一种基于三维离散裂隙网络预测隧道突涌水量的方法技术

本发明专利技术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；本发明专利技术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。

A method for predicting water inrush from tunnel based on 3D discrete fracture network

The present invention relates to a method of three-dimensional discrete fracture network to predict tunnel inrush water based on the key technique is to consider the construction of the risk assessment process in tunnel construction, and discloses a method for prediction of water inrush in tunnel based on three-dimensional discrete fracture network, which comprises the following steps: (a) reasonable design, data structure, data acquisition tunnel and after interpreting the coordinates transformation after storage; step (two), three-dimensional discrete fracture network simulation with Monte Carlo method; step (three), the introduction of graph theory model and depth first traversal algorithm to find path continuity; step (four), the discrete fracture network into network model and calculate the tunnel water gushing water; the technical scheme of the invention realizes the construction of the region along the tunnel three-dimensional discrete fracture network, the discrete fracture network Based on the combination of the pipe network and the Darcy flow equation, a preliminary assessment of the water inflow along the tunnel is carried out, which provides the basis for further accurate risk assessment.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于隧道用水量预测方法领域，涉及一种基于三维离散裂隙网络预测隧道突涌水量的方法。
技术介绍
隧道施工过程中，易发生多种自然灾害，其中突水突泥灾害在经济、环境、生态等各方面造成的损失居于各灾害前列。国内外隧道施工过程中，均有大量突水突泥导致严重的人员伤亡、经济损失、工程延期以及生态环境破坏等案例发生，例如宜万铁路野三关、齐岳山隧道，沪蓉西高速龙潭等隧道施工过程中发生的几次突水突泥事故，均损失惨重，因此隧道突水风险评估与控制已逐渐成为隧道施工的关键技术问题之一。为了减少隧道风险的发生，多个学者先后开展了大量风险理论引进和研究，在隧道塌方、过江隧道突涌水与塌方、海底隧道突水、煤矿突水等方面取得了应用。由于隧道涌水存在危害巨大、发生突然、应对困难等特点，使得隧道从施工设计到勘探开挖阶段都必须严密部署，加大隧道涌水研究和预防力度，最大程度的将损失降到最低。因此各种隧道突涌水超前预报、预测等各种方法相继被提出并应用于多个隧道工程项目中。而在离散裂隙网络突水模拟研究中，离散裂隙网络的获取是首要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种基于三维离散裂隙网络预测隧道突涌水量的方法，本专利技术的目的是基于工程采样数据对隧道沿线离散裂隙网络进行模拟并预测隧道沿线的突涌水量。本专利技术方法的应用基础是隧道工程勘察报告数据(工程地质条件、水文地质条件、隧道沿线物探信息等)以及实地采样数据，应用的算法有蒙特卡洛模拟算法、图论模型、深度优先遍历算法那、达西水流公式等。本专利技术提供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：由于裂隙网络模拟的需求，我们首先需要得到研究区域节理裂隙部分采样数据，来为我们提供模拟参数的初始值，为了便于数据的存储于管理，采集的节理裂隙参数包括：节理端点坐标、产状、宽度、表面形态、充填物质以及力学性质，所述产状包括倾向和倾角。针对节理裂隙常用参数，设计了如下数据结构表：为了采集节理裂隙的三维空间数据，我们还需要针对其分布特征，构建合理的局部坐标系，如附图2所示，沿着隧道开挖方向，以隧道起点掌子面下端重点为坐标原点，以隧道开挖方向为横轴，以隧道壁为纵轴构建局部坐标系。采集数据后，下一步计算坐标系之间转化主要涉及的七个转化因子，包括平移(ΔX、ΔY、ΔZ)、旋转(R)、缩放(m)。由于平移以及缩放为线性关系，则重点需要考虑的为旋转因子的解算。两个坐标系之间转化模型如下：其中旋转包括绕x轴旋转ψ、绕y轴旋转z轴旋转θ，其对应的选择矩阵如下：R＝RxRyRz联立上式，可得如下转化公式：式中，k＝1+m,则：通过实地测量3个以上控制点，利用上述公式即可解算出所需的七个转化参数。进而对研究区域的节理裂隙采样数据进行坐标转化。步骤(二)、利用蒙特卡罗模拟方法模拟离散裂隙三维网络，其具体模拟原理如下：离散裂隙网络模拟的研究对象是不连续面的空间几何特征，简化假定的不连续面几何形态，通过概率统计方法和空间解析几何等方法改正现场取样偏差，求解迹长﹑大小﹑空间密度﹑产状分布等几何参数，通过蒙特卡洛方法模拟三维网络模型。而且该模型还可通过剖面法或数值法进于真实岩体图形的对比，从而使三维网络模型具有相当的可信度。离散裂隙网络模拟步骤如下：(a)求取岩体结构统计均质区；(b)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；(c)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；(d)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；(e)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；(f)获取指定区域内不连续面中心点个数随机变量的分布；(g)在上述基础上，利用蒙特卡洛随机模拟生成三维网络模型；针对蒙特卡洛模拟法模拟，首先产生(0～1)之间均匀分布的伪随机数系列，再由变换抽样得到如下分布形式下的随机参数值，从而实现蒙特卡洛模拟：数学期望为μ，方差为σ2的正态分布密度函数为：由于正态分布的密度函数为不可积函数，因此必须采用近似方法，利用中心极限定理:设ξ1，ξ2，…，ξn是n个相互独立、在(0，1)上均匀分布的随机变量，则其均值E(ξi)和方差D(ξi)分别是：由中心极限定理，设随机变量η为：对于η渐进的服从正态分布N(0，1)，因此可以选择n个在(0，1)上均匀分布的随机数r1，r2，…rn，则：近似地服从正态分布N(0，1)。为了提高精度，需使n足够大。由：xN＝σxN0+μ可以求出符合N(μ，σ)分布的随机变量值为：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：通常一些事物之间的某种特定关系用图来描述，在研究两个或多个对象之间的关系时常常可以用包括点和线的示意图来表示，用点分别表示各个对象，如果两个对象之间存在某种特定的关系则可用两点之间的连线来表示。由点和线组成的图形被成为线图，而图论就是研究线图的理论。在三维裂隙网络中，两裂隙间的位置关系可以用相离或相交表示，如果两裂隙间相交则可以认为两裂隙间存在连线。在进行路径搜索时，重要的是空间中裂隙之间的相互连接关系，在研究三维裂隙网络的连通性时，可以将裂隙面抽象为点，两个裂隙面是否存在连通路径用连线表示，从而可以借助图论的方法进行三维裂隙网络渗透路径的捜索。图的存储方法有很多种，常用的有邻接矩阵和邻接表。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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＝(aij)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：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=b212ρgμJ=KfJ]]>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；Kf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+bvm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=KfJ12]]>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·AT)H+Q＝0式中：...

【技术特征摘要】
1.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊自明，郭甲腾，王明洋，戎晓力，卢浩，马超，李昂，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32