[發(fā)明專利]一種圓環(huán)體隧洞排水孔三維滲流模型

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810346896.7
• 申請日: 2018-04-18
• 公開（公告）號: CN108763633A
• 公開（公告）日: 2018-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐江;趙芳;羅代明;劉其文;陳大松;魯思遠(yuǎn);陳軍;文明貢;武興亮;馮楚橋;萬寧;王鵬;徐嬌艷;劉娟;程明偉
• 申請（專利權(quán)）人: 貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 貴陽中新專利商標(biāo)事務(wù)所 52100
• 代理人: 劉楠;李余江

本發(fā)明公開了圓環(huán)體隧洞排水孔三維滲流模型，該方法通過采用巖石空間滲流圓環(huán)體，并將排水孔圓形溢出邊界等效為矩形溢出邊界，既大幅降低隧洞三維滲流模型復(fù)雜程度，又對排水孔溢出邊界作準(zhǔn)確物理模擬，使得設(shè)置排水孔的隧洞三維滲流場求解變得方便準(zhǔn)確可靠，由此獲得作用于隧洞混凝土襯砌外緣的外水壓力、排水量、襯砌周邊隧洞圍巖水力梯度更符合實際情況。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種圓環(huán)體隧洞排水孔三維滲流模型，屬于巖土工程技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)背景

我國是一個多山的國家，山地面積占三分之二以上，在水利水電工程、公路工程、鐵路工程建設(shè)中，往往需要建設(shè)大量的隧洞。地下隧洞的整個生命周期內(nèi)都會與地下水交互影響，隧洞會改變地下水賦存環(huán)境，而地下水則會影響隧洞襯砌穩(wěn)定性，甚至造成襯砌的破壞。對于高地下水位條件下的隧洞，作用于隧洞襯砌的外水壓力極大，當(dāng)隧洞襯砌按全封堵防水結(jié)構(gòu)設(shè)計時，襯砌厚度與鋼筋配置極大，工程量巨大，經(jīng)濟(jì)性差。因此，可以沿隧洞環(huán)向均勻設(shè)置排水孔，通過對地下水的排放以降低作用在隧洞襯砌的外水壓力。

對于設(shè)置排水孔的隧洞，可以利用計算機(jī)建立含有排水孔的隧洞計算模型，通過進(jìn)行滲流場分析確定作用在隧洞襯砌上的外水壓力和排水量。由于排水孔直徑通常只有幾厘米，與隧洞尺寸相差較大，而整個計算模型的尺度最小達(dá)百米級，最大可達(dá)千米級甚至千米以上，這對三維滲流模型的建立帶來了巨大的困難。

以往針對含有排水孔的隧洞滲流計算，通常利用計算機(jī)軟件建立巖土體有限單元模型，對于排水孔的模擬主要有兩種方法：

一種認(rèn)為排水孔能及時將隧洞內(nèi)的滲水完全排出，將整個襯砌內(nèi)表面作為滲流模型的的溢出邊界，也即認(rèn)為襯砌是完全透水的，這與現(xiàn)場實際不符。現(xiàn)實中襯砌的背后依次是防水板、排水孔、初期支護(hù)混凝土，襯砌混凝土本身是防水混凝土，而防水板的設(shè)置使得襯砌本身并不滲流排水，地下水通過排水孔進(jìn)行排水。將整個襯砌混凝土內(nèi)表面作為溢出邊界沒有真實反映滲流模型的特性，必然導(dǎo)致計算精度的不足。

另一種是尋求宏觀等效方法，避免對排水孔進(jìn)行物理上的直接模擬，只要模擬出“排水效果”，如桿單元法、以管代孔法和以縫代孔法，其優(yōu)點是幾乎不增加計算量，但受“等效化”精度約束，計算精度不足。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種巖石圓環(huán)體隧洞排水孔三維滲流模型，以克服背景技術(shù)中提到的現(xiàn)有技術(shù)的不足。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明一種圓環(huán)體隧洞排水孔三維滲流模型，該模型通過以下方法構(gòu)建：隧洞襯砌外部滲流巖體采用空間圓環(huán)體，同時將排水孔圓形溢出邊界等效為矩形溢出邊界。

其中，該模型由注漿圈圓環(huán)巖體、遠(yuǎn)場圓環(huán)巖體構(gòu)成，對應(yīng)的滲透系數(shù)分別為kg、kr；注漿圈圓環(huán)巖體與遠(yuǎn)場圓環(huán)巖體之間保持連續(xù)；注漿圈圓環(huán)體的內(nèi)半徑r₁為襯砌的外半徑，注漿圈圓環(huán)體的外半徑為r_g；遠(yuǎn)場圓環(huán)巖體內(nèi)半徑為r_g，外半徑為r₂，r₂為遠(yuǎn)場半徑，等于地下水位線至隧洞圓心高度H。

進(jìn)一步的，該模型在洞軸線方向兩端部為無排水孔溢出邊界端部圓環(huán)體，無排水孔溢出邊界端部圓環(huán)體之間由有排水孔溢出邊界圓環(huán)體和無排水孔溢出邊界圓環(huán)體交替連續(xù)排列組合而成；有排水孔溢出邊界圓環(huán)體在洞軸線方向的長度為b，取0.5~1倍排水孔橫斷面周長；排水孔中心沿洞軸線方向的間距為L，無排水孔溢出邊界圓環(huán)體在洞軸線方向的長度為L-b；無排水孔溢出邊界端部圓環(huán)體在洞軸線方向的長度為L/2-b/2。