隧道突涌水动态演化特征分析及区域涌水量预测方法

摘要

施工过程中遭遇的“高水压、大体量、强突发、多类型”突涌水灾害严重阻碍隧道建设。隧道开挖过程中，破坏和改变了隧址区初始水文地质条件，隧道成为灾害水体的排泄通道，诱发了突涌水灾害，阻碍了隧道施工，延误了施工工期。因此，开展隧道施工过程中内部岩体突水机制，重点研究隧道突涌水动态演化特征，预测涌突水全过程瞬时涌水量的大小，对进一步进行灾害的控制和治理等具有重大理论意义和实际价值。
　　本文建立相应的Darcy流以及非Darcy流的统一PDE作为数值模拟的控制方程，考虑揭露断层破碎带型突涌水以及揭露岩溶管道型突涌水的瞬态过程，分析流动演化的时间效应以及空间特征，同时结合数值分析以及涌水量预测解析公式，重点分析涌突水区域涌水量动态变化规律，形成涌突水隧道区域涌水量预测体系。
　　首先，建立揭露断层破碎带型涌突水以及揭露岩溶管道型涌突水相应的数值模型，分析渗透系数以及缺陷体倾角、宽度对流速（涌水量）的影响规律，方便后期隧道突涌水流态演化分析以及区域涌水量预测。
　　其次，分析灾害水体由非Darcy流的断层破碎带型或岩溶管道向Navier-Stokes紊流隧道流入时流速、压力的时间效应以及空间特性，揭示突涌水灾害发生过程中动态演化特征。
　　最后，针对现场工程，在全面掌握隧道涌突水区域水文地质及工程地质条件基础上，建立现场区域突涌水模型。数值法以及解析法结合模型试验综合预测现场涌突水区域涌水量，指导隧道涌突水区域的治理。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 隧道突涌水类型研究现状

1．2．2 灾害水体流动演化规律研究现状

1．2．3 隧道涌水量预测方法研究现状

1．3 论文主要研究内容与创新点

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．3．3 创新点

第二章 隧道突涌水动态演化的数值方法

2．1 隧道突涌水类型

2．1．1 隧道断层破碎带型突涌水

2．1．2 隧道岩溶管道型突涌水

2．2 达西型控制方程

2．3 非达西型控制方程

2．3．1 非达西型PDE

2．3．2 非达西流影响系数

2．4 自定义PDE数值分析

2．4 本章小结

第三章 隧道断层破碎带型突涌水动态演化特征

3．1 揭露断层破碎带型突涌水的数值方法

3．1．1 基于达西理论的突涌水数值方法

3．1．2 基于非达西理论的突涌水数值方法

3．1．3 补给含水层的尺寸效应

3．2 流速影响因素讨论

3．2．1 渗透系数

3．2．2 比储水系数

3．2．3 断层倾角

3．2．4 断层宽度

3．3 定渗透系数下的动态演化规律研究

3．4 变渗透系数下的动态演化规律研究

3．4．1 渗透系数随深度变化规律

3．4．2 渗透系数随时间变化规律

3．4．3 渗透系数综合变化规律

3．4．4 综合耦合作用下动态演化规律研究

3．5 本章小结

第四章 隧道岩溶管道型突涌水动态演化特征

4．1 揭露岩溶管道型突涌水的数值方法

4．1．1 定水头边界

4．1．2 变水头边界

4．1．3 补给含水层的尺寸效应

4．2 流速影响因素讨论

4．2．1 渗透系数

4．2．2 比储水系数

4．2．3 管道倾角

4．2．4 管道宽度

4．3 定水头边界条件下动态演化规律研究

4．4 本章小结

第五章 隧道区域涌水量动态分析方法

5．1 隧道经验涌水量预测理论

5．1．1 隧道区域涌水量预测的确定性数学模型

5．1．2 隧道区域涌水量预测的随机性数学模型

5．2 突涌水隧道动态涌水量预测模式

5．3 揭露断层破碎带型突涌水区域动态涌水量解析法预测

5．3．1 解析涌水量动态演化曲线

5．3．2 区域动态瞬时解析涌水量偏小修正

5．3．3 区域量动态瞬时解析涌水量偏大修正

5．4 揭露断层破碎带型涌突水涌水量综合预测

5．4．1 涌水量预测的数值方法

5．4．2 极限数值法结合解析法预测涌水量

5．5 揭露岩溶管道型涌突水涌水量综合预测

5．5．1 涌水量预测的数值方法

5．5．2 揭露岩溶管道型突涌水涌水量模型试验

5．5．3 极限解析法结合数值法预测涌水量

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

在读期间参与科研项目

在读期间主要科研成果

在读期间获得奖励

致谢