层间孔隙岩溶水对水工隧洞围岩稳定性的影响研究

发布时间：2017-09-17 05:48

  本文关键词：层间孔隙岩溶水对水工隧洞围岩稳定性的影响研究

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【摘要】：本文采用理论分析和数值模拟等手段,在建立基于流固耦合理论的层间孔隙岩溶区有压水工隧洞数值模型的基础上,研究了层间孔隙岩溶水影响下有压水工隧洞在开挖、运营以及检修等三种工况下围岩的稳定性。本文的主要研究内容及成果如下:(1)在已有研究成果的基础上总结出了层间孔隙岩溶水及其影响岩层的基本概念、相关概化模型以及数值模型,并进行简要介绍和实例例举。(2)根据基本的渗流理论以及相应的水流运动方程,分析岩体孔隙度和体积变化之间的关系,提出研究渗流-应力耦合的具体分析方法,以已有研究中渗透系数、应力、应变和孔隙度之间的关系为基础,分别建立耦合模型和有限元模型。(3)在分析有限元模型基础上,采用ABAQUS软件,利用渗透系数和体积应变之间关系编制用户子程序,建立基于流固耦合理论的层间孔隙岩溶水对水工隧洞围岩稳定性影响的数值分析模型,针对各种工况进行计算、分析。(4)对有限元模型的计算结果进行应力分析,发现在开挖阶段,隧洞下方均出现应力集中区,该集中区面积随隧洞洞径增大而增大。围岩受到的应力随隧洞到岩体交界处距离减小而增大,且更容易出现应力集中区。隧洞围岩应力水平均随洞径增大而增大,且围岩应力随着隧洞位于中部岩体的部分增大而增大。当隧洞跨层或全部位于含水层中时,围岩应力值发生复杂突变并在各阶段产生极不稳定的反复变化。(5)对有限元模型的计算结果中关键点位移变化分析,发现在各种工况下,隧洞在三个主要阶段的位移变化均表现为:向断面中心收缩?竖直方向略微收缩,水平方向外扩?往断面中心收缩。当隧洞洞径不变且不跨层时,隧洞全部位于隔水层时的开挖拱顶下沉量与其在含水层时的开挖拱顶下沉量基本一致,但水平收敛位移在隧洞全部位于含水层时反而较小。
【关键词】：层间孔隙岩溶 水工隧洞 有限元数值模拟
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV554;TV223
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 问题的提出及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 岩溶水运动究现状和发展动态11-13
• 1.2.2 岩溶区地下洞室研究现状13-15
• 1.2.3 岩溶区有压水工隧洞围岩稳定性研究现状15
• 1.3 本文研究内容与方法15-17
• 1.3.1 本文研究内容15-16
• 1.3.2 本文研究技术路线16-17
• 第二章 岩溶及层间岩溶水概述17-24
• 2.1 岩溶工程地质17-19
• 2.1.1 岩溶的发育17
• 2.1.2 岩溶形态17-18
• 2.1.3 岩溶类型18-19
• 2.2 岩溶水及含水空隙介质的划分19-21
• 2.2.1 岩溶水简述19-20
• 2.2.2 岩溶含水空隙介质的划分20-21
• 2.3 层间孔隙岩溶水概述21-23
• 2.4 本章小结23-24
• 第三章 层间孔隙岩溶水的渗流-应力流固耦合分析24-35
• 3.1 渗流理论24-27
• 3.1.1 渗流的基本概念及定律24-25
• 3.1.2 渗流的基本方程25-26
• 3.1.3 渗流的定解条件26-27
• 3.2 层间孔隙岩溶水渗流分析27-28
• 3.2.1 孔隙介质概述27
• 3.2.2 岩层间孔隙岩溶水渗流及其模型分析27-28
• 3.3 岩体渗流场应力场流固耦合分析理论28-34
• 3.3.1 岩体渗流场与应力场的相互影响28-29
• 3.3.2 渗流—应力完全耦合的力学机理及演化模型29-32
• 3.3.3 岩体流固完全耦合的有限元离散32-34
• 3.4 本章小结34-35
• 第四章 岩溶水对隧洞围岩稳定性影响的分析模型35-41
• 4.1 岩溶水影响的概化模型35
• 4.2 有限元分析方案35-39
• 4.2.1 计算范围和边界条件35-36
• 4.2.2 屈服准则36-37
• 4.2.3 分析点的选择37-38
• 4.2.4 分析工况的确定38
• 4.2.5 分析步骤38-39
• 4.3 ABAQUS的应用39-40
• 4.3.1 流固耦合应用40
• 4.3.2 本文所用ABAQUS的相关代码40
• 4.4 本章小结40-41
• 第五章 不同洞径大小的水工隧洞围岩稳定性分析41-55
• 5.1 有限元分析模型及分析工况41-42
• 5.2 不同洞径大小水工隧洞围岩受力特征分析42-49
• 5.2.1 隧洞中心位于上交界处42-44
• 5.2.2 隧洞中心位于中部岩体中心44-47
• 5.2.3 隧洞中心位于下交界处47-49
• 5.3 不同洞径大小的隧洞围岩位移变化特征分析49-53
• 5.3.1 各分析步中隧洞关键点位移变化特征分析49-52
• 5.3.2 隧洞位移变化关键参数比较分析52-53
• 5.4 不同洞径大小的隧洞开挖涌水量分析53-54
• 5.5 本章小结54-55
• 第六章 不同位置的水工隧洞围岩稳定性分析55-68
• 6.1 有限元分析模型及分析工况55-56
• 6.2 不同位置的水工隧洞围岩受力特征分析56-62
• 6.2.1 隧洞位于上部岩体且S1变化56-58
• 6.2.2 隧洞位于中部岩体且S2变化58-60
• 6.2.3 隧洞位于下部岩体且S3变化60-62
• 6.3 不同位置的隧洞围岩位移变化特征分析62-66
• 6.3.1 各分析步中隧洞关键点位移变化特征分析63-65
• 6.3.2 隧洞位移变化关键参数比较分析65-66
• 6.4 不同位置的隧洞开挖涌水量分析66-67
• 6.5 本章小结67-68
• 第七章 水工隧洞跨层时的围岩稳定性分析68-79
• 7.1 有限元分析模型及分析工况68
• 7.2 水工隧洞跨层时围岩受力特征分析68-73
• 7.2.1 水工隧洞跨上交界处68-71
• 7.2.2 水工隧洞跨下交界处71-73
• 7.3 水工隧洞跨层时围岩位移变化特征分析73-77
• 7.3.1 各分析步中隧洞关键点位移变化特征分析74-77
• 7.3.2 隧洞位移变化关键参数比较分析77
• 7.4 水工隧洞各种跨层情况下隧洞开挖涌水量分析77-78
• 7.5 本章小结78-79
• 第八章 工程实例分析79-84
• 8.1 工程概述79
• 8.2 有限元模拟方案设计79-80
• 8.3 有限元模拟结果分析80-83
• 8.3.1 水工隧洞围岩受力特征分析80-82
• 8.3.2 水工隧洞围岩应变特征分析82
• 8.3.3 水工隧洞围岩位移变化特征分析82-83
• 8.3.4 水工隧洞围岩水力特性分析83
• 8.4 本章小结83-84
• 第九章 结论及建议84-87
• 9.1 本文研究成果及主要结论84-85
• 9.2 进一步研究建议85-87
• 致谢87-88
• 参考文献88-91
• 攻读硕士学位期间发表论文及参与科研情况91

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 赵明阶,敖建华,刘绪华,王彪;隧道底部溶洞对围岩变形特性的影响分析[J];重庆交通学院学报;2003年02期

2 赵明阶,王学军,刘绪华,敖建华,王彪;隧道侧岩溶分布对围岩稳定性影响的数值模拟研究[J];重庆建筑大学学报;2003年01期

3 张有天;;裂隙岩体渗流数学模型研究现况[J];人民长江;1991年03期

4 王恩志,孙役,黄远智,王慧明;三维离散裂隙网络渗流模型与实验模拟[J];水利学报;2002年05期

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本文编号：867634