基于修正双重介质渗流模型的隧道断层破碎带渗流特性确定_代久生.pdf

在隧道施工过程中，断层破碎带处突水突泥是经常发生的，其主要成因是断层破碎带中裂隙发育较大、填充物软弱和地下水较活跃等，施工扰动使得应力和渗流失稳，从而引发突水突泥问题。故研究断收稿日期：2023-01-05基金项目：陕西省创新能力支撑计划-创新团队（2020TD-005）；中国铁建昆仑投资集团有限公司2019年科技攻关项目（KLTZ（JL）2019-12）作者简介：代久生，男，高级工程师，学士，主要从事土木工程建设管理工作。通讯作者：房雨辰，男，在读硕士研究生，主要研究方向为隧道及地下工程。引文格式：代久生，房雨辰，余昭葳.基于修正双重介质渗流模型的隧道断层破碎带渗流特性确定 J.市政技术，2023，41（5）：107-111.（DAI JS，FANG Y C，YU Z W.Determination of seepage characteristics in tunnel fault zone based on modified dual medium seepage modelJ.Journal of municipal technology，2023，41（5）：107-111.）文章编号：1009-7767（2023）05-0107-05第41卷第5期2023年5月Vol.41，No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.107Journal of Municipal Technology基于修正双重介质渗流模型的隧道断层破碎带渗流特性确定代久生1，2，房雨辰2，3*，余昭葳2，3（1.中国铁建昆仑投资集团有限公司 剑黎高速公路工程施工总承包指挥部，贵州 贵阳 550025；2.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西 西安 710055；3.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055）摘要：在工程中突水突泥问题往往会对施工产生很大影响，不仅会影响施工进度，还会产生很多安全问题。因此针对四川省大凉山 1 号隧道施工过程中断层破碎带处发生突水突泥的问题，提出了一种修正的双重介质渗流模型，研究了断层破碎带的渗流特征，并将裂隙岩体作为研究对象，假定基质和裂隙均匀分布在裂隙岩体中，且基质系统和裂隙系统分别遵循达西定律和Forchheimer 非线性渗流定律，基于此求得相对应的渗透系数，并据此对水头势函数进行了计算。关键词：隧道工程；断层破碎带；渗流模型；双重介质；渗流参数中图分类号：U453.61文献标志码：ADetermination of Seepage Characteristics in Tunnel Fault Zone Based onModified Dual Medium Seepage ModelDai Jiusheng1，2，Fang Yuchen2，3*，Yu Zhaowei2，3（1.Jianli Expressway Construction Contract Headquarters China Railway Construction Kunlun Investment Group Co.，Ltd.，Guiyang 550025，China；2.Shaanxi Key Laboratory of Geotechnical and Underground Space Engineering，Xi an 710055，China；3.School of Civil Engineering，Xi an University of Architecture and Technology，Xi an 710055，China）Abstract：Water inrush and mud inrush in engineering often have a great impact on tunnel construction，which notonly affect the construction progress but also cause many safety problems.Therefore，in view of the problem of waterinrush and mud inrush at the fracture zone of the interrupted layer during the construction of Daliangshan No.1 tunnelin Sichuan Province，a modified dual medium seepage model was established to analyze the seepage characteristicsof the fault fracture zone.Taking the fractured rock mass as the researched object，it is assumed that the matrix andfractures are uniformly distributed in the fractured rock mass，and both follow Darcys law and Forchheimers non鄄linear seepage.The corresponding permeability coefficient is obtained and the water head potential function is cal鄄culated on this base.Keywords：tunnel engineering；fault zone；seepage model；dual medium；seepage parameterJournal of Municipal Technology第41卷层破碎带中因施工扰动引起的应力和渗流变化，对解决突水突泥问题有重大意义。但断层破碎带由于其地质构造、填充物和地下水渗流的复杂性，也对研究过程提出了更高的要求。鉴于此，诸多学者都对其进行了深入的研究，笔者则依托四川省大凉山1号隧道数据，分析在施工扰动下断层破碎带渗流变化规律，构建修正的双重介质渗流模型，并基于此得出一种适用于断层破碎带的渗透系数与水头势函数的表达式，可为构建数值模型提供理论依据。1工程地质概况大凉山1号隧道地处四川省乐山市，全长15.3km。该隧道穿过斯依阿莫倒转背斜西翼F1断层，断层破碎带岩溶呈弱发育，以滴水和股状溶隙水为主，雨季岩溶水量较大。2连续介质渗流模型2.1经典双重介质渗流模型与其他连续体模型相比，双重连续介质模型具有诸多优势，通过对岩体和裂隙渗流场的分析，可以较好地描述优先流状况1，并且耦合问题也可以通过考虑水交换项加以解决，使得岩体裂隙中的渗流模拟更贴合实际。然而，双重连续介质模型也有许多缺点，如：将裂隙部分视为连续介质会使计算更为简洁，但一部分裂隙无法得到典型体元或者典型体元体积太大，此时并不可以将裂隙部分视为连续介质，故在模型选择时需考虑其适用条件；当孔隙水和裂隙水之间交换系数难以确定时，模型准确度会降低。当前，孔隙介质渗流理论较为完备，因此笔者决定建立基于经典双重介质渗流模型（见图1）的修正双重介质渗流模型，确定其渗流参数，并对在施工扰动下的断层破碎带渗流规律进行分析。在构建模型时，将岩体和裂隙视为独立介质，其中基质系统服从达西定律、裂隙系统服从非线性渗流定律，它们之间通过水交换项达到良好耦合。双重介质渗流模型中的双重介质可划分为狭义和广义的双重介质2-3。其中：狭义双重介质是指“孔隙介质与裂隙介质共同构成的一种存在水力关系的介质”；广义双重介质是指“连续与非连续介质中形成的一种存在水力关系的介质”。由于岩体特性是复杂多变的，特别是断层破碎带，不仅富水，而且各向异性较强，因此该类岩体渗流和应力的耦合状况难以分析。朱维耀等4研究认为，较为致密裂缝中流体部分流动服从高速非线性渗流定律；苏玉亮等5、Yao等6经过大量试验和现场数据分析，得出裂隙中流体在流速较大时服从高速非线性渗流定律，一般达西定律并不可以准确反映其渗流规律的结论。故为使建立的模型能够更好地适应富水断层破碎带，需考虑土体中的渗流情况和土体与裂隙之间的交换流情况，以便分析判断土体渗流情况和裂隙渗流情况是否满足常规达西定律。2.2修正双重介质渗流模型基于经典双重介质渗流模型并根据岩体特性，笔者对经典双重介质渗流模型进行修正，再根据实际地质状况确定孔隙与裂隙的占比，然后假设孔隙中渗流服从达西定律，裂隙中渗流服从Forchheimer非线性渗流定律，将其线性组合构建成新的渗流模型，最后通过水交换项达到良好耦合，从而在一定程度上弥补了经典双重介质模型的缺陷，并根据断层破碎带特征，给出了更适用于修正双重介质渗流模型的渗透系数和水头势函数表达式，使其结果更贴合实际。修正的双重介质渗流模型假定：1）将岩体和裂隙划分为基质系统与裂隙系统，2种介质之间相互独立且相互重叠，均匀地布满整个岩体。2）基质系统服从达西定律，裂隙系统服从Forch鄄heimer非线性渗流定律，通过水交换项达到2种介质间良好的耦合。图1经典双重介质渗流模型Fig.1 Classical dual medium seepage model108第5期3）基质系统和裂隙系统的孔隙率和渗透率互不相同，且会被应力状态的不同所影响。修正的双重介质渗流模型呈六面体状（见图2），其中基质系统和裂隙系统服从不同的渗流定律，相互耦合并共同作用，裂隙方向和主渗透率方向相同。2种介质系统的渗流量不仅与其系统的性质有关，还与裂隙域在断层破碎带中的体积占比有关。图2中：im为基质系统单位面积渗流量；if为裂隙系统单位面积渗流量；w为基质系统和裂隙系统之间的水交换项。为满足该模型参数计算要求，还需对双重介质模型参数进行修正。2.3修正双重介质渗流模型的渗透系数确定根据不同部分服从的渗流定律，计算二者渗透系数，并根据体积比例将二者相结合。2.3.1基质系统渗透系数计算在单介质情况下，基质系统主要由岩石中的空隙系统构成，并假设其服从达西定律：=-k1（p+fgz）。（1）式中：为渗流速度；为动力黏度；f为水的密度；p为恒定水压力；k1为试件的渗透率；为哈密顿算子（矢性微分算子）；z为重力方向；g为重力加速度。哈密顿算子计算式为：鄣鄣xi+鄣鄣yj+鄣鄣zk。（2）式中：i为x方向矢量；j为y方向矢量；k为z方向矢量。2.3.2裂隙系统渗透系数计算在计算中，假设裂隙系统服从非线性渗流定律。反映水力梯度J和渗流速度的非线性方程有2种：1）二次型：J=A+B2。（3）二次型公式是渗流方程的二次表达方式，一般采用Imay流动模型，并与平均纳维斯托克斯方程共同求解，在稳定流条件下，仅在雷诺数较大的情况下才能获得Forchheimer公式。2）指数型：J=C-m，1m2。（4）指数型方程形式较为简单，但缺乏理论支持，而二次型公式中每项均存在物理意义，且拥有理论支持，故Forchheimer公式的应用范围更加广泛。对于裂隙流渗流问题选取Forchheimer的二次型公式分析较为准确，即：J=fgk2+g2。（5）式中：为非线性渗流方程的影响系数；k2为裂隙系统渗透率。王媛等7在对非线性渗流方程研究中得出，k2与呈指数型分布：=0.000 3k2-0.6134。（6）就非线性渗流而言，渗透系数不为常数，其随水力梯度变化而变化。由式（5）、（6）以及渗透系数与渗透率之间的关系，推导得出非线性渗流渗透系数公式为：K2=J-1-2k2f+2k2f2+gJ1/2。（7）2.3.3模型渗透系数计算基于修正双重介质渗流模型中2种介质渗流规律不同，其孔隙率和渗透率也不相同，模型的渗透能力是通过2个系统渗透性的线性组合来确定的。对于断层破碎带，假设裂隙系统与基质系统重叠且均匀地布满裂隙岩体，运用裂隙域体积分数将模型渗透系数用公式表示为：K=（1-f）K1+fK2。（8）式中：f为裂隙域体积分数