水力耦合下水砂溃涌特性及防治试验

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论文字数:52522 论文编号:sb2022033112251945717 日期:2022-04-07 来源:硕博论文网
本文是一篇工程硕士论文,本文针对富水砂层工程建设中的水砂溃涌灾害,通过对所设计制作的模型系统模拟水力耦合下多工况多因素水砂溃涌发生的过程研究,获得了一些规律。

第一章  绪论

1.1 选题背景及研究意义
二十一世纪以来,随着基础建设和人类活动空间的不断发展,地下工程建设越来越多,工程地质条件日益恶劣复杂,工程病害日渐凸显,人类无法避免地遭遇着众多复杂的地质问题。巨厚富水砂层下的隧道建设与采矿工程中出现的水砂溃涌即是严重的灾害之一。
水砂溃涌是指地层形成涌水通道后,通道上方的砂体处于临空状态,随着砂中水的快速流出,涌水通道上方的砂体颗粒在自身重力和上覆水砂压力耦合作用下随着涌水首先溃出,当通道裂隙较小时,颗粒在通道裂隙周围形成土拱,只发生小规模溃砂。当通道大于某一宽度时,砂颗粒不能够形成稳定土骨架而大量溃出,水砂耦合下水流通道逐渐扩大,水砂流速加快,致使更多的砂土颗粒被水带出,以致大规模灾害性水砂溃涌发生,过程骇人、危害极大。
水砂溃涌的发生必须具备以下条件:①物源,即需要存在水砂溃涌的水砂来源;②空间,即需要存在水砂涌入的空间(隧道、巷道和采空区等);③动力源,即需要存在促使水砂溃涌发生的动水压力;④通道,即需要存在水砂涌入空间的通道(裂隙、洞口和断层等)。
重庆石柱至黔江高速公路七曜山隧道建设过程中先后发生多起突泥突水灾害,日均涌水突泥量达 2.3×104 m3[1]。钟家山隧道在施工过程中累计发生 7 次突泥,突泥总量超 2.4×104 m3,突泥口上方山顶出现深度 15~32 m、面积约 1800 m2的塌陷[2]。厦深铁路梁山隧道开挖至软弱带时发生突水突泥,累计涌泥量约 3×104 m3,造成隧道淤积,致使地表发生深度 20 m、面积 200 m2的塌陷[3]。上海四号线联络通道处承压水冲破土层发生流砂,最终坍塌范围约 274 m,造成防汛墙沉陷、地面建筑物倾斜甚至坍塌[4]。年洞隧道施工期间两个月内发生 6 次突泥突砂造成塌方,累计淤积泥沙约2.45×104 m3[5]。江西省吉莲高速永莲隧道在施工过程中出现直径 1 m 左右的突水突泥通道口,连续发生 8 次突水突泥,突水突泥总量约 6.7×104 m3[6]。
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1.2 研究现状及存在问题
1.2.1 水砂溃涌研究现状及存在问题
针对富水砂层下浅埋薄基岩工作面水砂溃涌问题众多学者开展了大量研究。隋旺华等[12-15]对突水溃砂过程中砂颗粒状态进行深入分析,研究了水力坡降、能量演化、裂隙倾角及开度在水砂溃涌启动中的作用机制。郭惟嘉等[16,17]研制了采动覆岩水砂溃涌灾害模拟试验系统,再现了覆岩水砂溃涌灾害孕育、发展及发生的全过程。许延春等[18-20]从裂隙发展规律及松散层砂土颗粒特征探讨了溃水溃砂机理。Wang 等[21]设计了一套可改变圆形漏孔尺寸的地下工程漏砂(水)可视化试验系统,研究了泄漏口直径和土层厚度对涌砂和砂土沉降的影响,得到了不同工况下砂土的流动规律。Liu 等[22]设计了考虑颗粒损失的应力控制渗流试验装置,并进行了一系列渗流试验,探究了岩溶充填介质失稳引起的水砂突水破坏机理和演化特征,以及软土密实度、水力压力和围压对失稳过程的影响。Chen 等[23]建立了力学模型,开展了物理试验,对松散层中不同粘土含量下的水砂溃涌机理展开研究,得出随着粘土含量提高溃涌发生可能性减弱。Yang 等[24]通过建立砂水运移试验系统展开水砂混合流体在多孔骨架中起裂运移的研究,提出水砂混合流体初始运动的临界速度受粒径和外界应力的影响较大,水砂混合流体的运动特性在很大程度上取决于水砂粒间的相互作用。张敏江等[25]通过模拟试验探究弱胶结砂层的水砂突涌机理,提出造成弱胶结砂层移动和破坏的主要因素是水动力条件。蔡光桃[26]通过模型试验研究了采煤冒裂带上的松散土层发生渗透变形破坏的类型和机理,得到其渗透变形破坏时的临界水力坡度与各粒径砂物理力学性质和裂隙缝宽等的关系。张士川等[27-29]通过不同初始水压下裂隙内水砂溃涌进行模拟试验,得到其发生各阶段的水砂运移特征以及其他物理量变化特征。杨伟峰[30,31]利用自行设计的试验装置,研究了突水涌砂时孔隙水压力在裂缝通道中的变化特征及裂隙通道内水砂混合涌流的特征。李利平[32-34]通过模型试验模拟了煤矿开采和隧道工程中的水砂溃涌灾害演化过程并对其发生机理进行了探究。天津大学的郑刚教授[35,36]对粒径、裂隙开度下溃砂过程及地表沉陷形状函数进行了研究。
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第二章  传感器标定试验

2.1 微型土压力传感器标定试验
微型土压力传感器作为结构物表面和土类介质自由场中测量土压力的基本工具,被广泛地应用在岩土工程模型试验中[48]。实际应用中,一般将微型土压力传感器直接埋入岩土体中量测[49]。随着对土压力工作性状的不断认识和深入研究,出现了许多不可避免的问题。微型土压力传感器在出厂前生产厂家通常使用气压或液压的方法对其进行标定以得到标定系数,但其在实际工程中所处的受力环境大多为松散的非均质介质,当介质上部受到垂直荷载时,由于其颗粒大小形态分布和力学性质的差异,应力难以均匀地传递到介质内部,在传递过程中应力水平分量将增加,产生侧向应力和剪切应力,造成应力分散[50]。当介质为砂时存在介质刚度匹配问题,从而造成土压力传感器表面产生应力集中和应力重分布,产生拱效应,并由此引发“匹配误差”[51-53]。
为使微型土压力传感器在实际工程应用中的量测更为精准,长期以来国内外众多学者开展了大量的研究。部分学者基于力学理论,通过建立模型探究产生误差的根本原因,得出不同条件下的误差计算公式并对其进行改进。韦四江等[54]通过对土压力传感器进行室内标定试验分析不同介质下标定值与出厂值的差异及其误差产生的原因。张立祥等[55,56]建立相互作用模型,得出影响标定曲线非线性的因素主要为土介质的模量变化,提出对标定系数非线性修正可有效提高量测精度。曾力等[57]结合匹配误差理论研究分析分层介质与土压力盒相互作用的误差影响。也有学者通过模拟微型土压力传感器现场实际工作环境建立室内模型试验,使用自制试验设备和方法在所需环境介质中对土压力盒进行标定,将试验所得的标定系数与出厂值进行对比分析计算,进一步修订换算公式。梁雨等[58]采用 ABAQUS 有限元软件建立数值仿真模型,分析确定出标定试验的最优工装尺寸,并基于试验工装开展 2 种不同量程的双膜式土压力传感器标定试验,根据试验所得标定结果对厂家提供标定系数进行修正;李彦坤等[59]通过砂标试验分析单膜电阻应变式土压力传感器的埋设状态对其标定结果的影响;
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2.2 微型孔隙水压力传感器标定试验
2.2.1 试验仪器
为提高孔隙水压力传感器在后续试验中水压测量的精确性,对微型土压力传感器进行标定,因此设计加工了水标试验装置如图 2.7 所示。水标试验装置主要包括三大部分:水标压力室、加载系统及量测系统。
水标压力室采用高 100 mm、外径 70 mm、内径 60 mm、壁厚 5 mm 的可分离螺纹密封式高强度有机玻璃圆筒与上下有机玻璃板组成。使用亚克力胶水将可分离螺纹密封式高强度有机玻璃圆筒与上下顶板底板粘合。下底板与上顶板各设有一个开孔,孔隙水压力传感器导线从下底板引出并使孔隙水压力传感器底部距离下底板 30 mm 左右,进气管与上顶板开孔连接,使用硅橡胶密封下底板导线开孔并固定密封上顶板进气管以达到密封与进气的效果。可分离螺纹密封式高强度有机玻璃圆筒中间连接部分放置一个橡胶垫圈用于密封容器。进气管与空气压缩机连接并在中间设置调压阀;孔隙水压力传感器导线与 DH5922N 动态应变测试分析系统连接并通过计算机采集数据。采用 BWK-1 型微型孔隙水压力传感器,尺寸为直径 13 mm、厚度 12.5 mm,允许超载 120% F·S。
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第三章  室内模型试验系统设计 ................................... 19
3.1 室内模型试验装置结构及组成 .................................. 19
3.1.1 室内模型试验装置设计思路 ............................ 19
3.1.2 室内模型试验装置 .................................. 20
第四章  水砂溃涌模型试验结果分析 ................................. 31
4.1 干燥无竖向压力状态下砂样溃散规律分析 ......................................... 31
4.1.1 溃涌临界缝宽 .......................................... 31
4.1.2 溃砂形态演化过程 ........................... 32
第五章  基于真溶液理念的水砂溃涌防治技术研究 ............................ 57
5.1 注浆材料 ...................................... 57
5.2 真溶液固化剂优选与复配 ........................ 59

第五章  基于真溶液理念的水砂溃涌防治技术研究

5.1 注浆材料
随着注浆技术的日渐成熟,国内外随处可见其在实际工程中的应用。就国内而言,随着经济和交通运输的快速发展,铁路隧道、地铁工程以及煤矿巷道等的建设不断增多,注浆技术将持续在市场应用中占有举足轻重的作用,同时为了更好地适应千变万化的工程实际,还需进一步加强对注浆技术、注浆设备、注浆工艺以及浆液材料的研发与投入。
合理浆材的选择决定了注浆的加固效果与注浆施工过程的效率,同时也对施工的经济可行性及工程进度有较大影响。因此需要根据施工现场具体要求、地质条件、浆液特性、注浆工艺及施工成本等各种因素综合考虑,选择较为安全、经济、高效的浆材。
注浆材料主要可分为颗粒类与溶液类注浆材料[65]。颗粒类注浆材料主要由颗粒材料经混合配制而成,例如各类水泥浆材。溶液类浆材,即化学浆材,主要由几种化学试剂按照一定比例配制而成,混合后发生化学反应并生成具有一定强度的凝胶固结体。
通过对以上两类注浆材料中各种注浆材料性质进行总结分析,不完全统计如表5.1。从表 5.1 可以发现各种注浆材料都有其各自的优缺点,故在实际工程应用中需要根据实际情况挑选适宜该工程环境的注浆材料。
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第六章  结论与展望

6.1 主要结论
以富水巨厚砂层下的隧道建设与采矿工程中出现的水砂溃涌灾害为工程背景,自主设计可视化水力耦合下水砂溃涌室内模拟试验装置。根据对试验数据的分析,探讨了水砂两相流运移特征以及溃砂启动机制,并采用真溶液固化剂对其进行防治。主要结论如下:
(1)对微型土压力传感器和孔隙水压力传感器进行标定。试验采用配重砝码堆载的方式对微型土压力传感器在不同粒径的石英砂、不同埋设角度、靠背类型以及干湿环境条件下的标定,得到其标定系数。通过水标试验对孔隙水压力传感器进行标定试验,实测孔隙水压力比理论计算孔隙水压力小一些,其标定系数为 1.08696 可用于后续模型试验。
(2)自主研制了可视化水力耦合下水砂溃涌室内模拟试验装置,包含室内试验模型箱与加载系统、数据采集和实时监测系统和水砂收集计量系统三大部分,具有可变缝宽、变地应力、变水压力的功能。
(3)研究五种单一粒径砂样分别在干燥无竖向压力、干燥施加竖向压力、水力耦合下水砂溃涌溃散规律,记录分析每组试验的临界缝宽。经分析,在干燥状态时,砂样粒径在 0.075~0.83 mm 之间的不同粒径砂层溃涌的临界缝宽介于 2~5 mm,其中0.18~0.38 mm 粒径的砂层临界缝宽最小,为 2 mm,即最易发生溃涌,大于或小于这一粒径的砂溃涌临界缝宽随粒径增大或减小而增大。应力状态对各粒径临界缝宽影响不大,但存在随应力增大缝宽小幅减小的趋势,即应力越大溃涌过程相对较剧烈。水力耦合作用时,当竖向压力施加到 0.2 MPa、水压力施加到 0.1 MPa、裂隙缝宽达到 2 mm 时开始发生溃水溃砂,溃涌过程极快。
(4)以溃砂过程出现的破坏面为界限将溃砂过程砂体分为主动沉降区和随动沉降区,砂体由破坏面外随动沉降区自上而下流入破坏面内主动沉降区溃出裂隙。通过拟合二次曲线绘制砂体破坏面抛物线表征得知,砂样粒径对破坏面的形状影响较大,当粒径较小时,破坏面形状要相对较窄;同等粒径和临界缝宽下,水力耦合下砂体破坏面开口比干燥无竖向压力大,而比干燥状态下施加竖向压力开口小很多。干燥状态下砂体最终沉陷坑呈近倒三角形态,坑边斜率随粒径的减小而增大,即沉陷坑越深;而水力耦合作用下砂体呈现垂直塌陷特征。
参考文献(略)

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