裂隙岩体隧道渗流应力耦合机理与地下水限量排放研究

摘要

随着我国交通事业的日益发展庞大，铁路隧道、公路隧道以及城市轨道交通，作为链接交通枢纽的重要一环，由于隧道往往处在地下，或城市，或山区，都或多或少的不可避免的遭受地下水渗流或突涌水的影响。在施工和运营阶段，为了保证施工人员安全、工程质量以及自然生态环境等的可持续发展，研究地下水的渗流规律并加以防治是一个比较重要的课题。本文在归纳和总结国内外前人研究成果的基础上，采用了理论分析、数值模拟以及与工程实际相结合的方式，对节理岩体的水理特性、渗流特性、渗流场与应力场耦合机制、结构面特征等对地下水渗流场的影响、渗流量排放理论等进行了较为深入的研究，主要研究内容如下:
　　1、归纳总结了裂隙节理岩体的渗流特性、流固耦合机制、突涌水渗流现象的形成机制以及影响，并提出了在现阶段的问题所在。
　　2、系统的归纳总结了裂隙岩体的水理特性，包括裂隙岩体的结构面特征、裂隙岩体的渗流特征以及单裂隙情况下的渗流与应力的耦合理论分析，并就一个案例进行了阐述。
　　3、介绍了常用的流固耦合模型，并详细阐明基于离散单元法程序的裂隙岩体的渗流理论基本原理以及计算模式，进一步阐述了渗流场与应力场的耦合机制;借助一个流固耦合的案例分析进行了耦合与非耦合对应力场、位移场、渗流场等的影响;分析了裂隙岩体地下水渗流场在常规节理与随机节理时的差异，在位移、应力、渗流等方面都存在着明显的不同。
　　4、通过离散元程序进行了数值模拟分析，分别讨论了节理倾角、节理间距、初始孔隙水压力、节理法向刚度、节理切向刚度以及初始地应力对渗流场的影响，揭示了渗流场对各个因素的敏感度，其中倾角、间距、初始孔隙水压力和初始地应力对节理隧道渗流场影响较大，而法向刚度及切向刚度的影响较小。
　　5、首先阐述了隧道工程限量排放的意义，然后引入了地下水渗流排放的理论，然后通过一个工程实例分别进行了理论计算解析解以及数值解，然后对两情况加以对比分析，对于工程实际提出了一定的建议。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题的提出及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 裂隙岩体隧道渗流特性研究现状

1．2．2 裂隙岩体隧道流固耦合理论研究现状

1．2．3 裂隙岩体隧道防排水防治研究

1．3 本文的研究内容与技术路线

1．3．1 本文的主要研究内容

1．3．2 本文的研究方法及技术路线

第二章 裂隙岩体的水理特性

2．1 裂隙岩体的结构面特征

2．2 裂隙岩体的渗流特性

2．3 单裂隙渗流与应力耦合分析

2．3．1 渗透性质与应力关系方程分析

2．3．2 正应力作用下岩体中单裂隙渗流公式

2．3．3 剪应力作用下岩体中单裂隙渗流公式

2．4 单裂隙岩体渗流场与应力场的作用分析

2．5 本章小结

第三章 裂隙岩体流固耦合机制

3．1 常用流固耦合模型介绍

3．2 基于离散单元法的裂隙岩体的渗流理论分析

3．2．1 离散单元法的基本原理

3．2．2 离散元程序UDEC介绍

3．2．3 裂隙岩体渗流的计算模式

3．2．4 渗流计算法则

3．3 渗流场与应力场的耦合机制

3．3．1 应力场对渗流场的影响

3．3．2 渗流场对应力场的影响

3．3．3 裂隙岩体渗流流固耦合计算流程

3．4 裂隙岩体隧道渗流流固耦合案例分析

3．5 常规节理隧道与随机节理隧道流固耦合对比分析

3．6 本章小结

4．1 数值模型及参数

4．1．1 数值模型

4．1．2 计算参数

4．2 节理倾角对隧道渗流场的影响分析

4．3 节理间距对隧道渗流场的影响分析

4．4 初始孔隙水压力对隧道渗流场的影响分析

4．5 法向刚度对隧道渗流场的影响分析

4．6 切向刚度对隧道渗流场的影响分析

4．7 初始地应力对隧道渗流场的影响分析

4．8 本章小结

第五章 隧道工程地下水限量排放与工程应用

5．1 隧道工程限量排放的目的意义以及实现目标

5．2 工程概况

5．2．1 基本概况

5．2．2 地形地貌

5．2．3 地层岩性

5．2．4 水文地质

5．3 限量排放理论计算

5．4 注浆堵水限量排放解析解与数值解对比分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文与研究成果