注漿控制巖溶隧道突水地質(zhì)災(zāi)害的機理和模擬方法研究.pdf

1、巖溶地貌是具有溶蝕力的水對可溶巖進行溶蝕等作用所形成的地表和地下形態(tài)的總稱，又稱為喀斯特地貌。分布在世界各地可溶巖地區(qū)的巖溶地貌，面積達2200萬平方公里，涉及十億人口，我國的巖溶地貌的面積約有130萬平方公里，其中尤以西南地區(qū)最為集中。
　　 巖溶地區(qū)的生態(tài)環(huán)境異常脆弱，需要細心的管理和保持，但為了各地區(qū)的平衡協(xié)調(diào)發(fā)展，大型基礎(chǔ)工程在巖溶區(qū)不斷上馬。隧道等地下工程往往成為地下水排泄的新通道，從而嚴重影響巖溶區(qū)原有的水文地質(zhì)環(huán)境

2、，甚至造成隧址區(qū)的環(huán)境災(zāi)難，所以需要改變以往隧道建設(shè)過程中以排為主的理念。
　　 縱觀隧道發(fā)展史，其建設(shè)趨勢在向著“長、大、深”方向發(fā)展。在此過程中，隧道的常規(guī)建設(shè)技術(shù)得到了長足進步，但是在面對突水、巖爆、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害時，人類也遭受了前所未有的慘痛教訓(xùn)。在各種地質(zhì)災(zāi)害中，論及破壞力之大和發(fā)生頻率之高，非突水莫屬。其破壞力輕則沖毀機具、淹沒隧道、耽誤工期，重則造成人員傷亡、甚至報廢整個工程，給國民經(jīng)濟造成極大損失。為了盡可能的降

3、低突水的破壞性和指導(dǎo)突水防治工作，本文采用FLOW-3D軟件對不同驅(qū)動力的隧道突水進行了數(shù)值分析工作。
　　 本文以滬蓉西高速公路龍?zhí)端淼?、齊岳山隧道和錦屏二級電站的引水輔助洞為依托工程。龍?zhí)端淼涝谑┕み^程中多次發(fā)生涌水涌泥，耗時五年零五個月，接近預(yù)計工期的兩倍，僅僅左線的最后五米，就耗時五個月，可見突水突泥的嚴重性。齊岳山隧道穿越清江之源，其中管道交錯，溶洞密布，暗河穿越，地質(zhì)極為復(fù)雜，在施工過程中也多次發(fā)生涌水事件，往往隧外

4、下大雨，隧內(nèi)涌大水，多次淹沒逆坡施工的出口段，極大的耽誤了工程進度。引水輔助洞埋深超過兩千米，其巖溶形態(tài)多以貫通性較好的溶隙裂隙存在，在極大水頭壓力的作用下，以極快的速度瞬間進發(fā)而出，其破壞力與高壓水槍無異。
　　 隨著現(xiàn)代注漿技術(shù)的不斷發(fā)展，以及新型漿材的不斷涌現(xiàn)和注漿設(shè)備的不斷改進，注漿技術(shù)已經(jīng)成為處理巖溶隧道突水地質(zhì)災(zāi)害的主要手段。但是作為一門科學(xué)，它的理論性和系統(tǒng)性還有待完善。注漿理論的研究需要從被注介質(zhì)特性和漿液流變特

5、性兩個方面進行。本文從巖溶區(qū)特有的地質(zhì)特點出發(fā)，對被注介質(zhì)的特性進行研究，認為巖溶區(qū)的漿液擴散不再由巖體滲流理論所控制，而必須從流體的質(zhì)量和動量守恒方程出發(fā)，對其進行系統(tǒng)研究。漿液擴散研究必須考慮漿液的粘度時變性，在綜合考慮理論合理性和求解可行性的基礎(chǔ)上，本文采用粘度時變性的牛頓流體作為漿液模型。在兩者的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了質(zhì)量和動量守恒方程，形成了關(guān)于速度場和壓力的封閉方程組。
　　 由質(zhì)量和動量守恒所推導(dǎo)而得的控制方程是復(fù)雜的二

6、階偏微分方程，以現(xiàn)在的數(shù)學(xué)和流體力學(xué)理論無法對其進行理論求解，所以必須借助于現(xiàn)代的計算機技術(shù)進行離散求解。本文以流體動力學(xué)中應(yīng)用最為廣泛的有限體積法為基礎(chǔ)，分別采用HQUICK、中心差分、Crank-Nicolson、Adams-Bashforth等離散格式對控制方程對流和擴散等項在空間域和時間域上進行離散，得到控制方程的離散格式，最后采用壓力泊松方程法在非交錯非結(jié)構(gòu)的離散網(wǎng)格上求得壓力和速度場，從而在理論上完成了整套的數(shù)值求解工作。<

7、br>　　 借助于Matlab()高級編程語言，對離散格式的控制方程進行了代碼編譯工作，開發(fā)出了GSK(Grouting Simulation in Karstzone)軟件包。GSK主要包括網(wǎng)格構(gòu)建、參數(shù)設(shè)置、計算分析和結(jié)果顯示四個部分。借助于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)勢，GSK可以建立任意形狀的網(wǎng)格，從而滿足了巖溶區(qū)被注介質(zhì)的形狀復(fù)雜性要求。參數(shù)設(shè)置主要包括初邊值條件、漿液屬性、計算參數(shù)等幾個方面。結(jié)果顯示部分可以用云圖、矢量圖、等值線圖以及

8、動畫方式展示速度場、壓力等結(jié)果，也可以繪制注漿量、注漿壓力等隨時間的變化曲線。
　　 提出了集綜合預(yù)報、預(yù)警和處治為一身的三位一體巖溶水防治體系。巖溶區(qū)突水的防治工作是一個系統(tǒng)工程，單純的依靠注漿堵水技術(shù)往往事倍功半，甚至可能半途而廢，所以在防治過程中必須依靠隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，以對被注介質(zhì)的缺陷做到了然于胸，使注漿工作有的放矢。巖溶隧道突水具有極大的危害性，一旦發(fā)生，后果往往不堪設(shè)想，但借助于先進的預(yù)警體系和設(shè)備可以有效