深长隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水机制三维流_固耦合模型试验研究_周毅.pdf

网络出版时间：2015-05-06 10:18 网络出版地址：/kcms/detail/42.1397.O31018.009.html 第34 卷 第X 期 岩石力学与工程学报 Vol.34 No.X 2015 年 X 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering XX. ，2015 深长隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水机制 三维流–固耦合模型试验研究 周 毅，李术才，李利平，石少帅，张乾青，陈迪杨，宋曙光 ( 山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061) 摘要：为研究岩溶地区隧道开挖过程中充填型岩溶管道受施工扰动和地下水渗流作用发生失稳突水的机制，以湖 北省保康至宜昌高速公路尚家湾隧道突涌水段为工程背景，通过大型三维可视化固液耦合试验平台、水压加载控 制系统以及水压环境下有较好相似度的流- 固耦合岩石和充填物相似材料的研制，开展深长隧道充填型岩溶管道 渗透失稳突水的大比尺三维流- 固耦合模型试验，真实再现隧道开挖和水压加载过程中，岩溶管道充填物中裂隙形 成–扩展–导水通道贯通–突水的全过程，通过位移、应力和渗压变化规律的分析，揭示了充填物渗透失稳突水 过程的灾变演化机制。试验结果表明：(1) 施工过程中充填型岩溶管道突水是开挖扰动和高地下水位高渗透力作 用诱发充填物渗透失稳的结果；(2) 充填物受开挖扰动影响比围岩更明显，变形量比围岩大 20%～25% ，应力释 放率比围岩高 30% ；水压加载阶段，水头高度升高到 6.0 m 时，充填物位移突增 50%，渗压下降速率达 0.6 kPa/min， 达到失稳临界状态；(3) 岩溶管道突水受其发育形态影响比较明显，其弯曲角度较大的部位是阻碍上部水和充填 物突出的主要屏障；(4) 充填型岩溶管道渗透失稳突水的灾变演化过程经历四个阶段：形成离散的微小裂隙、裂 隙连通形成导水通道、在渗流作用下导水通道扩展延伸、导水通道贯通形成突水路径，其中前两个阶段主要受开 挖扰动影响，后两个阶段与高水位高水压的渗流作用密切相关。试验成果对突涌水机制的研究和工程中突涌水灾 害的防治具有一定的指导意义。 关键词：深长隧道；充填型岩溶管道；渗透失稳；灾变演化机制；流–固耦合模型试验 中图分类号：TU 458+ .4 文献标识码：A 文章编号：1000 –6915(2015)00 –0000 –00 3D FLUID-SOLID COUPLING MODEL TEST ON SEEPAGE FAILURE WATER-INRUSH MECHANISM OF FILLED-TYPE KARST CONDUIT IN DEEP LARGE TUNNEL ZHOU Yi ，LI Shucai ，LI Liping ，SHI Shaoshuai，ZHANG Qianqing ，CHEN Diyang，SONG Shuguang (Geotechnical and Structural Engineering Research Center，Shandong University ，Jinan ，Shandong 250061 ，China) Abstract ：In order to explore the water-inrush mechanism of filled-type karst conduit under the influence