隧道充填型岩溶管道渗流突水灾变机理研究

发布时间：2020-01-20 14:06

【摘要】：随着我国西部大开发和“一带一路”战略的深入实施,一大批水利交通重大隧道工程正在西部岩溶地区修建。在岩溶地区,充填型岩溶管道地质构造具有广泛的地下水补给网络和充足的补给水源,一旦诱发突水将造成严重的工程灾害和环境破坏。因此,研究充填型岩溶管道突水致灾特征及机理对于安全施工及灾害预防具有重要的指导意义。本文以隧道充填型岩溶管道为研究对象,以物理模型试验和理论分析为研究手段,主要研究了不同渗透特性的管道充填物在不同水头压力作用下,充填物内部渗流演化规律以及充填物自身的结构失稳破坏特征,同时分析了充填物失稳时的极限平衡条件及突水致灾判据。(1)以齐岳山隧道为工程背景,通过对现场管壁试样和充填物进行物理力学性质测试,配制相应的水-力耦合相似材料,根据工程现场地质情况提出概化模型并进行物理模型试验设计,利用深长隧道突水突泥三维物理模型试验系统对不同渗透系数的管道充填物分别进行物理模型试验。(2)通过物理模型试验,分析了不同类型管道充填物在不同水头压力作用下的结构失稳特征,并将不同试验结果分为涌砂、涌水和涌泥三种渗流失稳类型;通过监测充填物内部各测点孔隙水压力的变化,研究了充填物内部的渗流演化规律、充填物内部平均水力梯度和相邻水力梯度的规律特征。(3)根据岩溶管道充填物不同渗流失稳类型,分别提出整体滑移力学模型(涌泥型渗流失稳)和局部失稳力学模型(涌砂型渗流失稳、涌水型渗流失稳);分别分析了两种力学模型中充填物失稳的极限平衡条件,并通过定义临空水力梯度作为突水致灾因素,分别分析了两种力学模型中致灾因素的临界值。最后,通过具体算例分析了考虑充填物内部孔隙水压力对充填物最小防突厚度的影响。
【图文】：

岩石试样,管壁

2.1 工程背景及相似常数 (Engineering Background and Similar Constants)以齐岳山隧道为工程背景，隧道全长 2967m，最大埋深 747m，，隧道净尺寸为10.5m×5.0m，隧道区属构造溶蚀-剥蚀中山地貌，横穿山脊，地形整体呈波状起伏。地下水类型主要为溶隙-溶洞水，溶洞暗河强烈发育，规模大流程长，地下水以大型岩溶管道汇水排泄为主，同时兼有中小型岩溶泉。根据现场情况，将充填型岩溶管道岩体分为管道内充填物以及管道四周的管壁岩体。管道充填物质和管壁岩体之间的物理力学性质相差很大，岩溶管道管壁岩体成岩完全，而管道内的充填物并未完全成岩，因此将这两部分分别进行考虑。物理模型试验中，原型的相关参数是相似材料配制及整个物理模型试验的基础。为了对其中的岩溶管道进行相似模拟，从齐岳山隧道工程现场分别对管壁岩体和管道内的充填物进行取样并进行物理力学参数测试。工程现场岩溶管道管壁岩体大致为泥质灰岩，对工程现场取回的管壁岩体岩样进行取芯、切割及打磨等工序，制成符合国际岩石力学与工程学会建议的岩石试样。得到的管壁岩石试样和管道充填物样品分别如图 2-1 和图2-2所示。

充填物,管道,样品,岩石试样

物进行取样并进行物理力学参数测试。工程现场岩溶管道管壁岩体大致为泥质灰岩，对工程现场取回的管壁岩体岩样进行取芯、切割及打磨等工序，制成符合国际岩石力学与工程学会建议的岩石试样。得到的管壁岩石试样和管道充填物样品分别如图 2-1 和图2-2所示。图 2-1 管壁岩石试样Figure 2-1 Conduit wall specimens图 2-2 管道充填物样品Figure 2-2 Conduit filling sample由于在物理模型试验中要考虑岩土体与水的耦合作用，分析比较复杂，因此相似常数采用量纲分析法进行确定。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U456.33;U452.11

【参考文献】