深埋岩溶隧道突水灾变的透明岩体模型试验研究

The catastrophe control of water inrush in deep karst tunnel is one of a worldwide challenging problem in tunnel engineering. The key cause is that the catastrophe mechanism of water inrush in deep karst tunnel has not be revealed fundamentally because of the deformation, rupture and seepage of internal surrounding rock are hardly to be observed directly in practical engineering and current physical model. In this project, on the basis of inheritance and development of transparent rock test technology, a new similar material of transparent rock will be developed to simulate soft-hard heterogeneous structure of surrounding rock. According to the 3D reconstruction of dyeing liquid and different speckle plane，a new experimental technique will be proposed to observe the deformation, rupture and seepage inside the transparent rock model directly under the condition of high water pressure. By the model tests of transparent rock, some problems under the different karst geological conditions will be researched to obtain the temporal-spatial evolution laws for deformation, rupture and seepage of deep karst tunnels, such as penetration erosion process of karst water, dynamic evolution characteristics of rock deformation, space-time extension mode of water flowing fracture and key moment of water inrush. The results have theoretical significance for the development of rock mechanics experiment, and have engineering meanings for solving the catastrophe control problem of water inrush in deep karst tunnel.

深埋岩溶隧道突水灾变控制是目前隧道界公认的一个难题，究其根源在于，实际工程与当前物理模型均难以对围岩内部变形、破裂与渗流进行直接观测，无法从根本上揭示深埋岩溶隧道的突水灾变机制。本项目基于透明岩体实验技术的继承与发展，研制能够模拟软硬不均围岩结构的新型透明岩体相似材料；通过染色液体与不同制斑平面的三维重构，提出可直接观测高水压条件下透明岩体模型内部变形、破裂与渗流的实验新技术；借助透明岩体模型试验，研究不同岩溶地质条件下围岩内部岩溶水的渗透侵蚀过程、围岩变形的发展演化特征、导水裂隙的时空延展模式以及突水的关键时刻等问题，获得深埋岩溶隧道围岩内部变形、破裂和渗流的时空演化规律。研究结果对于岩石力学实验发展具有理论意义，对于解决深埋岩溶隧道的突水灾变控制问题则有工程应用意义。

针对实际工程与当前物理模型均难以对围岩内部变形、破裂与渗流进行直接观测，致使深埋岩溶隧道围岩开挖变形破坏与渗流之间的相互影响演化特征并不是十分清楚的问题。本项目首先从透明岩体相似材料制备、内部变形破裂与渗流观测方法等方面完善现有的透明岩体实验技术；然后，基于可视化破碎岩体渗流演化试验系统对岩溶巷（隧）道周边破碎岩体及填隙物的内部渗流演化规律展开研究；最后，以物理模型试验为基础，结合数值模拟方法分析得到了不同岩溶条件下巷（隧）道围岩内部变形破裂以及突水灾变特征，得到以下成果：.（1）研发了透明岩体固结实验装置和三维数字照相量测软件Photogram_3D，并应用于透明岩体模型试验，得到了透明岩体模型巷道内部各个散点的三维变形时空演化规律。.（2）通过引入分形维度，对已有的破碎岩体渗透率与孔隙度公式进行了修正，建立了陷落柱破碎岩体渗透率与其孔隙度和分形维度的关系公式。.（3）发明了一种简便的岩溶隧道开挖模拟试验装置并采用自制的流固耦合相似材料（以石英砂、轻质碳酸钙和重晶石粉作为骨料，以白水泥和石膏为胶结材料，以硅油为调节剂）进行了岩溶隧道开挖物理模型试验，试验研究结果表明：当隧道上方溶洞水压较大且距隧道相对较近时，隧道开挖将导致隧道顶部两侧各产生1条弧状的导水裂隙通道，其位置始于隧道顶拱偏离拱顶约6.4 m的位置而终止于溶洞斜下角。.（4）建立了能够反映岩溶隧道围岩力学与渗透性质演化特征的四线性应变软化模型，并成功嵌入数值模拟程序中。数值模拟结果表明：当溶洞与隧道间距较小时，溶洞内承压水并非以最短路径向隧道内发生突水，而是通过开挖产生的2条贯通剪切滑移破裂带；当溶洞与隧道净距相同时，溶洞位于隧道下方对隧道围岩突水以及变形破坏特征影响最大。.项目研究成果能进一步拓展透明岩体实验技术应用范围，对于解决实际工程中因水力渗透与高应力挤压作用导致的工程灾害预测与稳定控制问题亦有十分重要的应用价值。