复杂水文地质条件下德江隧道突水防灾顶板安全距离研究

发布时间：2017-04-06 02:11

  本文关键词：复杂水文地质条件下德江隧道突水防灾顶板安全距离研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在贵州岩溶山区,岩溶地下水十分丰富,给隧道建设造成了诸多难题,主要表现为隧道涌突水。贵州省德江至务川高速公路由于地形等条件的限制须穿越石朝向斜富水地质构造,拟以德江隧道穿越(5.4km),为目前贵州省规划建设最长的公路隧道,因向斜构造储水作用和底部泥岩对地下水的阻隔作用德江隧道上方形成了规模巨大的地下暗河系统,水头高达210m,流量达3.8m3/s,涌突水问题是影响该特长隧道建设的关键水文地质问题。隧道上方含水层为二叠系茅口组厚层灰岩,岩溶极为发育,水力联系强,隧道顶板岩性为二叠系栖霞组灰岩夹泥岩,为弱透水地层,具有相对隔水能力,但围岩级别低。隧道顶板厚度预计为45m,不排除小于45m的可能,隧道开挖卸荷将导致部分裂隙扩张,渗透性增大,高水头地下水在裂隙中渗流可能导致裂隙进一步演化,甚至发生劈裂,当顶板厚度过薄时将导致突水,所以德江隧道突水防灾顶板安全距离是德江隧道安全建设的关键,具有重要的研究意义和价值。本文在对隧址区工程、水文地质条件评价的基础上,对隧道顶板性质进行了定性分析,借鉴“三下”采煤造成围岩的损伤和破坏而形成导水裂隙带导通地下水的研究思维,结合离散元裂隙网络流固耦合数值模拟对德江隧道突水防灾顶板安全距离进行研究,主要得到以下几点结论:1、通过地质剖面调绘、钻孔岩性及揭露岩溶情况得出德江隧道顶板岩性为灰岩夹钙质泥岩,非质地纯厚的灰岩,且位于深部缓流带以下,岩溶不发育,但围岩级别低,通过钻孔压水试验得出2.3MPa下顶板岩层单位透水率为3.14Lu,为弱透水层,具有一定的隔水能力,所以对德江隧道的威胁是来自于隧道开挖卸荷导致的局部岩体裂隙扩张和渗透性改变,在高水头作用下裂隙进一步演化,当弱透水顶板过薄时可能丧失隔水能力而导致突水。2、通过离散元数值模拟得出围岩强度、结构面强度、岩层产状和隧道埋深对隧道开挖卸荷形成导水裂隙具有不同程度的影响,德江隧道开挖卸荷形成的导水裂隙高度大于顶板厚度,将波及上覆高压含水层,隧道开挖将受到上覆高压岩溶地下水一定的影响,同时工程类比法也得出45m顶板厚度偏小,德江隧道存在一定的涌突水风险。3、通过不同顶板厚度下德江隧道开挖离散元流固耦合数值模拟得出,在210m高水头流固耦合作用下顶板为10m、15m和20m厚度时顶板都发生了垮塌,且水压力均大于1MPa,最大达到1.6MPa,最大瞬时流量均大于0.1m3/s,最大达到0.665m3/s,顶板基本丧失隔水能力,判定隧道发生了突水,当顶板厚度大于等于25m时在流固耦合作用下未能导致顶板垮塌,仅能导致顶板出现较大变形,随着顶板厚度的增大,变形量、涌突水压力和最大瞬时流量明显减小,顶板逐渐发挥相对隔水能力,所以德江隧道突水防灾顶板安全距离约为25m。4、德江隧道石朝向斜轴部预计顶板厚度为45m,流固耦合数值模拟得到不考虑初期支护条件下德江隧道拱顶变形值为0.137m,最大涌水压力为0.412MPa,最大瞬时流量为0.028m3/s;施加初期支护条件下拱顶变形值为0.072m,小于0.12m容许变形值,最大涌水压力值为0.25MPa,最大瞬时流量为0.022m3/s;不考虑耦合作用的地下水动力学方法计算得涌水压力为0.0268MPa,所以45m顶板厚度下开挖隧道,围岩变形值在可控范围内,围岩具备一定的隔水能力,隧道仅能袭夺部分水体,不会发生突水,但水压力值和流量值较大需要进行注浆加固,通过地下水动力学方法理论计算得德江隧道合理注浆加固圈参数达ng=50,tg≥6m后可以合理降低高水头地下水对德江隧道的威胁。
【关键词】：隧道水文地质评价 隧道突水防灾 二维离散元 UDEC 裂隙网络流固耦合 顶板安全距离 注浆加固圈参数
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U453.61
【目录】：

• 摘要5-7
• Summary7-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 问题的提出及选题依据9-10
• 1.2 国内外研究现状10-15
• 1.2.1 隧道涌突水灾害调研10-11
• 1.2.2 隧道涌突水机理研究现状11-12
• 1.2.3 隧道突水防灾安全距离研究现状12-15
• 1.2.4 国内外研究存在的问题15
• 1.3 研究内容与研究方法15-16
• 1.3.1 研究内容15-16
• 1.3.2 技术路线16
• 1.4 主要工作与成果16-19
• 1.4.1 主要完成的工作16-17
• 1.4.2 取得的主要成果17-19
• 2 研究区地质环境条件19-36
• 2.1 地理位置及交通19
• 2.2 地形地貌19-20
• 2.3 气象水文20-21
• 2.3.1 气象20-21
• 2.3.2 水文21
• 2.4 地层岩性21-23
• 2.5 地质构造23-25
• 2.5.1 文新断层23-24
• 2.5.2 长丰背斜24
• 2.5.3 石朝向斜24-25
• 2.6 水文地质条件25-32
• 2.6.1 水文地质单元划分25-27
• 2.6.2 地表水27
• 2.6.3 地下水类型27-28
• 2.6.4 地下水补给、径流排泄特征28-29
• 2.6.5 地下河系统29-32
• 2.7 岩溶发育特征32-34
• 2.7.1 岩溶组合形态32
• 2.7.2 岩溶发育规律32-34
• 2.8 德江隧道顶板围岩性质定性分析34-36
• 3 德江隧道突水防灾顶板安全距离工程类比36-44
• 3.1 顶板隔水作用36
• 3.2 挪威隧道经验法36-38
• 3.3 日本最小涌水量方法38-40
• 3.4 顶水采煤经验法40-41
• 3.5 德江隧道顶板厚度工程类比计算41-43
• 3.6 德江隧道顶板厚度工程类比结果分析43-44
• 4 隧道开挖卸荷造成围岩裂隙扩张离散元数值模拟44-61
• 4.1 UDEC及离散单元法44-49
• 4.1.1 UDEC及离散单元法简介44-45
• 4.1.2 物理方程45
• 4.1.3 运动方程45-48
• 4.1.4 离散元在本研究中的优越性48-49
• 4.2 隧道开挖形成导水裂隙的影响因素49-56
• 4.2.1 影响因素49
• 4.2.2 裂隙扩张离散元数值模拟正交实验49-56
• 4.3 德江隧道开挖裂隙扩张高度离散元数值模拟56-59
• 4.3.1 模型建立56-57
• 4.3.2 参数及边界条件57-58
• 4.3.3 模拟结果58-59
• 4.4 小结59-61
• 5 德江隧道突水防灾顶板安全距离61-89
• 5.1 裂隙流固耦合原理61-63
• 5.1.1 渗流场61
• 5.1.2 力学场61-62
• 5.1.3 渗流场与力学场相互作用62-63
• 5.2 基于裂隙网络流固耦合确定德江隧道突水防灾顶板安全距离63-81
• 5.2.1 模型建立及边界条件63-64
• 5.2.2 流固耦合模拟步骤64
• 5.2.3 本构模型及参数选择64-66
• 5.2.4 流固耦合模拟结果66-79
• 5.2.5 德江隧道突水防灾顶板安全距离确定79-81
• 5.3 德江隧道预计 45m厚度顶板合理注浆加固圈参数81-88
• 5.3.1 德江隧道防、排水系统81-82
• 5.3.2 注浆圈对隧道涌水量及水压力的影响82-85
• 5.3.3 隧道合理注浆加固圈参数确定85-88
• 5.4 小结88-89
• 6 结论与展望89-91
• 6.1 结论89-90
• 6.2 展望90-91
• 致谢91-92
• 主要参考文献92-94
• 附录94-95

  本文关键词：复杂水文地质条件下德江隧道突水防灾顶板安全距离研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：288090