第1章緒論

1.1研究背景
新世紀(jì)以來,在“西部大開發(fā)”政策的大背景下,我國水電及交通等基礎(chǔ)工程的建設(shè)重心逐步西移。我國西部地區(qū)海拔高、地形和水文地質(zhì)條件復(fù)雜,以山地、高原和盆地地形為主,工程中常需采用深埋險(xiǎn)道方案。高外水壓力是深埋隧道的主要特征之一。天生橋二級水電站引水險(xiǎn)洞長9776m,最大埋深760m,實(shí)測外水壓力達(dá)3-4MPa。瑜懷鐵路的圓梁山膝道,穿越毛項(xiàng)向斜和桐麻嶺背斜的高壓富水區(qū),毛現(xiàn)向斜實(shí)測水頭壓力達(dá)到5.42MPa。錦屏二級水電站深埋引水隧洞長16625m,約73.1%長度埋深大于1500m,最大埋深達(dá)2525m,探項(xiàng)封堵后實(shí)測水壓力平均值為8.56-8.60MPa,最大值高迗10.22MPa[i]。高外水壓力常常會(huì)引發(fā)突涌水等安全事故,如錦屏二級電站的輸水險(xiǎn)洞在長探頓施工過程中曾多次發(fā)生大的涌水事故,且各涌水點(diǎn)均具有水頭高和流量大的特點(diǎn),在有出水孔釋放水壓的情況下,測得的最大涌水壓力為3.5 MPa,集中涌水量為4.91 mVs,穩(wěn)定流量為2~3 m3/s[2]�？梢�,高外水壓力會(huì)影響深埋隧道的正常運(yùn)行,而巖溶等不良的地質(zhì)條件往往會(huì)是高外水壓力的“幫兇”。國內(nèi)發(fā)生過多起高外水壓引起的巖溶障道襯徹破壞事故,如京原線的釋馬嶺降道在1972年交運(yùn)后,襯吻由一次強(qiáng)降雨引發(fā)的洞內(nèi)高壓突水擊遺,洞內(nèi)積水形成山間懸河,線路停運(yùn)達(dá)一年之久,且整治費(fèi)用高達(dá)數(shù)千萬元。宜萬鐵路的云霧山隧道在施工期間,其中一段襯吻在施作完成后遭遇強(qiáng)降雨導(dǎo)致開裂而被迫破除重修。廣州地鐵1號線的楊體區(qū)間險(xiǎn)道也由于高外水壓引起過襯徹仰拱全部開裂破壞[3]。目前關(guān)于深埋_道襯徹的外水壓力,尤其是存在巖溶等不良地質(zhì)條件時(shí),所做的研究尚不充分。故通過建立合適的簡化分析模型,利用解析方法或數(shù)值方法研究各因素對險(xiǎn)道襯徹外水壓力的影響并提出合理的施工措施,以及針對巖溶地質(zhì)條件下的隧道襯勘外水壓力進(jìn)行研究有著重要的工程意義。
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1.2研究現(xiàn)狀
1856年,法國工程師Darcy用均砂土進(jìn)行了一系列的恒定滲流實(shí)驗(yàn),總結(jié)出了線性滲流定律,即著名的Darcy定律:土體中水的概化速度與水力梯度呈正比。這標(biāo)志著經(jīng)典滲流理論的誕生,Darcy定律奠定了經(jīng)典滲流力學(xué)的理論基礎(chǔ)。J.Dupuit則根據(jù)Darcy定律研究了地下水一維穩(wěn)定流動(dòng)和向水井的二維穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律。RForchheimer等又研究了更為復(fù)雜的地下水滲流問題,從而奠定了地下水滲流理論的基礎(chǔ)[4]。以上理論是針對土體滲流提出的,而巖體是隨道結(jié)構(gòu)常遇到的外界環(huán)境,發(fā)生在巖體中的滲流有著不同的特點(diǎn)。巖體由完整巖塊和結(jié)構(gòu)面構(gòu)成,結(jié)構(gòu)面包括裂隙、節(jié)理、斷層、破碎帶、接觸帶和片理等,通常將這些結(jié)構(gòu)面統(tǒng)稱為裂隙。巖體中各裂隙的不規(guī)則延伸交切,構(gòu)成了巖體獨(dú)特的裂隙阿絡(luò)結(jié)構(gòu)。完整巖塊的滲透性很小,裂隙是巖體中輸水的主要通道,所以裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)控制著巖體的水力學(xué)行為。蘇聯(lián)學(xué)者;1951年首次對裂隙介質(zhì)水力學(xué)進(jìn)行了裂隙平板實(shí)驗(yàn)研究,相繼地Pomm、Snowl、Louis[8]、Sharp[9]等人也進(jìn)行了裂隙水力學(xué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,得到了一系列比較有效的研究結(jié)果,為裂隙水力學(xué)的研究奠定了理論基袖。等人提出用線素法來求解平面裂隙網(wǎng)絡(luò)的水力學(xué)問題,即巖體滲流離散模塑法,為裂隙巖體的滲流分析搭建了橋粱。由于巖體裂隙非常復(fù)雜,很難將裂隙的幾何參數(shù)(隙寬、延伸長度及產(chǎn)狀)以及裂隙面的充填情況調(diào)查清楚。況且裂隙系統(tǒng)是三維的空間問題,簡化為二維問題與實(shí)際情況并不相符,工程中為了進(jìn)行分析計(jì)算,常將裂隙巖體抽象成連續(xù)介質(zhì)模型。巖體中的裂隙常�？梢苑譃槊黠@的幾組,每組的產(chǎn)狀大體相同。因此巖體滲流有著明顯的各向異性,而這種各向異性介質(zhì)的滲透系數(shù)可用滲透張量Kij表示,當(dāng)K,j巳知時(shí),即可以用連續(xù)介質(zhì)滲流理論分析巖體滲流[11]。
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第2章滲流分析理論基礎(chǔ)

2.1引言
將復(fù)雜的工程問題進(jìn)行簡化是實(shí)現(xiàn)求解的前提,對于滲流分析問題,等效連續(xù)介質(zhì)模型是目前工程上最常用的筒化摸型,該摸型用于性態(tài)均句的土體介質(zhì)的可行性得到了普遍認(rèn)可,而對于巖體介質(zhì),因?yàn)榱严杜c巖塊間的導(dǎo)水性差異巨大,以及裂隙在巖體中分布的隨機(jī)性,其只能在滿足某些特定條件下才能使用[5]。本章將對等效連續(xù)介質(zhì)滲流基本理論以及該理論應(yīng)用于巖體滲流分析中所需滿足的條件進(jìn)行介紹,從而為后續(xù)章節(jié)的障道滲流分析奠定理論基礎(chǔ)。
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2.2等效連續(xù)介質(zhì)滲流基本理論
達(dá)西定律是分析穩(wěn)定滲流問題的基石,基于質(zhì)量守恒定理建立滲流連續(xù)方程,引入達(dá)西定律可得到滲流徵分方程。滲流微分方程是水的滲流運(yùn)動(dòng)需要遵循的客觀規(guī)律,當(dāng)給定定解條件時(shí),便可由滲流微分方程確定整個(gè)分析域的滲流場。

2.2.1達(dá)西定律
法國工程師亨利`達(dá)西(HenryDarcy)將圓柱形筒裝滿均質(zhì)砂,并對其做了大量的滲透試驗(yàn)(圖2.1),于1856年得到了穩(wěn)定滲流的基本定律,稱為達(dá)西定律W。試驗(yàn)結(jié)果顯示,滲透量Q正比于斷面面積A和水頭損失(Hi-H2),反比于滲徑長度L,引入決定土體滲透性能的常數(shù)k,達(dá)西定律可表示為式(2.1)和式(2.2)兩種形式。
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第3章基于解析方法的隧道襯砌外水壓力研究.......25
3.1引言.......253.2隧道襯砌外水壓力解析解.......25
3.3外水壓力折減系數(shù)的影響因素研究.......29
3.4施工措施對折減系數(shù)及涌水量的影響.......34
3.5本章小結(jié).......37
第4章ABAQUS在隧道滲流分析中的應(yīng)用.......39
4.1引言.......39
4.2.......ABAQUS模擬滲流.......39
4.3模型尺寸對ABAQUS滲流分析結(jié)果的影響.......42
4.3.1.......ABAQUS用于隧道滲流分析的可行性驗(yàn)證.......42
4.3.2.......ABAQUS模擬隧道滲流的模型尺寸選取.......45
4.4排水管對隧道襯砌外水壓力的影響.......47
4.5本章小結(jié).......54
第5章巖溶區(qū)深埋隧道襯砌外水壓力研究.......57
5.1 引言.......57
5.2深埋巖溶與地表的連通性及降雨影響.......57
5.3深埋巖溶對隧道襯砌外水壓力的影響.......61
5.4本章小結(jié).......81

第6章自適應(yīng)分布模型在巖體滲流監(jiān)測中的應(yīng)用研究

6.1引言

抽水蓄能電站具有調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等功能,對確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。輸水系統(tǒng)是抽水蓄能電站的重要組成部分之一,常處于雄厚的山體之中,巖體滲流是其安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要影響因素。因此,改善巖體滲流統(tǒng)計(jì)摸型,正確及時(shí)監(jiān)測巖體滲流狀態(tài)以確保輸水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,具有重要意義。巖體滲流正態(tài)分布滯后統(tǒng)計(jì)模型(簡稱正態(tài)分布模型)和巖體滲流瑞利分布滯后統(tǒng)計(jì)模型(筒稱瑞利分布模型)是巖體滲流中常用的兩種模型,本章通過分析發(fā)現(xiàn)它們的建立均是基于觀測分量與影響因子間的函數(shù)關(guān)系假定,而事實(shí)上這種假定的合理性及精確程度并不能保證。為此,本章提出了普遍適用且精度較高的巖體滲流自適應(yīng)分布統(tǒng)計(jì)模型,并結(jié)合實(shí)例,經(jīng)過擬合及預(yù)測,說明了該模型的優(yōu)越性。

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結(jié)論

目前我國水電及交通等基礎(chǔ)工程的建設(shè)主要集中在西南地區(qū),該地區(qū)海拔高、地形復(fù)雜,工程中常需采用深埋越嶺隧道方案,高外水壓力成為工程中最主要的安全隱患之一,而巖溶等不良地質(zhì)條件會(huì)增加事故發(fā)生的概率。本文希望對這一問題提供一些有價(jià)值的建議。總結(jié)全文,主要做了如下工作:
(1)基于達(dá)西定律和滲流連續(xù)原理,得到了滲流微分方程,并給出了求解該方程的定解條件,且介紹了使用等效連續(xù)介質(zhì)模型分析裂隙巖體滲流問題的必要條件,還介紹了等效滲透系數(shù)的計(jì)算方法,為采用連續(xù)介質(zhì)模型分析裂隙巖體中隧道襯砌外水壓力問題奠定了理論基礎(chǔ)。
(2)基于理想的軸對稱圓形隧道滲流摸型,求得了隧道穩(wěn)定滲流的解析解,包括毛洞、注漿以及注漿并襯砌狀態(tài)下圍巖、注漿圈及襯砌范圍內(nèi)的滲流量表迖式、水頭表達(dá)式、滲流力表達(dá)式等。根據(jù)襯砌前后襯砌范圍滲流力增量方向朝向隧道內(nèi)部,而注漿圈與圍巖范圍內(nèi)滲流力增量方向朝向隧道外部,指出需要采用打錨桿等施工措施以保證襯砌與圍巖的聯(lián)合作用。然后根據(jù)所求得的隧道襯砌外水壓力折減系數(shù)的表迖式,指出了隧道襯砌外水壓力折減系數(shù)的影響因素,并根據(jù)具體算例對每個(gè)因素的影響效果進(jìn)行了分析,總結(jié)得到,增大襯砌滲透性是減小襯砌外水壓力折減系數(shù)最為有效的方法,其次是降低注漿圈滲透性。緊接著,基于隧道涌水量與襯砌外水壓力折減系數(shù)的關(guān)系式,從環(huán)境保護(hù)的要求出發(fā)(即應(yīng)盡可能減小隧道的涌水量),確定了在減小襯砌外水壓力折減系數(shù)時(shí),應(yīng)該遵循先考慮減小注漿圈的滲透系數(shù),后再考慮增大襯砌滲透系數(shù)的處理原則。最后,依據(jù)這個(gè)原則,結(jié)合工程實(shí)際,提出了 “雙層注漿+排水襯砌”的施工措施。并針對具體算例,對“普通襯砌”、”普通注漿+普通襯砌”、“雙層注聚+普通襯砌”、“透水襯砌”、“普通注漿+透水襯砌"以及“雙層注漿+透水襯砌”這六種施工措施就隧道襯砌外水壓力及隧道涌水量兩個(gè)方面進(jìn)行了計(jì)算比較,得出“雙層注漿+排水襯砌”既能有效降低隧道襯砌外水壓力又能滿足環(huán)保要求,是最合理的施工措施。
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參考文獻(xiàn)(略)

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本文編號：37988