工程场地尺度裂隙岩体渗透结构的多模型分析

In the practice of groundwater numerical simulation, the inaccurate prediction even failed modeling are always due to the neglected model structure uncertainties. Instead of the traditional modeling approach relying on a single conceptual model, Multiple Model Analysis (MMA) takes all reasonable alternative models into account, to quantify the uncertainty of model stucture and to improve the predictive ability. In this study MMA will be applied to some typical hydropower and tunnel engineerings in the mountain area of southwestern China. Both larger-scale structural and smaller-scale stochastic uncertainties due to the high heterogeneity of site-scale fractured rocks, are taken into account to establish various conceptual permeability models. Assessment of uncertainties of these permeability structures will be carried out using the MMA method. Aiming at the limitation of the traditional Information Criterion for model complexity evaluation, a modified criterion will be proposed to achieve a comprehensive assessment between the complexity of models and its behavior of simulation. The research results will provide some technical support for groundwater modeling in water conservancy and hydropower engineering, tunnel engineering, groundwater resources development and utilization.

在渗流数值模拟实践中，模型结构的不确定性往往被建模者所忽视，以致模型预测失败。多模型分析摒弃了传统的仅仅依靠单一模型的研究思路，为量化模型结构的不确定性，提高数值模拟可靠度提供了新的方法。本项目拟选取西南基岩山区渗流问题较突出的典型水利工程和隧道工程，针对其场地尺度裂隙岩体渗透结构的非均质性，考虑结构性和随机性两方面的不确定性因素，建立多模型分析体系，评价渗透结构概化的不确定性。针对传统信息量准则评价模型复杂程度方面的缺陷，提出适宜于渗透结构多模型分析的模型评价标准，以实现对模型复杂程度和模拟精度的综合评定。研究成果可为水利水电工程、隧道工程、地下水资源开发利用等工程，提供渗流模拟方面的技术支持。

本项目针对工程场地尺度下裂隙岩体渗透结构的不确定性，以多模型分析方法为指导思想，选取西南基岩山区典型的隧道工程和水电工程，从裂隙介质渗透空间的宏观结构和微观随机两个层面的不确定性出发，建立渗透结构的多模型。通过项目实施，建立了隧道施工非稳定地下水渗流场及涌突水过程的动态模拟方法，数值模拟实验研究表明，渗透系数的非均质性对地下水流场具有重大的影响。均质渗透系数场情况下，掘进面涌水量相对稳定，因此总涌水量逐步增加。在非均质渗透系数场条件，掘进面涌水量则由于地层渗透性不同发生剧烈变化。当揭露优势水力通道时会发生突水事件，随后形成总涌水量的下降。两种情况下在某固定点上的涌水过程曲线均符合随时间呈指数衰减。隧道揭露强渗透带时，最大涌水量与渗透系数K和贮水率Ss都成正比，水均衡分析表明，储存水的释放是早期隧道涌水量的主要来源，且贮水率取值的增大将导致涌水中释水量比例的增大。本项研究为水利工程坝基绕坝渗流模拟，及尾矿库堆积过程渗流模拟，提出了介质渗透结构概化与多模型分析的方法；同时探讨了基于多孔抽水实验的裂隙介质水文地质参数估计方法。总体上根据场地尺度裂隙介质结构性和随机性特征，提出了渗透结构复杂程度指标体系，完善了现有的多模型评价准则，评价了渗透结构的不确定性，提高了工程场地尺度裂隙介质地下水动力场的模拟精度。