岩体裂隙网络渗流模型及隧道掌子面渗流预测研究.pdf
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1、104Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.8CEditorial Department of Water Resources and Hydrooower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.iher研JJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(8):104-114.LEI Lin,ZUO ShuangyingTIAN Jiao,et al.Study
2、on fracture network model and permeability characteristics of rock mass in tunnel face114.54(8):104-雷林,左双英,田娇,等岩体裂隙网络渗流模型及隧道掌子面渗流预测研究J水利水电技术(中英文),2 0 2 3水利水电技术(中英文)第54卷2023年第8 期岩体裂隙网络渗流模型及隧道掌子面渗流预测研究雷林,左双英?2,田娇3,刘晶,丁成元,袁霄!(1.贵州大学资源与环境工程学院,贵州贵阳550025;2.贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室,贵州贵阳550025;3.贵州省交通规划勘察设计研
3、究院股份有限公司,贵州贵阳550081)摘要:【目的】岩体的裂隙特征直接影响其渗流特性,随着隧道工程中与岩体裂隙渗流有关的突涌水问题日益突显,为提高隧道建设与维护的安全性及稳定性,建立一套隧道掌子面岩体裂隙渗流量的预测计算程序。【方法】基于MATLAB平台,利用Monte-Carlo随机模拟方法编制岩体裂隙二维网络模型生成程序及稳定渗流数值计算程序,研究了裂隙岩体表征单元体积(REV)的尺寸效应及渗透张量的确定方法。将该程序应用于某地铁隧道,在现场调查及裂隙参数统计的基础上,对隧道掌子面裂隙岩体稳定渗流量和渗透系数进行预测。【结果】结果显示:(1)掌子面岩体裂隙方向角服从正态分布,迹长及间距服
4、从负指数分布;(2)裂隙岩体表征单元体(REV)的最佳尺寸为裂隙迹长均值的14倍;(3)计算了裂隙岩体的渗透系数椭圆、渗透张量及渗透主轴,分析结果表明该隧道掌子面裂隙岩体具有强烈的渗透各向异性特征。【结论】结果表明:岩体裂隙的网络模型对于隧道工程岩体的水力学问题研究有不可替代的作用。所编程序可以预测隧道开挖过程中掌子面的渗流量和渗透主方向,为采取经济、合理的地下水控制措施提供依据关键词:裂隙岩体;Monte-Carlo方法;MATLAB;裂隙网络模型;岩体渗透张量“步传者互动D0I:10.13928/ki.wrahe.2023.08.009开放科学(资源服务)标志码(OSID):中图分类号:T
5、U91文献标志码:A文章编号:10 0 0-0 8 6 0(2 0 2 3)0 8-0 10 4-11Study on fracture network model and permeability characteristics of rock mass in tunnel faceLEI Lin,ZUO Shuangying?2,TIAN Jiao”,LIU Jing,DING Chengyuan,YUAN Xiao(1.College of Resources and Environmental Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,
6、Guizhou,China;2.Key Laboratoryof Karst Geological Resources and Environment,Ministry of Education,Guizhou University,Guiyang 550025,Guizhou,China;3.Guizhou Transportation Planning Survey and Design Institute Co.,Ltd.,Guiyang550081,Guizhou,China)Abstract:ObjectiveJThe fracture characteristics of rock
7、 mass directly affects its seepage characteristics.As the water gus收稿日期:2 0 2 2-10-30;修回日期:2 0 2 3-0 1-2 8;录用日期:2 0 2 3-0 1-30;网络出版日期:2 0 2 3-0 2-13基金项目:国家自然科学基金(42 16 7 0 2 5);贵州省科学技术基金重点项目(2 0 2 0 1Z052);贵州省科技重大专项计划(黔科合重大专项字20183011】作者简介:雷林(19 9 9 一),男,硕士研究生,主要从事岩石力学方向的研究。E-mail:2 6 8 57 6 8 153 q
8、 q.c o m通信作者:左双英(19 7 7 一),女,教授,博士研究生导师,博士,主要从事地质工程方面的教学和科研工作。E-mail:s y z u o g z u.e d u.c n105雷林,等/岩体裂隙网络渗流模型及隧道掌子面渗流预测研究related to the fracture seepage of rock mass becomes increasingly prominent in tunnel engineering,a set of prediction and calcula-tion program for the fracture seepage flow of
9、rock mass on the tunnel face is established to improve the safety and stability of tun-nel construction and maintenance.MethodsJBased on MATLAB platform,Monte-Carlo random simulation method was used toprogram the generation program of two-dimensional network model of fractured rock mass and the nume
10、rical calculation program ofstable seepage flow.The size effect of representation unit volume(REV)and the determination method of permeability tensor offractured rock mass were studied.The program is applied to a subway tunnel,and based on the field investigation and fractureparameter statistics,the
11、 stable seepage flow and permeability coefficient of the fractured rock mass on the tunnel face are predic-ted.Results JThe result showed that:(1)the direction Angle of the fracture in the face rock mass obeyed normal distribution,and the trace length and distance obeyed negative exponential distrib
12、ution.(2)The optimum size of the representative unit(REV)of fractured rock mass is 14 times of the mean fracture track length.(3)The permeability coefficient ellipse,permeabil-ity tensor and permeability principal axis of the fractured rock mass are calculated.The analysis result show that the fract
13、uredrock mass at the tunnel face has strong permeability anisotropy characteristics.ConclusionJ The result show that the networkmodel of rock mass fracture plays an irreplaceable role in the study of rock mass hydraulics in tunnel engineering.The program inthis paper can predict the seepage discharg
14、e and main direction of the tunnel face during tunnel excavation,and provide a basisfor taking economic and reasonable groundwater control measures.Keywords:cracked rock mass;Monte-Carlo method;MATLAB;fracture network model;permeability tensor of rock mass0引言近三十年来,地下空间的开发利用在快速交通、节水节能以及城市地下综合体等方面的应用取
15、得了巨大成功1-2】,但在建设与运营过程中仍面临着一些技术问题,如涌水突泥、地面沉降、管道裂缝等。岩溶区碳酸盐岩层理及节理裂隙发育,使得岩体内部存在着显著的物理力学不均衡性和各向异性,对隧道围岩地下水渗透方向、水力效应及失稳方式起到了控制作用,隧道施工后的围岩局部大变形、渗漏水等不稳定状况也常出现于这些薄弱部位,因此在进行隧道掌子面及围岩稳定分析时考虑裂隙引起的渗透各向异性已经在学术界和工程界达成了共识3-4。近年来,随着裂隙性油气田的研究以及高放射核废料深埋处置工作的开展,对大型工程中的岩体裂隙渗流理论和模型的探讨受到广泛关注,并形成了热点问题5-9 。目前,基于达西定律的孔隙均质岩体渗流、
16、基于立方定律的单裂隙岩体渗流研究相对比较成熟10-14,而对于岩体裂隙网络建模、连通性判别及非线性渗流计算等方面的研究仍处于探索阶段。在裂隙模型生成方面,李崴等15 基于UDEC软件模拟生成岩体裂隙二维模型,进行了渗透性REV值及等效渗透系数的研究;叶懿尉16 使用3DEC软件简化了节理的建模并探究了节理岩体的力学性质随着节理简化的变化规律;ZHAO等17 基于幂律模型对裂隙网络进行建模,分析了隧道开挖和排水引起的扰动机制;吴顺川等【18 】、武娜等19 基于Monte-Carlo方法建立了岩体裂隙网络模型,但缺乏对模型水力学特性的研究。在裂隙网络连水利水电技术(中英文)第54卷2023年第8
17、 期通性判别及处理方面,王恩志等2 0 以“去除法”与“分离法”相结合处理了非连通裂隙网络;张有天2 1根据逾渗理论将裂隙网络中的非连通裂隙及网络簇删除;张俊2 2 提出了“地质熵”的概念来表征二维裂隙网络的连通性。针对岩体裂隙网络的渗流算法研究,王者超等2 3 提出了平行流与辐射流两种流动形态的模型粗糙度计算方法,并借助COMSOL软件研究了两者的渗透特性;薛振晓2 4 基于面流模型,建立三维裂隙网络,将裂隙面划分成三角形单元进行渗流计算;申林方等2 5 采用格子Boltzmann方法研究了粗糙岩体裂隙几何特征及对渗流特性的影响,模拟了不同形式的裂隙渗流以往的研究大多根据岩体裂隙几何参数进行
18、平面展布后形成裂隙网络模型,没有考虑裂隙方位角的变化,计算结果一般等效为均质渗透系数,忽视了裂隙方向性导致的岩体渗透各向异性。在隧道涌水量预测方面,一般采用水均衡法、水文地质比拟法、地下径流模数法、水动力法等2 6 ,这些方法预测结果的精度也取决于水文地质单元边界的准确划分及水力参数的精准取值。随着地下工程在特殊领域应用需求的增加及安全级别的提升,对岩体裂隙网络模拟的精细化要求越来越高,本研究对施工期地铁隧道掌子面进行岩体裂隙的现场采集及参数统计分析,基于MATLAB计算平台,利用Monte-Carlo随机理论编写岩体裂隙二维网络模型及稳定渗流模拟程序,研究裂隙连通性判别方法、表征单元体(RE
19、V)尺寸效应及反映岩体渗透各向异性的渗透张量确定方法,预测掌子面渗流量,为隧道建设采取经济、合理的地下水控制措施提第54卷2023年第8 期水利水电技术(中英文)106雷林,等/岩体裂隙网络渗流模型及隧道掌子面渗流预测研究供依据。1裂隙网络模型的生成1.1基于Monte-Carlo法生成随机数根据统计得到的确定性样本规律,用Monte-Carlo方法2 7 随机生成符合特定规律的模型。标准均匀分布的随机数是生成符合其他概率分布函数随机变量的基础,本研究以混合线性同余法2 8 生成均匀分布的随机数x;=(axi-1+c)(modM)(1)U;=x;/M(2)式中,为乘子;x(i=0)为初值;mo
20、dM表示对模数M取余;c为常数增量,与M互为质数,并且M和-1能同时被同一个质数或4整除;u;为区间0,1 均匀分布的随机数。1.2裂隙二维网络模型的生成以Monte-Carlo方法,基于MATLAB平台编写代码生成隧道掌子面岩体裂隙二维网络模型,相关步骤如下:(1)统计建模所需参数,即裂隙的密度、倾向、迹长、隙宽及其概率分布函数;(2)确定二维模型的生成域和分析域;(3)在MATLAB平台输人每组裂隙的相关参数,并以矩阵形式储存;(4)裂隙中心点坐标(x;,y)按均匀分布、方向角及迹长按测量数据统计出来的分布形式随机生成;(5)在规定的区域内模拟生成所有裂隙,即可构成生成域的二维裂隙模型。1
21、.3裂隙网络连通性优化假定岩块不透水,渗流只发生在连通的裂隙网络中,裂隙网络由服从一定函数分布的随机裂隙组成,因此计算渗透系数时需要对生成的二维网络模型进行连通性判别及优化处理。优化该模型的关键在于剔除没有形成水流连续通道的裂隙或裂隙网络簇。引人复杂裂隙网络的衔接矩阵A=1agMxN、回路矩阵C=将裂隙图形用数学矩阵的方法表示出来2 9+1,线元i衔接于节点i,且线元j的方向离开节点iaj=o,线元j不衔接于节点i(3)-1,线元;衔接于节点i,且线元j的方向指向节点i+1,线元i在回路k中,且方向与回路同向Ch=0,线元i不在回路k中(4)1,线元i在回路k中,且方向与回路反向裂隙节点与线单
22、元之间的衔接关系由矩阵A定义,矩阵C描述了裂隙网络系统中线元之间的组合关系,基于式(3)和式(4)算法,以MATLAB软件编程实现对裂隙网络中线单元以及节点的自动编号并赋值于矩阵中,结合COLIN等30 提出的评估二维随机裂隙网络连通性的参数如下n=/A8meanps(5)seg式中,8 mean和pse分别为裂隙网络中裂隙平均密度与段密度;A为整个区域面积。m1时,表明裂隙路径连通性较好,且越大,表明连通性越好,裂隙的渗透系数越大。由式(5)可得到裂隙优化模型如图1所示裂网络优化裂隙网络图1裂隙模型及其优化示意(左右为水头边界)Fig.1Schematic diagram of fractu
23、re model and its optimization(left and right head boundaries)107水利水电技术(中英文)第54卷2023年第8 期雷林,等/岩体裂隙网络渗流模型及隧道掌子面渗流预测研究2二维裂隙网络渗流基本方程在复杂的裂隙网络中,采用有限元方法分析网络水力学稳定流效果较好,二维的裂隙网络由一维单元组成,且其可以分解为多个2 结点单元,在模型分析域中进行渗流分析时,只需考虑有水流通过的单元。如图2 所示,虚线圆为以讠节点形成的表征单元域,c为某回路,由水均衡原理,进、出表征单元域的水流量相等,根据域内地下水均衡方程式,可得第一类边界上的渗流量为31Q
24、,=-A,TA,H,-A,TA,H,-A,TA,H(6)式中,Q,为第一类边界上的渗流量;AI、A 2、A,分别为衔接矩阵,描述裂隙网络系统中线元和节点的衔接关系;H、H 2、H,为节点水头量与边界水头矢量;T为对角矩阵,T=diag(T i,T.,T m),其中,T,=pgb入bjh/Lj裂隙网络i图2裂隙单元均衡域Fig.2Equalization domain of fractured element由此得到模型的总渗透量Q3,将模型等效为一个平行板模型,由立方定律10 312Qa=(7)gJ结合达西定律,可推导出模型的等效渗透系数K21一2ugaK=(8)12V式中,为等效水力隙宽;Q
25、为通过光滑平行板的流量,其值等效为Q3;V为水的运动黏滞系数,本文取1.00310m/s;g 为重力加速度,取9.8 m/s;J为沿平行板方向的水力坡降,可根据模型尺寸和水头条件求得;u为裂隙水流等效平均流速3基于二维裂隙网络模型的渗流预测3.1二维裂隙网络渗流计算3.1.1边界条件设置确定裂隙网络模型的边界条件,即计算模型(见图3),假定正方形裂隙二维模型(分析域)的左边界为高水头边界,右边界为低水头边界,上、下边界为同等变化的梯度水头边界。梯度水头边界H裂隙网络高水头边界H低水头边界日梯度水头边界H图3二维裂隙网络计算模型Fig.3Calculation model of two-dime
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- 裂隙 网络 渗流 模型 隧道 掌子面 预测 研究
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