关键词:
突涌水
施工期
断层带
非稳定渗流
渐进式评估
动态权重
摘要:
随着我国地下工程建设规模与数量的持续增长,越来越多的隧洞建设正逐渐向中西部山区转移。这些地区普遍存在断层裂隙、岩溶地形等不良地质条件,在施工过程中极易破坏并导致突涌水事故频发,其突发性和高破坏性对隧洞安全施工和人民生命财产构成严重威胁。由于突涌水灾害的复杂性和不确定性,目前对施工期突涌水致灾因素以及开挖过程中接近断层带时突涌水演化规律的研究较为有限,同时也缺乏对施工期突涌水风险的实时评估。因此,如何探明施工期突涌水致灾因素和灾变演化规律,及时精准预测涌水风险以减少事故发生率已成为亟待解决的难题。
本文从案例统计分析、数值模拟计算和数学模型构建三方面出发,总结施工期突涌水灾害的主要致灾原因,探究开挖过程中逼近断层带时非稳定渗流作用下突涌水灾变演化规律。在此基础上构建施工期突涌水风险评估指标体系,同时提出一种基于博弈论动态权重和非线性属性风险评估模型的施工期两阶段渐进式评估方法,通过动态调整指标和权重取值以实现风险概率和涌水量的精细化预测。取得的主要研究成果如下:
(1)揭示了施工期突涌水灾害致灾特性,探明了主导施工期突涌水的关键因素。收集的65例施工期突涌水案例数据集中,掌子面突水占比高达43.33%,49.15%的案例涌水量超过10000m3/d。结果表明,突涌水是由工程地质、水文气象、施工情况和监控量测等多种因素共同作用的结果。其中,断层破碎带对突涌水影响最为显著,占比达24%;其次是地下水、破碎岩体以及施工扰动,分别为1 2.67%、11.33%和7.33%。
(2)建立了隧洞穿越断层带的三维有限元数值计算模型,阐明了隧洞开挖过程中逼近断层带时非稳定渗流作用下突涌水灾变演化规律。随着断层带的开挖,掌子面涌水量呈现“平稳缓增-急剧增加-突变骤降”的趋势,孔压先减小后增大,而流速则呈现先增大后减小的特点。此外,揭示了渗流作用下断层宽度、孔隙水压力和围岩渗透系数对断层处掌子面涌水量、最大流速以及最大挤出位移的影响机理。发现在断层宽度变化下涌水量、最大流速与最大位移均表现为正相关指数增长关系;在水压变化下涌水量、最大流速和最大位移均呈线性增长趋势;而随着围岩渗透系数的增加,涌水量和最大流速呈指数式增长,最大位移呈负相关关系,其变化率先上升后下降。
(3)构建了施工期突涌水风险评估指标体系,建立了隧洞施工期突涌水动态风险评估模型。选取了地层岩性、岩层产状、地形地貌、断层结构面充填物、断层破碎带宽度、地下水富水程度、地下水位、降雨入渗系数以及施工扰动、支护效果、围岩完整程度和围岩渗透压力等12个关键致灾因子作为风险指标,基于博弈论动态权重和非线性属性数学理论,建立了隧洞施工期突涌水动态风险评估模型,并通过动态监测围岩和渗压信息来实时更新指标和权重取值。
(4)提出了一种适用于隧洞施工前和施工期两阶段突涌水风险的渐进式评估方法。结合风险分析的属性测度,确定灾害发生概率和风险等级,并预测涌水量范围。将预测方法应用于秦岭输水隧洞K12+500~18+500段等工程,通过对比分析预测结果与实际突涌水量,发现所得到的结果与实际开挖相一致,验证了该预测方法的可行性和合理性。