秦岭特长隧道岩体裂隙水涌水量计算的双场耦合数值模拟研究通过铁道部技术鉴定

由西南交通大学土木学院主持研究的铁道部科技研究开发计划项目：秦岭特长隧道岩体裂隙水涌水量计算的双场耦合数值模拟研究,于2000年7月28日通过铁道部科技司组织的技术鉴定。 这一成果具有重要的理论意义和实用价值,在理论和方法上具有创新：（1）引入岩体力学理论,首次提出大型隧道工程地下水涌水量计算的特殊双场耦合理论,建立了特长隧道地下水涌水量计算的双场耦合数字模型,进行双场耦合的数值模拟,提高了隧道工程岩体裂隙水涌水量计算地精度。（2）提出了一套在渗流场与应力场耦合条件下,隧道裂隙岩体涌水量预测研究的工作程式,填补了该研究领域的空白。（3）应用环境同位素水文地球化学技术,系统研究了在隧道工程的水文地质条件下,解决隧道工程水文地质概念建模的问题,对指导秦岭隧道设计施工起到了重大的作用。 学报编缉部     

三峡工程永久船闸陡高边坡岩体渗流发育规律探讨

本文基于对三峡工程永久船闸边坡岩体渗流的现场调查，从地下水的分布，渗透结构面及渗流量变化规律等几方面进行了较为翔实的论述，并提出了用于岩体渗流分析的裂隙网络模型，为永久船闸地区岩体渗流的深入研究奠定屯坚实的基础。     

富水软岩隧道施工中渗流对岩体变形影响的研究

以湖南省吉怀高速公路南山寨隧道为工程背景,建立流固耦合模型和普通对比模型,分别对考虑渗流场和不考虑渗流场的隧道开挖进行数值模拟与对比分析,以研究富水软岩隧道施工中渗流对岩体变形的影响态势和程度。     

裂隙岩体核互迁移的稳态时间模型

将裂隙岩体渗流视为裂隙网络流，核素仪在岩体裂隙网络流中迁移；核素在迁移过程中同时存在吸附和解吸作用。基于图论和单一裂隙渗流的立方定律，建立了裂隙岩体裂隙网络渗流模型；在此基础上，考虑核素在裂隙网络流中迁移时既被表面吸附同时又发生解吸，建立了隙裂岩体核素迁移的二维稳态平衡和非平衡时间模型。     

渗流—应力—温度耦合下裂隙围岩隧道涌水量的预测

基于系统理论研究及工程实践的分析应用,提出了渗流－应力－温度耦合环境下大埋深裂隙围岩隧道渗水量预测计算的确定性数学模型方法（水文地质值模拟法）,并通过一隧道工程实例进行了计算验证。     

渗流应力温度耦合下裂隙围岩隧道涌水量的预测

基于系统理论研究及工程实践的分析应用，提出了渗流应力温度耦合环境下大埋深裂隙围岩隧道涌水量预测计算的确定性数学模型方法（ 水文地质数值模拟法） ，并通过一隧道工程实例进行了计算验证     

隧道掌子面岩体裂隙快速识别方法

隧道掌子面上含有许多地质信息,若能充分提取和分析,将有助于对隧道工程地质状态作出评价,用于指导隧道设计和施工. 以隧道掌子面数码图像为基础,对掌子面上岩体裂隙检测、提取、分组算法进行研究. 首先,基于数字图像处理技术对掌子面岩体裂隙目标分割算法进行分析,根据分割结果,通过图像细化和边界线拟和、分离、合并、过滤,连接不连续边界,过滤短边界,形成较完整的岩体边界线识别结果;然后,计算岩体边界线视倾角,将视倾角相近的边界线合并为一组,实现对裂隙边界线的自动分组;最后,将本方法应用于实际掌子面岩体图像测试其有效性. 测试结果表明:该方法基本实现了对掌子面上岩体裂隙的自动提取和分组;对具有明显裂隙的掌子面岩体,本算法能较完整的提取出岩体裂隙,错误提取率不超过10%,并实现了自动分组,自动分组错误率不超过5%,提高了掌子面岩体分析的自动化程度,可用于地质素描,并为掌子面围岩分级提供参考依据.      

非饱和岩体三场耦合控制方程

为研究非饱和岩体对温度场-渗流场-变形场三场耦合作用的响应,采用等效连续介质模型,根据质量守恒方程、线动量平衡方程和能量守恒方程以及相应的物性方程（状态方程和本构方程）推导了非饱和岩体三场耦合控制方程,包括岩体变形场控制方程、地下水渗流场控制方程和岩体温度场控制方程.在推导三场耦合控制方程中,舍弃了局部热平衡假设,而采用热弹塑性本构关系,并考虑了温度梯度对地下水渗流的影响.     

三峡工程永久船闸边坡岩体渗透结构面分组方案及应用研究

裂隙岩体渗流及排水是三峡工程永久船闸边坡稳定与变形研究的重要内容。而渗流模型的建立则是岩体渗流与排水研究的基础。由渗透结构面可以比较客观地建立典型裂隙面渗流模型。基于实地调研，永久船闸边坡岩体的渗透结构面可分为１１组，以ＮＥ￣ＮＥＥ向的陡倾角渗透结构面为主，据此在岩体等效渗透系数的求取及排水孔优化布设方向的确定方面得到了很好地应用。     

边坡岩体中地下水优化排水机理研究

基于对岩体边坡中地下水的存在性态及作用机理分析 ,提出了实用排水模型 ;建立了排水微分控制方程 ,通过敏感性分析求解此方程而得到岩体中地下水的优化排水方向 .此成果在岩体边坡地下水渗流、库岸边坡岩体中地下水的有效排泄、岩体滑坡有效排水等方面具有重要的实用价值 ,丰富了岩体水力学及山地灾害学的科学内涵     

基于流固耦合超大规模地下车站环境影响分析

以京张城际铁路八达岭超大规模地下车站修建为例,依据工程区水文地质特征、水压致裂原地应力测量结果,利用有限差分软件FLAC3D建立三维渗流应力耦合模型,采用全封堵、全排水、非耦合、注浆限排4种方案进行数值模拟.结合理论分析,着重研究在饱水状况下八达岭车站修建前后的渗流场变化、涌水量、围岩变形和地表沉降等环境影响负效应因子,对因地下车站修建环境影响效应的显著性、空间分布特征和长期效应进行评价.模拟计算结果对于裂隙发育、富水地层地下工程尤其自然风景区大型地下洞室防排水设计和施工具有指导意义.     

运营公路隧道地下水作用机理及处治技术研究

针对地下水对隧道的影响,分析了降雨、河流水位变化、周围水库修建等引起地下水位变动对隧道围岩和衬砌的影响机理和影响特征,阐述了渗水处理材料的特征和适用范围,并根据渗水类型和位置分析胶泥堵水、注浆止水以及引流防渗三种处理方法的施工工艺.以某隧道工程裂缝渗漏为例,对侧墙裂缝渗水现象采用开凿沟槽,胶泥止水方式进行处理,有效控制了地下水对隧道的围岩、衬砌的破坏和对行车安全的影响.     

Forchheimer方程参数量化及达西—非达西转变临界点

为探究岩体裂隙中水流的运动规律，基于真实岩体材料建立裂隙渗流模型，对裂隙中的渗流状态及渗流参数进行了研究. 区别于水泥、玻璃、亚克力、钢材等常见非石材类材质，选用天然大理石岩块为基材构建单裂隙渗流模型，开展不同隙宽（0.77、1.18、1.97、2.73 mm）的渗流试验，考察压力损失与流量的关系，探讨达西—非达西流转变的临界点及Forchheimer方程的参数量化问题. 研究结果表明:隙宽为0.77 mm时压力梯度与流量基本呈线性达西关系，随着隙宽和流量的增大，二者呈现出明显的非达西特征，可用Forchheimer方程描述；Forchheimer方程的粘滞项和惯性系数均可表达为隙宽的幂函数，引入雷诺数对惯性项系数进行修正可以减少误差；提出以压力梯度-流量曲线的斜率变化特征来判断达西—非达西流临界点的方法，并在本试验中得到了验证.      

裂隙岩体隧道排水影响范围数值试验研究

隧道排水影响范围一直是难以突破的水文地质问题,直接关系到隧道施工及运营对地下水环境的影响程度.以石太客运专线石板山隧道为例,采用非均质、各向异性等效连续介质渗流模型进行瞬态分析,研究了隧道排水影响半径与施工过程、水文地质因素、工程因素及降雨入渗补给因素的关系.研究结果表明,地层渗透系数、降雨入渗补给量及洞顶含水层厚度影...     

基于连续介质模型的海底隧道支护结构受力特征

在含水地层中开挖隧道,地下水的存在一方面会影响隧道周边地层的力学参数,另一方面也会在围岩中产生渗流体积力,进而影响地层的应力和位移．对于埋深较浅而水压力较高的海底隧道而言,支护结构除承受围岩压力外,还要承受很高的水压力．支护结构的受力特征受隧道围岩和支护结构间接触面剪应力、隧道项板厚度、水深、围岩侧压力系数以及支护结构的厚度和刚度等因素的影响,而经典隧道支护结构内力弹塑性解假设的边界条件与实际情况相差很大．文中阐述了弹性力学应力函数法推导支护结构内力的解析解,并采用数值分析方法研究了海底隧道支护结构的受力特征．通过FLAC3D程序验算了厦门翔安海底隧道V级围岩海域段支护结构的内力,比较分析了断面形状对支护结构受力的影响．     

裸洞隧道病害形成耦合机理分析

裸洞隧道病害的产生主要是地下应力场在损伤、渗流、温度等因素的耦合作用下形成的,是非常复杂的非线性耦合过程。从裸洞隧道开挖后的弹塑性应力场出发,使用Bui损伤模型与地下水渗流场组成的激励-反应耦合系统加以研究病害形成的耦合机理。结果表明,裸洞隧道病害明显产生是损伤和渗流耦合强度因子在0.5左右产生的,随着隧道围岩裂隙的扩展和损伤程度的加剧,围岩塑性区半径随水压力的增加而迅速增大,加速隧道病害的产生,这为探明裸洞隧道病害形成机理研究、治理与防护起到一定的理论指导意义。     

裸洞隧道病害形成耦合机理分析

裸洞隧道病害的产生主要是地下应力场在损伤、渗流、温度等因素的耦合作用下形成的,是非常复杂的非线性耦合过程。从裸洞隧道开挖后的弹塑性应力场出发,使用Bui损伤模型与地下水渗流场组成的激励-反应耦合系统加以研究病害形成的耦合机理。结果表明,裸洞隧道病害明显产生是损伤和渗流耦合强度因子在0.5左右产生的,随着隧道围岩裂隙的扩展和损伤程度的加剧,围岩塑性区半径随水压力的增加而迅速增大,加速隧道病害的产生,这为探明裸洞隧道病害形成机理研究、治理与防护起到一定的理论指导意义。     

基于实测数据的穿越软塑黄土层大断面隧道围岩与支护动态作用机制

选取软塑黄土层分布于隧道拱顶、洞身和隧底3组典型断面开展实测研究，分析了软塑层影响下的围岩变形特征、支护结构力学特征及其差异性，提出了基于实测数据确定支护特性曲线的方法，揭示了软塑黄土层影响下的围岩与支护动态作用机制，给出了相应的防控理念及措施。分析结果表明：隧道围岩变形由大到小依次为软塑黄土层分布于拱顶段、洞身段和隧底段；软塑黄土层分布于拱顶段支护结构拱肩和边墙脚、洞身段拱腰及其以下位置、隧底段拱部和仰拱承受较大围岩压力作用；支护结构承受主要荷载来压方向不同、围岩应力随开挖步序释放率不同及地下水渗流路径不同是3组断面支护结构应力存在差异的直接原因；软塑黄土层分布于拱顶和洞身段时，围岩超前应力释放率约为35%,上台阶开挖支护结构力学性能迅速恶化，软塑黄土层分布于隧底段时，下台阶开挖软塑黄土层对支护结构将产生显著影响；针对上述3类工况，提出的强支护、控侧压和防突沉的防控理念及超前帷幕注浆、大锁脚和基底袖阀管注浆等施工控制措施可有效避免施工灾害的发生。