变与孔隙压力p、饱和度S及力学体积应变ε的改变是相关的，相应的方程表述如下：
[0031]
[0032] 式中：M是Biot模量，n是孔隙率，α是Biot系数；
[0033]
[0034] 与孔隙介质相对应的本构法则表达为如下形式：
[0035]
[0036] 其中： 代表协同转动
应力率，H是本构法则的函数表达式，k是历程参量，ξij是应变率；
[0037] 与有效应力和应变相关的弹性关系表达式为：
[0038]
[0039] 式中，上标0代表初始状态，εij是应变，K和G是排水弹性实体的体积和
剪切模量；
[0040] 相容方程：应变率和速度梯度之间的关系为：
[0041] ξij＝(vi.j+vj.i)/2。
[0042] 本发明在不同经验公式的参考下，引入水位调整系数，通过一个工况隧道的涌水量预测，预测不同水位下的隧道涌水量，可以极大降低工作量，提高预测的工作效率；并对现有公式应用水位调整参数的特点，对预测方法进行了修正，提高正确率。
附图说明
[0043] 图1是本发明FLAC3D分析的基本组成部分示意图；
[0044] 图2是本发明渗流模型示意图；
具体实施方式
[0045] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的
实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
[0046] 以营尔岭隧道防排水施工控制为例，涌水量是高水位富水区隧道动态设计中最重要的参数之一。对于施工而言，需要根据隧道的涌水情况安排施工进度以及堵水措施，以保证隧道的安全掘进；而设计则需要根据隧道涌水的情况设计排水设施、衬砌形式以及围岩后期注浆加固的范围。
[0047] 隧道横断面的面积为163.5m2，周长为46.8m。设隧道的等效半径为r，则有：
[0048] πr2＝163.5m2
[0049]
[0050] 则隧道横断面的等效圆直径为14.4m。
[0051] 营尔岭隧道出口段描述：
[0052] 本段为隧道出口段，埋深为5～21m。隧道拱部为第四系更新统的粉质黏土、碎石、全
风化片麻
花岗岩，粉质黏土呈硬塑状，碎石呈中秘至密室状。围岩无自稳能力，易发生大塌方。该段地下水较丰富，地下水出水状态为淋雨状或涌流状。
[0053] 根据以上描述，选取静止水位至隧道等价圆横断面中心的距离H为16m，至底板距离为23m为例，计算该隧道的单位长度单位时间的涌水量，其中渗透系数取为
[0054]
[0055] 由古德曼公式计算涌水系数为0.3m/d，水位距隧道中心高度为16m，隧道等效半径为7.2m时单位长度的涌水量如下所示：
[0056]
[0057] 由以上的经验预测公式可知，不同的公式得到的预测结果有比较大的出入，但每个公式基本都与岩体的渗透系数，隧道的断面大小，水位的高度等因素相关。
[0058] 为了研究地下水渗流的力学特征和影响，选用FLAC3D软件建立数值分析模型进行数值模拟。
[0059] FLAC3D是二维的有限差分程序FLAC2D的拓展，能够进行土质、
岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。通过调整
三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生
变形和移动(大变形模式)。FLAC3D采用了显式拉格朗日
算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。由于无须形成
刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。
[0060] FLAC3D分析的基本组成部分和分析过程如图1所示。
[0061] 渗流模型：
[0062] 为定性地研究涌水量与衬砌、注浆加固圈、围岩之间的关系，本章节采用了图2所示的简化渗流模型，并做了如下假定：
[0063] (1)视围岩和结石体为均质的、各向同性的等效连续渗透介质；
[0064] (2)隧道处于稳定渗流状态；
[0065] (3)地下水流服从Darcy定理；
[0066] (4)隧道排水是通过衬砌均匀渗水实现的；
[0067] 根据地下水连续性方程及Darcy定理，孔隙水压力u：
[0068]
[0069] 式中：r0——衬砌内半径；
[0070] r1——衬砌外半径；
[0071] rg——注浆加固圈半径；
[0072] rm——围岩半径；
[0074] hw——开挖隧道断面上的水头(m)；
[0075] P——远场水压力；
[0076] Pg——作用在注浆加固圈外边界上的水压力；
[0077] Ps——作用在衬砌外边界上的水压力。
[0078] 所述模拟所采用的渗流分析的流动方程为：
[0079]
[0080] 式中，qi是指定的流矢量，p是孔隙压力，k是孔隙介质的绝对动态系数张量，也即FLAC3D中的渗透性张量； 是相对动态系数，它是流体饱和度s的函数；ρf是流体密度，ρf是重力矢量的3个分量；在FLAC3D中计算饱和/非饱和流时，空压被假定设置为恒等于零。
[0081] 平衡方程：
[0082] 其中，流体平衡表述如下：
[0083]
[0084] 其中：qv为流体源体积密度(l/sec)；ξ是描述流体含量的变量或者是由于流体扩散运动而造成的单位体积内流体体积改变的变量；
[0085] 动量平衡方程表述为以下形式：
[0086]
[0087] 其中：ρ＝(1-n)ρs+nsρw是体积密度，ρs和ρw是相应的固相和液相的密度；(1-n)ρs与固体的干密度ρd是相同的；
[0088] 本构方程：流体容量的改变与孔隙压力p、饱和度S及力学体积应变ε的改变是相关的，相应的方程表述如下：
[0089]
[0090] 式中：M是Biot模量，n是孔隙率，α是Biot系数；
[0091]
[0092] 与孔隙介质相对应的本构法则表达为如下形式：
[0093]
[0094] 其中： 代表协同转动应力率，H是本构法则的函数表达式，k是历程参量，ξij是应变率；
[0095] 与有效应力和应变相关的弹性关系表达式为：
[0096]
[0097] 式中，上标0代表初始状态，εij是应变，K和G是排水弹性实体的体积和剪切模量。
[0098] 相容方程：应变率和速度梯度之间的关系为：
[0099] ξij＝(vi.j+vj.i)/2。
[0100] 为比较分析数值法与解析法对涌水量预测的可靠性，需要将预测值与实际涌水量进行对比，由于实测段落较多，水位及渗透系数均发生变化，如要进行对隧道全程进行数值模拟，则工作量十分巨大。因此在研究中采用水位调整系数的方式，将数值模拟的计算换算到各种水位，具体实现步骤如下：
[0101] 水位调整系数为在其他参数相同的条件下，不同水位引起涌水量变化的比值，将其定义为η，具体公式如下所示：
[0102] η＝q/q0＝f(H，x1，x2…)/f(H0，x1，x2…)
[0103] q0＝f(H0，x1，x2…)
[0104] 式中：
[0105] η—水位调整系数；q—待求涌水量(m2/d)；q0——标准涌水量(m2/d)；H—待求水位高度(m)；H0—标准水位高度；f(H，x1，x2…)—涌水量计算相关方程。
[0106] 针对各个不同的经典公式得到水位调整系数的表达式：
[0107] 大岛洋志公式水位折减系数：
[0108]
[0109] 古德曼公式水位折减系数：
[0110]
[0111] 其中H0对大岛洋志公式为含水层中原始静水位至隧道底板的距离；对古德曼公式为静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离，H为相应各段的实际值。
[0112] 水位调整系数应用
[0113] 采用水位调整系数这一变量后，就可以根据经典公式计算求出隧道各段实际水位与某一标准水位的调整系数，并假定实际涌水量符合各经典公式求出的水位调整系数，将其进行调整得到的某一标准水位下不同渗透系数的近似实际涌水量；同时也可假定数值模拟涌水量符合各经典公式求出的水位调整系数，再根据现有数值模拟结果就可求出实际各水位下近似模拟涌水量。
[0114] 经典公式水位调整系数统一性较好，可用大岛洋志公式和古德曼公式的调整系数计算出的近似预测涌水量，最终取值为二者结果平均数。
[0115] 本发明在不同经验公式的参考下，引入水位调整系数，通过一个工况隧道的涌水量预测，预测不同水位下的隧道涌水量，可以极大降低工作量，提高预测的工作效率；并对现有公式应用水位调整参数的特点，对预测方法进行了修正，提高正确率。
