考虑颗粒流失与岩石破裂的突水突泥流固耦合计算模型与分析方法

发布时间：2020-04-10 01:38

【摘要】：随着国家基础设施建设的蓬勃发展和“一带一路”战略的实施,我国的交通和水电建设正在迈向世界各地。大量深长隧道将建造在埋藏深度大、地应力高、岩溶发育密集等复杂的地质环境下。在隧道开挖过程中经常会遭遇重大地质灾害,如突水、涌泥、塌方、围岩大变形和山体滑坡等。据有关资料统计,在岩溶地区的隧道施工过程中,80%的重大事故是由突水突泥引起的,突水突泥重大灾害的发生对人员安全、国民经济和生态环境造成了严重损失。突水突泥灾害难以遏制的根本原因在于对突水突泥致灾机理认识不清。数值模拟对于研究突水突泥灾变演化机理和演化过程是必不可少的。实际上,突水突泥灾变演化过程实质上就是一个应力-渗流流固耦合问题。现有的流固耦合模型不能恰当描述充填介质颗粒流失和围岩破裂失稳诱发的隧道突水突泥渐进性过程,因此,隧道全开挖过程中的突水突泥数值模拟还不能有效地进行。因此,本论文目的是建立考虑颗粒流失与岩石破裂突水突泥流固耦合计算模型与分析方法。(1)首先研究了颗粒流失的渐进过程和机理。总结了土体内部侵蚀稳定性评判的几何准则,评价了所涉及试验材料的内部侵蚀稳定性。研究了水力梯度、水力加载历史和时间对土体颗粒流失的影响规律。提出了在任意水力加载历史条件下描述颗粒流失量随水力梯度和时间变化的函数表征关系,并通过与颗粒流失试验结果对比验证了函数关系的合理有效性,且进一步讨论了水力加载历史和流失速率系数对颗粒流失的影响。最后,基于Kozeny-Carman公式和前述颗粒流失量函数关系,建立了颗粒流失过程中的渗透率演化模型,同样通过颗粒流失试验进行了验证。提出的颗粒流失量函数关系和渗透率演化模型可用于模拟堤坝、边坡和隧道工程等领域的渗流或流固耦合问题。(2)发展了一种考虑颗粒流失的渗流模拟方法。将提出的颗粒流失率和渗透率演化模型在有限元程序PANDAS软件平台上进行了数值实现,并进一步应用于隧道开挖过程中遭遇断层破碎带时充填泥沙流失过程中渗透率、涌水量等变化规律分析。另外,提出了降雨条件下断层破碎带或岩溶裂隙带中动态水头的预测模型,并应用到案例应用当中,讨论了降雨条件对颗粒流失的影响进而对隧道涌水量的影响。(3)基于假设“固体颗粒间界面接触面积比的变化率与颗粒流失量体积比呈线性相关”,通过建立Biot固结系数与颗粒流失量体积比的关系,发展了可以描述颗粒流失过程的有效应力原理。建立了有效应力、固体应力和应变随颗粒流失的关系式,可以描述随着颗粒流失有效应力降低、固体应力升高以及应变增加的现象。并基于有效应力,进一步建立了颗粒流失过程中的平衡方程。考虑颗粒流失对孔隙率增量的影响,建立了颗粒流失的渗流连续性方程。基于上述研究,建立考虑颗粒流失作用的流固耦合计算模型。此外,推导了描述颗粒流失过程的Mohr-Coulomb准则的表达式,公式表明随着颗粒流失土体更容易发生压剪破坏。最后,分别采用Biot固结理论和新提出的考虑颗粒流失的流固耦合模型进行案例分析,结果对比发现,相对于Biot固结理论,考虑颗粒流失计算得到了一个额外固结沉降量,这与实际工程情况相符合,也验证了模型的合理有效性。(4)发展了一个用于围岩破裂失稳诱发的隧道突水突泥的流固耦合计算模型。目前应用于大多数仿真软件的单一本构模型无法描述任意围压条件下峰后的应力-应变特性。研究了不同围压条件下应力峰值、峰后跌落强度和应变软化的变化规律,建立了不同围压条件下可描述岩石弹性-应变软化·残余阶段的弹塑性简化模型;;提出跌落系数和软化系数来分别描述单轴和三轴条件下峰后应力跌落强度的关系以及应变软化参数的关系,并研究不同围压对跌落系数和软化系数的影响规律,分别建立跌落系数和软化系数随围压变化的关系曲线;最终建立任意围压条件下应变软化预测模型(AESS模型)。其次,基于AESS模型建立了任意围压条件下三阶段体积应变模型(ATVD模型);模型分为弹性压缩,软化膨胀和体积不变阶段,分别对应于应力-应变曲线的线弹性、应变软化和残余阶段;同样提出了膨胀系数来描述单轴和三轴条件下膨胀参数的关系,建立了膨胀系数随围压变化的关系曲线。最后,体积应变对渗透率有明显的影响作用,基于ATVD模型提出了体积应变敏感的渗透率演化模型。上述应力-应变、体积应变和渗透率演化三个简化模型是相互统一的,它们的三个阶段是相互对应的,因此可以统一为一个可以描述岩石力学-渗流耦合特性的计算模型。(5)采用PANDAS程序中的流固耦合模型模拟高压充水溶洞诱发隧道突水突泥演化过程。以齐岳山隧道为例,研究了有高压充水溶洞影响下隧道围岩的主应力、位移、水压力和流体速度的变化规律。此外,还讨论了溶洞位置、大小以及隧道与溶洞之间的距离对主应力和位移的影响规律。
【图文】：

图１．１技术路线逡逑１．４主要研究内容和创新点逡逑１．４．１主要研究内容逡逑

可动细颗粒穿过粗颗粒骨架进行迁移流失。本章节重点对管涌流失展开研宄。逡逑管涌流失是一个渐进性的过程，容易诱发路基、大坝等溃决［３５—４（）］，在隧道逡逑工程中同样会引发许多工程灾害（如图２．１）。首先，随着细颗粒流失，，孔隙水逡逑压力逐渐升高，有效应力的减小，隧道周围土体的稳定性将受到影响，发生土逡逑体破坏。其次，隧道上方土体的总体积减小，发生额外沉降。最后，细颗粒沿逡逑着优势渗透路径流失，可能产生一个薄弱滑动面，造成滑移失稳。逡逑管涌通常发生在间断级配和不连续级配的土体中，受土体几何条件和水力逡逑条件的影响。几何条件反映了土体内在特性并决定了发生管涌的可能性，而水逡逑力条件则是一种外部因素并控制着管涌的发生。同时，临界水力梯度是水力条逡逑件最重要的因素之一。当水力梯度达到临界值时，细颗粒可能会流失。由于细逡逑小颗粒的流失
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU45


本文编号：2621564