文献翻译-一个新的方程关于隧道周围岩体的等效渗透系数

1、一个新的方程关于隧道岩体的等效渗透系数一、介绍水流入地下结构内部造成了很多的问题在他们的建筑和继续操作过程中，这 意味着工程师需要控制洪水优化经营活动。岩体不连续，包括节理、层面、叶理 相结合，形成了不连续的集合。当流体通过这样一个媒介流成为不均匀性。因为 这些不连续作为渠道，经过岩体的流体被单个不连续或不连续集的位置、取向和 特征控制。大量关于节理化岩体的等效渗透系数的值得考虑的作品已发表,long , min et alo , wang & kulatilake使用离散断面网络(dfn)来模拟流体在离散断面网 屮。渗流理论和离散断面网络相结合被ilcstir & long和

2、de drcuzy ct al使 用。zimmermano & bodvarsson 通过一个导电元件替换每个断面，导电元件电 导依赖断面的液压孔径。他们使用这个虚拟网络确定二维断面的岩石渗透系数。snow引入了第一个综合分析模型来估计相等的节理化岩体的渗透性。他 认为，节理有无限大小，即，他们扩展贯穿于客观的体积。这个模型没有考虑断面 的影响，而在snow屮连接的模型屮这个等效渗透系数张量(kj给出了 ：g « a?kj= 祐 52寸(讪-眄)(1)在这里字母分别代表意义是：g是重力加速度,h1是运动粘度，色和sj是液压 孔径和间距的jth节理组，尙是kronecker符号

3、张量，m和山是方向余弦的单位 向量正常断面在x,y和z方向，。因为在这个模型考虑无限的，它不可能确定规 模效应在等效岩体的渗透。研究人员试图克服snow的方法的不足之处。oda和zhou et alo提出了 两个方法，可以考虑有限的节理。例如，评估规模效应对等效渗透系数的影响，节 理的数量在每个节理组必须首先计算。这两种方法都必须使用数值方法计算在每个节理组节理的数量（如，随机离散裂缝网络），或每组节理组另外的密度,应该通 过映射关系来估计。此外,oda的方法不能考虑节理网络的内部关系，虽然zhou et al提出了该方法，但需要大量的模型去估计内部连接系数。二、岩体的等效电导率在隧道当节理被

4、假定为是一个有限的平面，为了确定等效渗透系数使用分析模型岩 体目标体积内节理的数量必须知道。在这里,目标体积被认为是一个圆柱体积围 绕一个隧道，圆形截面。让我们考虑全球坐标系统，这样它的x轴指向东方，其y轴指向北方、z轴定 向向上。概率可以相加，圆形截面隧道与半径、趋势、跳进,分别将相交一个不连 续（或对j（h不连续的集合）的dij（不连续圆形）和倾斜方向bij和aij,可以估计如下势foiq v 2cos&ijpij =0.25 碣 cos 切讦 tif+h+afohrcosoij < dg < 2r0.25吗c豊计 fo% > 2f这里r是在隧道内客观体积岩体的半

5、径，（图l）yj是隧道的轴线和关于ith 的不连续与j（h的集合的法向矢量之间的角度，和lp,ji和x是被定义的常量lp = tidij1 +cos“j0.25d 和 2(i+cos 晞)厂2(1 cos 醐)(2 b)(2c)dffcosonj2 = ' cos丿 3 = rdijf兀/2j(7c/2)-xja=dijrcos2eijosc/siir 血+cos4%d严 2 df)丿(兀/2)-x (sin20" + cos40"2(2d)(2e)(2f)坊+心彳（坊-82dg（l_cos 硝）(2g)假设所有的不连续是独立的和他们的位置是均等的。如果nj捐赠的数

6、目为 观察到不连续妙集映射在隧道里,的平均数量的间断点设置在客观。甬体积岩体 在隧道可以被估计为nj mj =（3）1 ij对于特定长度的隧道l,并h假设节理液压孔径相对于节理长度是微不足道的珂（3）能简化如下1 lcosoij在这里sj表明在jth集合中间断点的平均实际间距从方程式中，在隧道周围目标岩体的体积内甬集合间断点的总数量可以由 以下公式求得for2rcosj << 2rford(y > 2r(5)fordij < 2rcos()ijs)(0.25n£cosy + jirdq(l + co叫)/2 卜 7ir2-j2 +人 +打)urcos 划sj(

7、0.25亢坊co阀 + wd” jil +co的“/2 卜 nr2)v是在隧道周围岩体的总体积和挖掘的岩体体积。对于其他任何不连续集 看到隧道墙上，不连续号码也可以估计如上。如果有结构面(jointsets)或层 面与隧道的轴线平行的情况，上面的方程不能被用来估计他们的在客观体积里的 总数。对于这些不连续,每一组的节理数量将可以用隧道内两个断裂面使用的排 除体积与总容积的比率估计(估算)，如下所示2l(r<r2)评估有裂缝的岩石的水力性质，知道每个断裂对液压贡献(内部连接)它是 必要的。根据zhang et alo节理网的内部连接取决于长度、密度、和节理的方向。 rouleau和gale

8、引入了经验化的内部连接指数,iij确定两个间断点之间的内部 联接。"=*si ny”(7)在这里li节理组i集合结构面迹长的平均数，si是节理组j的平均间距、gij 是节理组i和节理组j之间断裂面的平均角度。很明显，通常对与1»是不同的。他 们还为有一个独立的孔径的集合定义了总内部连接指数h = £ h(i hj)(8)j = i这里n是不连续集的数量。他们指出，一个节理组有更高的内部连接指数在 节理岩体的水力性质上会有更高的贡献。在这项研究中针对在一个网络里的每个节理的集合的一个内部连接系提岀 了(ci),在整个网络屮通过最大内部连接指数规范内部连接指数g =/

9、max，。v m 1(9)如果节理组的ci接近0,其贡献的节理化岩体的水力学参数会降低。如果一个节理化岩体可以认为是均匀的，各向异性多孔介质，它符合达西定律, 明显的渗流速度v与梯度ji通过一个连接系数kij称为水力传导率张量：v = -kj(10)在均匀介质,平均每个参数值可以以地方在相应的体积参数的平均震级计算 得到，当一个连接网络被认为是一种均匀介质，每个节理的流速将通过一个当地 的速度测量。在另一方面,很明显，一个单独的节理不其它节理相交的话不应用来 计算平均流速，这现在被认为是表观流速就像本文所介绍的。内部连接代表每一个节理的液压贡献在一个岩石节理系统或网络。所以，对 整个联合网络，

10、一个断面与其他断面有更多的内部联系对表观流速有更大的影 响。在这个背景下，内部连接系数(ci)和流速(vidfp)的产物代表了各节理对均质或 表观流速的有效贡献描述了整个节理网络。因此，表观流速v可以定义如下(修 改后)：(11)在这里v是周围的岩体的客观体积,v(f)是断裂的总体枳在隧道周围的客观 体积内。在客观的体积内岩石节理的总数由方程式(5)和(6)决定，方程式(11) 可以写成乙若邮m = ei?财©呼(12)j 1 11j i这里vi是开挖岩体体积。如果每个岩石节理有一个直径dij和液压孔径aij那么节理的空隙体积等于 4。在另一方面，假定岩石断裂为两个平行板，在这里面流

11、体遵守立体的低点是许 多裂缝流体流动研究的基础。从navier-stokes方程对不可压缩牛顿流体缓慢、 单相流的层流从以下方程获得了单位宽度的一个平行板管道的平均速度：这里ji是在第i断裂面一个磁场梯度的投影可以假设在相交的两个或两个以上的光滑面管道层流条件下水头不损失，如 果因为位错或放大而不密封通过解决方案。因此,j i磁场梯度在整个流动区 域是均匀的。根据上面的信息，水头梯度是应用于每个断面可以通过计算：1-甲丿y）=（m一巾山门3“1一小口2i 砒口 3叶2-h| zi3-wh 川1 “2将方程式（14）代入方程式（13）得:"卩=_彳告（如_山与山(15)将方程式（15）

12、代入方程式（12）,可以获得表观渗流速度vi如下:48加；二）丈呵卩討阴山训 丿=1(16)联合方程式（10）和（16）, kij可以有以下等式(17)綸=48/z（v!-vr）g e呦弓®-眄）根据上面的方程、一个隧道周围节理化岩体的等效渗透率张量取决于长度、 液压孔径,各节理的方向和内部联系与每个节理集合的平均间距如果包含在客观 体积屮所有的断面的长度大于直径的隧道，如果他们是d树 cos©与隧道的轴不平行,方程式（17）将采取这样的形式kij = 仝5 ,】48“理一2)u sj(o.25d花os,% + rd”、(1 + co叫)/2 + q)(18)令人惊讶的是，

13、如果隧道的直径减少到零，方程式（18）精简到雪模型（对所有节 理集考虑cj%l）o三、验证所提出的模型大量关于经过节理化的花岗岩地下水流与高放核废物处置相关的研究，一直 在瑞士中部stripa站点进行。rougleau和gale报道了收集到的完整节理系统特 性的数据（表1）,通风漂移，矩形形状,5*5*33米,在深度338米的矿井（相当于一个 半径为2.8米圆形截面）。考虑到输入数据（表1）和350/0的通风漂移的暴跌趋势，通过雪，奥德以及 现在的作者提出的方法来估计stripa mine的通风漂移周围岩体的等效电导率。 如表2所示（所有计算采用20 c水的运动粘度）尽管事实上，在其他引用如岩

14、石节理的液压孔径在stripa mine被报道是8.3 微米,oda et al使用5.43微米作为节理的液压孔径。h从岩体的等效电导率与液 压孔径有直接关系，在oda的模型中如果8.3微米应用为节理的液压孔径，结果将 高于奥德报告的数据。wilson et al报道9.8109厘米/秒的在通风漂移岩体的电导率基于大规模的测 试。根据上述结果，与大规模渗透测试结果相比该模型给出了一个等效电导率比 的更好的估计。总结估算岩体等效电导率是第一步和最重要的步骤在计算水流入地下隧道。因为 使用不连续数值建模估算水流入到每个具体的项fi所以耗费时间，它需要一个大 型岩土工程研究准备输入数据，对于现场工程

15、师连续体建模和分析模型更方便。表1岩石节理的几何特性joint setdipdegreedip/dir degreespaci ngmlengthimhydraulic aperturepmset 176230.932.198.3set 285830.368.3set 3532780.791.618.3set 4121550.511.388.3表2在通风漂移岩体的等效渗透系数ku cm/sku cm/sj|cm/s|mean cm/ssnow2.87 x 10"72.15x 10“1.52x 10"7oda (198刀6.36x 10"84.96x 10“3.37x io-8proposed model (r=23m. r=2.8 m)9.5 x 10"94.68 x io"5.1 x 10" 102.18x 1074.9x io-83.58x10-9现有的用于估计等价电导率的分析模型有几个缺点,限制他们实际用途。在 提