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流固耦合作用下岩体渗流演化规律与突水灾变机理研究

黄震  
【摘要】:随着深大交通、水利水电隧道(洞)的大量建设和地下矿产的不断延深开采,隧(巷)围岩变形破坏、水害及各类动力地质灾害问题愈加严重,其中突水灾害多发且突出,往往成为影响安全、制约工程进度和费用的关键因素。流固耦合作用下围岩的损伤破坏和渗流突变是导致隧道突水的重要原因之一。本文综合运用理论分析、现场试验、室内试验及数值模拟等手段,围绕流固耦合作用下围岩的渗流演化规律和突水机理这一科学问题进行了系统、深入地研究,主要取得了如下成果:(1)基于岩石细观损伤统计理论和Weibull分布理论,提出了岩石损伤统计模型及其参数确定方法,建立了岩石细观单元损伤引起的渗透性演化模型。通过伺服渗透试验探究了不同岩性、不同结构岩石损伤过程中的渗透性演化特征,构建了描述岩石损伤破坏对渗透性影响的数学模型,给出了临界抗渗强度及其对应变形值的数学表达式,总结提出了软、硬两类岩石的渗透性-应力关系模式,并构建了岩石受力屈服之前变形阶段的渗透性-应力的关联模型。系统研究了岩石损伤过程中岩石内部裂隙演化与渗透性变化的关联特征,总结分析了岩石渗流突变的裂隙扩展起始点并提出了判定方法。(2)通过现场原位压水试验实测了不同岩性组合、不同结构状态岩体的高压渗透特性,对试验取得的高渗压条件下完整岩体、断层破碎带和扰动破坏带三种不同类型岩体的渗透特征数据进行了系统分析,建立了反映高渗压作用下岩体渗透水压(P)-流量(Q)关系的概化模式,揭示了高渗压作用下岩体由Darcy流向非Darcy流转变的流态转换规律;基于非Darcy流定律,推导出了高渗压条件下岩体渗透系数计算公式,定量解析了岩体渗透性演化与渗流压力的关联特征;基于岩体压渗过程的渗透性演化特征,构建了高渗压作用下岩体的分段渗流模型,将岩体的渗流过程分为初始阻渗阶段、起始导渗阶段、非稳定渗流阶段和稳态渗流阶段。在此基础上,提出了低阻裂隙导渗、高压致裂导渗和裂隙网路贯通导渗三种渗透类型;研究了高渗压条件下岩体内部裂隙扩展演化规律,揭示了突水灾变演化过程及围岩渗透失稳的灾变机理。针对岩体的非稳定渗流过程,建立了一维岩体非稳定渗流渗透破坏解析模型,并通过数值建模分析对此模型的实用性进行了验证。该模型将渗流压力、水力梯度条件作为影响岩体渗流稳定性的主控因素,能够合理反映非稳定渗流条件下岩体渗透破坏的致灾机制。(3)研制了能够同时实现高水压加载和隧道开挖的渗流突水模型试验系统,基于流固耦合理论和正交试验设计,配制了满足力学性质和水理性质的流固耦合相似材料。在此基础上,开展了围岩渗透破坏灾变演化规律的物理模型试验,研究了开挖扰动和防突层厚度对围岩渗流特征的影响,结合多场信息监测和声发射技术,研究了开挖扰动和渗流耦合作用下岩体内部裂隙扩展的时空演化规律,进一步深入揭示了突水通道的形成过程及其微观作用机制。(4)通过试验和理论分析研究了岩体渗透性和渗流突变演化的结构控制效应,结果表明工程扰动是引起岩体渗透性改变及造成岩体阻水性弱化的根本原因。扰动损伤区实质上为围岩结构破坏区,采用理论解析法推导了考虑开挖损伤区的隧道涌水量和孔隙水压力分布的解析公式,揭示了围岩结构对隧道突涌水的影响机制及控制作用。


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