隧洞施工突水突泥机理及影响因素研究

摘要

水电梯级开发规划促推了我国兴修水利的新一轮高潮，多座水电站应运而生，在水工建设中水工隧洞举足轻重。然而修建长大水工隧洞的过程中，可能遭遇多种复杂不利地质情况，突水突泥的情况时有发生，尤其在断裂破碎带附近突水突泥更为严重，给隧洞施工和周边环境带来极大的威胁。本文依托木里河流域水电工程水工隧洞进行针对性的研究，通过资料调研、理论研究与数值模拟等方式，对不同类型的突水突泥做出了宏观和细观机理的研究，探讨了影响隧洞施工过程中突水突泥的主要因素。
　　 基于地质构造、岩溶及水文地质条件、围岩性质三方面的分析，对不同地质环境下的突水突泥现象进行分类，确立研究的对象。在此基础上对不同类型突水突泥过程进行现象解释，力学分析，得到突水突泥宏观规律，为后面的数值模拟提供依据。
　　 根据隧洞施工突水突泥分类，结合颗粒流模拟流固耦合方法，考虑数值方法的适用范围，选用平均中尺度粗糙网格法与虚拟“域”—“通道”法来建立不同类型突水突泥的数值模型，然后分别阐释不同流固耦合数值模型的理论基础和实现方法。
　　 针对不同类型的突水突泥过程进行模拟和机理研究。首先通过PFC内置系统标定围岩的物理力学参数和水力学参数，建立细观与宏观的联系，同时改变细观组构来模拟不同结构类型的岩体特征;再根据不同突水突泥的类型，分别建立了蚀溃型和劈裂型颗粒流二维模型。最后按散体结构岩体（Ⅴ类围岩）、单节理裂隙岩体（Ⅳ类围岩）、较完整岩体（Ⅲ类围岩）三种围岩环境，模拟各自突水突泥的发生，发展至破坏的过程，研究其机理。结果表明:不同围岩环境与隧洞施工突水突泥类型密切相关，不同渗流场与应力场耦合方式影响突水突泥过程，即蚀溃型突水突泥与劈裂型突泥突水，其过程中的孔隙率变化、裂隙分布、突水突泥量规模、位移大小、突水通道的空间定位各异，其破坏形式存在差别。
　　 考虑单因素单独作用对突泥突水的影响，模拟单因素变量改变的突泥突水过程，对比因素变化对宏观现象和细观机理带来的改变，由此确定一定环境条件下的临界破坏状态，提出相应的临界值，为实际工程提供参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩体涌突水通道形成机理研究

1．2．2 散体结构岩体突水研究

1．2．3 水力劈裂研究

1．2．4 颗粒流工程应用

1．3 主要研究内容及技术路线

第二章 不同类型突水突泥力学机制分析

2．1 木里引水隧洞地质分析

2．1．1 隧洞沿线地形地貌与地质构造分析

2．1．2 隧洞沿线岩溶及水文地质分析

2．1．3 隧洞沿线围岩性质及结构类型分析

2．2 直涌型现象及解释

2．3 蚀溃型现象解释及宏观力学分析

2．3．1 现象描述

2．3．2 力学行为分析

2．4 劈裂型现象解释及理论计算分析

2．4．1 现象描述

2．4．2 理论分析

第三章 不同类型突水突泥流固耦合数值方法

3．1 颗粒流流固耦合类型分析

3．2 蚀溃型突水突泥流固耦合颗粒流分析模型

3．2．1 固相运动方程

3．2．2 液相流动方程

3．2．3 固液耦合方程及颗粒流(PFC)程序的计算流程

3．3 劈裂型突水突流固耦合颗粒流分析模型

3．3．1 网络识别

3．3．2 流动方程

3．3．3 水压力方程

3．3．4 流固耦合方式

3．3．5 流固耦合求解方法

第四章 不同类型突水突泥破坏过程及机理分析

4．1 隧洞围岩模型的参数标定

4．1．1 参数标定的原则

4．1．2 AUGMENTED FISHTANK简介

4．1．3 隧洞围岩的物理力学参数标定

4．1．4 隧洞围岩的水力学参数标定

4．2 拟解决的关键问题

4．3 蚀溃型突水突泥颗粒流模拟

4．3．1 二维计算模型建立

4．3．2 测量监测方案

4．3．3 Ⅳ、Ⅴ类围岩无水压隧洞施工数值模拟及分析

4．3．4 散体结构岩体流动破坏过程及机理分析

4．3．5 单节理裂隙岩体渗透破坏过程及机理分析

4．4 劈裂型突水突泥颗粒流模拟

4．4．1 二维计算模型建立

4．4．2 Ⅲ类围岩无水压隧洞施工数值模拟及分析

4．4．3 完整岩体劈裂破坏过程及细观机理分析

4．5 本章小结

第五章 隧洞施工突水突泥影响因素分析

5．1 隧洞不同进尺开挖突水突泥机理分析

5．1．1 不同进尺对蚀溃型突水突泥影响

5．1．2 不同进尺对劈裂型突水突泥影响

5．2 不同水压力作用隧洞施工突水突泥机理分析

5．2．1 水压力大小对蚀溃型突水突泥影响

5．2．2 水压力大小对劈裂型突水突泥影响

5．3 不同地应力下隧洞施工突水突泥机理分析

5．3．1 不同侧压力系数对蚀溃型突水突泥影响

5．3．2 不同侧压力系数对劈裂型突水突泥影响

5．4 本章小结

结论与展望

(一)结论

(二)展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所获专利

攻读硕士学位期间参加的科研项目