深部围岩分区破裂演化特性及在含隐伏水体条件下诱发突水机理研究

The zonal disintegration is the special geological phenomenon, which threat the stability of surrounding rock.The research on evolution characteristic and inducing water inrush mechanism need to carried urgently. The program based on the research foundation of the candiadate's doctoral thesis, and the JINPING division tunnel is taken as the engineering background. The spatio-temporal evolution character and mechanism of inducing water inrush will be carried on through the multiple means of true-3D model test and the XFEM-based numerical simulation. Fist, the forming procedure of zonal disintegration will be revealed by theory based on energy, and the initation criterion of zonal disintegration will be established and embedded into the XFEM platform to realize the numerical simulation on the zonal disintegration evolution procedure in different conditions. From this, the evolution character of zonal disintegration will be revealed and the master control factor will be identificated; then, through the mechanical analysis of the rock ring formed by the zonal disintegraion, the key rock ring model will be established. Then through the model test, the water inrush procedure induced by zonal disintegration will be monitored and the water inrush prevent key layer will be distingushed; at last, combined the results of numerical simulation and model test, the structure model of water inrush prevent key rock ring in the condition of zonal disintegration will be established through the theoretical analysis, and the water inrush criterion induced by zonal disintegration will be proposed through the nest structure model and the catastrophe theory. The research will establish the foundations of buliding the method of preventing the water inrush disater by regulate and control the zonal disintegration evolution model, and it is of great importance to the disater evaluation and prvention in the deep rock engineering.

分区破裂是深部围岩特有的工程地质现象，严重威胁围岩稳定，其演化特性尤其是诱发突水的机理亟待研究。本课题承接博士论文研究基础，以发现分区破裂和强突水灾害的锦屏二级电站辅助洞为工程背景，通过开展三维模型试验、数值模拟与理论研究相结合的综合手段，对深部围岩分区破裂的时空演化特性及诱发突水的机理进行研究。首先通过能量理论揭示分区破裂形成过程，建立分区破裂的三维起裂判据并将其嵌入XFEM平台程序化，以实现对不同条件下分区破裂演化过程的数值模拟，由此揭示分区破裂的演化特性并辨识其主控因素；在此基础上通过对分区破裂形成的各层岩环的力学分析，构建隔水防突关键岩环模型；然后通过模型试验监测分区破裂诱发突水过程，识别防突关键层及其临突响应特征；最后通过嵌套结构模型和突变学理论建立分区破裂诱发突水条件判据。研究将为建立调控分区破裂演化模式从而预防突水灾害的方法奠定基础，对深部岩体工程灾害评价与预防具有重要意义。

国家对深部地下隧洞工程投入越来越大，出现了特殊的工程地质问题。在高地应力，大扰动等复杂情况下，深部围岩破坏出现了与浅部岩体相异的破坏现象，其中，分区破裂现象是最令人困惑的问题。它是深部围岩特有的破坏现象，严重威胁围岩稳定，其演化特性及形成机理亟待研究。本课题结以发现分区破裂的锦屏二级电站辅助洞为工程背景，通过开展三维模型试验、数值模拟与理论研究相结合的综合手段，依托自主研制并改良的三维地质力学模型试验系统，通过多个不同条件下的模型试验，分别开展了不同隧洞形状、不同地应力方向等因素对分区破裂其破坏模式的影响，对研究分区破裂的影响因素及形成机制有十分重要的意义。研究将为建立调控分区破裂演化模式从而预防突水灾害的方法奠定基础，对深部岩体工程灾害评价与预防具有重要意义。本文的研究工作和相关结果如下：（1）研发了多种可应用于模型试验的新型地质力学模型试验系统、设备和施工工艺，改进了相关技术，促进了模型试验技术的发展，保障了本文模型试验的顺利、高效开展。（2）开展了不同洞形条件下进行模型试验，分别为在圆形、半圆拱形、矩形等，均再现了分区破裂现象。当最大主应力平行于洞轴方向，且其数值超过1.5倍岩体的抗压强度时，可导致深部隧洞围岩产生分区破裂现象；（3）隧洞洞形尺寸决定了分区破裂的范围与，隧洞尺寸越大，分区破裂范围就越大；分区破裂形状与洞形无关，围岩分区破裂最外边界的形状，不论何洞型条件，均为近似圆形；相邻两个破裂区的平均半径之比符合 ； 通过初始最大主应力平行和垂直洞轴方向条件下的模型试验，发现初始最大主应力垂直于洞轴向时，模型出现塑性松动圈破裂区，不会出现分区破裂现象；含有软弱带的模型，当其最大主应力超过1.5倍围岩的抗压强度时，仍然会产生分区破裂。（4）通过采用DDA数值软件，对分区破裂进行了模拟。模拟得到的破裂层数等与试验观测基本一致。从能量角度揭示了分区破裂形成的机制和判据。依托项目发表sci论文8篇，EI论文12篇，授权发明专利4项，软件著作权2项，出版专著两部。