富水隧道排水盲管堵塞效应分析及防治

摘要

针对富水区隧道排水管堵塞问题，依托成渝高速中梁山隧道工程，基于流固耦合基本理论，分别采用两种不同的排水管堵塞模拟方法对中梁山隧道工程进行数值建模，开展考虑隧道排水管堵塞的隧道渗流场和应力场耦合分析，主要研究隧道排水管不同堵塞工况下隧址区围岩内部渗流场的空间演化规律以及隧道围岩和支护结构的力学响应，通过对排水管堵塞过程中围岩内部地下水位、孔隙水压力、衬砌水压、衬砌应力和变形等各个指标变化进行定量评价，并对实际情况做了合理假设，在不同水位条件下对隧道排水管堵塞效应进行了研究。最后，从多种角度引入了一系列排水管堵塞的防治措施。主要研究成果如下:
　　(1)对各种材料的本构模型和参数进行了合理比选，概化了数值模型，开展隧道排水盲管堵塞效应研究，并分析了几种不同水位下的结果，得出如下结论:
　　①排水管堵塞工况或初始地下水位工况不同时，隧址区地下水位分布形态各异，排水管堵塞程度较小时，随初始地下水位上升隧道结构附近有明显的水力坡降，最大水位降落达33m，其中隧道结构附近水位变化不明显;排水管堵塞程度较大时，随初始地下水位上升，隧址区各处水位均变化明显。
　　②排水管正常排水时，随地下水位上升隧址区同一水平面上岩体孔隙水压力差异最大为360kPa，反之，排水管堵塞程度较大时，同一水平面上孔隙水压力差异较小;正常排水工况下，作用在隧道衬砌上的水压荷载在纵向排水管附近出现“脉冲”式减小，随排水管堵塞程度增大，排水管附近水压变化幅度减小。
　　③初始地下水位上升或排水管堵塞增大，均导致隧道结构上浮，并伴随水平移动和转动。不同的是，相同初始地下水位下，随排水管堵塞程度增大，隧道结构向远离相邻隧道方向移动;相同堵塞程度下，随地下水位上升，隧道结构向靠近相邻隧道方向移动。
　　④随排水管堵塞程度增大，或者初始地下水位上升，隧道衬砌主应力增大，其中最大主应力最大增长量为0.4MPa，最小主应力最大增长量为2.6MPa，增长最大的位置在拱脚附近。排水孔堵塞程度较小时，锚杆轴力随初始地下水位上升而增大，局部区域锚杆轴力变化略有差异;排水管堵塞发展到一定程度后，锚杆轴力随初始地下水位上升而减小。
　　(2)分别采用排水管模拟的渗透系数折减法和“以板代孔”法，对中梁山隧道工程进行分析，评价了两种方法的适用条件:渗透系数折减法能够直观反映排水管局部渗流场空间分布规律，但不能精确模拟排水管堵塞程度;“以板代孔”法则与之相反。
　　(3)分别从物理、化学、生物的角度引入了一系列排水管堵塞的防治措施，针对不同的工程，应做到因地制宜，从多角度开展隧道排水管堵塞的防治措施。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．1．1 问题的提出

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 隧道排水管堵塞成因机理研究现状

1．2．2 隧道排水管堵塞的影响性研究现状

1．2．3 隧道围岩流固耦合理论研究现状

1．3 目前研究存在的不足

1．4 本文的研究内容及技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

第二章 隧道围岩中的流固耦合基本理论

2．1 渗流基本理论及方程

2．1．1 渗流基本概念

2．1．2 渗流微分方程及边界条件

2．2 流固耦合原理及基本模型

2．2．1 渗流与应力耦合模型

2．2．2 流固耦合的有限元解法

2．3 本章小结

第三章 隧道排水管模拟方法研究

3．1．1 汇线单元法

3．1．2 排水子结构法

3．1．3 叠单元法

3．1．4 空气单元法

3．1．5 杆单元法

3．1．6 “以管代孔”法

3．1．7 “以缝代井列”法

3．2 排水管堵塞模拟

3．2．1 渗透系数折减法

3．2．2 “以板代孔”法

3．3 本章小结

第四章 成渝高速中梁山隧道排水管堵塞效应数值分析

4．1 中梁山隧道工程介绍

4．2 中梁山隧道工程概况

4．2．1 地理位置

4．2．2 地形地貌

4．2．3 水文气象

4．2．4 地质概况

4．2．5 水文地质

4．3 计算模型

4．3．1 材料屈服准则

4．3．2 岩体水力学参数

4．3．3 分析模型

4．4 渗流场分析

4．4．1 地下水位分析

4．4．2 水压分析

4．4．3 流速分析

4．5 应力场分析

4．5．1 变形响应

4．5．2 应力响应

4．6 本章小结

第五章 不同水位下隧道排水管堵塞效应分析

5．1 计算模型

5．1．1 排水管堵塞模拟方法

5．1．2 数值计算模型

5．1．3 数值计算工况

5．2 渗流场分析

5．2．1 地下水位分析

5．2．2 岩体内部孔隙水压力分析

5．2．3 二衬水压分析

5．3 应力场分析

5．3．1 变形响应

5．3．2 应力响应

5．4 本章小结

第六章 富水隧道排水盲管堵塞防治措施初探

6．1 物理方法

6．2 化学方法

6．3 生物方法

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 存在问题及研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文及取得的科研成果