[发明专利]一种圆环体隧洞排水孔三维渗流模型

说明书

本发明公开了圆环体隧洞排水孔三维渗流模型，该方法通过采用岩石空间渗流圆环体，并将排水孔圆形溢出边界等效为矩形溢出边界，既大幅降低隧洞三维渗流模型复杂程度，又对排水孔溢出边界作准确物理模拟，使得设置排水孔的隧洞三维渗流场求解变得方便准确可靠，由此获得作用于隧洞混凝土衬砌外缘的外水压力、排水量、衬砌周边隧洞围岩水力梯度更符合实际情况。

技术领域

本发明涉及一种圆环体隧洞排水孔三维渗流模型，属于岩土工程技术领域。

技术背景

我国是一个多山的国家，山地面积占三分之二以上，在水利水电工程、公路工程、铁路工程建设中，往往需要建设大量的隧洞。地下隧洞的整个生命周期内都会与地下水交互影响，隧洞会改变地下水赋存环境，而地下水则会影响隧洞衬砌稳定性，甚至造成衬砌的破坏。对于高地下水位条件下的隧洞，作用于隧洞衬砌的外水压力极大，当隧洞衬砌按全封堵防水结构设计时，衬砌厚度与钢筋配置极大，工程量巨大，经济性差。因此，可以沿隧洞环向均匀设置排水孔，通过对地下水的排放以降低作用在隧洞衬砌的外水压力。

对于设置排水孔的隧洞，可以利用计算机建立含有排水孔的隧洞计算模型，通过进行渗流场分析确定作用在隧洞衬砌上的外水压力和排水量。由于排水孔直径通常只有几厘米，与隧洞尺寸相差较大，而整个计算模型的尺度最小达百米级，最大可达千米级甚至千米以上，这对三维渗流模型的建立带来了巨大的困难。

以往针对含有排水孔的隧洞渗流计算，通常利用计算机软件建立岩土体有限单元模型，对于排水孔的模拟主要有两种方法：

一种认为排水孔能及时将隧洞内的渗水完全排出，将整个衬砌内表面作为渗流模型的的溢出边界，也即认为衬砌是完全透水的，这与现场实际不符。现实中衬砌的背后依次是防水板、排水孔、初期支护混凝土，衬砌混凝土本身是防水混凝土，而防水板的设置使得衬砌本身并不渗流排水，地下水通过排水孔进行排水。将整个衬砌混凝土内表面作为溢出边界没有真实反映渗流模型的特性，必然导致计算精度的不足。

另一种是寻求宏观等效方法，避免对排水孔进行物理上的直接模拟，只要模拟出“排水效果”，如杆单元法、以管代孔法和以缝代孔法，其优点是几乎不增加计算量，但受“等效化”精度约束，计算精度不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种岩石圆环体隧洞排水孔三维渗流模型，以克服背景技术中提到的现有技术的不足。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明一种圆环体隧洞排水孔三维渗流模型，该模型通过以下方法构建：隧洞衬砌外部渗流岩体采用空间圆环体，同时将排水孔圆形溢出边界等效为矩形溢出边界。

其中，该模型由注浆圈圆环岩体、远场圆环岩体构成，对应的渗透系数分别为kg、kr；注浆圈圆环岩体与远场圆环岩体之间保持连续；注浆圈圆环体的内半径r₁为衬砌的外半径，注浆圈圆环体的外半径为r_g；远场圆环岩体内半径为r_g，外半径为r₂，r₂为远场半径，等于地下水位线至隧洞圆心高度H。

进一步的，该模型在洞轴线方向两端部为无排水孔溢出边界端部圆环体，无排水孔溢出边界端部圆环体之间由有排水孔溢出边界圆环体和无排水孔溢出边界圆环体交替连续排列组合而成；有排水孔溢出边界圆环体在洞轴线方向的长度为b，取0.5~1倍排水孔横断面周长；排水孔中心沿洞轴线方向的间距为L，无排水孔溢出边界圆环体在洞轴线方向的长度为L-b；无排水孔溢出边界端部圆环体在洞轴线方向的长度为L/2-b/2。