Численное исследование характеристик притока и фильтрации воды в тоннеле, пересекающем два перекрывающихся параллельных разлома

Aug 23, 2023

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 11806 (2023) Цитировать эту статью

211 Доступов

Подробности о метриках

Приток воды является одной из основных геологических опасностей, угрожающих безопасности туннелей и других подземных инженерных сооружений. Разломная зона является одним из важных геологических триггеров таких событий. Численные исследования эволюции поведения потока в туннелях через зоны разломов имеют важное значение для прогнозирования и предотвращения этого типа геологических опасностей. В этой работе модель численного исследования с двумя перекрывающимися параллельными разломами устанавливается на устойчивой стадии в соответствии с теорией структуры разломов «Трех зон». Быстрый турбулентный поток в зоне разлома моделируется с использованием улучшенной модели просачивания Дарси-Бринкмана, а медленный ламинарный поток в зоне обычных пород описывается уравнением Дарси. Влияние относительного положения и расстояния между забоем выработки туннеля и перекрывающимися параллельными разломами на поровое давление и скорость потока грунтовых вод изучается с помощью нескольких сценариев, а также рассчитывается скорость притока воды в туннель. Результаты численного исследования показывают, что по мере того, как забой туннеля выкапывается в ядро ​​центра разлома, зону трещиноватости, зону обычных пород и центр перекрывающихся разломов, значение порового давления перед забоем выемки увеличивается, а скорость потока уменьшается. последовательно. Скорость притока является самой большой, когда поверхность туннеля выкапывается до центра ядра центра разлома, что тесно связано с диапазоном перекрывающейся области. Результаты исследования представляют собой практическую основу для прогнозирования раннего предупреждения о геологической опасности притока воды, когда туннель пересекает два перекрывающихся параллельных разлома.

Благодаря реализации инициативы «Пояс и путь» строительство инфраструктуры, такой как горнодобывающая промышленность, транспорт, водное хозяйство и гидроэнергетика, в западном Китае добилось быстрого прогресса1. В настоящее время по глубине, общей длине и общему количеству тоннелей Китай занимает первое место в мире2,3,4. К сожалению, прорывы воды и грязи стали частыми и серьезными геологическими опасностями при строительстве глубоко заглубленных туннелей, приводя к значительным экономическим потерям и человеческим жертвам5,6. Предотвращение аварий с прорывами воды и селей, вызванных неблагоприятными геологическими образованиями, такими как разломы и трещиноватые горные породы, стало одним из направлений подземных инженерных исследований7,8,9. Изучение закона развития потока подземных вод при прохождении забоя туннеля через зоны разломов позволяет спрогнозировать скорость притока, существенно снизить риск прорыва воды, избежать экономических потерь и жертв при строительстве туннелей10.

Рассмотрены принципы развития и проявления различных каналов притока воды и сделан вывод, что закон развития каналов притока воды в зонах разломов тесно связан с такими факторами, как давление жидкости и взрывная вибрация11. Некоторые ученые предложили многофакторный комплексный подход к исследованию проникновения воды и грязи в туннель в условиях высоких температур и высокого давления и исследовали его на основе макрогеологической модели крупномасштабных зон разломов12,13. Некоторые ученые провели теоретический анализ, лабораторные испытания и численное моделирование, чтобы понять поведение потока грунтовых вод и механизмы притока воды в туннелях, которые пересекают зоны разломов14,15,16. Методы теоретического анализа включают внедрение нейронных сетей, теории катастроф и других нелинейных подходов, описывающих эволюцию притока подземных вод. Чжэн и др.17 предложили концепцию «коэффициента активации» для заполненных карстовых туннелей и проанализировали эволюцию нестабильной области с течением времени. Лабораторные испытания включают лабораторные испытания, модельные испытания и полевые испытания и др. Например, Чон и Ван и др.18,19 провели испытания физической модели устойчивости вмещающих пород и развития трещин, проанализировали неблагоприятное влияние разломов и плохих плоскостей напластования на устойчивость и характеристики просачивания стенок туннеля.