深长隧道断层破碎带突水的变质量流固耦合机理及时滞效应研究

Water inrush in fault fracture zone is the main form of geological defects in deep-buried long tunnels, then the disaster mechanism and the critical criterion place an important role in disaster warning and control. However, because of less considering variable mass fluid-solid coupling problem, lacking of solid particles migration and transformation mechanism of flow pattern in the process of water inrush, it is difficult to propose effective water inrush criterion and prediction methods. This program intends to use group independent research and development of deep-buried tunnel water inrush simulation test system to study water inrush disaster evolution process in fault zone under the action of high ground stress and high hydraulic pressure coupling, to analyze porosity and permeability of rock mass in fault fracture zone variation law with time, and to establish fluid-solid coupling dynamic constitutive model of broken rock mass considering particle migration effect. Research on CFD-DEM algorithm that liquid and solid phase two-way coupling, to construct water inrush through fault numerical simulation plat form to achieve actual simulation water inrush through fault process of broken rock particles of different shapes and different particle sizes, revealing the mechanism of solid particles migration and flow pattern transformation in the process of water inrush. Finally, based on physical modeling and numerical simulation results, this program studies on time-lag effect of water inrush under the condition of the excavation disturbance in fault fracture zone of deep-buried long tunnels and establishes impending inrush criterion and prediction methods. The study method and the final results of this program could provide scientific basis and theoretical foundation for study on comprehensive prediction, early warning and process control of water inrush for long-deep tunnel.

断层突水是深长隧道地质缺陷型突水的主要形式，其致灾机理及临突判据是事关灾害控制及预警的关键科学问题。但在目前研究中，因较少考虑突水中的变质量流固耦合问题，缺乏对突水过程中固体颗粒迁移及水流形态转换机制的认识，难以提出有效的临突判据和预测方法。本课题拟采用自主研发的深埋隧道突水模拟试验系统，研究高地应力高水压耦合作用下断层突水灾变演化过程，分析断层破碎岩体孔隙率和渗透率随时间的变化规律，建立考虑颗粒迁移作用下的破碎岩体变质量流固耦合动力学本构模型。研究液、固相耦合的CFD-DEM双向耦合算法，构建断层突水模拟数值平台，实现断层破碎岩体多分散混合颗粒体系的突水模拟，揭示突水过程中细小颗粒迁移及水流形态转换机制。研究开挖扰动条件下断层破碎带突水的时滞效应，提出断层突水临突判据和预测方法。项目研究方法和最终成果可为深长隧道断层突水的综合预测、预警以及过程控制提供科学依据和理论基础。

本项目以深长隧道断层突水灾害为研究对象，以断层破碎岩体变质量流失特性为突破口，采用室内试验、数值模拟和理论分析相结合的方法，研究开挖扰动条件下隧道断层突水致灾机理和临突判据。自主研发断层破碎岩体变质量渗流可视化模型试验装置，解决断层充填物的流失特性模拟难题；自主研发大型多功能隧道突水突泥物理模型试验系统，解决隧道开挖过程中富水断层突水突泥试验模拟难题。研究在不同连续颗粒级配、缺失颗粒级配等条件下，断层充填物的变质量渗流破坏规律。通过自主开发程序，构建地下水作用下断层充填物颗粒迁移的数值模拟平台，获得不同充填颗粒级配下固体颗粒的流失特性，揭示水压、地应力和颗粒大小等因素对充填颗粒流失的影响规律；研究断层破碎岩体变质量流固耦合动力学本构模型，揭示孔隙率和渗透率随时间的变化规律。开展隧道断层滞后突水试验，获得断层突水灾变演化全过程，揭示水压、渗透率、断层宽度及倾角等对突水滞后时间的影响规律。基于筒仓理论和极限平衡方法，建立隧道轴线与掌子面正交和平行时的断层破碎带突水力学模型，提出富水断层破碎带突水的力学判据，揭示水压、埋深、断层破碎带宽度等对隔水岩盘最小安全厚度的影响规律。项目研究成果可为深长隧道断层突水的综合预测、预警以及过程控制提供科学依据和理论基础。本项目超额完成研究目标，达到预期效果。发表学术论文33篇，其中SCI检索21篇（top期刊1篇，最高影响因子7.65），EI检索11篇；授权发明专利7项，申请公开美国、加拿大、澳大利亚4项，中国发明专利5项；获中国岩石力学与工程学会科学技术发明一等奖、浙江省科技进步三等奖、山东省科技进步三等奖、浙江省岩土力学学会科学技术三等奖等；参编中国国土资源部行业标准1部；负责人获中国青年地质科技“金锤奖”、江苏省“青蓝工程”优秀骨干教师。培养博士生2人、硕士生3人，指导学生获中国岩石力学学会优秀毕业论文2项、校优秀硕士学位论文2项。