一种基于三维离散裂隙网络预测隧道突涌水量的方法

摘要

本发明涉及的基于三维离散裂隙网络预测隧道突涌水量的方法是隧道施工建设风险评估过程中需要考虑的关键技术，公开了一种基于三维离散裂隙网络预测隧道突涌水量的方法，包括以下步骤：步骤（一）、设计合理数据结构，采集掌子面数据并经过解译、坐标转化后存储；步骤（二）、利用蒙特卡罗模拟方法模拟离散裂隙三维网络；步骤（三）、引入图论模型以及深度优先遍历算法寻找裂隙连通路径；步骤（四）、将离散裂隙网络转化为管网模型并计算隧道突涌水量；本发明的技术方案实现了对隧道沿线区域三维离散裂隙网络的构建，通过将离散裂隙网络的管网化与达西水流方程的结合，对隧道沿线涌水量进行了初步评估，为进一步精确风险评估提供依据。

主权项

一种基于三维离散裂隙网络预测隧道突涌水量的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(一)、设计数据结构，采集掌子面数据并经过解译、坐标转化后存储；步骤(二)、利用蒙特卡罗模拟方法模拟离散裂隙三维网络，其具体步骤如下：(1)求取岩体结构统计均质区；(2)不连续面产状模拟，即对随机分布的不连续面产状进行研究分析，进而选取合理的模拟参数进行空间模拟；(3)假定离散裂隙结构面为圆盘，推断不连续面直径的分布特征；(4)假定离散裂隙结构面为圆盘，推断不连续面间距的分布特征；(5)对每组不连续面估计其在三维空间中节理中心点的平均密度；(6)获取指定区域内不连续面中心点个数随机变量的分布；(7)在上述基础上，利用蒙特卡洛随机模拟生成三维网络模型；步骤(三)、引入图论模型以及深度优先遍历算法寻找裂隙连通路径：(1)在图论模型中，除了记录每个顶点信息的点数组外，还有一个记录每个顶点间相互关系的矩阵，该矩阵即邻接矩阵；设G＝{V，E}，是一个具有n个顶点的图，则图G的邻接矩阵是一个n×n的二维数组，在程序中定义矩阵A＝(a_ij)_n×n；对于图G来说，根据其搜索是否具有特定方向将其分为了有向图和无向图，由于无向图的搜索是无方向性的，在搜索过程中存在着大量的环路和往渗透反方向捜索而产生的连通路径；对于裂隙网络间的连通关系，定义如下：上述矩阵A即为图G的邻接矩阵；图G的性质就可以从邻接矩阵A通过运算而获得；(2)得到连通图模型后，引入深度优先遍历算法寻找图内连通路径，步骤如下：①从起始结点v开始，访问w；②按照某种顺序依次从和w相连的未被访问结点出发继续深度优先遍历，直至图中和u通过某条路径相连的所有结点都被访问到；③如果图中尚有结点未被访问，选择其中之一，转至①；步骤(四)、将离散裂隙网络转化为管网模型并计算隧道突涌水量：将离散裂隙圆盘转化为三维空间中的管网模型，视为水仅在裂隙连通路径内流动，水流计算采用如下达西定律：$\bar{u}=KJ$式中：v为水流平均速度；J为水力坡度；K为渗透系数；对于平行光滑裂隙中的线性流运动，根据水力坡度与粘滞力平衡的原则可得到裂隙内平均流速为：$v=\frac{b^2}{12}\frac{\rho g}{\mu }J=K_{f}J$式中：g为重力加速度；b为裂隙宽度；μ为水的动力粘滞系数；J为水力坡度；K_f为裂隙的渗透系数；当水力坡度与流速呈非线性关系时，用P.Forchheimer公式表示：J＝av+bv^m式中：a和b是由实验确定的常数；1.6<m<2；当a近似等于O，m＝2时，上式可以变为：$v=K_f{J}^{\frac{1}{2}}$在上述公式的基础上，JloMH3e针对水在裂隙中的流动，提出根据水力坡度，判别流动状态；可得渗流计算的整体矩阵形式为：(A·Tl·A^T)H+Q＝0式中：