CN107391778B - 一种圆形隧洞渗流量的解析计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种圆形隧洞渗流量的解析计算方法，包括步骤：建立隧洞有限元计算模型，在不同工况下对开挖后隧洞进行渗流场数值模拟计算；分析隧洞半径、初始地下水位线高度和围岩渗透系数三个影响因素对渗流场开挖降低后地下水位高度的影响，计算开挖降低后水位与各影响因素之间的函数关系；考虑开挖导致地下水位线降低对渗流量的影响，分析各影响因素对隧洞渗流量的影响，计算渗流量与各影响因素之间的函数关系。本发明可用于不同隧洞半径、初始地下水位线高度等条件，考虑隧洞开挖导致渗流场地下水位线降低对隧洞渗流量的影响，更符合实际情况，可便捷计算隧洞渗流量。

Description

一种圆形隧洞渗流量的解析计算方法

技术领域

本发明涉及隧洞工程技术领域，具体地说是一种圆形隧洞渗流量的解析计算方法。

背景技术

在隧洞工程、石油天然气工业、核废料处理等项目中，均涉及到地下隧洞的施工建设，然而在开挖过程中，突如其来的喷涌水会影响结构稳定性，并延误工期增加投资，甚至对工作人员的生命财产造成威胁，大量渗水也会导致地下水资源的流失和地下水位的降低，造成工程经济上的损失和生态环境的恶化，因而地下水渗流量计算在各种地下工程项目的设计、施工以及环境评价等方面都是一个至关重要的课题。

当前隧洞渗流量解析计算方法主要是根据地下水动力学原理，假定初始地下水位线保持不变、隧洞埋深远远大于隧洞半径等，用数学解析的方法推导建立解析表达式，针对给定边界值和初值条件求解隧洞渗流量。

然而，现有的渗流量解析方法存在问题：(1)解析计算公式大多基于特定条件推导得出，实际工程中很难完全符合其适用条件；(2)解析计算方法精度较差，与实测数据相比数值往往偏大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种圆形隧洞渗流量的解析计算方法，该方法适用于不同地表倾角、隧洞半径和地下水位线高度等条件，同时考虑了隧洞开挖导致地下水位线降低对渗流量的影响。

本发明一种圆形隧洞渗流量的解析计算方法，包括如下步骤：

步骤1，建立隧洞有限元计算模型，在不同工况下对开挖后隧洞进行渗流场数值模拟计算，所述工况包括不同的隧洞半径、不同的初始地下水位线高度、不同的围岩渗透系数，得到各工况渗流场稳定条件下开挖降低后地下水位高度和隧洞渗流量；

步骤2，基于步骤1的数值模拟结果，分析隧洞半径、初始地下水位线高度和围岩渗透系数三个影响因素对渗流场开挖降低后地下水位高度的影响，计算开挖降低后水位与各影响因素之间的函数关系；

步骤3，基于步骤1和步骤2的数值模拟结果，考虑开挖导致地下水位线降低对渗流量的影响，分析隧洞半径、初始地下水位线高度和围岩渗透系数三个影响因素对隧洞渗流量的影响，计算渗流量与各影响因素之间的函数关系。

1、开挖降低后水位高度的确定方法：

隧洞渗流场稳定后的开挖降低后水位受隧洞半径和初始地下水位的影响较大，围岩渗透系数影响较小，因而将开挖降低后水位定义为关于隧洞半径和初始地下水位的指数函数如式(1)所示；

式中：为开挖降低后水位；h为隧洞中心以上初始地下水位的高度；r为隧洞半径；a和b为待定系数；

系数b为关于隧洞半径的函数：

b＝cr+d (2)

式中：c和d为待定系数；

根据数值计算结果，拟合得到开挖降低水位的解析公式：

2、隧洞渗流量的确定方法：

由于开挖降低后水位主要受隧洞半径和初始地下水位高度的影响，因而在同时考虑初始地下水位和开挖降低后水位求解渗流量时，渗流量的渗透水头h′亦可假定为关于隧洞半径和初始地下水位高度的函数如式(4)所示；

式中：Q_E为渗流量；k为围岩渗透系数；h为隧洞中心以上初始地下水位的高度；r为隧洞半径；h′_E为渗透水头的解析解，是关于r和h的函数；m和n为待定系数；

系数n为关于隧洞半径r的线性函数：

n＝ir+j (5)

式中：i和j为待定系数；

根据数值计算结果，拟合得到隧洞渗流量的解析公式：

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、所提出的隧洞渗流量解析计算公式可用于不同隧洞半径、初始地下水位线高度等条件，拓展了其适用范围；

2、根据较少的计算条件可以定量计算隧洞开挖后渗流场地下水位线降低后高度，提出了一种全新的圆形隧洞渗流量解析计算方法；

3、本发明在计算渗流量时，考虑隧洞开挖导致渗流场地下水位线降低对隧洞渗流量的影响，更符合实际情况。

附图说明

图1为发明方法流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对发明的技术方案做进一步具体说明：

如图1所示，一种圆形隧洞渗流量的解析计算方法，具体步骤如下：

步骤1，建立隧洞有限元计算模型，在不同工况下对开挖后隧洞进行渗流场数值模拟计算，所述工况包括不同的隧洞半径、不同的初始地下水位线高度、不同的围岩渗透系数，得到各工况渗流场稳定条件下开挖降低后地下水位高度和隧洞渗流量；

步骤2，基于步骤1的数值模拟结果，分析隧洞半径、初始地下水位线高度和围岩渗透系数三个影响因素对渗流场开挖降低后地下水位高度的影响，计算开挖降低后水位与各影响因素之间的函数关系；

步骤3，基于步骤1和步骤2的数值模拟结果，考虑开挖导致地下水位线降低对渗流量的影响，分析隧洞半径、初始地下水位线高度和围岩渗透系数三个影响因素对隧洞渗流量的影响，计算渗流量与各影响因素之间的函数关系。

(1)开挖降低后水位高度的确定：

隧洞渗流场稳定后的开挖降低后水位受隧洞半径和初始地下水位的影响较大，围岩渗透系数影响较小，因而将开挖降低后水位定义为关于隧洞半径和初始地下水位的指数函数采用公式(1)

式(1)中：

为开挖降低后水位；

h为隧洞中心以上初始地下水位的高度；

r为隧洞半径；

a和b为待定系数。

系数b为关于隧洞半径的函数采用公式(2)

b＝cr+d (2)

式(2)中：

c和d为待定系数。

通过数值分析方法，计算得到不同隧洞半径和不同地下水位线高度条件下隧洞地下水位线变化情况，结果如表1所示。

表1 不同隧洞半径条件下地下水位变化情况

根据数值计算结果，拟合得到开挖降低水位的解析公式，采用公式(3)

(2)隧洞渗流量的确定：

由于开挖降低后水位主要受隧洞半径和初始地下水位高度的影响，因而在同时考虑初始地下水位和开挖降低后水位求解渗流量时，渗流量的渗透水头h′亦可假定为关于隧洞半径和初始地下水位高度的函数采用公式(4)

式(4)中：

Q_E为渗流量；

k为围岩渗透系数；

h为隧洞中心以上初始地下水位的高度；

r为隧洞半径；

h′_E为渗透水头的解析解，是关于r和h的函数；

m和n为待定系数。

系数n为关于隧洞半径r的线性函数采用公式(5)

n＝ir+j (5)

式(5)中：

i和j为待定系数。

通过数值分析方法，计算得到不同隧洞半径和不同地下水位线高度条件下隧洞渗流量，结果如表2所示。

表2 不同隧洞半径条件下渗流量变化情况

根据数值计算结果，拟合得到隧洞渗流量的解析公式，采用公式(6)

Claims (1)

1.一种圆形隧洞渗流量的解析计算方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，建立隧洞有限元计算模型，在不同工况下对开挖后隧洞进行渗流场数值模拟计算，所述工况包括不同的隧洞半径、不同的初始地下水位线高度、不同的围岩渗透系数，得到各工况渗流场稳定条件下开挖降低后地下水位高度和隧洞渗流量；

步骤2，基于步骤1的数值模拟结果，分析隧洞半径、初始地下水位线高度和围岩渗透系数三个影响因素对渗流场开挖降低后地下水位高度的影响，计算开挖降低后水位与各影响因素之间的函数关系；具体步骤如下：

将开挖降低后水位定义为关于隧洞半径和初始地下水位的指数函数如式(1)所示；

式中：为开挖降低后水位；h为隧洞中心以上初始地下水位的高度；r为隧洞半径；a和b为待定系数；

系数b为关于隧洞半径的函数：

b＝cr+d (2)

式中：c和d为待定系数；

根据数值计算结果，拟合得到开挖降低水位的解析公式：

步骤3，基于步骤1和步骤2的数值模拟结果，考虑开挖导致地下水位线降低对渗流量的影响，分析隧洞半径、初始地下水位线高度和围岩渗透系数三个影响因素对隧洞渗流量的影响，计算渗流量与各影响因素之间的函数关系；具体步骤如下：

由于开挖降低后水位主要受隧洞半径和初始地下水位高度的影响，因而在同时考虑初始地下水位和开挖降低后水位求解渗流量时，渗流量的渗透水头h′假定为关于隧洞半径和初始地下水位高度的函数如式(4)所示；

式中：Q_E为渗流量；k为围岩渗透系数；h为隧洞中心以上初始地下水位的高度；r为隧洞半径；h′_E为渗透水头的解析解，是关于r和h的函数；m和n为待定系数；

系数n为关于隧洞半径r的线性函数：

n＝ir+j (5)

式中：i和j为待定系数；

根据数值计算结果，拟合得到隧洞渗流量的解析公式：