深长隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水机制三维流–固耦合模型试验研究

 为研究岩溶地区隧道开挖过程中充填型岩溶管道受施工扰动和地下水渗流作用发生失稳突水的机制,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,通过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的研制,开展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,真实再现隧道开挖和水压加载过程中,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突水过程的灾变演化机制。试验结果表明：(1) 施工过程中充填型岩溶管道突水是开挖扰动和高地下水位高渗透力作用诱发充填物渗透失稳的结果;(2) 充填物受开挖扰动影响比围岩更明显,变形量比围岩大20%～25%,应力释放率比围岩高30%;水压加载阶段,水头高度升高到6.0 m时,充填物位移突增50%,渗压下降速率达0.6 kPa/min,达到失稳临界状态;(3) 岩溶管道突水受其发育形态影响比较明显,其弯曲角度较大的部位是阻碍上部水和充填物突出的主要屏障;(4) 充填型岩溶管道渗透失稳突水的灾变演化过程经历四个阶段：形成离散的微小裂隙、裂隙连通形成导水通道、在渗流作用下导水通道扩展延伸、导水通道贯通形成突水路径,其中前两个阶段主要受开挖扰动影响,后两个阶段与高水位高水压的渗流作用密切相关。试验成果对突涌水机制的研究和工程中突涌水灾害的防治具有一定的指导意义。     

隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水机制三维流–固耦合模型试验研究

为研究岩溶地区隧道开挖过程中,充填型岩溶管道受施工扰动和地下水渗流作用发生失稳突水的机制,以湖北省保康—宜昌高速公路尚家湾隧道突涌水段为工程背景,通过大型三维可视化固–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的研制,开展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,真实再现隧道开挖和水压加载过程中,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,揭示充填物渗透失稳突水过程的灾变演化机制。试验结果表明:(1)施工过程中充填型岩溶管道突水是开挖扰动和高地下水位高渗透力作用诱发充填物渗透失稳的结果;(2)充填物受开挖扰动影响比围岩更明显,变形量比围岩大20%~25%,应力释放率比围岩高30%;水压加载阶段,水头高度升高到6.0 m时,充填物位移突增50%,渗压下降速率达0.6k Pa/min,达到失稳临界状态;(3)岩溶管道突水受其发育形态影响比较明显,其弯曲角度较大的部位是阻碍上部水和充填物突出的主要屏障;(4)充填型岩溶管道渗透失稳突水的灾变演化过程经历4个阶段:形成离散的微小裂隙、裂隙连通形成导水通道、在渗流作用下导水通道扩展延伸、导水通道贯通形成突水路径,其中前2个阶段主要受开挖扰动影响,后2个阶段与高水位高水压的渗流作用密切相关。试验成果对突涌水机制的研究和工程中突涌水灾害的防治具有一定的指导意义。     

隧道裂隙岩体温度-渗流耦合数学模型研究

随着越来越多特长深埋隧道工程的修建,围岩体所赋存复杂地质环境（ 渗流场、温度场与应力场等） 之间的相互影响作用已不容忽视。通过隧道裂隙围岩体渗透性能与热物理性能的等效连续化处理,初步建立了围岩体温度场与渗流场耦合作用数学模型,并应用于秦岭隧道工程。     

基于损伤过程耦合的断层空间滞后突水分析

为了研究过断层破碎带空间上滞后突水问题,围岩变形破坏全过程应力-渗透耦合模型被应用于涌水及稳定性分析。试验获得的岩石渗透率-应变演化全过程曲线被进行三次样条插值平滑处理,得到不同岩性的流固耦合函数模型,并嵌入到COMSOL Multiphysics中进行计算。模拟结果表明:基于试验曲线的流固耦合模型计算得到的扰动范围更大,在断层外影响范围为25 m;巷道掘进过程中,工作面拱肩部位更易形成涌水;裂隙带对于巷道开挖过的影响范围为通过裂隙带前后40 m,过裂隙带后突水风险达到最大;滞后突水时间为1.2到2.5 d,并且与地层中应力场、渗流场分布有关。通过本文研究,利用试验曲线建立的渗流耦合模型获得了断层空间滞后突水机制,修正了滞后突水发生的可能位置和加固范围。     

岩溶隧道承压隐伏溶洞突水模型试验与数值分析

为研究不同充填水压条件下隐伏溶洞对隧道围岩稳定性的影响,进而揭示溶洞突水致灾机理,利用自主研发的大型三维流固耦合模型试验系统,针对强充填滞后型溶洞突水孕灾模式开展了试验研究,揭示了承压溶洞突水过程位移、应力及渗压的变化规律,综合模型试验与数值计算各自的优势,开展了不同充填水压下(0.4~1.1 MPa)隧道开挖过程流固耦合数值模拟,对模型试验结果进行补充验证。研究结果表明:溶洞影响范围主要集中于一倍洞径范围内,受溶洞影响普通围岩的应力水平及应力释放量均高于隔水岩体,孔隙水压力消散速度较大,位移变化相对平稳;在隧道开挖阶段,随着溶洞充填水压增大,隔水岩体应力释放率越低,渗透压力整体升高,上升梯度逐渐减小,当溶洞水压高于0.8 MPa时,位移出现明显异常;模型试验水压加载阶段真实再现了隔水岩体破裂突涌水过程,研究结果对于岩溶隧道施工过程突水灾害防控具有指导意义。     

深部隧洞裂隙围岩渗透特性及衬砌外水压力变化规律

高外水压岩是影响隧道开挖过岩围岩稳定及衬砌结构安全的关键因素之一,基于裂隙介质渗流经典理论,给出围岩、衬砌不同渗透系数下的外水压岩解析解,采用数值方法对隧洞二次衬砌后的外水压岩作用特性进行仿真模拟,探讨裂隙围岩岩衬砌渗透系数对渗流场的影响,围岩、衬砌渗透和排水措施岩外水压岩的相关性。研究表明岩体和衬砌渗透系数之比是影响衬砌外水压岩的关键,正确的灌浆、排水设计对外水压岩折减系数影响较大,是减小衬砌外水压岩的有效措施。结论对高压水作用下裂隙岩体渗流及衬砌外水压岩研究具有重要理论意义,对高水压下围岩注浆及衬砌结构材料选型、参数选择等具有重要岩岩实用价值。     

复合采动对边坡岩体变形与稳定性影响的研究

 博士学位论文摘要　随着国民经济的飞速发展, 大量山区铁路越岭隧道的建设, 使得隧道修建及运营过程中涌水地质灾害成为勘测设计阶段需重点考虑的问题之一, 而尤以隧道可能涌水区段及涌水量大小的预测计算为这一问题关键之所在。针对隧道工程勘测设计、施工及运营中的这一实际需要, 根据隧道围岩介质的类型(主要为裂隙型和裂隙岩溶型) 及以往对该类问题研究工作的不足, 提出了地下水渗流场与应力场耦合环境下裂隙围岩型隧道涌水量预测研究命题。结合该研究命题, 作者展开了以下内容的研究工作:(1) 通过对隧道修建地区地质及水文地质条件的调研分析, 确定隧道可能穿越含水裂隙围岩介质的区段;(2) 应用数理统计学及随机模拟学方法, 对隧道含水裂隙围岩介质的结构特征进行量化分析, 确定其围岩结构类型, 为裂隙围岩介质水力学及力学性质的研究提供建模依据;(3) 以单条裂隙结构面中地下水渗流特性研究为基础, 提出了对裂隙围岩介质中地下水渗流场进行分析研究的三类数学模型(包括双重介质模型、等效连续介质模型和离散裂隙网络模型) , 并首次引入三维有限单元数值模拟方法对等效连续介质模型进行计算;(4) 以弹性力学理论为依据, 建立了隧道裂隙围岩介质所赋存地应力场环境的数学模型;(5) 考虑到研究中能真实反映隧道含水裂隙围岩介质发生涌水地质灾害的实际情况, 同时克服以往这一方面研究工作中的不足, 根据对隧道含水裂隙围岩介质中地下水渗流场与地应力场耦合作用的机理研究, 尝试性提出了双场耦合作用数学模型,与类似研究不同的是, 在模型中将地下水渗流作用力作为点集中荷载考虑;(6) 以双场耦合作用机理研究及耦合数学模型的求解为基础, 得出了渗流场与应力场耦合环境下裂隙围岩型隧道涌水量预测计算方法(解析法和水文地质数值模拟法) 。通过以上理论分析, 给出了渗流场与应力场耦合环境下裂隙围岩型隧道涌水量预测计算的研究工作程式。最后将此研究工作程式应用于目前在建的西(安) —(安) 康铁路秦岭特长隧道涌水量的预测计算中, 得到了较好的效果, 从而证明本论文的研究工作不是一次成功的尝试。     

大开度裂隙网络内非线性两相渗流的数值研究

裂隙渗流对矿产地下巷道开采、水电洞室开挖等工程具有重要的不利影响。当围岩扰动裂隙带内的裂隙开度较大,且与中~高压含水地层发生水力连通,就会形成高速非线性渗流导致的涌水、突水等灾害。前人对裂隙岩体渗流开展了卓有成效的研究工作,但基本上都针对单裂隙或简单交叉裂隙,以及采用简化的适用于低速层流的立方定律来描述渗流过程;对复杂裂隙网络、裂隙粗糙度、高速非线性渗流、局部湍流等问题有待于进一步开展工作。本文采用两相流理论,利用计算流体动力学开源软件平台Open Foam为研究工具,系统地研究包含大开度裂隙网络的岩体内部的高速非线性渗流的过程特征。计算结果精细地捕捉到了大开度裂隙网络高速渗流的进水、驱气、出水过程;揭示了渗流速度的分布、变化特征。同时还确认裂隙渗流中边界层的存在,给出边界层内的黏性剪应力、渗流雷诺数、渗流耗能以及等效渗透系数的量级。研究表明,采用两相流理论精细求解米级尺度的裂隙岩体内的非线性渗流过程是可行的。     

裂隙岩体水–冰相变及低温温度场–渗流场–应力场耦合研究

 岩体冻融损伤涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合问题。基于水–冰相变理论和能量守恒原理,得出冻结率表达式。运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,得出冻结条件下裂隙岩体的温度场–渗流场–应力场(THM)耦合控制方程。最后,通过1个含裂隙隧道低温THM耦合算例,将围岩当作岩块与裂隙介质组成的系统,采用等效热膨胀系数法对夹冰(含水)裂隙的冻胀效应进行模拟,并考虑冻结过程对岩体渗透系数的影响,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。     

渗流场与应力场耦合环境下裂隙围岩型隧道涌水量预测的研究

 博士学位论文摘要　随着国民经济的飞速发展, 大量山区铁路越岭隧道的建设, 使得隧道修建及运营过程中涌水地质灾害成为勘测设计阶段需重点考虑的问题之一, 而尤以隧道可能涌水区段及涌水量大小的预测计算为这一问题关键之所在。针对隧道工程勘测设计、施工及运营中的这一实际需要, 根据隧道围岩介质的类型(主要为裂隙型和裂隙岩溶型) 及以往对该类问题研究工作的不足, 提出了地下水渗流场与应力场耦合环境下裂隙围岩型隧道涌水量预测研究命题。结合该研究命题, 作者展开了以下内容的研究工作:(1) 通过对隧道修建地区地质及水文地质条件的调研分析, 确定隧道可能穿越含水裂隙围岩介质的区段;(2) 应用数理统计学及随机模拟学方法, 对隧道含水裂隙围岩介质的结构特征进行量化分析, 确定其围岩结构类型, 为裂隙围岩介质水力学及力学性质的研究提供建模依据;(3) 以单条裂隙结构面中地下水渗流特性研究为基础, 提出了对裂隙围岩介质中地下水渗流场进行分析研究的三类数学模型(包括双重介质模型、等效连续介质模型和离散裂隙网络模型) , 并首次引入三维有限单元数值模拟方法对等效连续介质模型进行计算;(4) 以弹性力学理论为依据, 建立了隧道裂隙围岩介质所赋存地应力场环境的数学模型;(5) 考虑到研究中能真实反映隧道含水裂隙围岩介质发生涌水地质灾害的实际情况, 同时克服以往这一方面研究工作中的不足, 根据对隧道含水裂隙围岩介质中地下水渗流场与地应力场耦合作用的机理研究, 尝试性提出了双场耦合作用数学模型,与类似研究不同的是, 在模型中将地下水渗流作用力作为点集中荷载考虑;(6) 以双场耦合作用机理研究及耦合数学模型的求解为基础, 得出了渗流场与应力场耦合环境下裂隙围岩型隧道涌水量预测计算方法(解析法和水文地质数值模拟法) 。通过以上理论分析, 给出了渗流场与应力场耦合环境下裂隙围岩型隧道涌水量预测计算的研究工作程式。最后将此研究工作程式应用于目前在建的西(安) —(安) 康铁路秦岭特长隧道涌水量的预测计算中, 得到了较好的效果, 从而证明本论文的研究工作不是一次成功的尝试。     

裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合模型及其应用

 从岩体结构力学和细观损伤力学的角度出发,根据裂隙发育与工程尺度的关系,建立合理且适用的裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型,该模型能真实反映渗流场与应力场耦合作用下裂隙岩体的损伤演化特性,并能模拟由于渗透压的存在和变化引起的拟连续岩体内翼形裂纹的开裂、扩展和贯通等损伤演化特性和高序次贯通裂隙的张开、闭合。建立考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体弹塑性断裂损伤本构方程和损伤应力状态作用下流体渗流方程,给出该数学模型的求解策略与方法,开发裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合分析的的三维有限元计算程序DSDFC.for。该计算程序能模拟岩体分步开挖、应力和渗流边界的动态变化,对裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,发现水库蓄水后岸坡山体的竖向抬升,随水位上升岸坡破损区增大,断层塑性区向岸坡深部扩展,与裂隙渗流比较,拟连续岩体渗流滞后。     

流固耦合模型用于陷落柱突水的数值模拟研究

采动岩体动力学失稳与渗流突变是发生矿井突水的直接原因.以岩体的损伤演化为主线,考虑岩体的非均质性、渗流与变形的耦合效应,提出流固耦合条件下岩石破坏过程的本构关系,并在COMSOL Multiphysics的编程环境下通过MATLAB编程开发了突水模拟及突水危险性评价的软件系统.结合范各庄矿陷落柱突水的实际,用该数值模拟系统开展陷落柱突水的数值模拟.数值模拟再现了突水发生的整个过程,据此对陷落柱突水危险性进行了评价分析,并探讨了突水发生的机理.     

裂隙岩体渗流场-损伤场耦合理论研究及工程应用

以岩体结构控制论为基础,把裂隙岩体看作由离散介质和拟连续介质岩体组成的复杂介质岩体。从理论分析和数值模拟两个方面,对地下水的渗流场与裂隙岩体的损伤场之间的相互作用机理进行了深入系统的研究,具体工作有以下几个方面 　　(1)从地质学、岩体力学、统计学的角度出发,定量化分析了岩体裂隙的几何特征和裂隙岩体渗透特性,为渗流场与损伤场的耦合研究奠定了基础。 　　(2)基于Betti能量互易定理,系统研究了应力场与渗流场共同作用下的岩体损伤演化机制,建立了考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体脆弹性和弹塑性断裂损伤本构模型和损伤演化方程。研究结果表明渗透压力可显著提高裂隙尖端应力强度因子,增加岩体的柔度,降低岩体强度,对裂隙岩体的力学特性具有明显的削弱作用。 　　(3)从岩体裂隙变形角度出发,建立了三维应力作用下考虑渗流与变形耦合效应的单裂隙渗流物性方程,从理论上推导了拟连续介质岩体渗透张量表达式。基于岩体裂隙的损伤变形,提出了裂隙岩体渗透张量演化方程。 　　(4)以岩体结构力学为基础,根据裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立了非稳态裂隙岩体渗流模型。该模型充分体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应。与以往研究成果相比,克服了单纯离散介质渗流模型工作量大和拟连续介质渗流模型不能正确反映裂隙水力学特性的缺点。本文还对渗流分析中存在的若干问题进行了研究。 　　(5)针对岩土工程中大小裂隙共存的特点,建立了包含离散介质和拟连续介质的裂隙岩体水力学模型,并自行开发了相应的有限元软件CPSS3D。 　　(6)将本文所建裂隙岩体水力学模型应用于某水利工程的高边坡开挖中,计算结果表明,该模型具有较好的实用性与可靠性。     

考虑裂隙水影响的隧道受力特征数值模拟

围岩富集裂隙水对隧道施工和运营有着较严重的影响。结合九景衢铁路隧道施工设计,采用离散元法,模拟了考虑裂隙围岩渗流作用的隧道施工力学特性,分析了排水和堵水2种隧道施工措施对裂隙围岩及支护结构的影响。结果表明,在隧道开挖面附近设置适量水头对围岩节理裂隙加固处理以及支护结构合理受力有一定的积极作用。     

裂隙岩体渗流场2损伤场耦合理论研究及工程应用

 博士学位论文摘要　以岩体结构控制论为基础, 把裂隙岩体看作由离散介质和拟连续介质岩体组成的复杂介质岩体。从理论分析和数值模拟两个方面, 对地下水的渗流场与裂隙岩体的损伤场之间的相互作用机理进行了深入系统的研究, 具体工作有以下几个方面:(1) 从地质学、岩体力学、统计学的角度出发, 定量化分析了岩体裂隙的几何特征和裂隙岩体渗透特性,为渗流场与损伤场的耦合研究奠定了基础。(2) 基于Betti 能量互易定理, 系统研究了应力场与渗流场共同作用下的岩体损伤演化机制, 建立了考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体脆弹性和弹塑性断裂损伤本构模型和损伤演化方程。研究结果表明:渗透压力可显著提高裂隙尖端应力强度因子, 增加岩体的柔度, 降低岩体强度, 对裂隙岩体的力学特性具有明显的削弱作用。(3) 从岩体裂隙变形角度出发, 建立了三维应力作用下考虑渗流与变形耦合效应的单裂隙渗流物性方程, 从理论上推导了拟连续介质岩体渗透张量表达式。基于岩体裂隙的损伤变形, 提出了裂隙岩体渗透张量演化方程。(4) 以岩体结构力学为基础, 根据裂隙发育规模与工程尺度的关系, 建立了非稳态裂隙岩体渗流模型。该模型充分体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应。与以往研究成果相比, 克服了单纯离散介质渗流模型工作量大和拟连续介质渗流模型不能正确反映裂隙水力学特性的缺点。本文还对渗流分析中存在的若干问题进行了研究。(5) 针对岩土工程中大小裂隙共存的特点, 建立了包含离散介质和拟连续介质的裂隙岩体水力学模型,并自行开发了相应的有限元软件CPSS3D。(6) 将本文所建裂隙岩体水力学模型应用于某水利工程的高边坡开挖中, 计算结果表明, 该模型具有较好的实用性与可靠性。     

裂隙岩体非恒定渗流场与弹性应力场动态全耦合分析

为更真实地反映在环境条件变化以及施工过程等因素作用下渗流场和变形场的行为规律，在裂隙岩体介质小变形的假定下，基于不可压缩水流在复杂应力状态作用下的裂隙岩体介质中运动的一般方程，建立两场动态全耦合的有限元数值模拟方法。在耦合分析中采用统一域混合模型模拟渗流场，对弹性变形场的模拟则采用多裂隙岩体介质和离散裂隙介质分别模拟的方法。对建立的耦合模型采用四自由度全耦合法结合有限元数值方法直接求解，对无压流中自由面的处理则采用固定网格法中的改进初流量法。最后针对水库裂隙岸坡算例，进行能模拟水库蓄水加载过程的静态、动态耦合有限元分析，揭示水库蓄水过程中裂隙岸坡位移场和渗流场的基本变化规律。分析结果表明，考虑蓄水过程中渗流的动态效应时，将会使水库岸坡产生较大的差异沉陷，从而对岸坡的稳定性产生不利影响，对于缓慢蓄水过程可以近似作为静态问题处理。     

盾构隧道开挖面稳定渗流场与应力场耦合分析

地下水作用下成层土盾构隧道开挖面稳定性成为该领域的重要课题。文章利用有限差分数值方法对盾构隧道开挖面渗流场与应力场的耦合进行了分析,探讨了渗流力对开挖面稳定的影响。根据稳定性理论的基本原理,把由于开挖面支护压力的微小变化导致开挖面中心点水平位移突变时的支护压力定为极限支护压力。考虑渗流场时,隧道开挖面失稳的极限支护压力等于作用于开挖面的有效支护压力和渗透力的总和。流固耦合数值模拟分析了地下水作用下支护压力与开挖面变形以及应力的关系,孔隙水压力的逐渐消散导致土体中发生沉降。通过孔隙水压力的存在对盾构隧道开挖面的塑性状态、应力、位移及其大小的影响比较发现:渗流场与应力场的耦合对隧道开挖面稳定产生很不利影响,是不可忽视的重要因素。     

浅埋大断面隧道围岩稳定性数值模拟及现场监控量测

浅埋大断面隧道由于开挖断面大、埋深浅、围岩物理力学性质差,开挖后容易产生大变形及变形速度过快,严重影响施工进度和施工安全.本文基于RFPA数值模拟软件,模拟了隧道开挖时掌子面围岩的应力、位移及变形破坏特征;在数值模拟的基础上采用应力和声发射联合法对隧道现场开挖围岩的应力和岩体应力调整进行监测,分析开挖过程中岩体变形与时...     

岩体洞室开挖裂隙发展损伤及变形特征数值分析

为探究复杂地质条件下洞室的损伤演化情况,对不同裂隙分布情况岩体在水力耦合作用下的损伤变形进行常规三轴压缩试验和数值计算分析。结果表明:裂隙分布形式对洞室的损伤发展及变形有重要影响,并根据裂隙分布形式表现出各项异性;开挖8～12 d后,裂纹和位移量开始快速增大,表明洞室岩体进入不稳定状态,损伤将逐渐加大;随机裂隙渗流情况下,洞室围岩在竖向将产生大量拉裂纹,随着开挖时间的推进,洞室围岩渗透率不断加大,内部孔隙水压则不断降低并表现出各向异性。     

岩体破碎程度对TBM隧道围岩位移量的影响

隧道开挖过程中围岩发生一定的径向位移量,其值大小关系着支护结构的受力情况和稳定性。为考虑岩体破碎程度对其径向位移量的影响,采用了FLAC3D数值模拟方法,完整地模拟了TBM施工的每一个环节,计算了每一开挖步对应的围岩的围岩量。对比分析了当岩体裂隙度不同时围岩的位移量的变化规律。研究结果为TBM施工隧道的围岩变形性能提供理论基础。