岩溶区深埋隧道衬砌外水压力研究

发布时间：2016-04-11 22:05

第1章绪论

1.1研究背景
新世纪以来,在“西部大开发”政策的大背景下,我国水电及交通等基础工程的建设重心逐步西移。我国西部地区海拔高、地形和水文地质条件复杂,以山地、高原和盆地地形为主,工程中常需采用深埋險道方案。高外水压力是深埋隧道的主要特征之一。天生桥二级水电站引水險洞长9776m,最大埋深760m,实测外水压力达3-4MPa。瑜怀铁路的圆梁山膝道,穿越毛项向斜和桐麻岭背斜的高压富水区,毛现向斜实测水头压力达到5.42MPa。锦屏二级水电站深埋引水隧洞长16625m,约73.1%长度埋深大于1500m,最大埋深达2525m,探项封堵后实测水压力平均值为8.56-8.60MPa,最大值高迗10.22MPa[i]。高外水压力常常会引发突涌水等安全事故,如锦屏二级电站的输水險洞在长探顿施工过程中曾多次发生大的涌水事故,且各涌水点均具有水头高和流量大的特点,在有出水孔释放水压的情况下,测得的最大涌水压力为3.5 MPa,集中涌水量为4.91 mVs,稳定流量为2~3 m3/s[2]。可见,高外水压力会影响深埋隧道的正常运行,而岩溶等不良的地质条件往往会是高外水压力的“帮凶”。国内发生过多起高外水压引起的岩溶障道衬彻破坏事故,如京原线的释马岭降道在1972年交运后,衬吻由一次强降雨引发的洞内高压突水击遗,洞内积水形成山间悬河,线路停运达一年之久,且整治费用高达数千万元。宜万铁路的云雾山隧道在施工期间,其中一段衬吻在施作完成后遭遇强降雨导致开裂而被迫破除重修。广州地铁1号线的杨体区间險道也由于高外水压引起过衬彻仰拱全部开裂破坏[3]。目前关于深埋_道衬彻的外水压力,尤其是存在岩溶等不良地质条件时,所做的研究尚不充分。故通过建立合适的简化分析模型,利用解析方法或数值方法研究各因素对險道衬彻外水压力的影响并提出合理的施工措施,以及针对岩溶地质条件下的隧道衬勘外水压力进行研究有着重要的工程意义。
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1.2研究现状
1856年,法国工程师Darcy用均砂土进行了一系列的恒定渗流实验,总结出了线性渗流定律,即著名的Darcy定律:土体中水的概化速度与水力梯度呈正比。这标志着经典渗流理论的诞生,Darcy定律奠定了经典渗流力学的理论基础。J.Dupuit则根据Darcy定律研究了地下水一维稳定流动和向水井的二维稳定运动规律。RForchheimer等又研究了更为复杂的地下水渗流问题,从而奠定了地下水渗流理论的基础[4]。以上理论是针对土体渗流提出的,而岩体是隨道结构常遇到的外界环境,发生在岩体中的渗流有着不同的特点。岩体由完整岩块和结构面构成,结构面包括裂隙、节理、断层、破碎带、接触带和片理等,通常将这些结构面统称为裂隙。岩体中各裂隙的不规则延伸交切,构成了岩体独特的裂隙阿络结构。完整岩块的渗透性很小,裂隙是岩体中输水的主要通道,所以裂隙网络结构控制着岩体的水力学行为。苏联学者;1951年首次对裂隙介质水力学进行了裂隙平板实验研究,相继地Pomm、Snowl、Louis[8]、Sharp[9]等人也进行了裂隙水力学的相关实验研究,得到了一系列比较有效的研究结果,为裂隙水力学的研究奠定了理论基袖。等人提出用线素法来求解平面裂隙网络的水力学问题,即岩体渗流离散模塑法,为裂隙岩体的渗流分析搭建了桥粱。由于岩体裂隙非常复杂,很难将裂隙的几何参数(隙宽、延伸长度及产状)以及裂隙面的充填情况调查清楚。况且裂隙系统是三维的空间问题,简化为二维问题与实际情况并不相符,工程中为了进行分析计算,常将裂隙岩体抽象成连续介质模型。岩体中的裂隙常常可以分为明显的几组,每组的产状大体相同。因此岩体渗流有着明显的各向异性,而这种各向异性介质的渗透系数可用渗透张量Kij表示,当K,j巳知时,即可以用连续介质渗流理论分析岩体渗流[11]。
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第2章滲流分析理论基础

2.1引言
将复杂的工程问题进行简化是实现求解的前提,对于渗流分析问题,等效连续介质模型是目前工程上最常用的筒化摸型,该摸型用于性态均句的土体介质的可行性得到了普遍认可,而对于岩体介质,因为裂隙与岩块间的导水性差异巨大,以及裂隙在岩体中分布的随机性,其只能在满足某些特定条件下才能使用[5]。本章将对等效连续介质滲流基本理论以及该理论应用于岩体渗流分析中所需满足的条件进行介绍,从而为后续章节的障道渗流分析奠定理论基础。
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2.2等效连续介质渗流基本理论
达西定律是分析稳定渗流问题的基石,基于质量守恒定理建立渗流连续方程,引入达西定律可得到渗流徵分方程。渗流微分方程是水的滲流运动需要遵循的客观规律,当给定定解条件时,便可由渗流微分方程确定整个分析域的渗流场。

2.2.1达西定律
法国工程师亨利`达西(HenryDarcy)将圆柱形筒装满均质砂,并对其做了大量的渗透试验(图2.1),于1856年得到了稳定渗流的基本定律,称为达西定律W。试验结果显示,渗透量Q正比于断面面积A和水头损失(Hi-H2),反比于渗径长度L,引入决定土体渗透性能的常数k,达西定律可表示为式(2.1)和式(2.2)两种形式。
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第3章基于解析方法的隧道衬砌外水压力研究.......25
3.1引言.......253.2隧道衬砌外水压力解析解.......25
3.3外水压力折减系数的影响因素研究.......29
3.4施工措施对折减系数及涌水量的影响.......34
3.5本章小结.......37
第4章ABAQUS在隧道渗流分析中的应用.......39
4.1引言.......39
4.2.......ABAQUS模拟渗流.......39
4.3模型尺寸对ABAQUS渗流分析结果的影响.......42
4.3.1.......ABAQUS用于隧道渗流分析的可行性验证.......42
4.3.2.......ABAQUS模拟隧道渗流的模型尺寸选取.......45
4.4排水管对隧道衬砌外水压力的影响.......47
4.5本章小结.......54
第5章岩溶区深埋隧道衬砌外水压力研究.......57
5.1 引言.......57
5.2深埋岩溶与地表的连通性及降雨影响.......57
5.3深埋岩溶对隧道衬砌外水压力的影响.......61
5.4本章小结.......81

第6章自适应分布模型在岩体渗流监测中的应用研究

6.1引言

抽水蓄能电站具有调峰、调频、调相和事故备用等功能,对确保电力系统安全稳定运行意义重大。输水系统是抽水蓄能电站的重要组成部分之一,常处于雄厚的山体之中,岩体渗流是其安全稳定运行的重要影响因素。因此,改善岩体渗流统计摸型,正确及时监测岩体渗流状态以确保输水系统安全稳定运行,具有重要意义。岩体渗流正态分布滞后统计模型(简称正态分布模型)和岩体渗流瑞利分布滞后统计模型(筒称瑞利分布模型)是岩体渗流中常用的两种模型,本章通过分析发现它们的建立均是基于观测分量与影响因子间的函数关系假定,而事实上这种假定的合理性及精确程度并不能保证。为此,本章提出了普遍适用且精度较高的岩体渗流自适应分布统计模型,并结合实例,经过拟合及预测,说明了该模型的优越性。

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结论

目前我国水电及交通等基础工程的建设主要集中在西南地区,该地区海拔高、地形复杂,工程中常需采用深埋越岭隧道方案,高外水压力成为工程中最主要的安全隐患之一,而岩溶等不良地质条件会增加事故发生的概率。本文希望对这一问题提供一些有价值的建议。总结全文,主要做了如下工作:
(1)基于达西定律和渗流连续原理,得到了渗流微分方程,并给出了求解该方程的定解条件,且介绍了使用等效连续介质模型分析裂隙岩体渗流问题的必要条件,还介绍了等效渗透系数的计算方法,为采用连续介质模型分析裂隙岩体中隧道衬砌外水压力问题奠定了理论基础。
(2)基于理想的轴对称圆形隧道渗流摸型,求得了隧道稳定渗流的解析解,包括毛洞、注浆以及注浆并衬砌状态下围岩、注浆圈及衬砌范围内的渗流量表迖式、水头表达式、渗流力表达式等。根据衬砌前后衬砌范围渗流力增量方向朝向隧道内部,而注浆圈与围岩范围内渗流力增量方向朝向隧道外部,指出需要采用打锚杆等施工措施以保证衬砌与围岩的联合作用。然后根据所求得的隧道衬砌外水压力折减系数的表迖式,指出了隧道衬砌外水压力折减系数的影响因素,并根据具体算例对每个因素的影响效果进行了分析,总结得到,增大衬砌渗透性是减小衬砌外水压力折减系数最为有效的方法,其次是降低注浆圈滲透性。紧接着,基于隧道涌水量与衬砌外水压力折减系数的关系式,从环境保护的要求出发(即应尽可能减小隧道的涌水量),确定了在减小衬砌外水压力折减系数时,应该遵循先考虑减小注浆圈的渗透系数,后再考虑增大衬砌渗透系数的处理原则。最后,依据这个原则,结合工程实际,提出了 “双层注浆+排水衬砌”的施工措施。并针对具体算例,对“普通衬砌”、”普通注浆+普通衬砌”、“双层注聚+普通衬砌”、“透水衬砌”、“普通注浆+透水衬砌"以及“双层注浆+透水衬砌”这六种施工措施就隧道衬砌外水压力及隧道涌水量两个方面进行了计算比较,得出“双层注浆+排水衬砌”既能有效降低隧道衬砌外水压力又能满足环保要求,是最合理的施工措施。
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参考文献(略)

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本文编号：37988