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原文传递高地温富水隧道充填型致灾构造渗透失稳突涌水机理及应用

论文题名：	高地温富水隧道充填型致灾构造渗透失稳突涌水机理及应用
关键词：	高地温富水隧道;充填型致灾构造;突涌水灾害;演化机理
摘要：	随着社会经济的快速发展和综合国力的显著提升，中国已迈上建设交通强国的新征程，特别是西部地区铁路建设规模逐年加大，高海拔、大埋深地区的高地温隧道将越来越多。在高地应力、高地温、高渗压及动载荷多场耦合作用下，隧道突水突泥灾变演化机制不同于以往突涌水案例，灾害风险和危害性显著提升，已然成为制约高地温隧道安全建设的关键难题。同时，高地温隧道突涌水灾害难以遏制的根本原因在于灾害机制的特殊性和复杂性，存在灾变演化机理认识不足、系统性灾害调控方法缺失的问题，难以实现突涌水灾害的施工决策和主动防控。　　针对以上问题，本文依托西南某重大铁路工程，采用理论分析、室内试验、数值模拟、工程应用等手段，深入研究了温度-渗流-应力耦合作用下充填型致灾构造突涌水灾变演化机理，开展了THM多场耦合作用突涌水演化过程的模拟研究，建立了高地温隧道突水灾害施工决策与动态调控模型，主要研究成果如下: 　　(1)通过以往隧道突涌水和高地温隧道工程案例的对比分析，揭示了高地温隧道特有的地质赋存规律，提出了相应灾害源的致灾条件。从充填介质基本性质出发，考虑高地温赋存环境对充填介质、渗流水以及致灾构造的影响效果，建立了适用于高地温隧道充填介质渗透失稳和滑移失稳破坏力学模型，推导了相对应的临界水流速度和临界水力梯度的表达式。　　(2)研制了充填介质温度-渗流-应力耦合三轴渗透失稳突水试验系统，实现了充填介质渗流过程的温度、渗流、应力多物理场的加载。依托拉月高地温隧道突涌水灾害工程案例，配置了相似性质的充填物，开展了温度-渗流-应力多场耦合作用下充填介质渗流试验，研究了高地温温度、充填介质颗粒级配、围压、渗压加载速率以及筛网直径对充填型致灾构造渗透失稳过程的影响规律。通过分析充填介质渗流过程的涌水量、涌泥砂量演化规律，将其划分为极少量细颗粒流失、细颗粒加速流失和颗粒流失稳定三个阶段。根据孔隙率演化规律，渗透失稳过程可分为微孔隙通道萌生阶段、主渗流通道发展阶段和总渗流网络形成阶段三个阶段。根据渗透系数演化规律，渗透失稳过程可分为强阻碍渗流阶段和强透水失稳阶段两个阶段。通过分析流体黏度、土体渗透系数和能量传递过程，揭示出温度对充填失稳过程具有“推动”作用，渗透破坏临界点有所提前。　　(3)建立了充填介质三轴试验三维DEM模型，揭示了常规三轴压缩试验过程中颗粒位移场、颗粒间接触强度的变化规律。采用变量控制法分析了接触刚度比、颗粒摩擦系数、法向粘结强度和粘结强度比等细观参数对充填介质抗压强度、粘聚力和内摩擦角宏观参数的影响规律，并建立了各细观参数与充填介质宏观参数的定量关系。综合考虑流体-颗粒、流体-流体以及颗粒-颗粒的相互作用，提出了适用于充填介质渗透失稳过程的热流固耦合基本原理，建立了模拟充填介质渗透破坏的DEM-CFD耦合计算模型，开展了THM耦合作用充填介质渗透失稳过程的模拟研究，并验证了室内试验的阶段性演化过程。　　(4)基于指标尺度的AHP和EWM确定各指标的主客观权重，根据最小值原则，采用拉格朗日乘数法确定组合权重，结合改进的灰色关联度分析方法，提出了一种基于AHP-EWM-GRA的高地温隧道突涌水决策等级评判方法。将水文及工程地质作为主要影响因素，超前地质预报信息作为辅助验证信息，构造了多级影响因素下施工决策指标体系。综合地质勘察信息、决策等级以及超前预报信息，确定合适的施工决策方案，融入现场隧道开挖过程实时的动态信息，提出了“决策等级划分→地质预报选择→施工决策结果→动态调控措施”的一种多阶段施工动态决策模型，并成功应用于拉月隧道突涌水灾害的决策和防控。
作者：	祝向向
专业：	建筑与土木工程
导师：	石少帅
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022