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

1、巖溶地貌是具有溶蝕力的水對(duì)可溶巖進(jìn)行溶蝕等作用所形成的地表和地下形態(tài)的總稱(chēng)，又稱(chēng)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(dá)2200萬(wàn)平方公里，涉及十億人口，我國(guó)的巖溶地貌的面積約有130萬(wàn)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(xì)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(yán)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(guò)程中以排為主的理念。
　　 縱觀隧道發(fā)展史，其建設(shè)趨勢(shì)在向著“長(zhǎng)、大、深”方向發(fā)展。在此過(guò)程中，隧道的常規(guī)建設(shè)技術(shù)得到了長(zhǎng)足進(jìn)步，但是在面對(duì)突水、巖爆、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，人類(lèi)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(jī)具、淹沒(méi)隧道、耽誤工期，重則造成人員傷亡、甚至報(bào)廢整個(gè)工程，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(duì)不同驅(qū)動(dòng)力的隧道突水進(jìn)行了數(shù)值分析工作。
　　 本文以滬蓉西高速公路龍?zhí)端淼馈R岳山隧道和錦屏二級(jí)電站的引水輔助洞為依托工程。龍?zhí)端淼涝谑┕み^(guò)程中多次發(fā)生涌水涌泥，耗時(shí)五年零五個(gè)月，接近預(yù)計(jì)工期的兩倍，僅僅左線的最后五米，就耗時(shí)五個(gè)月，可見(jiàn)突水突泥的嚴(yán)重性。齊岳山隧道穿越清江之源，其中管道交錯(cuò)，溶洞密布，暗河穿越，地質(zhì)極為復(fù)雜，在施工過(guò)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(méi)逆坡施工的出口段，極大的耽誤了工程進(jìn)度。引水輔助洞埋深超過(guò)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(jìn)發(fā)而出，其破壞力與高壓水槍無(wú)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(jìn)，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(mén)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?xún)蓚€(gè)方面進(jìn)行。本文從巖溶區(qū)特有的地質(zhì)特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)被注介質(zhì)的特性進(jìn)行研究，認(rèn)為巖溶區(qū)的漿液擴(kuò)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(dòng)量守恒方程出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)研究。漿液擴(kuò)散研究必須考慮漿液的粘度時(shí)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(shí)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(dòng)量守恒方程，形成了關(guān)于速度場(chǎng)和壓力的封閉方程組。
　　 由質(zhì)量和動(dòng)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(wú)法對(duì)其進(jìn)行理論求解，所以必須借助于現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行離散求解。本文以流體動(dòng)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(duì)控制方程對(duì)流和擴(kuò)散等項(xiàng)在空間域和時(shí)間域上進(jìn)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(cuò)非結(jié)構(gòu)的離散網(wǎng)格上求得壓力和速度場(chǎng)，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(jí)編程語(yǔ)言，對(duì)離散格式的控制方程進(jìn)行了代碼編譯工作，開(kāi)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(jì)算分析和結(jié)果顯示四個(gè)部分。借助于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)勢(shì)，GSK可以建立任意形狀的網(wǎng)格，從而滿(mǎn)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(jì)算參數(shù)等幾個(gè)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(dòng)畫(huà)方式展示速度場(chǎng)、壓力等結(jié)果，也可以繪制注漿量、注漿壓力等隨時(shí)間的變化曲線。
　　 提出了集綜合預(yù)報(bào)、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(gè)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(guò)程中必須依靠隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，以對(duì)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(jìn)的預(yù)警體系和設(shè)備可以有效