隧道充填型致災構造災變演化及突涌水數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著國家在交通、水利水電等重大基礎設施的建設大規(guī)模進行，我國已成為世界上隧道修建數(shù)量與難度最大的國家。但是在隧道修建過程中，經常遇到充填型致災構造導致突涌水、突泥等災害，造成嚴重經濟損失。所以急需開展對隧道充填致災構造災變演化過程的研究，對災害進行有效的規(guī)避與防治。
　　本文以充填型管道致災構造災變演化及突涌水為主要研究對象，主要通過理論分析、數(shù)學推導、程序開發(fā)和算例驗證相結合的手段，探討了SPH方法在流體以及充填介質中的應用以及

2、流固耦合程序的開發(fā)。通過各種算例驗證了本構關系模型以及流固耦合方法的可行性，并應用于隧道揭露型突涌水的數(shù)值模擬以及充填介質災變演化過程的數(shù)值模擬中來，根據現(xiàn)場工程實例，驗證了本文理論體系的可行性，取得了一些有益的結論。
　　(1)對SPH方法的基本原理與數(shù)值計算中所用的核函數(shù)等相關問題進行了論述;通過對SPH方法的基本原理和數(shù)值計算的相關問題的描述，確定了SPH方法的程序計算流程，為后續(xù)的數(shù)值計算提供了理論基礎;同時，對一維激波管

3、算例以及二維方腔剪切流算例進行了對比驗算，表明了數(shù)值程序的改進的有效性及精確性。
　　(2)建立了基于SPH的流體（水）與充填介質的本構關系模型，并通過數(shù)值算例對本構關系進行了驗證;在數(shù)值程序的編制過程中對程序進行修正及改進，使得SPH程序可以用于水、充填介質的數(shù)值模擬中來，并通過數(shù)值算例驗證了其可行性。
　　(3)進行了基于SPH的流固耦合的數(shù)學推導以及算例驗證，使得SPH方法可以實現(xiàn)水與充填介質流固耦合數(shù)值模擬;同時將S

4、PH方法應用于隧道掌子面及邊墻揭露型突涌水過程的數(shù)值模擬，能夠較好的再現(xiàn)揭露型突涌水過程，模擬結果與現(xiàn)場實際能夠較好對應。
　　(4)對隧道充填致災構造的復雜模型的建立進行了說明，并對復雜模型的計算程序提出了優(yōu)化方法，利用所編制的程序對隧道掌子面前方揭露型溶洞突涌水、管道充填型致災構造在僅有固體充填介質以及固體介質上方充滿水的巖溶管道類型、掌子面以及隧道邊墻含有溶洞及巖溶管道的充填致災構造災變演化過程四種類型進行了數(shù)值模擬，通過模

5、擬可以得出:SPH計算程序能夠應用到以下幾種類型的災變演化過程的數(shù)值模擬中來;(Ⅰ)對于隧道掌子面前方揭露型溶洞突涌水的模擬結果可以得出:充填為水的溶洞發(fā)生突涌水時，地下水的重力作用起到主導作用下，在發(fā)生揭露后充水溶洞能瞬間將水涌出，水流的噴射距離與水體壓力密切相關。在地下水無補償條件下，隨著水量的減小水流的速度也逐漸降低直至充填地下水全部涌出而停止。施工中若遇到此種類型突涌水，應采取卸壓法安全排水，避免水體噴射到施工器械與人員，確保安

6、全。(Ⅱ)在僅有固體充填介質充填的管道內時，充填介質的破壞在開挖擾動后，主要受到充填介質自重的影響，在自重作用的影響下導致充填介質發(fā)生破壞，產生滑移變形，并最終出現(xiàn)大面積的垮落并在隧道內形成堆積。但是這種破壞類型與充填介質本身的物理力學性質關系較大，若充填介質膠結能力較好，則發(fā)生破壞過程緩慢;若是充填介質膠結能力差，則破壞發(fā)生突然，容易砸傷行人或砸毀、埋沒行人及器械。但是，該種破壞類型在大規(guī)模的破壞前會發(fā)生較大的位移變形，所以施工中應加

7、強監(jiān)控量測工作，及時發(fā)現(xiàn)問題避免傷亡事故發(fā)生。對于有固體介質上方充滿水的巖溶管道類型，在開挖揭露后，地下水的作用會加速固體介質的破壞進程，從而導致破壞的加速。若是增加固體顆粒的膠結能力，地下水仍能夠通過滲透作用對充填介質產生作用，使得充填介質發(fā)生破壞。(Ⅲ)對于掌子面前方的溶洞充水且?guī)r溶管道內充滿充填介質的充填致災構造，對巖溶管道形成揭露，內部的充填介質由于地下水的滲透作用使得充填介質變成水與充填介質的混合物，使得固體充填介質變成為流塑

8、狀混合漿體。在隧道掌子面開挖過后，由于內部水體的巨大壓力和流體固體重力的作用下，使得水與充填介質的流固混合漿體沿巖溶管道涌入到隧道之中。破壞過程是開挖產生的臨空面有少量的水以及固體介質流出，隨后涌出量有所加大，水與充填介質大量涌出巖溶管道，在隧道內形成水和充填介質的混合漿體直至溶洞內的水全部涌出而結束。由于地下水壓力的不同，較低的地下水壓力作用下，巖溶管道內突涌災害結束后能產生一個明顯的滑移帶;而在較高的水壓作用下，充填介質與巖溶壁面的

9、結合將被減弱，充填介質被地下水全部帶入隧道內。與實際工程環(huán)境中的結果較為類似。(Ⅳ)對于隧道邊墻內巖溶管道內充滿充填介質的充填致災構造，其破壞類型與掌子面的巖溶管道的破壞過程基本一致。破壞過程是開挖產生的臨空面有少量的水以及固體介質流出，隨后涌出量有所加大，水與充填介質大量涌出巖溶管道，在隧道內形成水和充填介質的混合漿體直至溶洞內的水全部涌出而結束后附著一層固體充填介質;在地下水壓力較小時，巖溶管道內有一個明顯的滑移面，當?shù)叵滤畨毫^大