收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

沪蓉西高速公路乌池坝岩溶隧道涌水成灾机理研究

王国斌  
【摘要】:随着西部大开发战略深入实施,我国公路、铁路建设重点已逐渐由平原地带转移到山岭重丘地区,由此将产生大量的山区隧道,“多、长、大、深”是山区隧道的典型特点。制约特长隧道发展的因素主要有掘进技术、支护技术、通风技术、不良地质等。在现有技术经济条件下,最为主要的制约因素是不良地质作用,即隧道施工开挖过程中可能诱发各类地质灾害。常见隧道地质灾害包括软岩、断层破碎带、岩性不整合接触带、地下水、岩溶管道、岩溶塌陷、采空区和岩爆等。其中隧道涌水灾害是隧道工程建设中一个难题,国内外已建隧道中都曾经发生过许多严重涌水事故,大规模涌水常常造成巨大经济损失和人员伤亡。为此开展山区岩溶隧道涌水成灾机理方面的研究,对特长隧道涌水灾害的预测及防治具有重要的理论意义与工程实践意义。 本文以湖北沪蓉西乌池坝隧道为研究对象,综合采用地质学、水文地质学、岩土力学、地下水动力学等相关学科的理论基础知识结合数理统计、非线性理论、数值模拟等数学分析方法,试图从岩溶发育主控因素及失稳模式角度建立乌池坝隧道的涌水地质模型;在此基础上,从隧道涌水地下水动力学演化过程角度结合突变模型,探讨岩溶隧道涌水成灾机理及其力学演化过程;采用经验计算模型与数值计算模型相结合的量化分析手段,对乌池坝隧道的涌水量进行预测,并对多种预测方法进行对比分析;最后采用正交试验与回归分析相结合的方法,探讨上覆型、下伏型及侧伏型岩溶隧道与溶洞问的安全距离及其影响因素,建立三种岩溶隧道安全距离与影响因素间的数学预测模型。通过上述分析和研究,主要取得了以下结论与成果: (1)岩溶发育受地层岩性、地下水动力分带、地质构造、地形地貌等因素控制,其中地层岩性是基础,地质构造是主导,水动力条件则是决定性因素。 (2)岩溶突水影响因素可概化为地质因素和工程因素两种。地质因素方面,岩溶含水介质通常具有不均一性和多样性,且水量分布极不均匀,层流与紊流共存,小裂隙构成主要贮水空间、大溶蚀裂隙构成主要导水通道。工程因素方面,岩体开挖卸荷、爆破扰动以及注浆失效等等都是主控影响因素,在很大程度上导致突水滞后性和不确定性。 (3)岩溶突水实质上是岩溶含水介质系统、水动力系统以及围岩力学平衡状态因地下工程开挖而发生急剧变化,存贮在地下水体能量瞬间释放,并以流体形式高速地向工程临空面内运移一种动力破坏现象。从水-岩相互作用机理来看,岩溶突水包含两个过程阶段,即岩溶突水蓄势机理和岩溶突水失稳机理,其中前者是一个漫长历史过程,后者是前者能量积蓄瞬间突变形式。 (4)从含导水构造能量储存、岩溶水动力扰动和能量释放以及含导水构造系统失稳角度提出岩溶突水的发生条件,并将岩溶突水过程划分为蓄势与失稳两个显著阶段;采用多场耦合软件计算开挖条件下岩溶突水形成过程的流态演变特征,实现了岩溶水由含水层中的渗流发展为潜在突水通道中的快速流,最后突入隧道内形成自由流的灾变演化过程。 (5)基于不同成因地质缺陷体的归类和阻水性能分析,提出地质缺陷诱发突水的两种典型灾变模式,分析了地质缺陷式突水通道的形成过程及其失稳的力学判据。就不同尺度地质缺陷体渗透特性的差异,建立了强渗流作用下充填介质的渗透失稳模型和充填体的滑移失稳突水模型,并将之应用于乌池坝隧道岩溶管道诱发突水的实例分析中,结合数值分析结果,揭示了充填介质渗透失稳形成堵塞体后整体滑移突水的灾变演化过程:对于非导水断层,考虑两区段充填介质的力学属性,引入水致弱函数反映强渗流对断层充填介质的活化作用,建立了断层充填体滑移失稳的燕尾突变模型,并基于灾变演化路径控制参数的分析提出相应的防治措施。基于大量数值计算结果,分析了断层活化诱发破裂通道的灾变机制,给出了断层突水的4种灾变路径,并对断层参数对突水的敏感性进行了分析。最后,基于不同揭露型突水模式的灾变分析,提出复合式突水类型,分析地质缺陷诱发隔水围岩失稳的非揭露型突水的灾变机制,并结合工程实例,进一步揭示了断层活化导通暗河水涌入与隧道存在水力联系的充填型溶腔,并导致隧道拱部完整围岩压裂突水的灾变演化机制。 (6)通过乌池坝隧道水文地质条件分析,采用"Visual MODFLOW2.7.1"三维渗流模拟和常规经验公式对乌池坝隧道涌水量进行预测,并对其结果进行对比分析,确保了预测结果的可靠性。乌池坝隧道整个隧道最小涌水量在12000-22000m3/d之间,正常值(施工期平水年)在24000~47000m3/d之间,大值(施工期丰水年)在30000~96000m3/d之间。 (7)通过FLAC3D数值模拟结合正交试验方案,对上覆型、下伏型及侧伏型岩溶隧道与溶洞间的安全距离进行分析,得到围岩级别、岩体侧压力系数、溶洞跨度、溶洞高跨比和隧道埋深五个影响因素对安全距离的影响程度和影响规律。对于上覆型和下伏型岩溶隧道,溶洞跨度对安全距离的影响较大,溶洞高跨比对安全距离的影响较小;对于侧伏型岩溶隧道,溶洞高跨比对安全距离的影响较大,溶洞跨度对安全距离的影响较小,即垂直于隧道与溶洞连线方向的溶洞尺寸对于安全距离的影响较大,而平行于隧道与溶洞连线方向的溶洞尺寸对于安全距离的影响较小。 (8)单因素回归分析结果显示,对于上覆型和下伏型岩溶隧道,隧道与溶洞间的安全距离与围岩级别及岩体侧压力系数呈指数关系,与溶洞跨度及溶洞高跨比呈线性关系,与隧道埋深呈对数关系;对于侧伏型岩溶隧道,隧道与溶洞间的安全距离与围岩级别呈指数关系,与岩体侧压力系数呈二次多项式关系,与溶洞跨度及溶洞高跨比呈线性关系,与隧道埋深呈对数关系。在此基础,通过多元回归分析建立了上覆型、下伏型及侧伏型岩溶隧道安全距离与上述五种影响因子间的数学预测模型。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 纪洪广,贾立宏,李造鼎;声发射参数的灰色尖点突变模型及其在混凝土断裂分析中的应用[J];声学学报(中文版);1996年06期
2 罗琼;岩溶隧道施工技术[J];隧道建设;2004年05期
3 刘汝臣;;宜万铁路岩溶隧道超前地质预报技术[J];隧道建设;2007年02期
4 高阳;张庆松;原小帅;许振浩;刘斌;;地质雷达在岩溶隧道超前预报中的应用[J];山东大学学报(工学版);2009年04期
5 ;宜万铁路高风险岩溶隧道全面贯通[J];中国铁路;2009年12期
6 向可明;廖知勇;王亮;;TSP法在广陕路灰岩隧道施工中的应用[J];西南公路;2010年04期
7 毕晓君;樊松;;基于突变理论的图像边缘检测技术[J];应用科技;2008年06期
8 彭志新;;长凼子岩溶隧道溶洞、暗河处理技术[J];铁道建筑技术;2008年S1期
9 骆文学;;齐岳山隧道施工中物探与钻探的应用比较研究[J];现代隧道技术;2009年02期
10 李焯均;陈建平;;岩溶发育机理研究在隧道岩溶超前预报中的应用[J];隧道建设;2009年04期
11 李学忠;;超前地质预报在某岩溶隧道中的探测结果分析[J];甘肃科技;2010年11期
12 王方奇;张兴;;探地雷达岩溶高风险隧道中的应用[J];科技创新导报;2010年18期
13 王公忠;;高压、富水岩溶隧道施工地质预报探讨[J];现代隧道技术;2010年04期
14 马慧勇;;岩溶地区隧道工程中地质预报的综合应用[J];四川建材;2011年03期
15 陈浩军,杨润生;扁拱平面内失稳的突变模型分析[J];长沙交通学院学报;1991年04期
16 孙树林,侯玉宾;边坡水平卸荷裂隙的突变理论模型[J];河海大学学报(自然科学版);1997年06期
17 陈安华,钟掘;关于机械系统突发性故障的若干思考[J];华中理工大学学报;1998年01期
18 宋立松;分析潮汐河口稳定性的突变模型[J];水利学报;2001年09期
19 杨旭,王国军;基于突变理论的基坑失稳研究[J];西部探矿工程;2003年11期
20 杨旭,王国军;基于突变理论的基坑失稳研究[J];西部探矿工程;2004年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 杨彩霞;高立原;张治科;;宁夏甘草胭脂蚧发生和成灾机理的研究[A];当代昆虫学研究——中国昆虫学会成立60周年纪念大会暨学术讨论会论文集[C];2004年
2 肖彤斌;吴凤芝;芮凯;谢圣华;陈绵才;;椰心叶甲在海南的发生及成灾机理[A];科技创新与绿色植保——中国植物保护学会2006学术年会论文集[C];2006年
3 张亮;何宏民;;铜黄一级公路滑坡分布特征及治理设计总结[A];第二届全国岩土与工程学术大会论文集(上册)[C];2006年
4 刘钦;李术才;张庆松;薛翊国;张霄;;长大岩溶隧道灾害特点及预报准确度控制研究[A];全国地下工程超前地质预报与灾害治理学术及技术研讨会论文集(Ⅲ)[C];2009年
5 熊友山;王国斌;邓长青;利奕年;;湖北沪蓉西高速公路岩溶隧道施工地质预报关键技术研究[A];湖北省公路学会二○○九年学术年会论文集[C];2010年
6 赵勇;田四明;曹哲明;;宜万铁路复杂岩溶隧道施工地质工作方法[A];全国地下工程超前地质预报与灾害治理学术及技术研讨会论文集(Ⅱ)[C];2009年
7 凌文;黄梯云;胡运权;;商品价格突变模型研究[A];全国青年管理科学与系统科学论文集(第2卷)[C];1993年
8 孙强;李厚恩;李雄;;基于拱效应的顺层边坡失稳突变模型[A];中国科学院地质与地球物理研究所2007学术论文汇编(第七卷)[C];2008年
9 李新平;代翼飞;胡静;;某岩溶隧道围岩稳定性及涌水量预测的流固耦合分析[A];全国地下工程超前地质预报与灾害治理学术及技术研讨会论文集(Ⅰ)[C];2009年
10 马士伟;梅志荣;张军伟;杜俊;;岩溶隧道涌突水灾害预警与防治技术[A];全国地下工程超前地质预报与灾害治理学术及技术研讨会论文集(Ⅰ)[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王国斌;沪蓉西高速公路乌池坝岩溶隧道涌水成灾机理研究[D];中国地质大学;2012年
2 李利平;高风险岩溶隧道突水灾变演化机理及其应用研究[D];山东大学;2009年
3 张旭东;深部岩溶隧道溃水成灾机理及其工程处治技术研究[D];重庆大学;2010年
4 冶雪艳;黄河下游悬河段地下水开发风险评价与调控研究[D];吉林大学;2006年
5 姜德义;岩盐溶腔稳定性及失稳控制研究[D];重庆大学;2001年
6 汤丽平;突变控制机制及其应用研究[D];哈尔滨工程大学;2004年
7 马栋;深埋岩溶对隧道安全影响分析及处治技术研究[D];北京交通大学;2012年
8 闫长斌;爆破作用下岩体累积损伤效应及其稳定性研究[D];中南大学;2006年
9 杨文东;降雨型滑坡特征及其稳定分析研究[D];武汉理工大学;2006年
10 莫阳春;高水压充填型岩溶隧道稳定性研究[D];西南交通大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 毕海龙;红河甲寅地质灾害成灾机理与防治对策研究[D];昆明理工大学;2005年
2 彭玉平;膨胀性充填裂隙水力特性数值模拟[D];郑州大学;2010年
3 魏梧树;浅埋大断面高速铁路岩溶隧道信息化施工和数值模拟研究[D];湖南科技大学;2012年
4 任清泉;上海市水文气象灾害风险特征分析及管理范式研究[D];上海师范大学;2007年
5 阳跃朋;大断面客专岩溶隧道围岩稳定性研究[D];湖南科技大学;2012年
6 卢伟材;第四方物流企业核心竞争力研究[D];大连海事大学;2008年
7 李建峰;害虫—天敌捕食系统椭圆突变模型的突变分析及应用[D];西北农林科技大学;2012年
8 赵学达;天敌胁迫下食饵种群动态模型的突变分析、参数估计及系统分析[D];西北农林科技大学;2005年
9 周冬军;岩溶隧道开挖稳定性评价及预测技术研究[D];西南交通大学;2012年
10 张海龙;采煤沉陷中突变现象分析及预测[D];西安科技大学;2009年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者:刘莉 实习生:吴丽华;从“根”上给农作物“治病治虫”[N];科技日报;2006年
2 本报记者 许霞;中国攻克世界级岩溶隧道修建难题[N];国际商报;2009年
3 方东;我国攻克岩溶隧道世界级修建难题[N];科技日报;2009年
4 记者 王建宏 实习生 王俊蓓;宁夏强沙尘暴成灾机理查明[N];宁夏日报;2005年
5 肖兵;攻关锁定害虫抗药性、作物抗病性[N];农资导报;2007年
6 朱正国;铁四院一项研究成果达到国际领先水平[N];人民铁道;2010年
7 通讯员 朱正国;铁四院一项研究成果达国内领先水平[N];中国铁道建筑报;2010年
8 记者 林晓莺;宜万铁路高风险岩溶隧道全面贯通表彰暨确保2010年全线开通运营动员大会举行[N];人民铁道;2009年
9 记者 李婧 通讯员 李冬刚;我市一科研成果达国际先进水平[N];德州日报;2009年
10 本报记者 刘莉 实习生 吴丽华;且听基因“自我介绍”[N];科技日报;2006年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978