隧洞涌突水数值法预测研究现状及存在问题(2)

　　1. 1 涌突水机理。
　　
　　深埋隧洞通过含水岩体区域时，由于围岩中原有的渗流条件被破坏，会产生涌、突水危害，使地下水以渗出、滴水、股流以及大范围涌突水的形式通过洞身排泄[17].当隧洞处于地下水位以下，隧洞揭穿地下水富水层、汇水构造、强透水带、与地表溪沟及库塘有水力联系的透水层、断层破碎带、岩溶通道与洞穴、采空区等部位时，大量地下水突然涌进洞室，大多情况下，地下水的大量涌出，造成断裂破碎带泥化物质、岩溶洞穴等充填的泥及碎石等与地下水一起涌进洞室，产生突泥。根据隧洞涌水突泥发生的地质背景条件，主要可归结三种类型： 一是岩溶涌水突泥； 二是断裂破碎带与向斜核部等构造蓄水体的涌水突泥； 三是采空区涌水突泥，如煤矿等透水事故往往与矿洞 （ 坑） 的大量蓄水相关。按岩溶突水机理分类主要有： 直涌型、冲溃型和劈裂型。
　　
　　1. 2 数值模拟方法。
　　
　　地下水数值模拟的核心就是根据一定的数学模型在计算机上用数值法模拟地下水的运动状态。由于水文地质数值法不受初始水头、含水层介质类型等条件限制，把一个较为复杂的问题简化成较典型的水文地质问题进行求解，目前已经能有效地解决复杂水文地质问题[18].数值模拟方法主要包括：有限分析法、有限单元法、有限体积法、有限差分法和边界元法等。在目前地下水数值模拟中，有限差分法和有限元法应用较普遍[19],其中 Trescott（ 1976）[20]、Trescott and Larson[21]（ 1976） 描述的二维和三维有限差分模型被广泛地应用于渗流的模拟。
　　
　　2 涌突水数值法预测研究现状及存在问题。
　　
　　2. 1 概念模型的选取。
　　
　　分析岩体渗流特点的基础是岩体渗流模型的建立，需要建立合适的概念模型和数学模型，以适应研究的目的、范围和实际地质条件。概念模型理论在不断发展中形成了等效连续介质模型、裂隙-孔隙双重介质模型、离散裂隙网络-连续介质耦合模型、随机模型、黑箱模型等[22 ~26].结合具体工程实例介绍几种常用涌突水预测数值法的概念模型如下。
　　
　　（ 1） 等效连续模型： 假定含水层连续，表征单元体 （ REV）[27]可以定义基岩和裂隙介质，优点是不需要知道裂隙介质的特性和所处的地层，只需要水文地质参数。Zaidel[28]（ 2010） 通过实例详细论证了如果等效多孔介质模型能比较准确地描述岩层的水文地质特征，目前常用的 ModFlow 模型可以用于计算模拟隧道的突水特性。但是由于等效连续介质模型假设渗流是层流，由达西定律控制渗流，所以在大区域尺度和裂隙介质宽大的情况下不能准确模拟 突 水 情 况。 关于这些问题，毕焕军等（ 2000）[18]运用变分有限单元法 （ 通过概化得到非均值各向异性等效连续介质模型，地下水非稳定运动数学模型） 计算隧道涌水量的原理，结合具体实例建立数学模型验证了数值法在隧道涌水量预测中的优势。其方法利用渗透张量原理，并通过统计分析裂隙岩体节理、裂隙的特点，计算出不同方向的岩体渗透系数，解决了过去只能通过求解平均渗透系数计算裂隙岩体涌水量的问题。考虑到裂隙介质的尺度效应，王媛等[29]（ 2012） 对溶蚀裂隙和宽大裂隙高渗透率情况下，建立了达西非达西流统一本构方程及适用的有限元模拟方法，用达西定律统一表达达西-非达西流方程，将边界条件和初始条件考虑在内，即可建立定解方程组，用共轭梯度迭代法进行求解。通过对比达西与非达西流结果表明，采用非达西流理论计算对于裂隙宽大的情况是非常有必要的。
　　
　　（ 2） 离散介质模型： 假定渗流主要在裂隙和管道介质中进行，基岩不透水，可以模拟管道介质中渗流的方向和速率，可以用来模拟污染物运移。但是需要管道的位置、地层特性、水力学特性等难获取的信息，这对研究过程中勘察的技术和裂隙离散模拟精度要求较高，Sauter 等[30]（ 1990） 在文章中对其做了详细的描述。由于离散介质模型没有考虑基岩和裂隙、管道介质之间的渗流，因此不适用基岩和裂隙、管道介质渗透率高并且两种介质之间有渗流的情况。
　　
　　（ 3） 渗流耦合模型： 是在概念模型中考虑应力、温度等对渗流作用的影响，渗流-应力-温度耦合环境，可以反映真实的情况，提高研究区水文地质概化模型的合理性。黄涛等[31]首次应用三维有限单元数值模拟方法的等效连续介质模型，提出了耦合地下水渗流场与应力场的等效连续介质模型、双重介质模型和离散裂隙网络模型，对裂隙围岩介质中地下水渗流场进行研究。黄涛、杨立中等（ 1999）[17]基于大量系统理论研究并与具体工程实例结合，提出了渗流-应力-温度耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量预测计算的水文地质数值模拟法，建立裂隙岩体渗流-应力-温度耦合作用数学模型，与以往类似研究工作相比，这种情况对于特长大埋深隧道工程更适用。
　　
　　耦合环境下涌水量的预测受到众多学者的重视，许多有限元软件得到了应用 （ FLAC3D、ADINA、ANSYS 等） .但许多问题仍需继续研究：如饱和与非饱和条件下，耦合作用对涌水量及渗透参数的作用，承压水和不同地形地貌在耦合作用下的变化形式等[32]; 耦合环境下瞬态流的计算、耦合流场的边界条件和过渡条件的计算。不注意这些问题会导致模拟失真。
　　
　　（ 4） 三重介质模型： 是在双重介质模型的基础上发展而来的。双重介质模型假定基岩和裂隙中都有渗流，并且可以进行交换，双重介质模型不需要裂隙的几何参数，但需要大量的水文地质参数，不适合模拟小区域尺度的突水渗流情况。由于岩溶含水层地质条件十分复杂，很多情况下存在水流流态为紊流的管道介质，不再适用达西定律，基于Howard（ 1995 ）的研究，成建梅等[33]通过耦合达西流与非达西流于一体，建立了岩溶管道-裂隙-孔隙共同影响下的三重介质地下水模型，比较全面地刻画了岩溶水的动态特征，该理论具有先进的水平。杨天鸿等[34]发展了广义三重介质耦合流动模型，建立了适用于破碎带的非线性突水模型，用 FEMLAB 系统 （ 基于偏微分方程组的多物理场耦合过程分析工具） 求解。应用多场耦合数值分析工具，陈国庆、李天斌等（ 2011）[35]以 Darcy 定律、Brinkman 方程及 Navier-Stokes （ N-S） 等渗流方程为基础，在计算模型中耦合 Darcy 流、Brinkman 和 Navier-Stokes （ N-S）等渗流控制方程，将隧洞开挖破碎带、深部含水层和隧洞临空面整个突水水流路径相连接，模拟突水流动的全过程。
　　
　　三重介质模型通过耦合达西流与非达西流，并结合裂隙管道的详细几何参数，提供了更拟真的模型和更准确的预测结果。但是裂隙管道的几何参数往往不容易获取，建立真实的裂隙管道系统工作量巨大，其过程本身也容易产生误差，难以广泛地应用，如何提高建模方法的精确性、合理性有待研究。