隧道充填型管道构造突涌水机理与预测预警及工程应用

发布时间：2018-11-13 19:40

【摘要】：随着交通、水利水电等重大基础设施的建设,尤其是西部大开发战略和国家“十二五”计划的深入实施,重大工程建设重心向地形地质极端复杂的西部山区与岩溶地区转移,我国已成为世界上隧道修建规模与难度最大的国家。正在或即将建设的工程中,存在大量的高风险深长岩溶隧道,修建过程中极易遭遇重大突水灾害。仅21世纪的前10年间,我国交通、水电领域隧道建设中发生重大地质灾害百余起,其中,突水和突水诱发的灾害占77.3%,死伤近千人,造成重大的经济损失,恶劣的社会影响,严重的环境破坏。深长隧道突水灾害难以遏制的根本原因在于,突水的发生机理和灾变演化机制极为复杂,尚未形成系统清晰的认识,难以对灾害的预防和控制进行有效的指导。本文以管道型致灾构造的突水机理为主要研究对象,以湖北省保康至宜昌高速公路尚家湾隧道为依托工程,通过室内实验、理论分析、数值计算、模型试验和现场试验等手段,深入研究管道型致灾构造充填介质渗透破坏机理、施工扰动下突水灾变演化过程以及工程预警机制,取得了具有一定理论价值和工程意义的研究成果,主要包括：(1)通过大量突水案例的统计分析,尤其对渝怀铁路圆梁山隧道和宜万铁路云雾山隧道多次突水灾害的系统整理,从形态、补给、富水、充填特性方面分别对灾害源的类型进行划分,提出灾害源的致灾条件。针对管道型灾害源的延展性、隐蔽性、致灾性特点,揭示了其赋存规律和孕灾模式,提出了管道型致灾构造孕灾性评价的指标体系和基于属性识别模型的孕灾性分级标准。(2)基于充填介质的颗粒级配特征及胶结状态,将充填介质分为砂砾型、泥砂型和粘土型3种类型。研制了应力-渗流耦合三轴渗透试验系统,尤其是开发了三维渗流-应力-损伤耦合压力室,进行了完善的密封和加载系统设计,开展了模拟充填介质赋存条件下的渗透试验,系统分析了不同类型充填介质的渗透特征,揭示了充填介质涌水型、渗透型和滑移型3种典型渗透破坏模式。(3)针对充填介质不同渗透破坏模式,从试验现象入手,对管道型致灾构造充填介质渗透破坏机理进行研究。涌水型破坏可以简化为管道流,用Navier-Stokes方程对流态进行描述。渗透型破坏经历了充填体整体强度破坏和水流冲刷扩径两个过程,基于强度条件和运动平衡条件,分别对两个阶段的起动条件和发展过程进行分析。滑移型破坏是渗透作用下充填体整体的力学破坏,充填体的厚度是其安全性的重要指标,通过条分法计算得到充填体发生滑移破坏条件下的最小安全厚度。(4)为研究施工扰动和地下水渗透作用下,充填型岩溶管道渗透失稳突水的灾变演化机制和前兆规律,研制了大型三维可视化固液耦合试验平台、水压加载控制系统以及水压环境下有较好相似度的流-固耦合岩石和充填物相似材料。以湖北省保康至宜昌高速公路尚家湾隧道突涌水段为工程背景,开展了深长隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水的大比尺三维流-固耦合模型试验,真实再现了隧道开挖和水压加载过程,岩溶管道充填物中“裂隙形成-扩展-导水通道贯通-突水”的全过程。通过位移、应力和渗压变化规律的分析,揭示了充填物渗透失稳的灾变演化机制和突水前兆特征。(5)根据工程在勘察设计、施工、监测等方面工作的特点,建立了基于区域地质信息、超前预报信息、监控量测信息及工程信息修正的贯穿整个工程建设过程的“三阶段多因素”预警体系,综合考虑突水强度、报警位置及防控时间,形成了岩溶管道突水的综合预警机制,提出了不同预警级别的防控措施和应急预案。(6)在保宜高速尚家湾隧道中对相关成果进行应用,系统分析了突水灾害的致灾因素,揭示了隧道ZK64+920断面发生多次突水的原因,即为与地表有较好连通性的过水型岩溶管道诱发的突水。根据突水综合预警体系,该部位的预警等级为红色预警,有很高的突水风险。针对预警信息,提出了相应的防治方案,取得了较好的效果。本文的研究成果对工程中突水灾害的防治起到了较好的指导作用。
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【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U456.32

【参考文献】