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注浆控制岩溶隧道突水地质灾害的机理和模拟方法研究

孙克国  
【摘要】:岩溶地貌是具有溶蚀力的水对可溶岩进行溶蚀等作用所形成的地表和地下形态的总称,又称为喀斯特地貌。分布在世界各地可溶岩地区的岩溶地貌,面积达2200万平方公里,涉及十亿人口,我国的岩溶地貌的面积约有130万平方公里,其中尤以西南地区最为集中。 岩溶地区的生态环境异常脆弱,需要细心的管理和保持,但为了各地区的平衡协调发展,大型基础工程在岩溶区不断上马。隧道等地下工程往往成为地下水排泄的新通道,从而严重影响岩溶区原有的水文地质环境,甚至造成隧址区的环境灾难,所以需要改变以往隧道建设过程中以排为主的理念。 纵观隧道发展史,其建设趋势在向着“长、大、深”方向发展。在此过程中,隧道的常规建设技术得到了长足进步,但是在面对突水、岩爆、塌陷等地质灾害时,人类也遭受了前所未有的惨痛教训。在各种地质灾害中,论及破坏力之大和发生频率之高,非突水莫属。其破坏力轻则冲毁机具、淹没隧道、耽误工期,重则造成人员伤亡、甚至报废整个工程,给国民经济造成极大损失。为了尽可能的降低突水的破坏性和指导突水防治工作,本文采用FLOW-3D软件对不同驱动力的隧道突水进行了数值分析工作。 本文以沪蓉西高速公路龙潭隧道、齐岳山隧道和锦屏二级电站的引水辅助洞为依托工程。龙潭隧道在施工过程中多次发生涌水涌泥,耗时五年零五个月,接近预计工期的两倍,仅仅左线的最后五米,就耗时五个月,可见突水突泥的严重性。齐岳山隧道穿越清江之源,其中管道交错,溶洞密布,暗河穿越,地质极为复杂,在施工过程中也多次发生涌水事件,往往隧外下大雨,隧内涌大水,多次淹没逆坡施工的出口段,极大的耽误了工程进度。引水辅助洞埋深超过两千米,其岩溶形态多以贯通性较好的溶隙裂隙存在,在极大水头压力的作用下,以极快的速度瞬间进发而出,其破坏力与高压水枪无异。 随着现代注浆技术的不断发展,以及新型浆材的不断涌现和注浆设备的不断改进,注浆技术已经成为处理岩溶隧道突水地质灾害的主要手段。但是作为一门科学,它的理论性和系统性还有待完善。注浆理论的研究需要从被注介质特性和浆液流变特性两个方面进行。本文从岩溶区特有的地质特点出发,对被注介质的特性进行研究,认为岩溶区的浆液扩散不再由岩体渗流理论所控制,而必须从流体的质量和动量守恒方程出发,对其进行系统研究。浆液扩散研究必须考虑浆液的粘度时变性,在综合考虑理论合理性和求解可行性的基础上,本文采用粘度时变性的牛顿流体作为浆液模型。在两者的基础上,推导出了质量和动量守恒方程,形成了关于速度场和压力的封闭方程组。 由质量和动量守恒所推导而得的控制方程是复杂的二阶偏微分方程,以现在的数学和流体力学理论无法对其进行理论求解,所以必须借助于现代的计算机技术进行离散求解。本文以流体动力学中应用最为广泛的有限体积法为基础,分别采用HQUICK、中心差分、Crank-Nicolson、Adams-Bashforth等离散格式对控制方程对流和扩散等项在空间域和时间域上进行离散,得到控制方程的离散格式,最后采用压力泊松方程法在非交错非结构的离散网格上求得压力和速度场,从而在理论上完成了整套的数值求解工作。 借助于Matlab(?)高级编程语言,对离散格式的控制方程进行了代码编译工作,开发出了GSK(Grouting Simulation in Karst zone)软件包。GSK主要包括网格构建、参数设置、计算分析和结果显示四个部分。借助于非结构网格的优势,GSK可以建立任意形状的网格,从而满足了岩溶区被注介质的形状复杂性要求。参数设置主要包括初边值条件、浆液属性、计算参数等几个方面。结果显示部分可以用云图、矢量图、等值线图以及动画方式展示速度场、压力等结果,也可以绘制注浆量、注浆压力等随时间的变化曲线。 提出了集综合预报、预警和处治为一身的三位一体岩溶水防治体系。岩溶区突水的防治工作是一个系统工程,单纯的依靠注浆堵水技术往往事倍功半,甚至可能半途而废,所以在防治过程中必须依靠隧道综合超前地质预报技术,以对被注介质的缺陷做到了然于胸,使注浆工作有的放矢。岩溶隧道突水具有极大的危害性,一旦发生,后果往往不堪设想,但借助于先进的预警体系和设备可以有效减小突水的灾难性后果。本文最后将岩溶突水的三位一体防治体系成功应用于现场试验,并采用自己开发的GSK软件包对其中的串跑浆现象进行了模拟验证。


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