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《中南大学》 2008年
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基于渗流场—损伤场耦合理论的隧道涌水量预测研究

刘文剑  
【摘要】: 隧道涌水不仅威胁施工的安全、造成隧道结构的破坏,而且还对周边生态环境造成影响,因此,隧道涌水量预测不仅是水文地质学中一个重要的理论问题,也是隧道防排水设计和施工中一个亟待解决的现实问题。目前,隧道涌水量的预测方法很多,但是,其预测结果与实际情况往往出现较大的误差。针对这个问题,在总结前人研究成果的基础上,收集了雪峰山隧址区地质勘察和设计资料,并在施工期间进行了大量的地质调查、隧道围岩内部多点位移量测试验、涌水量测试分析,运用断裂损伤、裂隙介质有关理论,对雪峰山隧道的渗流场、应力场、涌水量预测及验证进行了较系统的研究: 1)通过对雪峰山隧址区地质特征的研究,阐述了雪峰山隧址区地下水分布状况、岩体裂隙结构特征、裂隙介质的透水性以及渗透系数在空间上分布的层次性和随机性特征; 2)归纳出裂隙介质四种印模破裂形态,运用最小二乘法迭代算法,推导出裂隙岩体地应力计算模型,并通过工程实例的实测数据加以验证及误差判断;结合数值分析的方法,分析了隧址区裂隙岩体地应力的空间分布特征; 3)运用岩体蠕变和粘弹性断裂力学、可靠度等原理,对渗流场和损伤场在围岩位移中的变化规律和裂隙围岩可靠度进行探讨,建立了在裂隙岩体中隧道开挖的双场耦合蠕变模型和可靠度分析模型,结合Laplace变换,推导出围岩的径向位移函数表达式,论证了应力卸荷、渗流力作用,以及节理裂隙分布对径向位移和可靠度的影响; 4)运用裂隙岩体的断裂损伤理论,结合渗流场与损伤场耦合关系和实测渗透系数、地应力数据,以及渗透系数的随机因素,分析渗透参数空间分布特征,建立了一种渗透参数与应力损伤耦合计算式; 5)建立了隧道涌水量分析的工作程序和渗流场与损伤场耦合随机涌水量方程,即为裂隙岩体等效连续介质耦合渗流控制方程;结合渗透场与应力损伤场的随机特征,提出了在渗流与应力损伤耦合环境下,隧道涌水量预测计算的水文地质数值随机模拟法,并利用FLAC软件,建立了在渗流与应力损伤耦合环境下,隧道涌水量预测计算的水文地质数值随机模型的分析流程。 6)考虑到地下水流经各层的面积、流量和渗透系数的关系,尝试建立一种层次渗透系数计算表达式,并结合工程实例进行预测及验证,论证了渗透系数空间分布对涌水量预测结果的影响; 7)以雪峰山隧道ZK100+315~100+660段为例,采用传统的解析法、在耦合环境下平均渗透参数数值法与渗透参数空间差异分布数值法预测涌水量;并对预测结果与实测结果进行比较分析,探讨渗透系数、给水度(孔隙度)、水头高、降雨入渗量,影响半径等参数对涌水量的影响程度,并进行了随机变量的灵敏度分析。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:U453.6

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