云南地区花岗质片岩断层破碎带隧道突涌水模拟

云南地区花岗质片岩断层破碎带隧道突涌水模拟

周美  朱斌  胡香港  唐晶晶

（桂林理工大学地球科学学院  广西桂林  541000）

摘要：该研究利用COMSOL数值模拟软件对隧道开挖前后地下水流动进行了模拟。研究结果表明，隧道开挖改变了地下水的运移路径，验证了断层中裂隙水迁移路径的有效性。该发现对于理解隧道开挖对地下水系统的影响以及处理隧道突涌水问题具有重要意义，为隧道工程提供了有益的参考和指导。

关键词：渗流模拟、达西流、裂隙流、花岗质片岩

0 引言

云南地处特提斯-喜马拉雅构造域与滨太平洋构造域的交接部位。地质构造复杂，岩浆活动和变质作用强烈，类型多样，分布广泛地层发育齐全，生物化石丰富，不同生物地理区系的生物交互混生[1]。云南省活动断裂众多，其中规模较大、全新世以来活动性较明显的断裂有40条[2]。这种复杂的地质环境对隧道建设及安全性带来不可忽略的影响。

未经风化的花岗质片岩通常具有较高的抗压强度和硬度，风化后的花岗质片岩具有遇水软化、自稳能力差等特性[3][4]。云南地区气候温暖潮湿，夏季多雨，冬季阳光充足加速了岩石的风化过程，风化作用沿着节理面向岩体内部深入；导致岩石的结构、构造及整体性遭到严重破坏，岩石的强度与稳定性大为降低。

裂隙岩体的渗流及其破坏问题是岩体水力学研究的热点和难点问题[5]。王逸鸣[6]等通过模拟与分析得到裂隙尺寸、沙颗粒直径和液相流速对压力梯度、时均速度分布和湍动能的影响规律。朱斌[7]等结合工程实例进行数值模拟，获得了薄层煤岩体裂隙－孔隙双渗流在时间和空间上的孔隙水压变化规律；李培超[8]等基于流体力学连续性方程，考虑流固耦合情形下多孔介质骨架变形特性和流体的可压缩性，得到了孔隙流体的连续性方程。

本文利用三维数值模型模拟隧道开挖对地下水的影响，旨在用于评价防止隧道开挖地下水流入的问题。不同工程类型的突涌机制都需要水的存在，地下水是重要的控制因素。本文以大亮山隧道工程为依托，基于理论分析和数值模拟软件，利用建模仿真再现了隧道突涌水过程，同时重点分析地下水在裂隙岩体中迁移规律以及在巷道中的气-液两相流动态变化，探讨隧道突涌水灾害的形成条件和发展过程。

1工程概况

大亮山隧道位于云南省临沧市境内，是云临高速的重要组成部分，隧道进口位于云县石房村冷水箐附近，隧道出口位于昔汉村羊头岩附近。隧道设计为双线隧道，左线起讫里程ZK12+620～ZK22+830，长10210m，最大埋深1199.53m；右线起讫里程YK12+600～YK22+835，10235m，最大埋深1210.85m；属高中山构造剥蚀地貌区。隧道断面开挖高度为10.05米，开挖宽度为12.5m；属大埋深特长隧道。隧道开挖在穿越f2-1断层破碎带过程中，隧道右幅掌子面YK13+612发生了6次突水突泥灾害，突泥方量累计约9461m3；此次突水突泥造成了严重的机械设备损失与工期延误。

根据地勘资料，隧址区地层构成大体为：第四系坡残积（Q4dl+el）层、下元古界澜沧群（Pz1ln）片岩、云母石英片岩、绢云母片石英岩等，下伏基岩为燕山期（γ52）云花岗岩（见图1）。大亮山隧道于YK13+612附近与f2-1断层破碎带相交；f2-1断层走向为N50°E，倾角为74°，宽度约15m，该断层岩体破碎，岩质以断层角砾为主。

（a）左幅

（b）右幅

图1 隧道地质断面图

隧址区范围内地质构造迹象较发育，隧道进口前发育有南汀河活动性断裂（F99），该断层为逆断层，从隧道右幅洞口右侧垭口经过；隧道出口发育有勐撒-曼岗山活动性断裂 （F101），该断层为正断层，距离隧道出口约100 m。受断层控制及影响，隧道区域发育了多条次级断裂，导致围岩完整性差，具有较强的导水性和赋水性，对围岩稳定性不利。

大亮山隧道穿越澜沧江水系及怒江水系分水岭地带，属南亚热带高原型湿润季风气候区，雨季时间长，降雨量大。地下水主要由大气降水下渗补给，补给充足。大亮山隧道作为超长深埋深隧道，地表汇水面积较大，区域内植被发育，植被涵养能力好，地表水下渗现象较严重。隧址区地下水以孔隙水、基岩裂隙水和断层破碎带孔隙潜水为主，尤其在隧道穿越f2-1断层破碎带过程中，雨季降雨较为集中，导致断层处于高度饱水状态。

2岩体内多孔介质中裂隙流运移特征研究

2.1 模型设置

由于直接获取大范围的岩体裂隙的分布信息较为困难，且裂隙的各项几何参数在岩体中具有随机性。文献[9]提出可以根据裂隙迹长、间距、 密度、开度和走向等信息建立相应的裂隙几何特征统计模型，再通过蒙特卡罗方法随机生成三维裂隙网络模型。文献[10][11]采用该方法开展了裂隙岩体渗流传热问题的研究。

本文基于COMSOL有限元软件开发的离散裂隙网络插件基于裂隙的位置、孔径、大小和走向等信息生成随机裂隙，裂隙位置遵循均匀随机分布函数，方向遵循Fisher分布，其大小遵循幂律分布函数。通过随机生成裂隙网络，所得到的裂隙系统在几何形态上可能与真实岩体裂隙有所不同，但其主要特征参数在统计意义上是相似的，可以有效反映真实岩体裂隙系统在渗流和传质过程中的主要特点。裂隙采用圆盘来表示，岩体采用实体单元模拟。基于地质勘察报告以及相关文献获取裂隙的各项参数，本文的裂隙主要有

2组方向，分别与水平方向成75°和135°夹角，进行随机圆盘裂隙建模，一共包含400条裂隙。

为了模拟隧道开挖对地下水的影响，使用COMSOL软件的地下流动模块，并根据达西定律耦合裂隙流计算分别建立了两个三维数值模型（见图2）。图2（a）建立了一个不含隧道结构的模型，图2（b）建立了一个含隧道结构的模型。模型地质单元和断层的水力特性参考相关地质勘察报告。在各模型边界上，在各模型边界上(与隧道平行)设置无流边界条件。分别给断层和和侵入体围岩设置相应的孔隙率和渗透率系数，给断层赋予相应的初始孔隙水压力。三维数值模型中地下水在多孔介质中的流动通过重力和压力差来驱使。图2（b）模型中将隧道结构添加为模型出口，模型的详细参数设置见表1。模型顶部和底部边界分别施加2.35MPa和4.35MPa的初始水压力，设置隧道开挖临空面水压力为0MPa。考虑到实体岩块的渗透率很小，取其渗透率为1.0×1014m2；裂隙岩体渗透率为1.0×109m2。模型顶部和底部边界分别施加2.35MPa和4.35MPa的初始水压力，设置隧道开挖临空面为模型出口，水压力为0MPa，其余边界为不透水边界。采用COMSOL模拟该模型的稳定渗流过程，岩体内的流体运动符合达西定律，裂隙岩体采用裂隙流方程模块进行模拟。

2.2 结果分析

该模型模拟了大亮山隧道复杂地质环境下的三维地下水流动。模拟内容包括隧道掌子面开挖前后的情况，未开挖隧道见图（a），开挖隧道见图（b）。图主要显示了孔隙水压力的分布，以黑色箭头表示主要的地下水流量，地下水的流速与箭头成正比。

（a）不含隧道模型                        （b）含隧道模型

图2 计算模型水压分布以和流速分布图（用黑色箭头表示）

分析图2可知，流体压力变化遍布整个岩石，说明流体在沿裂隙流动过程中渗入岩石孔隙内部，裂隙中的流体流速远大于孔隙，说明裂隙在流体渗流过程中起到了优势通道的作用。隧道未开挖前，地下水在重力的作用下主要沿着断层内部的裂隙向下流动。断层开挖后，形成了新的临空通道，地下水沿着裂隙中流入隧道内部，再通过隧道排出。同时，裂隙中流动速度分布不均匀，单个裂隙中的渗流速度较小，渗流活跃的主要分布在裂隙相互贯通的地方。这表明只有当岩体中的裂隙连通并延伸成一条完整的通道时，才会构成地下水流动的有效路径。这种有效路径延伸至隧道掌子面时，就成为隧道突涌水的主要通道。因此，裂隙网络的连通性对地下水流动具有重要影响，裂隙之间的连通性决定了水的渗流路径和分布，同时也决定了隧道突涌水的形成过程。

3 结论

本文以大亮山隧道工程为依托，采用理论分析和数值模拟手段，基于裂隙流和达西流耦合控制方程，建立了含裂隙岩体的几何模型和数学模型，保证了数值模拟过程中模型计算域内渗流场压力、速度、质量和能量的连续性。通过对比分析隧道开挖前后地下水的运移情况，发现隧道的开挖会改变地下水的运移路径。同时，岩石的裂隙中的渗流场分布不均匀，渗流活跃的通道主要是左右贯通的裂隙，验证了断层中的裂隙水迁移满足最优有效路径。

参考文献

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通信作者：朱斌（1969-），男，教授，博士 研究方向：工程地质，水文水资源。

[11] 

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