深埋节理岩体渗流演化机理及工程应用

摘要

随着西部大开发等战略计划的不断实施，隧道、水利水电等工程建设重心逐渐向西部转移，西部岩溶区域水灾害频繁，涌突水成为制约工程发展的主要灾害之一。研究涌突水灾害的基础是岩体的渗流演化机理，而岩体经历长期的地质作用和人为扰动，内部孕育了各种节理等缺陷，因此，研究不同应力状态下节理岩体的渗流演化规律对揭示地下工程涌突水机理及防治和控制具有十分重要的意义。
　　本文以深埋节理岩体为研究对象，综合采用物理模拟试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，对不同地应力状态和不同水压力下岩体的渗流特性开展了一系列的研究，对相关工程的建设和涌突水防治具有一定的指导意义。
　　（1）研制了可进行各向加载的大尺度岩体渗流物理模拟试验系统，包括主体承载装置、地应力伺服加载系统、气液复合承压水加载系统以及其他配套的辅助设备，系统最大地应力载荷达到6.0MPa，水压力载荷2.0MPa，模型体尺寸为300×300×1800mm。同时配制了可进行渗透性调节的流固耦合试验相似材料，为揭示复杂应力状态下地下岩体的渗流演化机理提供了新的试验设备、试验材料及相关方法。
　　（2）对不同渗透性的均质岩体模型进行了渗流模拟试验，获得了岩体孔隙水压力随水压力和地应力的变化特征。不同应力状态下均质岩体内孔隙水压力随着扩散距离的增大而逐渐减小，均服从双曲线衰减规律；推导了最大扩散距离和最小保护层厚度的表达式，随着水压力的增大和地应力的减小，最大扩散距离和最小保护层厚度均逐渐增大；根据达西定律的微分形式，提出了计算均质岩体内部水力梯度的新方法，与传统计算方法相比，计算结果更符合实际渗流规律，并进一步分析了应力状态及材料渗透性对均质岩体水力梯度的影响规律。
　　（3）在获得均质岩体渗流演化规律的基础上，对两种不同宽度的单一非贯通充填节理岩体进行了渗流模拟试验，研究了水压力、地应力及侧压力系数对单一节理渗流演化规律的影响。单一节理内孔隙水压力随着扩散距离的增大逐渐减小，且符合对数衰减关系；基于微分方法推导了单一节理内水力梯度的表达式，通过对比分析发现，传统计算水力梯度的方法对于定性描述节理岩体的渗透性能是具有一定道理的，而微分方法可以更加全面的反映节理岩体内部孔隙水压力的演化过程。
　　（4）在总结和分析水对岩体力学性能的劣化作用的基础上，基于有限差分软件，提出了同时考虑水的渗透及渗透作用下岩体软化的耦合计算方法，并以六盘山隧道为例，重点考察了承压水压力、保护层厚度及含水层厚度对隧道围岩位移场、主应力分布及塑性区分布的影响规律，从而来揭示水渗透作用下深埋隧道的稳定性机制。

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变量注释表

1 绪论

1.1 问题的提出及研究意义 (Problem Posing and Research Significance)

1.2 国内外研究现状 (Present Research Status at Home and Abroad)

1.3 主要研究内容与技术路线 (Main Research Contents and Technical Route)

2 深埋岩体渗流机制模型试验系统研制及试验方法

2.1 深埋岩体渗流机制模型试验系统研制 (Model Test System Development of Deep Rock Mass Seepage Mechanism)

2.2 深埋岩体渗流模拟相似材料 (Similar Material of Deep Rock Mass Seepage Simulation Test)

2.3 模型试验方法及过程 (Model Test Method and Process)

2.4 本章小结 (Chapter Summary)

3 不同应力状态下深埋均质岩体渗流演化机理

3.1 试验方案 (Testing Program)

3.2 不同水压力下均质岩体渗流演化机理 (Seepage Evolution Mechanism of Homogeneous Rock Mass under Different Hydraulic Pressure)

3.3 不同地应力水平下均质岩体渗流演化机理 (Seepage Evolution Mechanism of Homogeneous Rock Mass under Different Geostress Level)

3.4 本章小结 (Chapter Summary)

4 含单一节理深埋岩体渗流演化机理试验研究

4.1 岩体节理的形成与特征 (Formation and Feature of Rock Mass Joint)

4.2 节理布置与试验方案 (Joint Arrangement and Testing Program)

4.3 不同水压力下单一节理岩体渗流演化机理 (Seepage Evolution Mechanism of Rock Mass containing A Single Joint under Different Hydraulic Pressure)

4.4 不同地应力水平下单一节理岩体渗流演化机理 (Seepage Evolution Mechanism of Rock Mass containing A Single Joint under Different Geostress Level)

4.5 不同侧压力下单一节理岩体渗流演化机理 (Seepage Evolution Mechanism of Rock Mass containing A Single Joint under Different Lateral Pressure)

4.6 本章小结 (Chapter Summary)

5 渗透作用下深埋节理岩体隧道稳定性机制研究

5.1 节理岩体渗流规律数值模拟 (Numerical Simulation on the Seepage Rule of Joint Rock Mass)

5.2 水对围岩体的软化作用 (Softening Effect of Water on Rock Mass)

5.3 考虑渗透及围岩软化的数值计算方法 (Numerical Computation Method considering Permeation and Rock Mass Softening)

5.4 承压水压力对隧道稳定性的影响 (Influence of Hydraulic Pressure on Tunnel Stability)

5.5 保护层厚度对隧道稳定性的影响 (Influence of the Thickness of Protective Layer on Tunnel Stability)

5.6 含水层厚度对隧道稳定性的影响(Influence of the Thickness of Confined Aquifer on Tunnel Stability)

5.7 本章小结 (Chapter Summary)

6 结论与展望 (Conclusions and Suggestions)

6.1 主要结论与创新点 (Main Conclusions and Innovation Points)

6.2 研究展望 (Research Suggests)

参考文献

作者简历

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