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模拟隧道开挖影响的复杂地质环境中水力流量系统变化的工具
收稿日期：2017年3月10日/接受日期：2017年6月23日/在线发布日期：2017年6月28日 Springer-Verlag GmbH Germany 2017
摘要：隧道施工期间和之后的岩土工程问题往往与地下水循环有关。然而，在隧道工程中，地下水流动系统通常只是部分已知。这种不确定性表现为通常稀缺的水力数据限制了对地下水文地质过程的理解。特别是，通常缺乏记录隧道掘进引起的地下水流量变化的数据。预先发表的论文提出了一个概念，涉及对隧道影响的地下水文地质系统的迭代理解。我们方法的一个主要挑战是将复杂的地质几何学从三维地质模型（GOCAD）整合到数值地下水流模型（COMSOL Multiphysics）中。起点是代表位于瑞士汝拉山脉的区域构造系统的三维地质模型。该地质模型转化为区域和地方规模的地下水流模型。由于缺乏水文地质数据，通常需要地质 - 水文地质系统的三维视图来响应地下水引起的隧道掘进中的岩土工程问题。数值地下水流模型可以进行灵敏度分析，并测试边界条件和水力特性分布如何影响计算的地下水流动状态。此外，我们的方法可以测试不同规模隧道开挖引起的水力状况变化的影响。
关键词：地形驱动的地下水流。 导入地质三维结构。隧道工程。 地下水循环Belchen隧道
介绍
区域地下水流动系统的驱动力在很大程度上受地下水位配置的控制，在大多数情况下，地下水位是地形的复制品（Toth 2009），它决定了水头分布。因此，山区的区域流动可以在第一近似中被视为由液压头的变化驱动。地下隧道结构改变了液压头的原始分布。因此，变化受到地质系统的水力和储存特性的影响。因此，区域地下水流动状态与隧道结构本身之间的相互作用（Butscher 2012），包括排水系统，可能会影响到各个隧道区域的水流入。在大到中等尺度上，角色地下水系统和由于隧道作用引起的地下水流量（流速和流向）的变化知之甚少（Butscher 2015; Huggenberger和Butscher 2012; Liu等2015）。困难包括对不同尺度的地下三维地质结构的不完全了解以及可区分的岩性单元，这些单元设定了液压系统的结构框架。
了解受隧道影响的水头分布变化需要特定的监测系统。不仅水力压头测量不完整（Huggenberger等人，2016），在区域和局部尺度上定义合理的水力边界条件的数据甚至更少。这些数据还包括地下水补给数据和液压头的时间序列。在实践中，确定预测地下水流入隧道所需的过程会产生可靠的数据。面向处理器的监测系统对于设计隧道排水系统和最小化环境影响以及隧道不稳定性和沉降损害的风险非常重要（Butscher等，2011c）。
隧道施工前后的地下水受不同尺度地下水流系统的横向和垂直范围的影响（Toth 2009; Winter 1976）。因此，地下水流动系统的层次以及流动路径长度的范围从几十米到几十千米，这取决于表面形态和水力特性的各向异性（Zijl 1999）。因此，除了浅层局部流动系统之外，还可以设置深层地下水流动系统，在补给和排放区域之间具有长流动路径（Freeze and Witherspoon 1967）
一些作者提出了计算稳态流入圆形隧道的分析解决方案（例如，El Tani 2003; Kolymbas和Wagner 2007; Lei 1999; Marechal等人2014; Park等人2008; Perrochet 2005a，b）。 这些研究提出了分析方法对于隧道流入的瞬态特性。 他们还开发了分析解决方案，以计算在恒定压降下进入隧道或井的瞬态流入速率。 计算隧道流入量的分析解决方案包括考虑均质和各向同性含水层，其中水平隧道仅限于二维横截面（Zhang et al.2007）。 虽然分析解决方案在处理简单的地质结构时具有一些优势，但它们不适用于许多复杂的真实3D问题。
3D数值模型能够计算更复杂几何情况下液压头分布的空间分布。 这种计算可以考虑隧道流入的不同尺度和空间分布。 隧道流入的空间分布是相关的，例如，对于需要区分隧道顶部和倒置处的流入的应用（Butscher等人，2011a）。 此外，数值模型允许考虑更复杂的地质背景和瞬态水力边界条件。 Butscher（2012）将分析解决方案的结果与数值模型的数据进行了比较，以计算隧道流入量。 该研究强调了模型域作为限制数值解决方案准确性的约束的程度。
本文重点介绍如何将地质结构 - 简单或复杂 - 整合到不同尺度的三维数值地下水流模型中。我们描述了如何为具有多尺度含水层的复杂异构系统建立此类模型，这是典型的瑞士汝拉山脉。所提出的概念包括通过使用3D地质模型软件GOCAD将平衡的2D横截面（Suppe 1983）整合到一致的3D地质模型（Groshong 1999; Zanchi等人2009）中。只有很少的工具可以使建模人员将复杂的地质结构整合到水力模型中。此外，将地质模型几何转换为地下水流模型并不是一个简单的过程。然而，使用过的软件COMSOL Multiphysics满足了我们处理复杂几何结构的要求。在概述了我们的概念方法之后，我们将介绍如何将三维地质模型转换为不同尺度的三维数值地下水流模型。该方法通过位于瑞士折叠的汝拉山脉Belchen隧道的真实隧道系统来说明。此外，我们研究了改变水力边界条件对流动状态和改变地下水通量和流向的影响。重点放在研究隧道开挖引起的不同尺度流态变化的影响。接下来讨论方法的局限性。
地质设置和隧道系统
了解隧道系统中地下水流动状态的第一个重要步骤是评估三维结构设置。 因此，复杂的地质几何结构可以集成到3D地质模型（即GOCAD）中。 位于瑞士西北部侏罗山脉的Belchen地区展示了这一概念（图1）
汝拉山脉可分为三个部分，均具有不同的结构风格，即板状汝拉，高原汝拉和折叠汝拉，具有发育良好的断层传播和断层弯曲褶皱（Burkard和Sommaruga 1998）。汝拉山脉下方的地下室由多发性变质片麻岩，花岗岩和石炭纪时代的地堑填充物组成。当亚高山磨拉石的缩短到达汝拉时，沉积覆盖层被基底推力分离，指向南部的薄皮褶皱和推力构造的主导地位。地下室和覆盖层之间的脱钩主要发生在Muschelkalk和Keuper地层的三叠纪蒸发中。哈利特，硬石膏和石膏是最重要的岩性生成分离层。轻微推力还包括Opalinus粘土（Liassic年龄）。汝拉山脉的沉积盖层北部最大厚度为1.5公里，中部约为2公里，南部则超过3公里（Becker 2000）。包括主要液压单元的地层序列如图2所示。
隧道水平长约为650 m ，最大面积为地表以下600 m。 Belchen隧道位于侏罗山脉的一个区域，几个古生代断层带相交，形成基底台阶，这似乎影响了分离沉积盖层中变形结构的局部化，包括横向断层（Diebold和Noack 1997; Laubscher 1992）。隧道的北入口位于一个叠瓦的断层传播褶皱区。在南部，大型断层传播褶皱发生在开放的~2千米大小的向斜上。与用作构建第三个隧道管的基础的原始横截面相比（Meyer和Nyfeler 2007），为本研究开发的平衡横截面（Huggenberger等人2012）说明了区域尺度的构造风格深度约为-1000米（图。1）。这些层通常倾向于南 - 东南。由于局部折叠，可以观察到一些北西北倾斜结构。特别是，折叠保留在轮廓的中心部分。模拟区域占地4 9 4 km，位于Belchen隧道的Folded Jura，连接瑞士北部和阿尔卑斯山前陆的瑞士平原。最高海拔是Belchen的顶部（1230 m ），并且模拟区域的最低海拔对应于在北部的590m和在南方的500m。
路线
将复杂的三维地质结构转换为基于三维过程的数值地下水流模型
为了能够将复杂的地质结构导入数值地下水流模型，软件必须满足不同的要求。 这些要求包括地质结构的层独立集成，最明显的是断层。 地质系统的3D知识是研究不同尺度水力过程动力学的先决条件。 然而，三维地质模型可能变得如此复杂，需要开发工具来评估结构复杂性对不同尺度的地下水流动状态的影响。 这种发展可以通过根据具体的水力特性，边界条件和考虑手头的科学问题将不同的地质单元组合在一起来完成。
在第一步中，关于不同地质构造的整体水力特性简化了地质模型。 下一步是将地质结构整合到数值地下水流模型中。 然而，整合过程绝不是一个简单的操作（Ross等人，2005），它需要一系列特定的测试，如下所述。
除基本软件包外，COMSOL Multiphysics还提供单独的CAD导入模块。它支持各种不同的CAD文件格式，包括Parasolid1和ACIS2格式，以及STEP3和IGES等标准格式。默认情况下，所有CAD文件都会自动转换为Parasolid几何体。模块中包含的Parasolid几何引擎执行转换。导出导入模块可以有效地用于简单的统一结构。但是，它不适用于大规模和复杂的结构。这是因为从3D物体的数学描述到未提交的格式（例如，IGES，VDA-FS，5 STEP）的转换（其可以从各种CAD程序读取）遭受不允许布尔操作的一般不准确性。为避免这些不准确，有必要保持原始格式。换句话说，如果格式不是软件的本机（或首选）格式，则它不能100％兼容。因此，复杂的结构和表面无法从原始GOCAD格式正确传输到COMSOL Multiphysics。由于无法直接输入地质构造，因此从GOCAD输出了点信息。在GOCAD中建模的曲面是三角形的，并且这个三角剖分的点被导出为xyz文本文件（ASCII）。使用的网格尺寸根据建模的表面而变化。在表面不太复杂的情况下，例如“top Sulfatzone”，三角测量在公里范围内，具有强烈弯曲的表面作为“base Opalinuston Fm。”（见图1），三角测量是在10米范围内。接下来，将这些数据点的ASCII表导入到COMSOL Multiphysics中，然后将其用作“插值函数”，作为“参数曲面”的输入参数。对于布尔运算，假设所有创建的曲面都重叠。导入和插入点文件后，需要处理步骤来创建适当的曲面，包括交叉点（布尔运算）。随着插值过程和布尔运算改变了曲面，我们将COMSOL Multiphysics的新曲面与最初建模的GOCAD曲面进行了比较。为了检查质量，从COMSOL Multiphysics中创建的网格重新导入（参见“网格生成”部分）覆盖了GOCAD中的原始曲面。在GOCAD中计算重新导入的点到各个表面的距离。区域模型的偏差小于10米被认为是足够的准确度。 在个别点偏差超过10米的情况下，在GOCAD中进行“全部拆分”操作，导致三角测量的四倍，实现更好的通过精度。 缺点是数值模型变得更大并因此变慢或者根本不会收敛。 比较本身是通过目视检查比较重新导入的点与GOCAD中创建的表面以及通过系统分析点和表面之间的距离来完成的。 基于该分析，进行校正直到达到足够的精度（单点计量范围）。
生成网格
在上文“将复杂的三维地质结构转移到基于三维过程的数值地下水流模型”部分中描述了用于创建体积模型的工作流程。 从这个体积模型开始，COMSOL Multiphysics网格构建程序首先生成边界网格，然后在下一步中生成边界网格点的四面体化，形成这些点的凸包。 对于单个（简单）卷，此过程运行良好。 但是对于完整的复杂模型，基于曲面细分6方法的自由四面体操作会导致误差，例如“未能尊重几何面上的边界元素边缘”或“边界内部的内部误差”。 网格分辨率和四面体的质量是数值模型的重要特征。 要考虑的尺度（在这种情况下是局部和区域）和相关问题对于网格的必要分辨率和质量非常重要。
尽管COMSOL Multiphysics中针对复杂几何形状的网格构建例程创建，改进和改进网格有很多可能性，但它仍然是一个迭代工作流程，包括基于“试验和错误”的网格参数变化和卷序列。
边界条件
在基于复杂三维地质模型的结构和有限元网格的建立构建数值地下水流模型几何后，接下来的步骤旨在计算区域地下水流场和地下水流场的修改 由隧道引起的。 此步骤需要定义边界条件。
尽管沿隧道轴通常可获得地质数据，但通常缺乏垂直于该轴的水力数据，无论是区域还是隧道尺度。 当隧道轴沿着斜坡的走向运行时，这些数据尤为重要（Butscher等，2011b）。 因此，我们首先将3D地质建模作为3D数值地下水流模型的输入。 然而，该程序需要关于重力地下水流动系统机制的概念（Toth 2009）。
在这项研究中，边界条件是根据概念考虑选择的，因为没有水头的监测数据，也没有可用的水预算估算。该概念假设区域地下水位受地形限制，区域地下水流系统分析可以基于分层地下水流系统（图3; Toth 2009）。由于无法确定地下水流经南部模型边界的程度，因此沿着最高的山脊切割了这个边界。假设该脊作为区域地下水分界，则南部模型边界可以表示为无流动边界。此外，由于模型的深度足以承受在如此大的深度中发生的可忽略的地下水流动，因此模型底部的无流动边界是合理的。没有关于东西向流动的信息。然而，流动可能与西部和东部模型边界平行（垂直于东西向的山脉）。因此，只要没有测量，在这些模型边界处定义无流动边界是合理的。
基于这些概念上的考虑，可以为计算地下水流场设定合理的边界条件，当有更多信息作为附加测量时，可以随时改进这些条件。 根据当前的信息，该模型已经可以分析隧道对地下水文的影响。
校准
为了校准数值地下水流模型，通常有几个数据要求。 一方面，可以使用测量的液压头，来自示踪剂测试的结果和来自泵送测试的信息。 另一方面，地下水流入隧道的量化是有价值的信息，应在相关的隧道段中进行测量。资料编号：[3425]
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