西南水电工程水工隧洞涌突水问题分析

水电是缓解当前能源危机和环境污染的关键技术。作为水电工程的重要建筑物,水工隧洞的安全施工和运营是关键。西南地区地质条件复杂,隧洞穿越不良地层易引发涌突水,威胁人民生命财产安全。文章基于大量既有资料和文献,分析了西南水电工程水工隧洞涌突水问题,得出的结论为:(1)水工隧洞主要类型有枢纽区隧洞群型和傍河长距离型;(2)基于水文地质结构,枢纽区隧洞群型主要发生有裂隙涌突水,傍河长距离型主要发生有裂隙涌突水、复杂构造破碎带涌突水和岩溶涌突水;(3)发生涌突水隧洞的围岩常表现为裂隙和构造发育、可溶岩分布广等特征;(4)为了水工隧洞的安全、经济和生态,需系统分析地下水特征,优化裂隙、岩溶系统探测,开发涌突水定量化数学、数值模型,组建专家决策团体,编写具体、完整、针对性和科学性的规程,并提出治理措施。     

前伏溶洞巷道开挖突水数值模拟研究

为研究前伏溶洞对巷道开挖围岩稳定性的影响,文章结合工程实例,采用FLAC~(3D)建立考虑渗流-应力-损伤相互影响的数值模型,分析了溶洞巷道围岩在开挖过程中应力、变形、塑性区以及渗流场的变化特征。分析结果表明:(1)当工作面靠近溶洞时,溶洞对巷道前方岩体的分区破裂损伤现象有一定的抑制作用;(2)随着工作面距溶洞距离的减小,巷道工作面岩体最大位移将逐渐增大并出现"突变"特征,同时最大位移位置也会随着涌水通道的变化而不断变化;(3)当防水岩柱小于一定厚度时,前伏溶洞巷道围岩涌水量将会突然增大,表现出明显的突水现象;(4)巷道围岩渗流与渗透系数变化是导致前伏溶洞巷道突然发生坍塌、掉块以及突水的根本原因。     

推覆构造区变质片岩隧道塌方、涌水特征及地质成因分析

隧道塌方、涌水往往发生在地质条件差的地段,有必要从地质角度研究该类灾害发生机制。文章以十房高速(十堰—房县)通省隧道塌方、涌水为例,分析了灾害发生过程,归纳总结了其典型的围岩大变形—塌方—涌水—突泥四阶段特征。在此基础上,结合隧道地质条件分析、隧洞内及地表地质调查、TRT探测等,从工程地质和水文地质角度探讨了隧道塌方、涌水灾害机理,认为主要有四个方面的原因:(1)隧道穿越压性断层破碎带,断层破碎带由含水破碎岩块及粘土构成,直接导致隧道开挖后塌方、涌水、突泥的发生;(2)推覆构造导致围岩呈层状-碎裂结构;(3)片岩中粘土矿物含量较高,遇水易泥化;(4)断层破碎带中含有承压地下水。最后,提出了加强超前地质预报及地质分析等风险规避建议,研究结果可为同类工程提供借鉴。     

深埋硬岩隧洞围岩变形量分形结构研究

针对深埋硬岩隧道围岩变形及地质灾害等问题,文章基于分形理论的计算方法,对锦屏二级水电站深埋引水隧洞施工过程中的围岩变形量进行了分形特征研究。结果表明:深部岩体隧洞开挖施工过程中,围岩的形变在时间上是具有分形特征的,而且呈现出较好的自相似结构特征;在同一埋深的条件下,分形维数最大值在隧洞拱顶部,其次在拱肩,边墙分形维数最小;埋深在500～1 800 m外,围岩灾害发生的频率同样随隧洞深度增加而明显呈现出增长的趋势;但当隧洞埋深在1 800 m范围之外时,变形量分形维数及围岩灾害发生的频率趋于稳定,受到埋深的影响很小。     

尼泊尔那苏瓦卡里水电站地应力测量及围岩破坏机理分析

尼泊尔那苏瓦卡里水电站隧洞工程大部分埋深较大,在高地应力状态下很可能会面临软岩变形和硬岩岩爆等复杂地质灾害。文章采用水压致裂法对尼泊尔那苏瓦卡里水电站进行了三维地应力测量,测点处的最大主应力为10.47 MPa,方位角为18°和15°,近水平;中间主应力为9.01 MPa,方位角和倾角分别为158°和71°,倾角较大;最小主应力为6.34 MPa,方位角和倾角分别为285°和12°。工程区现今地壳应力场表现为构造应力起主导作用的基本特征,工程区地应力状态为中等应力水平。根据测量结果对隧洞围岩破坏机理进行了研究,结果表明,隧洞围岩破坏形式为劈裂剥落,隧洞轴线与主应力方向大角度相交以及中等偏高的应力水平是导致围岩发生破坏的主要原因。     

近溶腔高压水工隧洞围岩应力位移弹性解

考虑开挖及渗流影响的水工隧洞围岩稳定是一个重要课题,而近溶腔高压水工隧洞围岩应力位移研究是该课题的难点。据此,文章基于弹性假设理论,引入反溶腔作用系数,采用复势理论求解近溶腔水工隧洞开挖问题,获得围岩应力及位移解析表达式。将水工隧洞内水外渗的各影响因素简化为轴对称情况,并将渗流场以渗透体积力方式作用于应力场,采用平面应变理论求得正常运行期的过水公式,最后通过叠加原理求得弹性解。在满足挪威准则条件下,对比内水外渗前后的计算结果,依次探讨反溶腔作用系数、岩石孔隙水压力及埋深等的影响规律。分析结果表明:初次充水对围岩稳定起决定作用;反溶腔作用系数及埋深增大有助于围岩稳定;在岩石孔隙水压力影响下,溶腔一侧环向应力场出现大小值交换现象,而径向应力场并不出现该现象;近溶腔水工隧洞围岩偏压效应随着反溶腔作用系数的增大而弱化。     

地铁隧道全断面注浆对地表隆起影响分析

深圳地铁某隧道暗挖段由于高强度注浆导致地表持续隆起,最大值超过50 cm,且后续开挖过程中地表并无沉降现象发生。考虑到该区段内主要为砂卵石地层,上部与底部分别为少量粗砂和全风化花岗岩复合地层,文章采用理论分析、数值模拟和现场实测手段,从注浆抬升角度对已发生的地表隆起现象进行原因分析。结果表明:从注浆效果来看,注浆对该段松散土体产生渗透压密效果,并在较大的注浆压力作用下产生水力劈裂;劈裂注浆浆液脉络方向多为水平;注浆区两侧旋喷桩的施作改变了注浆地层原有的应力状态,加强了地表隆起程度。     

引水隧洞破碎带超前固结灌浆效果分析

引水隧洞穿越富水区并含有断层软弱破碎岩层时,常常会发生坍塌及大变形。文章针对干河泵站地下引水隧洞的复杂地质环境,提出了三维渗流应力损伤耦合的计算方法和显含断层薄层单元的模拟方法,计算模拟了引水隧洞复杂地质条件下超前固结灌浆后的开挖支护过程,定量评价了不同工况下引水隧洞围岩整体相对稳定状态,分析对比了有无超前固结灌浆下围岩破坏区分布及洞周变形变化规律。结果表明:超前固结灌浆后的围岩破坏和洞周位移变化情况明显减小;洞周围岩总破坏体积减少了1 252.9 m3,降低了43.98%;而断层处洞周位移最大值减小了54.92%。超前固结灌浆对断层破碎岩体的整体稳定有显著地改善。     

岩溶隧道突涌水致灾构造与前兆信息判识技术探讨

隧道突水突泥等地质灾害的发生具有一定的孕灾环境,灾害发生前往往表现出一定的前兆信息。文章基于工程实践、案例调研和理论分析,系统研究了岩溶隧道突涌水灾害源赋存规律,确定了突涌水灾害发生条件(有压含水构造、运移通道和外界干扰)的内在含义,将突涌水灾害划分为:断层破碎带突水、溶腔溶潭突水、富水裂隙突水、可溶岩与非可溶岩接触带突水、地下暗河及岩溶管道突水。通过对突涌水灾害源地质前兆信息和地球物理场前兆信息的研究,建立了突涌水灾害综合前兆信息判识体系,并成功应用于尚家湾隧道,避免了人员伤亡,降低了经济损失。     

深埋软岩隧洞围岩变形控制方法

变形控制是软岩隧洞稳定性调控的主要手段,规范和现有文献均给出了变形和变形速率控制指标或方法,但绝大部分成果是依据浅埋隧洞经验总结而得,不能很好地适用深埋隧洞围岩变形压力大的情况,且仅侧重变形收敛判断,无法据此起到施工过程及时调控或者将其作为调控依据的作用。文章针对此问题,在对深埋绿泥石片岩隧洞挤压变形洞段围岩变形特征分析的基础上,建立了多变形指标围岩稳定控制方法,并以变形量和变形速率为主要指标,辅以变形和变形速率模式分析,可考虑施工过程中围岩变形的时空效应,对围岩稳定性进行及时调控,避免了深埋软岩隧洞围岩挤压变形问题的出现。研究成果可为深埋软岩隧洞施工开挖过程中围岩稳定调控提供有效技术手段。     

寒冷地区隧道衬砌壁后冻融及其影响分析

文章在考虑围岩冻结渐进性和围岩渗水开放性的基础上,研究分析了冻胀过程以及伴随的融冻过程对隧道衬砌结构、初期支护喷混凝土和围岩自身强度等的影响.分析结果表明,对于按现行规范修建的隧道,发生在衬砌壁后的积水冻胀和围岩冻胀对衬砌结构施加的压力不大,设计时可不予考虑;发生在混凝土内部的反复冻融对初期支护的喷混凝土损伤显著、设计施工应予注意;寒区隧道宜重视对常见的因渗漏水引起的冻害的设防.     

一种随机数学方法预测隧道涌突水量研究

涌突水灾害是隧道工程中常见的灾害,准确预测涌水量的大小对于保证隧道施工、降低隧道施工风险具有重要意义.通过实例研究,分别利用理论计算法和层次分析一模糊综合评判方法预测隧道涌水量.与实际发生的涌水量对比,理论计算法操作简单,但预测不够准确.随机数学方法考虑影响隧道涌突水多方面因素,并用权重来控制各因素对隧道涌突水的影响程度,预测结果和实际发生的涌突水能较好地吻合.由此证明了层次分析一模糊综合评判方法的适用性.     

完整围岩剪切型岩爆发生的力学机制

文章根据大量工程岩爆实例,总结剪切型岩爆的特征,在此基础上提出一个剪切型岩爆的简化力学模型,在考虑岩爆区岩体自身能量释放的基础上,结合Cook刚度理论对剪切型岩爆发生的物理力学过程进行研究,分析由于潜在剪切破裂面本构曲线峰后软化现象而产生的围岩结构失稳,以及失稳阶段围岩结构对外界的能量释放,对剪切型岩爆的非稳定性机制进行探讨。研究结果表明:剪切型岩爆可以看成是由于开挖应力集中作用下潜在剪切破裂面剪切错动滑移,引起自身及周围完整岩体能量突然急剧释放,导致岩爆区岩体破碎并向开挖临空面抛掷的现象。岩爆区岩体及周围完整岩体所释放的能量对剪切面的作用相当一对串联弹簧的作用效用。剪切型岩爆的发生受岩性、潜在剪切破裂角、剪切面周围岩体刚度的控制作用,是围岩受力变形过程中岩石材料力学性质渐进性劣化导致的一种能量释放驱动下的围岩状态失稳突跳现象。     

深埋隧洞围岩应力分布与破坏机理

深埋隧洞围岩高应力破坏机理是研究深埋岩体力学特性和深埋地下工程实践中被关注的一个重要认识问题,深埋条件下围岩应力和围岩强度之间的矛盾更加复杂和典型,也成为认识问题的基本出发点。文章介绍了深埋隧洞开挖时不同部位围岩应力的变化路径;通过对比锦屏辅助洞出现的围岩破坏现象,分别论述了导致边墙松弛型破坏、应力集中部位的片帮破坏和岩爆破坏的围岩应力变化特征,在一定程度上解释了这些破坏的内在机理;并通过采用数值方法再现脆性围岩V型破坏形式,分析探讨了脆性围岩高应力破坏的局部化问题;指出了深埋岩石力学研究中的几个重要环节,如岩体力学特征的尺寸效应和应力路径效应等对准确认识深埋隧洞高应力破坏内在机理的重要意义。     

深埋高地应力水工隧洞节理岩体开挖塑性区特征及分布规律研究

深埋高地应力水工隧洞处于复杂的地质力学环境中,开挖过程中围岩塑性区的分布及演化规律是隧洞稳定控制的关键。为了揭示高地应力水工隧洞开挖塑性区特征及分布规律,文章采用理论分析与数值模拟相结合的方法,推导了塑性区范围的计算公式,并引入新的无量纲参数作为非圆形隧洞围岩塑性区的评价指标,分析了节理岩体在高地应力条件下,侧压力系数以及开挖扰动对围岩塑性区的影响。研究结果表明,开挖扰动对于岩体开挖塑性区发展的轴向影响范围大约为1.0～1.5倍洞径,对于存在节理面的岩体,该影响范围可达到2倍洞径。侧压力系数直接影响围岩的塑性区形状,围岩塑性区有顺着节理面进行不规则扩展的趋势;水平应力与垂直应力差异性越大,节理面对围岩塑性区范围的影响越大,同时节理面有阻止塑性区沿垂直节理面方向扩展的作用。     

尼泊尔喜马拉雅地区塔玛科什3级水电工程——穿越软弱构造片岩修建隧洞所面临的挑战

由于尼泊尔喜马拉雅地区岩石强度较低,水平应力较高,因此在该软弱构造片岩带中开挖隧洞具有较大的挑战性.文章主要阐述装机容量为650 kW的塔玛科什3级水电工程17km长大跨度隧洞和大型地下发电厂房(这两项工程计划穿越夹杂有软弱构造片岩带的坚硬眼球状片麻岩区域)所面临的重大技术挑战.穿过片岩带开挖的隧洞长度约占总长的15％,由于此岩层带岩石强度较低,具有剪切特性和渗流现象,且水平应力较高,围岩挤压和隧洞塌方都是可预期的问题,因此该工程地下开挖主要关注的问题是大尺寸隧洞的可施工性和工期.为了解决可预期问题,进行了更进一步的研究,主要集中在隧洞最大可建尺寸、方位、减少围岩挤压的开挖方法,以及地下发电厂房稳定性和合理岩石支护设计上.研究发现,在构造片岩带中可施工的全断面隧洞最大尺寸可达9m,为改进的马蹄形(有弧形仰拱).通过对隧洞三种不同方位方案(即正交、斜交、平行)的分析发现,与叶理面正交的方案最佳,可减少围岩挤压近50％.     

杆岩耦合作用下深埋隧洞围岩稳定性主控因素及支护优化研究

由于深埋隧洞围岩显著的流变特点,其变形范围及洞壁位移通常在施作初期支护一段时间后才趋于稳定,因此研究锚杆支护后隧洞围岩变形范围及其洞壁位移量将为支护参数优化及预留开挖量提供重要的理论依据。文章通过建立预应力锚杆与隧洞围岩的相互作用力学模型,分析了杆体与围岩相对位移为零的中性点位置及其最大轴力值。基于锚杆中性点理论,推导了工程扰动、锚杆预应力和孔隙水压耦合作用下隧洞围岩变形范围以及洞壁位移的计算公式。结果表明:多因素耦合作用下隧洞围岩变形范围及洞壁位移随工程扰动和孔隙水压的增大而逐步增加,随锚杆预应力的增大而减小。最后,以秦岭某引水隧洞为工程背景,利用所提出的理论公式计算了该隧洞极不稳定区段围岩变形范围及洞壁位移量,进而对原开挖及支护方案进行了优化。     

隧道洞口滑塌与支护结构破坏特征数值模拟研究

隧道洞口段一般埋深较浅,围岩条件较差,很难稳定成拱,因而在隧道开挖后极容易受到外界扰动作用而发生坍塌变形。尤其在遇水软化的膨胀性黄土地层中建设隧道时,需要考虑降雨作用对隧道稳定性及支护结构变形的影响。本文通过数值模拟方法,结合现场观测以及室内实验,对太原某黄土隧道洞口滑塌及支护破坏特征进行了分析研究。结果表明:该隧道洞口支护结构发生破坏一方面是由于洞口浅层土体本身强度不足,且黄土遇水后强度急剧降低,围岩发生塑性变形,塑性区范围迅速扩展,围岩承载能力急剧降低;另一方面是由于膨胀性黄土遇水膨胀,产生较大膨胀力,使围岩内部应力急剧增加并且作用在支护结构上,从而导致支护结构破坏,引起隧道塌方。     

深埋引水隧洞软弱围岩支护结构受力特征研究

文章依托工程实例,针对深埋软弱围岩引水隧洞支护体系的受力特征,开展了现场试验研究,并基于强度折减理论和数值模拟分析,提出了一种计算软岩隧洞施工期间二次衬砌承载力及其强度安全系数的方法,对围岩和二次衬砌的稳定性进行了评估分析。研究表明:边墙部位锚杆发挥拉拔支护效应明显,根据锚杆中性点位置推测出的软弱围岩塑性区有不断发展和扩张的趋势;初期支护钢拱架架设后能立即发挥支护作用,给予围岩较大的支护力;采用该方法求出的二次衬砌在施工期间将参与承担12%的围岩释放荷载,墙脚应力集中部位的安全系数最小,二次衬砌承载特征的计算结论与二次衬砌接触压力的现场试验结论基本吻合。成果可为深埋软弱围岩条件下的隧洞修建提供一定参考。     

近场地震动作用下背后空洞圆形隧洞的动力损伤特性试验研究

文章考虑近场地震动作用,对背后存在空洞的圆形隧洞进行了振动台模型试验,对比分析了地基场域加速度反应、土—结构接触动土压力、隧洞结构加速度反应及其动应变规律,并基于损伤模型研究了近场地震动作用对隧洞结构的动力损伤行为。研究结果表明:1)地震波加载过程中,圆形隧洞不同位置横截面处的加速度反应存在少许差别,隧洞结构的存在会对两侧地基土峰值加速度产生影响,但频谱特性变化并不明显;2)当输入近场地震动强度较小时,结构顶部空洞横截面的平均峰值加速度较小、平均动应变反应较大,而结构顶部密实状态横截面的平均峰值加速度较大、平均动应变反应较小;3)若采用应变损伤模型衡量结构的破坏程度,在衬砌背后存在空洞的横截面顶部±30°附近圆形隧洞损伤程度最大,这与已有的圆形隧洞震害现象吻合。