孔隙含水稳定岩层中地下工程水害形成机理

针对孔隙含水稳定岩层中地下工程结构的水害问题，进行了以下研究。首先，研究了孔隙水压力对岩石力学参数的影响，通过理论解析、数值模拟掌握了孔隙水压力等因素对岩石物理力学参数的影响规律；其次，研究了孔隙水压力作用下井壁结构的等效水力荷载，揭示了孔隙含水稳定岩层中地下结构水力荷载的形成机理—类同于围岩热胀冷缩引起的结构荷载，孔隙水压变化致胀或致缩围岩孔隙，进而引起地下结构荷载变化，并且基于该机理，建立了孔隙含水岩层与地下结构相互作用的力学模型，获得了水力荷载的解析解，掌握了地下结构和围岩物理力学参数和几何参数影响水力荷载的规律，发现了结构和围岩接触面接触状态对水力荷载的影响，在未发生剥离的接触面，水力荷载一般不超过2倍围岩孔隙率的静水压，在发生剥离的接触面，水力荷载数值近似等于静水压力；第三，研究了稳定含水岩层地下结构变形规律和破坏模式，试验发现结构和围岩的局部剥离使得结构变形在竖向和水平方向均呈现较大的不均匀性，成为“破坏弱面”，破裂模式以局部渗水、破裂出水为主；第四，提出了孔隙含水稳定岩层中地下工程设计的合理建议，水力荷载是衬砌设计要考虑的关键因素，衬砌应具有合理的强度和刚度，既要有足够的刚度降低衬砌与围岩发生剥离的风险，同时又要合理降低高压孔隙水的影响；最后，结合工程实践，提出了治理孔隙含水稳定岩层中地下工程孔隙水水害的技术路线。项目资助发表论文5篇，授权发明专利3项。培养博士研究生1名，硕士研究生1名。项目投入经费82万元，支出82万元，各项支出基本与预算相符。 2100433B

随着埋深的增大，在孔隙含水稳定岩层中，地下工程的水害日益严重，造成了重大损失。该种水害属于孔隙水水害，以前未受到重视，缺乏深入研究，亟待解决。揭示其形成机理是科学地防治水害的前提。在前期工作的基础上，以孔隙含水稳定岩层中立井井筒的水害为典型，首先，针对典型的孔隙含水岩石，通过岩样试验和细观数值计算，获得孔隙水压对岩石的弹性模量、泊松比、强度参数和破坏特征的影响规律，为后续研究提供基础数据。其次，围绕衬砌-围岩-高压孔隙水间的相互作用，建立随机孔隙细观数值计算模型、大型物理相似模拟试验模型和解析分析模型，研究衬砌的变形规律、破坏出水特征，衬砌与含水围岩间相互作用力的变化规律。最后，在此基础上研究揭示水害的形成机理，建立高孔隙水压稳定岩层中衬砌的计算理论，提出防治该种水害的技术路线。本项目的研究成果对高孔隙水压环境中岩石地下工程的建设与运营有重要理论意义和实用价值。

（1）悬吊作用

由于使用钢带锚栓，采用的是岩石电钻打眼，锚栓眼垂直岩面，且麻花端头能够直接进人30cm伪顶以上的老顶之内，起到悬吊作用。这主要是锚杆的预加应力产生层与层之间的摩擦作用而具有抑制岩层移动的效果。

（2）组合梁作用

使用钢带锚杆能使破碎顶板形成一个整体，且整体效果好。再加上锚杆的紧固，沿层理而的移动阻力增大、因而粘结分层的整体作用增强了，使各岩层“缝合”形成一个合成梁，起到组合梁作用。各岩层之间的摩擦阻力愈大，整体化强度愈大，“补强”岩层的效果也就愈大。这里所说的“补强”不是说加强了原来岩层的强度，而仅仅是抑制其强度的恶化。除此之外，由于钢带中产生的拉力对底分层岩石的水平移动提供了阻力，钢带起到一个拉杆作用，限制了梁的弯曲，并附带改善了加固作用。

研究土坡中的孔隙水压力，首先要弄清在哪些情况下可以通过稳定渗流场的分析来计算孔隙水压力，哪些情况下不能简单地通过画流网的办法确定孔隙水压力。土体内的孔隙水压力通常是在下面两种情况下产生的。

(1)孔隙水压力是由水的自重形成的渗流场产生的。这一类问题的基本特点是土体的骨架保持不变，因此可以通过稳定或不稳定渗流场的分析计算较好地得到解决。

(2)孔隙水压力是由作用在土体单元上的总应力发生变化导致的。这一种情况易发生在压缩性较大、渗透系数较小的土体中。例如，饱和土地基快速开挖或快速填筑，或者均质上坝库水位骤降的情况。此时土骨架的体积和有效应力都存在着一个从起始状态到新状态过渡的过程。而粘性土的渗透系数很小，将水挤出，使土的骨架过渡到新的孔隙比，无法在短期内实现。这样，就可能出现一个随时间消散的附加的孔隙水压力场。这种孔隙水压力，恰是导致许多工程失事的直接原因。要解决这一类孔隙水压力的问题，则需要引入一些经验或理论分析方法。此时，一个简单的、偏保守的方法是假定没有任何水排出，在不排水条件下研究土的孔隙水压力和强度问题。