在经过灌浆加固的断裂岩体中的海底隧道上进行非达西渗流分析

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Non-Darcy seepage analysis on subsea tunnel in fractured rock mass with grouting reinforcement

针对海底隧道裂隙岩体灌浆加固的非达西渗流行为，本研究基于Izbash模型结合复变函数理论，提出非圆形截面隧道灌浆区渗流解析模型，通过数值模拟与青岛-胶州湾二通道海底隧道实测数据验证，揭示Izbash系数对渗流参数的影响规律，论证了优化灌浆区设计对平衡防水排水性能与经济性的必要性。

　　在现代基础设施建设中，海底隧道作为一种重要的跨海交通方式，其设计与施工面临着诸多挑战。特别是在地质条件复杂的区域，如破碎岩体中修建的海底隧道，水渗漏问题尤为突出。为了解决这一问题，通常采用注浆加固技术来改善岩体的渗透性能，提高隧道结构的稳定性与防水能力。然而，传统的达西定律在描述高水头条件下非达西渗流行为时表现出一定的局限性，这导致了对注浆加固后岩体渗流特性的准确理解变得尤为重要。

达西定律作为经典的渗流理论基础，广泛应用于地下水流动的模拟与分析。然而，在高流速或高压力条件下，流体在多孔介质中的运动不再满足线性关系，表现出显著的非达西特性。这种非线性行为主要由流体惯性力的影响所引起，而这些因素在达西定律的推导过程中被忽略。因此，为了更精确地描述海底隧道在破碎岩体中的渗流情况，研究者们开始探索非达西流模型，如Forchheimer定律和Izbash定律。这些模型能够更好地反映在高水头条件下，流体通过复杂裂缝网络时的行为特征。

本文针对海底隧道在破碎岩体中的非达西渗流行为展开研究，特别关注注浆加固后岩体渗流特性的变化。研究采用Izbash非达西流模型，结合复变函数理论和共形映射方法，构建了一个适用于非圆形截面的分析模型。该模型不仅考虑了注浆区域的存在，还对渗流场中的水流入量、孔隙压力和水力梯度进行了系统分析。通过引入复变函数方法，研究者们成功地将复杂的几何形状转化为更易于处理的数学形式，从而提升了模型的适用性与准确性。

为了验证所提出的分析模型的有效性，研究团队将其与数值模拟结果以及青岛-胶州湾第二海底隧道的现场监测数据进行了对比。结果表明，该模型在预测水流入量、孔隙压力和水力梯度方面表现出良好的一致性，能够有效捕捉非达西渗流行为的特点。此外，研究还通过参数分析，探讨了Izbash经验系数、相对渗透系数和注浆区域厚度等因素对渗流场的影响。这些参数的敏感性分析为注浆设计提供了理论依据，有助于优化注浆区域的布置，提高防水性能，同时兼顾结构的机械强度和经济性。

在实际工程中，注浆加固不仅是提高岩体稳定性的手段，也是控制水流入量的重要措施。注浆区域的厚度、渗透性以及注浆材料的特性都会对渗流场产生显著影响。例如，注浆区域越厚，其对水流入量的抑制作用越强；相对渗透系数越低，说明注浆区域的渗透能力越差，对水流入的控制效果越好。然而，这些参数的选择需要综合考虑地质条件、施工工艺以及经济成本等因素。因此，建立一个能够准确反映非达西渗流行为的分析模型，对于实现注浆设计的科学化和合理化具有重要意义。

此外，研究还发现，在高水头条件下，非达西渗流行为对水流入量和孔隙压力的影响尤为显著。这表明，传统的基于达西定律的模型在高水头条件下可能低估了水流入量，从而导致注浆设计的不充分，进而影响隧道的安全性和经济性。因此，采用非达西流模型进行渗流场分析，能够更真实地反映实际工程中的水流动态，为注浆设计提供更可靠的依据。

本文的研究成果不仅为海底隧道的防水与排水系统设计提供了理论支持，也为相关工程实践提供了指导。通过建立非达西渗流模型，研究者们能够更准确地预测水流入量和孔隙压力的变化趋势，从而优化注浆区域的设计，提高工程的安全性与经济性。同时，研究还强调了在实际工程中，注浆参数的选择需要基于对非达西渗流行为的深入理解，以确保注浆效果的最大化。

在未来的工程实践中，非达西渗流模型的应用将更加广泛。随着对复杂地质条件和高水头环境下渗流行为研究的不断深入，该模型有望成为海底隧道设计中的标准工具之一。同时，研究团队还建议，在实际工程中应结合现场监测数据和数值模拟结果，对模型进行持续优化和验证，以确保其在不同地质条件下的适用性。此外，研究还指出，注浆加固后的岩体虽然具有一定的渗透性，但其渗流行为仍然遵循达西定律，这为注浆设计的理论分析提供了新的视角。

综上所述，本文通过构建非达西渗流模型，深入探讨了海底隧道在破碎岩体中的渗流行为，为注浆设计和防水排水系统的优化提供了重要的理论依据。研究不仅验证了模型的有效性，还通过参数分析揭示了关键参数对渗流场的影响机制，为实际工程中的注浆设计提供了科学指导。随着对非达西渗流行为研究的不断推进，相关理论模型和工程实践将不断完善，为海底隧道的安全建设与高效运营提供更加坚实的保障。