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颗粒离散元方法在隧道突涌水过程模拟中取得突破

2019-02-18 16:16:55

 

        进入21世纪后,随着交通路网向遍布崇山峻岭的西部地区纵深拓展,出现了一大批具有“大埋深、长洞线、高应力、强岩溶、高水压”等显著特点的深长隧道工程。其中,突涌水灾害是隧道修建过程中最具灾难性的地质灾害之一,灾害一旦发生,将导致巨大的经济损失、人员伤亡、工期延误以及水资源枯竭、地表塌陷等生态环境问题,严重威胁着社会稳定与经济发展。科学认识隧道突涌水机理与灾变演化过程是实施有效的灾害防控措施的理论基础,但突涌水灾变演化过程的准确模拟一直是困扰科学界与工程界的难题之一。


        考虑到地下工程岩体结构的非连续性、非均匀性以及突涌水灾害的流固耦合特性,DEM(离散元法)-CFD(计算流体动力学)方法是实现突涌水过程模拟的有效方法之一。基于对突涌水机理与演化模式的科学见解,山东大学提出了一种新的计算模型,该模型实现了对岩土体渗透破坏程度的定量描述,解决了传统颗粒接触模型中粘结强度恒定、无法描述地下水渗流作用对岩土体强度弱化作用的难题,进而实现了隧道突涌水灾变过程的科学描述与模拟再现。


        江西吉莲高速永莲隧道施工过程中穿越富水断层破碎带,发生了大规模突水突泥灾害15次,突泥4.5万方,地表塌陷2000多平米,如图1所示。采用山东大学所提出的突涌水灾变演化模式与计算模型,实现了断层破碎带突涌水过程的准确模拟(如图2、图3所示),取得了良好的计算效果,与突涌水的灾变演化过程及现场情况具有较好的吻合性。

Fig.1 江西吉莲高速永莲隧道突水突泥灾害

 

Fig.2 断层突涌水灾变演化过程模拟-位移场

 

Fig.3 断层突涌水灾变演化过程模拟-速度场


        山东大学所提出的突涌水演化模式与计算模型具有原创性,为离散元方法颗粒接触模型的发展提供了新的思路,是岩土工程地质灾害模拟方法的重要进步,为其它岩土工程地质灾害过程的模拟实现提供了借鉴和指导方法。

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