岩体破裂突涌水应力－渗流－损伤耦合演化机理及数值分析方法

The construction of deep long tunnel is the difficulty project of national infrastructure projects, such as water conservancy and hydropower, transportation infrastructure. Especially, water inrush disasters with big water volume and high pressure frequently occurred. The basic reason for difficult to restraint its’ occurs is the understanding of the formation mechanism of water inrush channel is not enough. The basic theoretical research of water inrush mechanism and the prevention is weakness. Therefore, the research of formation mechanism of water inrush channel in karst region and providing support for water inrush mechanism of the basic theory research are key problems of science and technology. This project adopts stress and seepage and damage characteristic experiment, large scale simulation test, field test and so on. The process of water inrush caused by high pressure permeability and crack of rock mass is to study through three aspects: stress and seepage and damage evolution equation, the prominent channel formation - expansion - connected evolution mechanism, rock burst and water inrush channel numerical implementation.The criterion method that the instability starting of disaster source, the transfer of catastrophe state and rupture water inrush of water solution and mud resistance structure is formed. The forecasting and alarming accuracy of large volume water inrush with high pressure is improved. The achievements will be significant for prevention of great water damage in real projects.

深长隧道是水利水电、交通等国家基础设施工程建设的难点，尤其是高压大体量突水灾害频发，其难以遏制的根本原因在于人们对突水通道形成机理认识不够深入，隧道突水机理和防治的基础理论研究较为薄弱。因此，开展岩溶地区隧道突水通道形成机理的研究，为突水机理的基础理论研究提供支撑，是目前隧道界迫切需要解决的关键科学技术难题。本项目采用应力-渗流-损伤特性实验、大比尺相似模拟试验及现场测试等手段，从应力-渗流-损伤演化方程、突出通道形成-扩张-连通演化机理、岩体破裂及突水通道数值实现三方面，研究高压渗透作用下岩体破裂引发突涌水演化过程。形成灾害源失稳启动、灾变体状态演化与隔水阻泥结构破裂突水的判别方法，进而形成数值及可视化分析方法，提高高压大体量突水灾害预测预警的准确性，研究成果对于地下工程重大水害防治具有重要科学意义与工程实用价值。

深长隧道是交通、水电等国家基础设施建设的重要组成部分，近些年来重大突水突泥灾害频发，给隧道工程界带来严重的人身伤亡和经济损失，逐渐成为隧道安全施工面临的重大理论难题与技术挑战。突水事故难以遏制的关键问题在于人们对突水通道形成机理认识不够深入，隧道突水机理和防治的基础理论研究较为薄弱。因此，开展岩溶地区隧道突水通道形成机理的研究，为突水机理的基础理论研究提供支撑，是目前隧道界迫切需要解决的关键科学技术难题。.本项目立足于国家基础设施建设急需的深长隧道工程，重点围绕高压渗透作用下岩体破裂机理与渗流特性、岩体破裂突涌水通道应力-渗流-损伤耦合机制等基础理论难题开展研究。通过国内外大量案例统计与工程地质分析，将突涌水灾害类型划分为隔水岩体渐进破坏突水与充填结构渗透失稳突水两类。研发了国内首台全自动真三轴地质力学模型试验系统，开展了隔水岩体破裂突涌水三维地质力学模型试验，获得了高压渗透作用下岩体的应力应变特征、渗流特性与卸荷指标参数，提出了高压渗透作用、开挖卸荷双重扰动下岩体破裂损伤演化方程，揭示了卸荷扰动下的围岩渗流-应力-损伤耦合作用机制。构建了裂隙流与管道流模型之间边界条件和过渡条件的赋值计算方法以及高效求解策略，基于近场动力学建立了隔水岩体破裂突涌水数值分析方法，最终实现了突水通道形成过程与灾害水体动态渗流演化过程数值耦合分析，可有效判定灾害源灾变启动、突出通道灾变体演化模式与防突结构破裂突水演化状态。.研究结果为突水灾害预测预警提供了理论依据，为解决我国深长隧道高压大流量突涌水灾害控制难题提供了一条切实可行的途径，在水利水电工程领域及交通工程领域方面具有较大的应用前景，可推进高风险岩溶地区隔水岩体突水灾害预测和控制的基础理论研究，为深长隧道高压大流量突涌水灾害控制提供理论基础及试验依据，对地下工程突水灾害的防治具有重要的现实意义和工程价值。