高壓動水岩溶隧道注漿防突水機理與數值試驗平台研究

《高壓動水岩溶隧道注漿防突水機理與數值試驗平台研究》是依託西南交通大學，由孫克國擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高壓動水岩溶隧道注漿防突水機理與數值試驗平台研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：孫克國
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

突水地質災害的防控和注漿機理是目前岩溶隧道施工中的重大技術和理論難題，本項目以岩溶介質的演化規律和賦存形態為基礎，以大量工程實踐為依託，藉助於理論分析、程式開發和試驗模擬等手段，系統研究高壓動水岩溶隧道注漿防突水機理和數值試驗平台。通過研究岩溶區被注介質的演化規律、賦存形態及其概化模型，建立適用於岩溶介質的岩體概化模型；通過研究特定漿液的時變特性與動力學擴散理論，獲得相應的動力學控制方程組；結合特定漿液的時變特性和本構關係，採用時空雙域離散技術，推導控制方程組的離散格式，藉助特殊邊界處理技術，開發考慮漿、水、岩三者相互作用的注漿數值試驗平台；改進室內注漿試驗系統，研究漿、水、岩三者的相互作用關係，使之與數值試驗平台的計算結果相互驗證，獲得地下水流場、漿液運移場、岩體應力應變場之間的相關性；給出高壓注漿堵水的最小安全厚度、注漿參數和結束標準，研究成果對岩溶隧道突水地質災害的防控具有重要意義。

結題摘要

採用資料調研、理論研究、數值模擬、經驗類比、現場測試和室內試驗等方法，以岩溶介質的演化規律和賦存形態為基礎，依託工程實踐，系統研究了岩溶隧道注漿防突水機理和數值試驗平台。首先基於岩溶介質的演化規律和賦存形態，結合岩土體介質的概化模型，對岩溶區被注介質概化模型的適用性進行了研究，提出了適合於不同潛在突水體類型的被注介質概化模型。然後分別採用滲流理論和流體動力學理論對漿液的運移機理進行了研究。針對被注介質屬於多孔介質，且採用注漿花管進行注漿時，提出其漿液擴散模式屬於複合模式，而非單一的球形或柱形模式，並對其運移控制方程進行了推導，證明了球形和柱形經典擴散方程是該控制方程的兩種特殊形式，驗證了控制方程的正確性。在流體動力學擴散理論方面，基於質量守恆和動量守恆定律，對漿液在管道等優勢擴散通道中的運移進行了研究，並採用時-空雙域離散技術，完成了相關理論研究成果的數值離散和編譯工作，形成了相應的計算程式，但其計算效率尚有待提升。之後分別對多孔介質、裂隙介質和雙重介質的漿液運移進行了研究。對於多孔介質模型，對外水壓力作用下的漿液運移過程進行了數值仿真計算，驗證了前面針對花管注漿所提出的漿液運移的複合模式。對於裂隙介質，以單平板裂隙和多平板裂隙為例，對其擴散形態和模式進行了研究，結果表明注漿初期其擴散形態變化較大，但在注漿穩定後，均呈現U形，與前期的室內試驗結果相符。針對雙重介質，以管道-孔隙雙重介質為被注介質，構建較為複雜的管道網路，並對其注漿過程進行計算，結果表明在岩溶管道周邊的岩體較為緻密、完整性較好的條件下，漿液和地下水主要在管道這一優勢通道中運移，而在岩石孔隙中的運移量極小，基本可以忽略不計，從計算效率和準確度上來說，建議對於該類潛在突水體，採用單一的裂隙（管道）介質模型進行研究較為科學。最後，為了使研究成果能夠指導注漿設計與施工，對注漿防突技術和套用進行了研究。為了掌握岩溶隧道的突水特徵完成了相關的突水仿真計算，然後將注漿防突技術根據潛在突水體的地質特徵分為斷層破碎帶、岩溶管道、溶蝕裂隙三類進行了分別研究，提出了相應的注漿原則和方案，並結合現場突水的一個岩溶隧道工程，對注漿防突設計與施工進行了總結，得出地質分析、精準探測、針對性的治理原則、科學的注漿技術是完成岩溶突水注漿防突的關鍵，為相關研究成果的現場套用奠定了基礎，也可為後續類似工程提供借鑑。