高水壓隧道滲流場(chǎng)的流固耦合研究.pdf

1、為了研究高水壓隧道滲流場(chǎng)的分布規(guī)律，本文利用理論解析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等多種手段，對(duì)其進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，取得了一些有意義的研究成果，并依托鐵道部研究課題“宜萬(wàn)鐵路齊岳山隧道襯砌水壓力特征研究”和廈門路橋公司科研項(xiàng)目“應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)組合作用下襯砌結(jié)構(gòu)受力特征及斷面優(yōu)化的模型試驗(yàn)研究”進(jìn)行了工程應(yīng)用。本文主要開展了以下幾方面的研究工作： (1)提出將隧道的滲流過(guò)程區(qū)分為穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流兩個(gè)階段的研究思路。在非穩(wěn)定流階

2、段，圍巖變形和滲流場(chǎng)的重新分布同時(shí)進(jìn)行且相互影響，須考慮流、固耦合作用對(duì)滲流場(chǎng)分布的影響；而在穩(wěn)定流階段，圍巖變形和滲流場(chǎng)分布趨于穩(wěn)定，不再發(fā)生變化，此時(shí)可不考慮其間的相互影響作用，從而不予考慮流、固耦合作用對(duì)滲流場(chǎng)分布的影響。 (2)利用復(fù)變函數(shù)方法與抽水井的“圓島模型"，運(yùn)用解析解的方法系統(tǒng)的研究了均勻介質(zhì)中穩(wěn)定流的滲流場(chǎng)分布，給出了高水壓巖溶隧道周邊地層水壓分布規(guī)律計(jì)算公式。并通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，驗(yàn)證了本文解析解的正

3、確性。此外，本文還推導(dǎo)了不良地質(zhì)圍巖中(含溶洞、斷層和隔水層)滲流場(chǎng)的計(jì)算公式。 (3)研究了流、固耦合條件下等效連續(xù)介質(zhì)中滲流場(chǎng)分布的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)圍巖應(yīng)力作用下滲流場(chǎng)參數(shù)的變化進(jìn)行了研究，提出將耦合后的滲流參數(shù)代入穩(wěn)定流方程，計(jì)算耦合作用結(jié)束后的穩(wěn)定流滲流場(chǎng)的研究方法。 (4)通過(guò)數(shù)值模擬，分析了穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流的滲流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)受力規(guī)律。在穩(wěn)定流分析中，研究了隧道涌水量和注漿圈參數(shù)之間的關(guān)系，如注漿厚度、注漿圈滲透系數(shù)

4、以及不同排水量，得到了襯砌背后水壓力和排水量的關(guān)系曲線；在非穩(wěn)定流計(jì)算中，研究了流、固耦合條件下不良地質(zhì)條件圍巖中的滲流場(chǎng)分布，對(duì)“支護(hù)緊跟”和“支護(hù)滯后"兩種情況下圍巖地表變形和襯砌結(jié)構(gòu)受力等進(jìn)行了對(duì)比，最后通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比研究雙場(chǎng)疊加和雙場(chǎng)耦合的不同作用，得到耦合遠(yuǎn)比疊加作用危險(xiǎn)的結(jié)論。 (5)以模型試驗(yàn)為手段，進(jìn)行了廈門海底隧道滲流場(chǎng)和襯砌結(jié)構(gòu)受力特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究。得到了隧道斷面注漿圈內(nèi)、外側(cè)水壓力的分布規(guī)律；對(duì)結(jié)構(gòu)受力