基于渗流场—损伤场耦合理论的隧道涌水量预测研究

论文摘要

隧道涌水不仅威胁施工的安全、造成隧道结构的破坏,而且还对周边生态环境造成影响,因此,隧道涌水量预测不仅是水文地质学中一个重要的理论问题,也是隧道防排水设计和施工中一个亟待解决的现实问题。目前,隧道涌水量的预测方法很多,但是,其预测结果与实际情况往往出现较大的误差。针对这个问题,在总结前人研究成果的基础上,收集了雪峰山隧址区地质勘察和设计资料,并在施工期间进行了大量的地质调查、隧道围岩内部多点位移量测试验、涌水量测试分析,运用断裂损伤、裂隙介质有关理论,对雪峰山隧道的渗流场、应力场、涌水量预测及验证进行了较系统的研究:1)通过对雪峰山隧址区地质特征的研究,阐述了雪峰山隧址区地下水分布状况、岩体裂隙结构特征、裂隙介质的透水性以及渗透系数在空间上分布的层次性和随机性特征;2)归纳出裂隙介质四种印模破裂形态,运用最小二乘法迭代算法,推导出裂隙岩体地应力计算模型,并通过工程实例的实测数据加以验证及误差判断;结合数值分析的方法,分析了隧址区裂隙岩体地应力的空间分布特征;3)运用岩体蠕变和粘弹性断裂力学、可靠度等原理,对渗流场和损伤场在围岩位移中的变化规律和裂隙围岩可靠度进行探讨,建立了在裂隙岩体中隧道开挖的双场耦合蠕变模型和可靠度分析模型,结合Laplace变换,推导出围岩的径向位移函数表达式,论证了应力卸荷、渗流力作用,以及节理裂隙分布对径向位移和可靠度的影响;4)运用裂隙岩体的断裂损伤理论,结合渗流场与损伤场耦合关系和实测渗透系数、地应力数据,以及渗透系数的随机因素,分析渗透参数空间分布特征,建立了一种渗透参数与应力损伤耦合计算式;5)建立了隧道涌水量分析的工作程序和渗流场与损伤场耦合随机涌水量方程,即为裂隙岩体等效连续介质耦合渗流控制方程;结合渗透场与应力损伤场的随机特征,提出了在渗流与应力损伤耦合环境下,隧道涌水量预测计算的水文地质数值随机模拟法,并利用FLAC软件,建立了在渗流与应力损伤耦合环境下,隧道涌水量预测计算的水文地质数值随机模型的分析流程。6)考虑到地下水流经各层的面积、流量和渗透系数的关系,尝试建立一种层次渗透系数计算表达式,并结合工程实例进行预测及验证,论证了渗透系数空间分布对涌水量预测结果的影响;7)以雪峰山隧道ZK100+315～100+660段为例,采用传统的解析法、在耦合环境下平均渗透参数数值法与渗透参数空间差异分布数值法预测涌水量;并对预测结果与实测结果进行比较分析,探讨渗透系数、给水度（孔隙度）、水头高、降雨入渗量,影响半径等参数对涌水量的影响程度,并进行了随机变量的灵敏度分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和研究意义
• 1.2 裂隙岩体特征研究现状
• 1.3 裂隙岩体水力学研究进展
• 1.4 岩体裂隙渗流模型研究现状
• 1.5 隧道涌水量预测研究现状
• 1.5.1 长期涌水量预测模型
• 1.5.2 短期突水模型
• 1.6 渗透参数的确定方法
• 1.7 目前隧道涌水量预测中的主要问题
• 1.8 研究内容和技术路线
• 第二章 研究区渗流场特征
• 2.1 雪峰山隧道工程概况
• 2.1.1 工程概况
• 2.1.2 地形地貌与气象
• 2.1.3 地层与场地构造
• 2.2 雪峰山隧道地下水分布状况
• 2.3 雪峰山隧道围岩裂隙水渗流特征
• 2.3.1 雪峰山隧址区裂隙介质构造特征
• 2.3.2 裂隙结构的统计分析
• 2.3.3 隧道围岩裂隙特征
• 2.3.4 雪峰山隧道围岩裂隙水渗流特征
• 2.4 雪峰山隧址区渗流场特征
• 2.4.1 隧址区裂隙岩体渗流参数的确定
• 2.4.2 隧址区裂隙岩体渗流系数空间分布特征
• 2.5 本章小结
• 第三章 研究区地应力场分析
• 3.1 地应力场基本特征
• 3.1.1 地应力形成
• 3.1.2 地应力空间变化趋势
• 3.2 水压致裂法的基本原理
• 3.3 水压致裂法测量裂隙岩体地应力的改进算法
• 3.3.1 水压致裂法的常见破裂形态
• 3.3.2 裂隙岩体地应力计算
• 3.3.3 地应力的方位和误差分析
• 3.3.4 隧址区地应力测试结果回归分析原理
• 3.4 雪峰山隧址区地应力测试结果分析
• 3.4.1 ZK7钻孔测试结果分析
• 3.4.2 地应力计算结果回归分析
• 3.4.3 隧址区地应力的空间分布特征
• 3.5 本章小结
• 第四章 裂隙围岩涌水可能部位的双场耦合分析
• 4.1 裂隙岩体渗流场与损伤场耦合原理
• 4.1.1 渗流场的渗透压力状态
• 4.1.2 裂隙岩体的本构关系
• 4.1.3 裂隙岩体的损伤演化方程
• 4.2 渗透场和应力场耦合对裂隙围岩损伤蠕变分析
• 4.2.1 隧道裂隙围岩在施工中的渗流场与损伤场蠕变力学分析模型
• 4.2.2 裂隙围岩的渗流场与损伤场等效蠕变分析
• 4.2.3 裂隙围岩可靠度分析
• 4.3 实验验证
• 4.3.1 实验场所及岩体属性
• 4.3.2 隧道围岩位移测试装置
• 4.3.3 测量项目与步骤
• 4.3.4 测试结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 裂隙围岩渗流耦合分析
• 5.1 裂隙结构面几何特征描述
• 5.2 单裂隙的渗流规律
• 5.2.1 理想单裂隙渗流规律
• 5.2.2 渗流场与损伤场耦合环境下单裂隙的渗流规律
• 5.3 等效渗透系数的空间耦合随机分析
• 5.3.1 等效渗透参数与损伤场的概念分析模式
• 5.3.2 等效渗透系数耦合计算
• 5.3.3 渗透参数计算流程
• 5.4 裂隙围岩给水度μ的确定
• 5.5 隧道裂隙围岩渗流场与损伤场随机分析模型
• 5.5.1 等效介质渗流场数学模型
• 5.5.2 等效边续介质岩体应力场数学模型
• 5.5.3 隧道裂隙围岩渗流场与损伤场组合关系
• 5.6 本章小结
• 第六章 渗流场与损伤场耦合环境下隧道涌水量预测分析
• 6.1 耦合环境下隧道涌水量预测及验证工作程序
• 6.2 双场耦合环境下裂隙围岩型隧道涌水量预测解析法
• 6.2.1 渗透参数分析
• 6.2.2 耦合环境下裂隙围岩型隧道涌水量预测解析法
• 6.2.3 涌水影响半径R的确定
• 6.3 耦合环境下裂隙围岩型隧道涌水量预测数值法
• 6.3.1 耦合环境下裂隙围岩型隧道涌水量预测分析模型
• 6.3.2 摄动待定系数随机方法
• 6.3.3 隧道涌水量计算数值实例分析
• 6.3.4 耦合分析模型离散化
• 6.4 FLAC数值模拟
• 6.4.1 FLAC基本原理概述
• 6.4.2 涌水量双场耦合FLAC模拟原理
• 6.4.3 FLAC中涌水量双场耦合模拟实现关键方程
• 6.4.4 基于渗透参数精细分布的FLAC二次开发
• 6.4.5 函数控制语句
• 6.5 本章小结
• 第七章 雪峰山特长隧道在耦合环境下的涌水量预测及验证
• 7.1 雪峰山隧道计算区段地下水渗流分析
• 7.1.1 隧道涌水的计算区段地质概况
• 7.1.2 隧址区地下水的水力联系分析
• 7.1.3 隧道支护结构对涌水量预测影响分析
• 7.2 雪峰山隧道含水区段渗流耦合数学模型
• 7.2.1 隧道含水区段渗流场数学模型
• 7.2.2 隧道含水区段涌水量的双场耦合预测数值模型
• 7.2.3 涌水量预测模型中的水文地质参数的确定
• 7.3 隧道涌水量的测量
• 7.4 考虑渗透系数的空间差异分布的解析法预测
• 7.4.1 层次渗透系数的涌水量预测
• 7.4.2 实例分析
• 7.5 耦合环境下的涌水量数值预测
• 7.6 随机变量对涌水量的灵敏度分析
• 7.7 隧道总涌水量分析
• 7.8 耦合涌水量预测模型在隧道设计和施工中的的实用价值
• 7.9 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 图版I
• 图版II
• 图版III
• 在读期间发表的论文
• 在读期间参加的科研项目
• 致谢