FLAC3D在青岛地铁渗流场中的应用

首先,基于考虑衬砌和注浆圈的解析解,利用MATLAB软件编制了计算与自动绘图程序,研究水头、隧道半径、围岩渗透特性与衬砌渗透系数和隧道涌水量、外水压力的相互关系;其次,基于FLAC3D软件平台,通过数值解与理论解的对比,验证了数值模拟方法在隧道渗流场中应用的正确性。在此基础上,结合青岛地铁典型区间隧道,分析了隧道开挖阶段以及运营期的渗流场,并研究了在不同注浆圈厚度以及注浆圈渗透系数下隧道注浆圈的涌水量和外水压力。结果表明,在隧道周围施作注浆圈的方法来减少隧道的涌水量是可行的。注浆圈厚度越大,其渗透系数越小,隧道涌水量就越小,而外水压力变化规律与涌水量恰恰相反。研究成果为地铁隧道衬砌的设计和注浆圈范围的初步确定提供了参考依据。     

基于流固耦合的围岩后注浆对大型水封石油洞库水封性影响分析

基于多孔弹性连续介质流固耦合理论,通过合理选取围岩主要物理力学参数,建立了大型石油储备地下水封洞库全断面开挖后洞室涌水量计算模型,利用大型商业软件Comsol对黄岛国家石油储备地下水封洞库地下水渗流场和位移场进行数值模拟分析。通过不同注浆方案及不同注浆厚度情况下地下水渗流量的比较分析发现,并不是注浆圈的厚度越大对洞室渗水量的控制效果越好,而是存在相对经济合理的阈值。研究表明,最佳的注浆方式是形成全断面闭合注浆圈,最佳注浆厚度为5 m。     

水底隧道涌水量预测方法的应用分析

讨论了水底隧道涌水的预测计算问题,利用经验法和有限元法对某拟建海底隧道工程方案的涌水量进行了预测计算和对比分析,探讨了竖向和水平走向裂隙发育情况对隧道涌水的影响。结果表明:①与有限元相比,用经验公式计算得到的水底隧道涌水量偏小;②当水底岩层张性裂隙(尤其是竖向裂隙)较发育时,隧道涌水量增长较大;③当隧道临近或穿越断层破碎带时,隧道周边的渗流场具有显著的三维特征;④如果水底隧道上覆地层中没有显著的隔水层,则由于水源无限充足,隧道的涌水量将主要受到水位相对高度和隧道围岩渗透系数的影响,与隧道上覆地层的厚度关系不大。     

金口河断层注浆扩散数值模拟研究

以沙坪一级电站左岸金口河断层为研究对象,根据实测资料,建立断层各渗流带注浆扩散数值模型,利用FLAC^(3D)内置Fish语言实现水泥浆液的粘度时变特性模拟,研究注浆参数对注浆效果的影响规律。结果表明,注浆压力对扩散半径的影响呈“阶梯型”,注浆压力越大,扩散半径越大;水灰比对注浆有效扩散半径的影响是有限的;渗透系数与有效扩散半径呈正相关;孔隙率与扩散半径均呈负相关。     

桩基后压浆对深基坑降水渗流场的影响

钻孔灌注桩后压浆后,与坑外含水层相比,基坑范围内含水层的渗透系数减小,这对基坑降水渗流场具有比较明显的影响。某广场式建筑由五幢塔楼和地下车库组成,采用桩侧后压浆钻孔灌注桩,基坑开挖深度21m,承压含水层组厚10m,透水性较强,采用敞开式完整井降水,井位主要沿基坑周边布置。在对水文地质条件进行概化后,建立了地下水三维非稳定流数值模型,进行了非均质渗流场模拟,并与均质渗流场作比较。结果表明,坑内后压浆区域的渗透系数减小后,坑内水力坡度变陡,单井涌水量减小,井数应相应增加;若模型计算域全部按注浆后的渗透系数考虑,则会严重降低补给强度、低估基坑总涌水量;在相同的降深要求下,坑内后压浆后渗透系数减小、但坑外渗透系数不变,基坑总补给量基本没有变化。现场监测与模拟结果较为一致。研究成果对类似工程地下水控制有一定的借鉴意义。     

红层泥质砂岩隧道进口段注浆加固及效果评价

以江西某红层软岩隧道为背景对注浆加固进行分析。该隧道进口段的围岩揭示为破碎程度高、完整性差、地下水发育。在考虑工程实际的基础上,确定以小导管预注浆和全断面径向注浆为主的注浆加固方案。依据理论和经验公式确定相关的注浆参数。通过现场监测对注浆效果进行了详细评价。监测结果表明:注浆在衬砌外部形成了较为稳定的注浆圈,降低了围岩的遇水软化程度,提高了围岩强度,减小了围岩的渗透系数,拱顶沉降及围岩收敛最终趋于稳定。隧道右边墙围岩破碎程度高,同时拱顶围岩注浆效果欠佳,建议施工中加强对右边墙和拱顶的支护。     

海底隧道涌水量数值计算的渗透系数确定方法

海底隧道的建设往往伴随着高风险,而水害则是海底隧道建设期间风险最主要的来源之一,隧道涌水对施工安全与建成后的运营成本控制有着重要影响,因此,对海底隧道进行涌水量预测便显得尤为重要。数值计算方法是当前涌水量预测中应用最广的方法之一,而计算涌水量过程中最关键的问题之一是渗透系数的确定。以青岛胶州湾海底隧道工程为背景,通过数值计算、模型试验与现场监测数据分析等手段相结合的方法,对海底隧道建设期涌水量的预测进行了研究。首先进行海底隧道开挖后涌水量现场监测,得到开挖后涌水量变化曲线;再采用数值计算方法对围岩渗透系数的取值进行反分析,对渗透系数进行不断修正,并在数值计算中成功拟合实测涌水量曲线,所得到的渗透系数即为数值计算中应采用的合理渗透系数。在结合试验段地质情况的基础上将合理渗透系数与前期地勘压水试验得到的渗透系数进行比对,得到两者之间的关系。并通过模型试验的手段对以上结论进行验证。将其应用到海底隧道的涌水量预测中,通过正演数值计算预测围岩相似洞段的涌水量,其结果对海底隧道涌水量预测有一定的参考意义。     

煤层底板破坏的断层效应模拟及其在防治水中的应用

梁北煤矿已发生5 次寒武系灰岩底板突水事故,造成重大经济损失。根据矿井的水文地质条件,建立了煤层开采的FLAC 数值模型,利用岩石力学及渗流力学理论,分别模拟了无断层和有断层条件下煤层底板采动破坏带的演化规律,重点讨论了断裂深度及断层空间位置对底板破坏深度的影响。结果表明,断层的存在可使底板采动破坏深度增加20%~33%,断层是突水重点防范区域,遇断层前10 m 直到过断层15 m 须加强防治水工作。根据模拟结果设计了梁北矿11041, 11151,11111 三个工作面底板的注浆加固工程,重点注浆层位分别为底板破坏范围和寒武系顶部裂隙发育带,注浆工程增强了底板的阻水能力,实现了工作面的安全回采。     

火山岩体围岩隧道断层带涌水量计算方法综合研究:以青云山隧道为例

以某火山岩体围岩隧道为研究对象,分析了隧道区蓄水构造类型与隧道涌水特征,运用多种解析方法和数值模拟方法对隧道区典型断层带涌水量进行了计算,并与实测数据进行了对比,总结出各种方法的适用性。研究结果表明:火山岩体围岩隧道涌水表现为断层带控水的分段涌水特征;传统的地下水动力学法较降雨入渗法和氚同位素法更适合于用于此类隧道的隧道涌水量计算,而数值模拟法在计算隧道涌水量上有一定的优越性。此外,隧道断层带水文地质调查的程度与参数刻画的准确度对计算结果精度影响很大。     

山岭隧道高水压下衬砌结构平面数值分析

采用平面有限元数值模型分析高水压作用下衬砌结构受力特征和围岩稳定性,研究了水压力大小、注浆加固圈厚度、水压力折减系数对衬砌结构受力和围岩塑性区的影响。研究结果表明：衬砌内力与塑性区随着外水压力折减系数的增大明显增大,随着总水压力的增加而增大,随着加固圈厚度的增大而减小;外水压力折减系数是影响衬砌内力和围岩塑性区的重要因素。     

水下隧道裂隙围岩渗流控制因素敏感性层次分析

在分析裂隙介质水力特性的基础上,采用层次分析法,结合工程实践经验,分析影响水下隧道裂隙围岩渗流控制的主要因素,并确定它们各自的权重。结果表明,每延米洞长洞室围岩断层等破碎带的平均宽度权重最大,是影响裂隙围岩渗流控制的最主要因素;其次为上覆含水体富水性和每延米洞长洞室围岩张开裂隙的平均数量。当洞室位置和洞室尺寸等参数设定后,每延米洞长洞室围岩断层等破碎带的平均宽度、上覆含水体富水性和每延米洞长洞室围岩张开裂隙的平均数量是影响水下隧道裂隙围岩渗流控制的最主要因素。研究结果可以为海底隧道及地下水封储油岩洞库等水下隧道的渗流控制及灾害防治提供科学的依据。     

水-力耦合作用下三趾马红土围岩变形特征研究

以地下水位线以下的石楼隧道典型三趾马红土围岩段为例,通过现场监测对三趾马红土围岩的体积含水量、孔隙水压力、围岩应力（土压力）、拱顶沉降与水平收敛进行了分析。在此基础上,通过原位大剪试验获得了可靠的围岩抗剪强度参数,并建立了隧道三维有限元数值模型,分别对考虑水-力耦合效应、不考虑水-力耦合效应的三趾马红土围岩变形规律进行了探讨,分析了孔隙水压力随着隧道开挖的变化和三趾马红土围岩位移场、应力场受水-力耦合效应的影响程度,并提出了围岩破坏变形机制。结果表明:（1）实测拱顶下沉大于围岩水平变形,围岩应力可分为增长期（ < 20d）、调整期（20~60d）、稳定期（>60d）3个阶段,且整体应力水平较高,下台阶含水量大于上台阶,孔隙水压力经历了由负变正的过程。（2）现场剪切试验所测围岩的黏聚力为64.0kPa,内摩擦角为27.7°。（3）数值分析表明,隧道开挖后孔隙水压力场变化十分明显,这是由地下水流速场的改变引起的,水力坡降在衬砌面附近最为明显,渗透动水压力导致土体产生一定的渗透变形;考虑水-力耦合后围岩剪应力、最大剪应变、拱顶沉降、水平收敛、底板隆起均较大。（4）受开挖及支护的影响,地下水产生渗流并依次经过拱顶、边墙,最终汇集于隧底;受开挖、地下水渗流的影响,围岩节理裂隙进一步扩张,成为地下水良好的运移通道;围岩的有效应力随着孔隙水压力的减小而增大,围岩的力学强度在土体趋于饱和状态时骤降,反过来,高有效应力、低围岩强度以及贯通性节理裂隙三者共同改变着地下水渗流场的状态。（5）为保障围岩整体稳定性,建议及时排出隧道底部积水并施做仰拱。     

隧道围岩全长黏结式锚杆界面力学模型研究

分析围岩弹塑性介质中全长黏结式锚杆的锚固界面层应力分布和变化特征,对研究隧道工程初期支护系统的力学效应具有重要意义。根据全长锚杆微段的受力平衡以及锚固界面层剪应力的传递机制建立了关于锚杆轴向位移的微分方程,通过求解锚杆轴向位移的微分方程可得到锚杆与围岩相互作用下的轴向载荷和锚固界面剪应力的分布函数。然后将锚杆界面剪应力对围岩的支护反力转化为圆形隧道轴对称径向体积力,进而求解有锚喷支护作用下圆形隧道围岩塑性区半径。在此解析模型基础上,可对隧道围岩-支护系统进行详细的分析和评判。算例分析表明,初期支护时机的选择对锚固效应和围岩稳定性有较大影响;适当增加全长黏结式锚杆的锚固层厚度能明显降低锚杆端部剪应力的应力集中度,能有效改善锚杆的锚固效果。     

流-固耦合模型试验用的新型相似材料研制及应用

为研究隧道突水、突泥过程中断层及围岩各物理场变化规律,根据地质力学模型试验相似原理,通过大量多组别配比试验,研制出适用于流-固耦合模型试验的新型断层及围岩相似材料。其中,断层相似材料以砂为粗骨料,滑石粉为细骨料,石膏、膨润土作为胶结剂,液态石蜡作为调节剂;围岩相似材料以砂为粗骨料,重晶石粉、滑石粉为细骨料,白水泥及乳胶作为胶结剂。通过大量室内试验,对比分析原岩及相似材料变形特征及强度破坏特性,重点对单轴抗压强度、渗透系数、重度、泊松比、弹性模量等重要变形及水理特性参量进行调控,系统研究不同配比对材料参数的影响规律。试验结果表明：该材料力学参数变化范围广、性能稳定、操作工艺简单,可用来模拟不同渗透系数的低、中等强度岩体材料。将该相似材料应用于吉莲高速公路永莲隧道断层突水、突泥三维地质力学模型试验中,力学性能及水理特性均达到试验要求,能够有效地模拟突水、突泥的发展演变过程,真实反映断层灾变过程中各物理场响应规律。     

高水位隧道堵水限排围岩与支护相互作用分析

为了保护环境并尽可能降低衬砌结构所受的水压力,提出高水位山岭隧道应采取“以堵为主,限量排放”,即“堵水限排”的防排水设计原则。但对于堵水限排情况下衬砌结构的设计,目前尚没有规范可依,这是目前隧道设计施工亟待解决的问题。在隧道力学和渗流力学的基础上进行理论分析,研究渗流应力耦合作用下围岩的力学特性,利用特征曲线法分析了不同排放量下围岩与支护的相互作用,并与数值方法计算结果进行对比。计算结果表明：不同排水量下围岩特性曲线不同,支护阻力也不同,不同排水条件下围岩有效切向应力和有效径向应力的变化很明显,排水对围岩应力以及支护体系受力的影响是不容忽视的。另外,传统隧道设计方法在全排水时完全不考虑水的作用是不安全的。所得结论可为堵水限排衬砌结构设计提供理论依据。     

隧道围岩内地下水渗流边界效应影响研究

根据水位条件、施工工艺和防排水设计原则将隧道渗流计算围岩透水边界条件大致划分为4种类型,并分析了不同透水边界条件适应的施工工况。基于复变函数理论和保角映射方法,推导得出4种透水边界条件下隧道围岩内任一点孔隙水压力和隧道涌水量解析计算公式,通过与数值解的对比,印证了解析解的准确性。在此基础上,根据不同透水边界条件下隧道涌水量和围岩关键点孔隙水压力随埋深直径比（ ）的变化规律,分析了透水边界条件的变化对浅埋隧道和深埋隧道的影响,并探讨了浅埋水下隧道渗流计算中透水边界条件的选取。相关结论与认识对于隧道渗流计算和排水设计具有一定的指导作用和参考价值。     

断层破碎带隧道突水突泥灾变演化模型试验研究

为研究断层破碎带隧道开挖扰动作用下突水、突泥灾变演化过程,建立了三维地质模型试验系统,以江西永莲隧道F2断层突水、突泥灾害为例,通过大量的材料配比及物理力学性能参数测试,研制出适用于流-固耦合模型试验的新型断层及正常围岩相似材料,对隧道突水、突泥灾害进行研究。试验结果有效地揭示了无支护条件下断层破碎带隧道的洞周位移、渗流压力、应力-应变以及突出物质量等特征参数对时效性的响应规律。随着时间的增长,渗流压力整体呈上升趋势,越靠近开挖面其波动范围及幅度越大;突出物质量在发生突水、突泥灾害前出现短时减小后迅速增加;洞周围岩拱顶以竖向位移为主,而拱腰以水平位移为主;在相同相应力状态下,拱腰位置应变比拱顶位置大。将试验灾变特征与现场实际演化过程进行对比分析,两者结果较为吻合。该系统可广泛应用于其他地下工程的模型试验研究,其研究方法及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

Performance of Mortar and Chemical Grout Injection into Surrounding Soil When Slurry Pipe-jacking Method is Used

Small-diameter shallow tunnels are often being built by using the slurry pipe-jacking method. This system involves the pushing or thrusting of a drivage machine and concrete pipes into the ground. Chemical grout injection into the surrounding soil around the tunnel is carried out after the drivage and pushing processes are finished. The purpose of the chemical grout injection is to maintain permanent stability of the surrounding soil. However, the behavior of the chemical grouting material in the surrounding soil around the tunnel and the amount of optimum injection is not clearly understood. From these points of view, this paper discusses the performance of the chemical grouting material, when it is injected into the surrounding soil around the tunnel, by means of 2-D Eulerian–Lagrangian seepage analysis. Moreover, the effectiveness of the chemical grout injection was evaluated by using the non-linear finite element method. This investigation show when the range of the grouted zone is designed; it is necessary that the relationship between Young’s modulus of the soil/grouted zone and the confining stress be taken into consideration in order to establish effective, economical and safe chemical grout injection system. Understanding the performance of the seepage/dispersion behavior of the chemical grout and the characteristics of soil/ grouted zone is also important.     

Stability analysis of the slope around flood discharge tunnel under inner water exosmosis at Yangqu hydropower station

The stability of the slope around a flood discharge tunnel is influenced by the space topography, the geological structure, the seepage of the flood discharge tunnel, the rainfall and so on, which introduce complexity and uncertainty to the problem of slope engineering. For slope stability analysis at the outlet of a flood discharge tunnel affected by high interior hydraulic pressure, the inner water exosmosis (IWE) phenomenon will become obvious, the rock’s mechanical properties will be changed, and the seepage effects of the flood discharge tunnel should be focused on. In this paper, a complicated three-dimensional (3D) numerical simulation and safety assessment of the slope around the flood discharge tunnel at Yangqu hydropower station is implemented in FLAC^3D, and 3D slide arcs of good shape are obtained. When calculating the safety coefficient of slopes, the Shear Strength Reduction Technique (SSRT) is adopted, and a factor of safety (FOS) is then found. It is found that the FOS of the natural slope is 1.43 in its original condition, and in this case, the slope is in a stable state. The safety factor of the slope is 1.30 after the slope excavation without considering IWE. Under the condition of normal seepage from inside the tunnel to the outside, the safety factor is 1.29. For investigating the influence of IWE on the slope stability, we design three types of scenarios – minimal seepage, normal seepage and serious seepage – for the fluid–solid coupling calculation. Under the serious seepage condition, the safety factor of the slope is 1.26, and it is in a critical failure state. It should be pointed out that uncertainties in input parameters are not researched in this paper. There is not big difference among safety factors under different scenarios mainly because the maximum of inner water head of the flood discharge tunnel is only about 80 m. It still can be found that seepage action has an effect on the stability of the whole slope from calculation results. The stress concentrated region (SCR) near the surrounding rock grows from inside to outside as the seepage intensity increases. The surrounding rock will experience more water pressure and seepage pressure, and, at the same time, the area of the plastic zone grows. Suitable treatments and suggestions are discussed to eliminate the adverse effects of IWE. The research results in this paper can provide a reference for construction, reinforcement and drainage design of the slope in similar hydropower slope engineering scenarios.     

水工隧洞钢筋混凝土衬砌外水压力取值方法研究

外水压力是隧洞衬砌承受的主要荷载之一,也是控制其建设与运行或检修过程中衬砌结构安全的关键因素。目前外水压力的取值仍然以经验公式为主,存在很大的局限性和不准确性。首先分析对比了衬砌外水压力的折减系数法、理论解析方法和数值分析方法几种取值方法,然后进行了不同渗透环境和衬砌支护条件下的衬砌外水压力计算。结果表明,随着围岩渗透性和衬砌厚度的增大,衬砌外表面的水压力越大;对于渗流数值计算,模型范围应取距离隧洞中心不小于30倍洞径;考虑渗流场的时间效应,开挖完成10 d后隧洞的渗流场趋于稳定,衬砌支护20 d后衬砌外侧水压力分布趋于稳定。