【摘要】：我國是世界上隧道與地下工程建設(shè)規(guī)模、數(shù)量和難度最大的國家,交通、水電等國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重心正向地質(zhì)條件極端復(fù)雜的山區(qū)和巖溶地區(qū)轉(zhuǎn)移,施工中遭遇的“強(qiáng)突發(fā)、高水壓、大流量、多類型”突涌水災(zāi)害治理堪稱世界級(jí)工程難題。本文以三峽庫區(qū)翻壩高速公路、宜巴高速公路等深長隧道為依托工程,通過理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、大型流固耦合模型試驗(yàn)、軟件開發(fā)和現(xiàn)場試驗(yàn)等手段,深入研究充填型致災(zāi)構(gòu)造的突涌水機(jī)理和風(fēng)險(xiǎn)控制,取得了一系列有理論價(jià)值和工程意義的研究成果,主要研究成果如下： (1)通過大量國內(nèi)外突水突泥案例資料的系統(tǒng)收集與整理分析,劃分了四種典型突水突泥災(zāi)害類型,提出了突水突泥災(zāi)害的典型地質(zhì)模式：災(zāi)害源、突水通道和阻水隔泥構(gòu)造,揭示了典型突涌水災(zāi)害源的賦存特征,建立了突涌水災(zāi)害源孕災(zāi)性判識(shí)指標(biāo)體系和屬性識(shí)別模型。 (2)通過引入充填體內(nèi)部可動(dòng)顆粒轉(zhuǎn)化為移動(dòng)顆粒的源匯項(xiàng)概念,根據(jù)阿基米德原理與達(dá)西定律,建立了充填體顆粒滲流基本模型,推導(dǎo)了充填體內(nèi)部可動(dòng)顆粒流失量的表達(dá)式,揭示了孔隙流速與孔隙率和滲透系數(shù)的表征關(guān)系；研制了大直徑充填型致災(zāi)構(gòu)造固流耦合試驗(yàn)裝置,通過試驗(yàn)揭示了充填物不同加載速率情況下滲透流速、顆粒流失速量等參數(shù)變化規(guī)律。 (3)基于充填介質(zhì)內(nèi)部泥水兩相混合體的非牛頓流體特性,建立了賓漢型泥水混合流體的本構(gòu)方程,揭示了其在管道內(nèi)流速分布規(guī)律和壓降流量關(guān)系；基于基于赫斯特羅姆(Hedstrom)準(zhǔn)數(shù)推導(dǎo)了泥水兩相混合流體的臨界流速,建立了泥水混合流體從層流向過渡的流態(tài)判別準(zhǔn)則。 (4)針對(duì)季家坡隧道高陡傾充填型裂隙突涌水災(zāi)害,開展了隧道圍巖和充填物基本物理力學(xué)性質(zhì)測試,并基于測試結(jié)果研制了流固耦合圍巖相似材料和充填物相似材料,采用研制的三維可視化突水突泥模型試驗(yàn)系統(tǒng)開展了充填型裂隙蓄水構(gòu)造滲透失穩(wěn)模型試驗(yàn),揭示了充填物滲透失穩(wěn)的災(zāi)變演化機(jī)制,真實(shí)模擬了充填物滲透失穩(wěn)誘發(fā)突水突泥災(zāi)害的全過程。 (5)通過對(duì)我國近50年百余例巖溶隧道突涌水案例資料的系統(tǒng)收集與整理,分析了隧道突涌水的孕險(xiǎn)環(huán)境和致險(xiǎn)因子,遴選出突涌水的典型影響因素,建立了貫穿勘察、施工前和施工階段的全過程漸進(jìn)式風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估模型與方法,充分利用施工過程實(shí)時(shí)信息對(duì)突涌水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。 (6)開發(fā)了界面友好、操作簡單、人機(jī)交互的全過程漸進(jìn)式風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估專家系統(tǒng),提出了一種全新的風(fēng)險(xiǎn)管理運(yùn)行機(jī)制—施工許可機(jī)制,充分發(fā)揮建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位、勘察單位、預(yù)報(bào)單位和工程專家等各方面的作用,進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)控、及時(shí)反饋現(xiàn)場信息,針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)段落全程信息化許可施工。 (7)提出了深長巖溶隧道突水防治技術(shù)體系,其基本原則為“巖溶地質(zhì)觀測與分析,風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估與控制,含水構(gòu)造定位與定量,質(zhì)量方案優(yōu)選與保質(zhì)”；主要包括區(qū)域巖溶發(fā)育特征,巖溶水補(bǔ)給條件,風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估,含導(dǎo)水構(gòu)造探測,治理方案優(yōu)選,治理質(zhì)量控制等六方面內(nèi)容,研究成果在雞公嶺隧道、季家坡隧道等三峽庫區(qū)典型深長巖溶隧道中得到成功應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：U453.6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2522338