水下隧道渗流特征及计算流域界限研究

发布时间：2019-07-16 10:56

【摘要】：水下隧道开挖后,渗流作用对围岩稳定性将产生严重影响。目前的理论解或数值解在考虑渗流作用时和实际的渗流作用存在较大差异;而且在分析过程中,渗流分析的区域为整个半平面,这不仅增大了计算工作量,而且较远处的渗流作用对围岩并不会产生较大影响。因此,针对水下隧道围岩的非线性渗流和计算流域界限问题,应用简单有效的数学方法推导隧道围岩中渗透力解析表达式,并应用解析方法研究隧道半径和埋深对渗流作用的影响;通过解析解与数值解的比较分析,解析解和数值解吻合得很好,证明本文所用数学方法的合理性;最后利用解析表达式对计算流域界限进行研究,提出确定计算流域界限的理论方法,研究结果既满足渗流计算要求,又可减少渗流计算工作量。
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图片说明： ]的研究方法。这与工程实际情况不符；而且目前所有的研究都是将渗流范围考虑到全流域，，这不仅增加了计算工作量，而且计算结果对渗流作用无明显影响。因此，有必要对围岩中非线性渗流特征和计算流域界限进行研究。因此，本文从参数分析要求和工程实际出发，应用解析方法推导了围岩中非线性渗透力的计算公式，并分析了各参数的相互影响，如隧道半径和埋深对水力梯度的影响，同时提出了确定计算流域界限的新方法，为分析渗流对围岩稳定性的影响提供理论参考。2渗流分析模型的建立本文所采用的共形投影方法是将如图1所示的半平面投影成如图2所示的区域，这种方法有利于处理边界条件，使得求解过程比较简单，并且能方便地确定出计算流域界限。所采用的投影函数如下式所示：2222(1)i(1)()(1)i(1)zhzzh(1)式(1)的特点是具有保圆性、保交叉比及保对称性。解析模型如图1所示，为了简化分析过程中的难度，现给出如下假设：(1)介质假设为均值各向同性，即围岩中任意一点的渗透率在各个方向都是相等的。(2)AB轴代表地层表面；H为地表总水头值；沿隧道开挖边界，总水头ah为常数；这种假设简化了解析解的推导过程。根据共形投影法则，原始xy平面上的半平面可以投影为平面的圆环平面，如图2所示。图1具有圆形洞室的半平面Fig.1Halfplaneoftunnelcross-section图2共形投影平面Fig.2Conformalmapofhalfplaneoftunnelcross-sectionah
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图片说明：实际情况不符；而且目前所有的研究都是将渗流范围考虑到全流域，这不仅增加了计算工作量，而且计算结果对渗流作用无明显影响。因此，有必要对围岩中非线性渗流特征和计算流域界限进行研究。因此，本文从参数分析要求和工程实际出发，应用解析方法推导了围岩中非线性渗透力的计算公式，并分析了各参数的相互影响，如隧道半径和埋深对水力梯度的影响，同时提出了确定计算流域界限的新方法，为分析渗流对围岩稳定性的影响提供理论参考。2渗流分析模型的建立本文所采用的共形投影方法是将如图1所示的半平面投影成如图2所示的区域，这种方法有利于处理边界条件，使得求解过程比较简单，并且能方便地确定出计算流域界限。所采用的投影函数如下式所示：2222(1)i(1)()(1)i(1)zhzzh(1)式(1)的特点是具有保圆性、保交叉比及保对称性。解析模型如图1所示，为了简化分析过程中的难度，现给出如下假设：(1)介质假设为均值各向同性，即围岩中任意一点的渗透率在各个方向都是相等的。(2)AB轴代表地层表面；H为地表总水头值；沿隧道开挖边界，总水头ah为常数；这种假设简化了解析解的推导过程。根据共形投影法则，原始xy平面上的半平面可以投影为平面的圆环平面，如图2所示。图1具有圆形洞室的半平面Fig.1Halfplaneoftunnelcross-section图2共形投影平面Fig.2Conformalmapofhalfplaneoftunnelcross-sectionah
【作者单位】：重庆交通大学国际学院;重庆大学土木工程学院;重庆交通大学土木建筑学院;
【基金】：重庆市博士后特别资助项目(Xm2014093) 高等学校博士学科点专项科研资助项目(20120191110039) 重庆市自然科学基金计划资助项目(cstc2013jcyj A30005)
【分类号】：U459.5

【参考文献】