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高水压隧道围岩渗流_应力耦合作用模式研究

第28卷增刊 岩 土 力 学 V ol.28 Supp. 2008年11月 Rock and Soil Mechanics Nov. 2008

收稿日期:2008-07-25

基金项目:国家自然科学基金委员会、二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金(No. 50579097),上海市人才发展资金(2007年度),上海市重点学科建设项目(No. B308)。

作者简介:王建秀,男,1971年生,博士,副教授,主要从事地下结构、岩土工程以及地质工程研究方面的工作。E-mail :wang_jianxiu@https://www.wendangku.net/doc/d511885754.html, 。

文章编号:1000-7598-(2008) 增刊-237-04

高水压隧道围岩渗流-应力耦合作用模式研究

王建秀1,2,胡力绳1,2,张 金1,2,唐益群1,2 ,杨 坪1,2

(1. 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室, 上海 200092;2. 同济大学 地下建筑与工程系, 上海 200092)

摘 要:近年来,我国修建的长大隧道经常遭遇高压地下水作用,隧道围岩中渗流场与应力场存在着耦合作用。对于高水压隧道而言,按照耦合过程中围岩的破坏情况,可以分为变形过程中的耦合作用和破裂过程中的耦合作用。如果只考虑隧道开挖后围岩的变形,则渗流-应力耦合作用可概括为天然充填物变形、无充填裂隙接触变形、裂隙时效变形和人工充填物变形等模式。考虑隧道开挖过程中围岩的破坏,则渗流-应力耦合作用可以概括为卸荷和水力劈裂裂隙模式。在隧道二次应力场中,变形和破裂过程相伴而生,耦合作用模式的建立可以为隧道设计、施工及地质灾害防治提供明确的概念模型和参考依据。

关 键 词:高水压隧道;围岩;二次应力;耦合作用模式;数学模型 中图分类号:U 451;TV 223 文献标识码:A

Research on seepage-stress coupling mode in tunnel with high water pressure

WANG Jian-xiu 1,2, HU Li-sheng 1,2, ZHANG Jin 1,2, TANG Yi-qun 1,2, YANG Ping 1,2

(1. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Department of

Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract: High pressure groundwater environment becomes one of the key problems for tunnel construction under complicated hydro-geological conditions in China. The seepage field of surrounding rock is coupled with stress field. According to the failure course of surrounding rock, the coupling mode is divided into 2 types: deformation mode and failure mode. In the course of excavation, if ignoring the failure, the seepage-stress coupling mode includes fill compressed mode in filled crack, wall touching mode in crack without filling, time-depending mode and grout-filled mode. If considering failure, the seepage-stress coupling mode includes failure mode caused by excavation and failure mode under high water pressure. Different geological and hydro-geological conditions and different excavation courses will lead to different coupling courses, the establishment of coupling mode will provide concept model and support for design, construction and disaster prevention.

Key words :tunnel with high water pressure ;surrounding rock ;secondary stress ;coupling mode ;mathematical model

1 概 述

传统的渗流-应力耦合作用研究萌芽于20世纪50年代[1]。20世纪70年代,Louis 首次研究了自然状态下非破坏岩体中的渗流-应力耦合作用,他提出的渗透系数和正应力呈负指数关系也为其他学者所证实[2];Witherspoon [3]提出了可变形介质中应力-渗流的模型;20世纪80年代,日本的Ohnishi 和美国的Noorishad 提出了渗流场与应力场耦合的

问题[4,5];Oda [6]由裂隙几何张量统一表达了裂隙岩体的渗流-应力耦合作用;Snow 、Ohnishi 、Ohtsu 、刘继山、田开铭、仵颜卿、杨立中、王媛、速宝玉等在裂隙岩体渗流-应力耦合的试验、模拟和计算方法的研究中作了大量工作,并使之成为岩体水力学的重要研究内容之一[1-8]。

近年来,我国修建的长大隧道,如渝(重庆)-怀(化)铁路圆梁山隧道、锦屏水电枢纽二级电站交通辅助洞等,经常遭遇高压地下水作用问

岩 土 力 学 2008年

题,隧道围岩中渗流场与应力场存在着耦合作用,隧道高水压可以直接表现为高压涌突水,也可能表现为隧道的局部塌方或大变形;隧道的二次应力可以表现为围岩的变形或破坏,也可能表现为局部崩溃后揭露出水通道,出现洞内泥石流等。本文以高水位富水区高水压隧道围岩为研究对象,基于隧道围岩的二次应力过程,阐述了围岩变形和破裂过程中二次应力对围岩渗透性的影响。

2 隧道围岩应力过程

从施工力学角度来看,高水位富水区隧道围岩先后经历了初始、开挖和支护后的3次应力-渗流状态:(1)初始状态:隧道开挖前,原岩在天然状态下的渗流和应力分布;(2)二次状态:隧道开挖后衬砌前,围岩在二次应力和敞开排水状态下的渗流和应力分布;(3)三次状态:隧道围岩在衬砌和排水系统排水状态下的渗流与应力分布。本文重点考虑二次状态下隧道围岩的渗流-应力耦合作用模式。

同时,考虑隧道围岩所承受的自重应力和构造应力,将隧道围岩自重概化为垂直力z P ,构造应力概化为水平力x P ,忽略自重应力在隧道直径方向的微小变化,根据弹性力学中Kirsch 解(Kirsch ,1898年)得到二次应力表达式[9]:

()()224

0002241

11143cos222r x z x z r r r P P P P r r r σφ

????=+?+??+????????????

(1)

()()224

0002241

11143cos222x z x z r r r P P P P r r r θσφ

????=++???+????????????

(2)

()24

00241

123sin 22x z r r P P r r γθτφ??=++??????? (3)

式中:r σ为径向应力;θσ为切向应力;γθτ为剪应力;0r 为隧道半径;r 为计算点到隧道圆心的距离;φ为计算点在极坐标中的夹角;z P 为自重应力力;x P 为构造应力。

对于一般的抗水压隧道而言,其断面形状不一定是理想的圆型,可以通过等效圆的方法进行近似计算。

3 围岩变形过程中的耦合作用

3.1 变形过程中的渗透耦合作用模式

只考虑隧道开挖前后围岩的变形,则渗流-应力耦合作用可以概括为4种模式:

(1)天然充填物变形模式

地下水在渗透过程中伴随着细颗粒、矿物、溶质运移,伴随着复杂的物理化学过程,沉积、沉淀等作用会在裂隙中形成天然充填物,地下水在裂隙充填物中运移。在隧道二次状态下,二次应力没有破坏充填物与隙壁接触时,充填物的压缩或舒张变形会导致充填物渗透性的变化,二次应力对渗透性的影响通过充填物渗透性的变化体现出来,这种模式为天然充填物变形模式。

(2)无充填裂隙接触变形模式

有些情况下,裂隙内部没有充填物,裂隙面通过局部的点、面接触维持一定的张开度,在应力环境改变明显时,接触点、面岩石的变形导致裂隙的张开或闭合,进而直接影响到岩体的渗透性能,这种模式为无充填裂隙接触变形模式。

(3)裂隙时效变形模式

隧道开挖后,随着开挖面的远离,局部围岩卸荷所产生的弹、塑性变形已经完成,但隧道变形监测的指标(如拱顶下沉、两维收敛等)仍随着时间发展,应为二次状态下围岩蠕变的过程。此过程既包括岩石的流变,也包括裂隙及裂隙充填物的流变。流变所产生的不可逆变形对于围岩渗透性有一定影响,这种模式为裂隙时效变形模式。

(4)人工充填物变形模式

对于高水位富水区隧道而言,不能完全采用衬砌结构来抵抗外水压力,需要采用围岩注浆对围岩进行加固,改善围岩介质的结构和受力状况,形成局部的止水帷幕,削减围岩渗透性。注浆体实质上形成的是人工充填物,对于超前预注浆岩体而言,开挖后形成的二次应力对围岩的渗透性主要表现为人工充填物的压缩或舒张,这种模式为人工充填物变形模式。

3.2 变形过程中渗流-应力耦合的数学表述

1974年,Louis 根据某坝址钻孔抽水试验资料分析,得到了渗透系数与正应力的经验关系:

f f 0exp()K K a σ=? (4)

式中:0

f K 为0σ=时裂隙岩体的渗透系数;

H P σγ≈?;H γ为研究点上覆岩层的重量;P 为

孔隙水压力;0a 为经验系数,取决于岩石的裂隙状态。

对于二次应力状态,只考虑垂向力对围岩渗透性的影响和围岩的变形过程,对于圆形隧道拱顶部位,其垂向力与Kirsch 解中径向力r σ方向一致。同理,拱腰部位的垂向力与Kirsch 解中径向

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增刊 王建秀等:高水压隧道围岩渗流-应力耦合作用模式研究

力θσ向一致,可按Louis 公式计算渗透系数随二次应力的变化:

)()2

24000

2

241

11143cos 2220f f

= e x z x z r r r

a P P P P P r r r K K φ??????

???????+?+??+????????????

??

? (5) )()224000

2

241

11143cos 2220f f

= e

x z x z r r r

a P P P P P r r r K K φ??????

???????++???+????????????

??

?

(6)

式中:0r 为隧道半径;r 为计算点至洞壁的距离;

a 为待定系数。

某抗水压隧道为例,按式(5)、式(6)计算不同参数条件下围岩渗透系数的分布情况(图1和图2)。可见,在4倍洞径范围内,隧道开挖引起拱顶附近围岩的渗透系数有较大变化,越靠近洞壁,越接近于不考虑应力作用的渗透系数值。而在

4倍洞径以外,渗透系数趋于一个定值,此定值也就是初始应力作用下围岩的渗透系数。在侧壁拱腰部位,在6倍洞径范围内,由于隧道开挖引起的渗透系数有较大变化(图3);而在6倍洞径以外,渗透系数趋于一个定值,此定值接近于不考虑应力作用的渗透系数值。由此可见,在分析二次应力状态下的裸洞渗流场时,需要考虑二次应力扰动范围及渗透系数的变化。

图1 P z >P x 条件下抗水压隧道拱顶(θ = 90°)

围岩渗透系数分布

Fig.1 Seepage coefficient distribution under secondary

stress in surrounding rock nearby tunnel top

图2 P z >P x 条件下抗水压隧道拱腰(θ = 0°)

围岩渗透系数分布

Fig.2 Seepage coefficient distribution under secondary

stress in surrounding rock nearby tunnel wall

4 围岩破裂过程中的耦合作用模式

4.1 破裂过程中渗透耦合作用模式

考虑隧道开挖过程中围岩的破坏,则渗流-应力耦合作用可以概括为2种模式:

(1)卸荷裂隙模式

隧道开挖爆破以及卸荷作用会在临空面附近产生新的裂隙,这些裂隙可能使原来的非贯通裂隙

连通,形成新的水流通道。图3为采自锦屏水电枢纽二级电站交通辅助洞大理岩的全过程应力-应变渗透曲线。由该图可见,伴随着应力水平的变化及岩石内部破裂的发展,岩石的渗透率也随之增加,对其渗透性产生了明显的影响。这种模式为卸荷裂隙模式。

图3 锦屏交通辅助洞岩样破裂过程中渗透率的变化

Fig.3 Variation of permeability in the course of rock

failure of Jinping transport tunnel

(2)水力劈裂模式

隧道开挖在地质体内形成了新的空间,可能截断裂隙网络中的锁固段。被削弱的锁固段在高达几个MPa 地下水压力作用下,可能会出现控制性裂纹扩展或新裂纹,导致围岩渗透性变化。当锁固段无法维持稳定时,伴随着锁固体的崩溃,可能产生局部塌方或掉块。此过程是伴随着裂纹扩展和锁固段破坏的渗流应力耦合过程。

在高水压岩溶隧道的施工中,曾经发生过此类事故。隧道开挖削弱了充填溶洞的洞壁厚度,随着时间的发展,伴随着高水压对裂隙的楔劈作用和对洞壁的荷载作用,发生洞壁崩溃,导致洞内泥石流,造成了重大损失。文献[10,11]中给出了雅砻江锦屏二级水电站深埋勘探导水裂缝扩展的实 例[1]:在涌水点附近可观察到隧洞开挖之前的导水裂缝的缝壁上常常被锈染成黄褐色。而PD1平硐在

2 848.5 m 和

3 580 m 大型突水点附近还能观察到导水裂缝末端没有锈染痕迹,这显然是隧洞开挖之后地下水水力劈裂作用使原来的导水裂缝扩展的结果。这种裂缝集中于突水点附近,显张性,网状交织,受构造裂隙影响而具有一定方向性。 4.2 破裂过程中渗透耦合的数学表述[1

,5]

P. C. Kelsall 、J. B. Case 、C. R. Chabannes 研究了地下洞室开挖后围岩渗透系数的变化。他们认为导致渗透系数变化的原因是:(1)天然应力和重分

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渗透系数

岩 土 力 学 2008年

布应力的作用,使致密岩石裂隙化;(2)开挖引起作用于围岩中天然应力改变,使已有裂隙张开或闭合;(3)开挖引起的卸荷导致原生晶面松弛等。这些原因都和岩体宏微观破坏过程相关。他们导出的应力与裂隙渗透系数的关系为

1(0)

f f

3

11a K K A σξ=??

??+??????????

(7)

式中:f K 为应力等于σ时的渗透系数;(0)

f K 为应力等于0σ时的渗透系数;ξ为裂隙的就位应力;A 、1a 均为待定系数。

5 结 论

(1)近年来,我国修建的长大隧道经常遭遇高压地下水作用问题,隧道围岩中渗流场与应力场存在着耦合作用,相关研究亟待开展。

(2)高水压隧道围岩渗透性和应力环境密切相关,可以分为变形过程中的耦合作用和破裂过程中的耦合作用。

(3)只考虑隧道开挖前后围岩的变形,则渗流-应力耦合作用可以概括为天然充填物变形、无充填裂隙接触变形、裂隙时效变形和人工充填物变形等模式。

(4)考虑隧道开挖过程中围岩的破坏,则渗流-应力耦合作用可以概括为卸荷模式和水力劈裂裂隙模式。

(5)在隧道二次应力场中,耦合作用中的变形和破坏模式有时不是截然分开的,变形和破裂过程相伴而生,耦合作用模式的建立可以为隧道设计、施工及地质灾害防治提供明确的概念模型和参考依据。

参 考 文 献

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