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地区水工隧洞围岩稳定性的研究并不多。在国外,单独对岩溶的研究有一些,如Rudolf Lied [2]等通过一个复杂模型方法对岩溶产生的控制机制进行了研究,该模型包括了岩溶系统水力学,溶解动力学以及相关的流动阻力随时间的降低。岩溶水力特征主要是由高导水低存储的管道网络机制与在各种边界条件约束下低导水高存储的岩体相互作用所控制,只有考虑流动机制的耦合系统,才能适当表现其他相关因素的作用;Gabrovsck[3]提出了一个用于石灰岩岩溶含水层在长度和深度演化的新模型,即对开始阶段,裂缝孔径只有50um,渗透系数是10-7m/s的含水层岩体,施加以水源补充恒定的边界条件:运用石灰岩的非线性溶解动力学计算各时间段裂隙溶解扩展情况,从而得到含水层随时间的演化,该模型也可以描述洞穴随时间的演化情况。Gabrovsck 对深30m、长200m的含水层利用该模型进行了计算,定性描述了岩溶水扩展机制。
在国内,研究较多的是岩溶对公路隧道围岩稳定性的影响,尤其是岩溶洞隙的影响。如2003年赵明阶教授[4-8]等人就对该方面进行了大量的研究,在分析岩溶的发育特征和岩溶对大断面隧道工程的危害的基础上,建立岩溶隧道围岩稳定性的概化模型,首次利用模型试验和数值分析通对岩溶区大断面公路隧道围岩中的不同发育程度的岩溶对围岩稳定性的影响进行了系统深入的研究,并结合已有的工程实践经验构建岩溶区隧道围岩稳定性的控制方法和措施。研究得出了围岩变形与溶洞距离、方位、尺寸之间的非线性关系,并提出了岩溶区隧道围岩变形特征为全过程变形曲线的负空间效应段增长,阻尼段变短,而正空间效应段变陡。围岩变形速率在开挖瞬间达到最大,并随溶洞的尺寸的增大而增大,而随溶洞距离的增大而减小。吴梦军[9-10]等也进行了一系列的大型相似模型试验和数值模拟研究,也探讨了溶洞的发育程度和位置对围岩施工力学响应的影响,总结了岩溶地区公路隧道围岩位移场,塑性区等的一些分布规律。
3 结论
综上所述,国内外针对岩溶对水工隧洞围岩稳定性的影响的研究几乎是空白,大都是单独孤立的分析岩溶或者隧洞,国内研究的比较多的是岩溶洞隙对公路隧道的围岩稳定性影响,而水工隧洞与公路隧道还是有区别的,因为水工隧洞在建成后投入运营时洞内是要过水的。因此,我们还需考虑有压隧洞的内水压力作用,也有可能还有内水外渗的问题,这些对围岩的稳定都有很大的影响。鉴于此,还可从以下两方面进行研究:
1)基于不同岩溶含水系统的等效渗流模型,运用流固耦合理论,分别对具有裂隙岩溶含水系统、管道岩溶含水系统、层间孔隙岩溶含水系统以及管道-裂隙-孔隙三重含水介质的水工隧洞围岩在有无内水压力作用下的岩溶水—围岩的相互作用机理进行数值模拟,通过模拟结果分析在岩溶水影响下的水工隧洞围岩变形规律与破坏模式。
2)依据岩溶的发育特征构建岩溶洞隙对有压水工隧洞围岩稳定性影响的概化模型,然后基于该概化模型,采用模型试验和数值模拟方法就隧洞周边的不同尺寸、不同距离和不同方位的洞隙对有压水工隧洞在有、无内水压力时的围岩稳定性进行系统研究,通过对研究成果的分析,获得不同岩溶洞隙分布时有压水工隧洞围岩变形规律与破坏模式。
参考文献
[1]刘招伟,张民庆,王树仁.岩溶隧道灾变预测与处治技术
.科学出版社,2007.
[2]Rudolf Liedl,Martin Sauter,Dirk Huckinghaus. Simulation of the development of karst aquifers using a coupled continuum pipe flow modle[J]. Water Resources Research,2003(3):1057-1067.
[3]Gabrovsck F,Dreybrodt W. A mode of the early evolutionof karst aquifers in limestone in the dimensions of length and depth[J]. Journal of hydrology, 2001(240):206-224.
[4]赵明阶,徐容,刘绪华,等.隧道顶部溶洞影响围岩稳定 性的模型试验研究[J].地下空间,2003,23(2):153-157.
[5]赵明阶,王学军,刘绪华,等. 隧道侧岩溶对围岩稳定 性影响的数值模拟研究[J].重庆建筑大学学报,2003,25(1): 6-10.
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