隧道充填型致灾构造灾变演化及突涌水数值模拟研究

摘要

随着国家在交通、水利水电等重大基础设施的建设大规模进行，我国已成为世界上隧道修建数量与难度最大的国家。但是在隧道修建过程中，经常遇到充填型致灾构造导致突涌水、突泥等灾害，造成严重经济损失。所以急需开展对隧道充填致灾构造灾变演化过程的研究，对灾害进行有效的规避与防治。
　　本文以充填型管道致灾构造灾变演化及突涌水为主要研究对象，主要通过理论分析、数学推导、程序开发和算例验证相结合的手段，探讨了SPH方法在流体以及充填介质中的应用以及流固耦合程序的开发。通过各种算例验证了本构关系模型以及流固耦合方法的可行性，并应用于隧道揭露型突涌水的数值模拟以及充填介质灾变演化过程的数值模拟中来，根据现场工程实例，验证了本文理论体系的可行性，取得了一些有益的结论。
　　(1)对SPH方法的基本原理与数值计算中所用的核函数等相关问题进行了论述;通过对SPH方法的基本原理和数值计算的相关问题的描述，确定了SPH方法的程序计算流程，为后续的数值计算提供了理论基础;同时，对一维激波管算例以及二维方腔剪切流算例进行了对比验算，表明了数值程序的改进的有效性及精确性。
　　(2)建立了基于SPH的流体（水）与充填介质的本构关系模型，并通过数值算例对本构关系进行了验证;在数值程序的编制过程中对程序进行修正及改进，使得SPH程序可以用于水、充填介质的数值模拟中来，并通过数值算例验证了其可行性。
　　(3)进行了基于SPH的流固耦合的数学推导以及算例验证，使得SPH方法可以实现水与充填介质流固耦合数值模拟;同时将SPH方法应用于隧道掌子面及边墙揭露型突涌水过程的数值模拟，能够较好的再现揭露型突涌水过程，模拟结果与现场实际能够较好对应。
　　(4)对隧道充填致灾构造的复杂模型的建立进行了说明，并对复杂模型的计算程序提出了优化方法，利用所编制的程序对隧道掌子面前方揭露型溶洞突涌水、管道充填型致灾构造在仅有固体充填介质以及固体介质上方充满水的岩溶管道类型、掌子面以及隧道边墙含有溶洞及岩溶管道的充填致灾构造灾变演化过程四种类型进行了数值模拟，通过模拟可以得出:SPH计算程序能够应用到以下几种类型的灾变演化过程的数值模拟中来;(Ⅰ)对于隧道掌子面前方揭露型溶洞突涌水的模拟结果可以得出:充填为水的溶洞发生突涌水时，地下水的重力作用起到主导作用下，在发生揭露后充水溶洞能瞬间将水涌出，水流的喷射距离与水体压力密切相关。在地下水无补偿条件下，随着水量的减小水流的速度也逐渐降低直至充填地下水全部涌出而停止。施工中若遇到此种类型突涌水，应采取卸压法安全排水，避免水体喷射到施工器械与人员，确保安全。(Ⅱ)在仅有固体充填介质充填的管道内时，充填介质的破坏在开挖扰动后，主要受到充填介质自重的影响，在自重作用的影响下导致充填介质发生破坏，产生滑移变形，并最终出现大面积的垮落并在隧道内形成堆积。但是这种破坏类型与充填介质本身的物理力学性质关系较大，若充填介质胶结能力较好，则发生破坏过程缓慢;若是充填介质胶结能力差，则破坏发生突然，容易砸伤行人或砸毁、埋没行人及器械。但是，该种破坏类型在大规模的破坏前会发生较大的位移变形，所以施工中应加强监控量测工作，及时发现问题避免伤亡事故发生。对于有固体介质上方充满水的岩溶管道类型，在开挖揭露后，地下水的作用会加速固体介质的破坏进程，从而导致破坏的加速。若是增加固体颗粒的胶结能力，地下水仍能够通过渗透作用对充填介质产生作用，使得充填介质发生破坏。(Ⅲ)对于掌子面前方的溶洞充水且岩溶管道内充满充填介质的充填致灾构造，对岩溶管道形成揭露，内部的充填介质由于地下水的渗透作用使得充填介质变成水与充填介质的混合物，使得固体充填介质变成为流塑状混合浆体。在隧道掌子面开挖过后，由于内部水体的巨大压力和流体固体重力的作用下，使得水与充填介质的流固混合浆体沿岩溶管道涌入到隧道之中。破坏过程是开挖产生的临空面有少量的水以及固体介质流出，随后涌出量有所加大，水与充填介质大量涌出岩溶管道，在隧道内形成水和充填介质的混合浆体直至溶洞内的水全部涌出而结束。由于地下水压力的不同，较低的地下水压力作用下，岩溶管道内突涌灾害结束后能产生一个明显的滑移带;而在较高的水压作用下，充填介质与岩溶壁面的结合将被减弱，充填介质被地下水全部带入隧道内。与实际工程环境中的结果较为类似。(Ⅳ)对于隧道边墙内岩溶管道内充满充填介质的充填致灾构造，其破坏类型与掌子面的岩溶管道的破坏过程基本一致。破坏过程是开挖产生的临空面有少量的水以及固体介质流出，随后涌出量有所加大，水与充填介质大量涌出岩溶管道，在隧道内形成水和充填介质的混合浆体直至溶洞内的水全部涌出而结束后附着一层固体充填介质;在地下水压力较小时，岩溶管道内有一个明显的滑移面，当地下水压力较大时，则无明显的滑移面。通过对结果的分析可以得到不同类型充填致灾构造的致灾模式与主控因素，对于隧道施工安全有重要意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 隧道突涌水灾害成灾机理及灾害特征研究

1．2．2 SPH数值模拟研究现状

1．3 本文主要内容与创新点

1．3．1 研究内容

1．3．2 创新点

第二章 SPH方法原理及程序设计

2．1 SPH的基本概念与光滑函数

2．1．1 SPH的基本思想-积分插值

2．1．2 光滑函数

2．2 控制方程及其离散化

2．2．1 守恒方程

2．2．2 动量方程

2．2．3 连续性方程

2．2．4 状态方程

2．2．5 粒子运动

2．2．6 能量守恒

2．2．7 可变时间步及时间积分

2．3 程序设计流程

2．3．1 程序模块计算流程

2．3．2 部分程序文件

2．4 算例验证

2．4．1 算例1-一维激波管算例

2．4．2 算例2-方腔剪切流算例

2．5 本章小结

第三章 流体与充填介质的SPH数值模型

3．1 充填致灾构造的组成

3．1．1 隧道充填型突涌灾害事件统计分析

3．1．2 充填致灾构造的物质构成

3．2 流体的SPH模拟

3．2．1 水的SPH模型

3．2．2 水的SPH数值模拟

3．3 充填介质的SPH模型

3．3．1 充填介质本构模型

3．3．2 屈服准则

3．4 数值算例

3．4．1 数值求解的收敛性

3．4．2 镜像边界条件

3．4．3 动力学边界条件

3．4．4 算例验证

3．5 本章小结

第四章 基于SPH的流固耦合数值模拟

4．1 充填介质的SPH模型

4．1．1 固体弹性状态

4．1．2 粘塑性流体状态

4．2 充填介质-水相互作用模型

4．3 密度修正

4．4 数值计算程序的优化

4．5 隧道揭露型突水数值模拟

4．5．1 几何模型

4．5．2 数值计算结果及对比

4．6 本章小结

第五章 隧道充填致灾构造灾变演化及突涌水过程数值模拟

5．1 复杂几何模型的建立及程序优化

5．1．1 复杂几何模型的建立

5．1．2 程序优化

5．2 揭露型突涌水数值模拟

5．2．1 数值计算模型

5．2．2 数值计算结果及分析

5．3 充填致灾构造灾变演化过程数值模拟

5．3．1 管道充填介质失稳灾变过程数值模拟

5．3．2 溶洞型充填介质失稳灾变过程数值模拟

5．3．3 隧道边墙充填介质失稳灾变过程数值模拟

5．4 隧道充填致灾构造灾变演化过程模拟结果分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

博士期间参与的科研项目

博士期间发表的论文

博士期间申请的专利及软件著作权

博士期间获得的奖励

附录