水砂突涌災(zāi)害機(jī)理、特征及防治

前言

　　水砂混合物突涌災(zāi)害是貫穿整個(gè)地下工程發(fā)展史的一種地質(zhì)災(zāi)害。僅從全世界近200年和我國近100年的鐵路修建過程看，水砂混合物突涌災(zāi)害是最常見也是危害最大的地質(zhì)災(zāi)害之一，造成了巨大的人員和物質(zhì)的損失。特別是近年來隨著我國鐵路、高速公路建設(shè)投資規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地下工程設(shè)計(jì)施工的難度迅速增加，尤其是在工程地質(zhì)情況十分復(fù)雜的西南部地區(qū)，隧道施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)明顯增大。由于當(dāng)前對(duì)水砂混合物突涌災(zāi)害的防治預(yù)測系統(tǒng)不甚完善，對(duì)于各種地質(zhì)信息的處理處于散亂和不系統(tǒng)狀態(tài)，尚不能快速準(zhǔn)確地對(duì)水砂混合物突涌災(zāi)害的防治和預(yù)測做出科學(xué)的分析和處理。因此，加強(qiáng)“地下工程大規(guī)模水砂混合物突涌災(zāi)害綜合防控施工技術(shù)”方面的研究工作，為有效地防治和預(yù)測水砂混合物突涌災(zāi)害提供必要的理論依據(jù)已成為現(xiàn)在巖土工程界亟待解決的問題。　　多年以來，現(xiàn)在國內(nèi)外對(duì)于水砂混合物突涌災(zāi)害的研究主要集中在兩個(gè)方面：隧道水砂混合物突涌災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理及災(zāi)害特征研究和隧道水砂混合物突涌災(zāi)害探測預(yù)報(bào)技術(shù)的研究，其中都存在著諸如針對(duì)性不強(qiáng)、地質(zhì)分析不夠深入等方面的不足，因此本書就是為了解決這方面的問題，精心選取了6個(gè)最新發(fā)生的重大水砂混合物突涌災(zāi)害的工程實(shí)例，以水巖耦合理論為基礎(chǔ)，綜合工程地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)和巖土工程的研究方法，通過現(xiàn)場觀測分析、室內(nèi)工程地質(zhì)模型理論研究等手段，建立水砂混合物突涌的工程地質(zhì)模式，對(duì)于水、通道和圍巖壓力等控制水砂混合物突涌的主要地質(zhì)因素，進(jìn)行系統(tǒng)細(xì)致地分析，以探求水砂混合物突涌發(fā)生時(shí)地下巖體與水砂混合物間的水巖耦合關(guān)系，然后借助地學(xué)探測和現(xiàn)代信息處理技術(shù)，綜合分析現(xiàn)場及測試中得到的各種關(guān)于水砂混合物突涌的地質(zhì)信息，建立水砂混合物突涌的預(yù)測體系，為快速有效地預(yù)報(bào)和防治水砂混合物突涌災(zāi)害提供理論上的支持。

內(nèi)容概要

水砂混合物突涌災(zāi)害是貫穿整個(gè)地下工程發(fā)展史的一種最常見也是危害最大的地質(zhì)災(zāi)害。本書在研究了大量鐵路隧道圍巖中水砂混合物突涌災(zāi)害事故的基礎(chǔ)上，分析了災(zāi)害發(fā)生的主要控制因素．建立了相關(guān)的工程地質(zhì)模式，進(jìn)一步明確了水砂混合物突涌災(zāi)害事故的發(fā)生、發(fā)展、變化規(guī)律，并基于常見的工程技術(shù)手段，提出了行之有效的超前預(yù)報(bào)和防治治理措施。    本書以實(shí)用為目的，以總結(jié)和推廣新理論、新技術(shù)、新方法，介紹成功的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為宗旨，既注重理論的闡述和分析，更強(qiáng)調(diào)理論結(jié)合實(shí)踐的應(yīng)用。    本書可供從事地下工程、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、礦山安全等方面的科研和工程技術(shù)人員閱讀，同時(shí)也可供高等院校相關(guān)專業(yè)師生參考。

作者簡介

李忠(E—mail：L6821 121@163．COIll)1968年出生博士教授，現(xiàn)就職于石家莊鐵道學(xué)院土木工程分院，任石家莊鐵道學(xué)院橋隧施工地質(zhì)技術(shù)研究所所長，安全工程方向博士點(diǎn)學(xué)術(shù)帶頭人，主要從事地質(zhì)工程方面的科研教學(xué)工作，特別是地下工程施工中的各種地質(zhì)災(zāi)害的評(píng)價(jià)、預(yù)測和防治工作。先后主持、參加國家級(jí)、鐵道部、河北省自然基金項(xiàng)目、重點(diǎn)科研項(xiàng)目36項(xiàng)，主持、參加科研項(xiàng)目獲得省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)5次，公開發(fā)表科技論文46篇，公開出版科技專著l部，第一主編出版教材1部。

書籍目錄

前言1 緒論  1.1 研究的意義  1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀  1.3 研究日標(biāo)  1.4 研究內(nèi)容  1.5 研究方法和研究路線2 地下工程水砂混合物突涌災(zāi)害形成的控制條件  2.1 地下工程水砂混合物突涌災(zāi)害的物質(zhì)條件    2.2 地下工程水砂混合物突涌災(zāi)害的構(gòu)造條件    2.3 地下工程圍巖中水砂混合物突涌災(zāi)害的水的條件3 地下工程水砂混合物突涌災(zāi)害的工程地質(zhì)特征  3.1 災(zāi)害的分類  3.2 巖溶地區(qū)水砂混合物突發(fā)型特大突涌災(zāi)害    3.3 富水區(qū)隱伏含水構(gòu)造引發(fā)的特大型突水災(zāi)害  3.4 強(qiáng)風(fēng)化巖溶地區(qū)穩(wěn)定型特大突涌災(zāi)害  3.5 富水區(qū)非可溶巖石接觸界限引發(fā)的中型突水災(zāi)害  3.6 斷層破碎帶引發(fā)的泥礫石型特大突涌災(zāi)害    3.7 巖溶陷落柱引發(fā)的泥礫石型特大突涌災(zāi)害  4 對(duì)水砂混合物突涌災(zāi)害的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)  4.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的工作流程及方法  4.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法和步驟  4.3 長期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)  4.4 短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)  4.5 超前水平鉆  4.6 施工地質(zhì)災(zāi)害臨近警報(bào)  4.7 現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查5 隧道突水災(zāi)害的水文地質(zhì)特征分析  5.1 隧道突水的主要地下水來源及特征  5.2 地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄規(guī)律  5.3 突水模式分析  5.4 水對(duì)巖土體的作用機(jī)理  5.5 典型突水模式的突水機(jī)理分析6 地下工程水砂混合物突涌災(zāi)害的防治措施  6.1 地下水的防治原則  6.2 隧道施工中水砂突涌的防治原則  6.3 水砂混合物突涌災(zāi)害的防治措施  6.4 水砂突涌災(zāi)害的應(yīng)急響應(yīng)  6.5 水砂混合物突涌災(zāi)害的治理工程實(shí)例.  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　管道網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)移的地下水可以采用混聯(lián)管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中管道水力學(xué)理論進(jìn)行模擬，而在地下暗河及轉(zhuǎn)入地下的伏流中，地下水運(yùn)動(dòng)則具有地表水系統(tǒng)的特征。相對(duì)于快速紊流控水系統(tǒng)而言，緩慢滲流系統(tǒng)也在巖溶化巖體中廣泛存在，由于其中地下水具有層流的特征，符合達(dá)西定律，只是滲透性和儲(chǔ)水性優(yōu)于一般裂隙巖體，可以采用一般的地下水滲流理論來描述和解釋?！　r溶管道水運(yùn)動(dòng)與非巖溶地下水運(yùn)動(dòng)，無論是在流場地質(zhì)結(jié)構(gòu)方面，還是在地下水運(yùn)動(dòng)的水力學(xué)性質(zhì)方面，都存在著極大的差別。樗木武利用滲流理論對(duì)隧道二維穩(wěn)定涌水的涌水量、涌水點(diǎn)進(jìn)行了計(jì)算和預(yù)測。鄒成杰口根據(jù)在巖溶地區(qū)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論研究，依據(jù)巖溶地下水賦存的形式和運(yùn)動(dòng)特征，將其劃分為溶隙型、脈管型、管道型等三種類型，并提出了巖溶管道水匯流理論。Shuster等16依據(jù)滲透的類型，將含水層劃分為管道流（包括發(fā)育完善的溶管系統(tǒng)）和彌散流（沒有發(fā)育完整的溶管系統(tǒng)）兩大類。以后的學(xué)者對(duì)這種二分法進(jìn)行了改進(jìn)。Smart等口]將補(bǔ)給源和含水層存儲(chǔ)特征作為附加的二維“坐標(biāo)”和滲透性共同構(gòu)成了一個(gè)三參數(shù)分類法。William B white提出了一個(gè)概念模型，該模型的特征參數(shù)包括：地下水流域面積、補(bǔ)給區(qū)域面積、溶管容水量、基巖水力滲透性、裂隙水力滲透性、溶管系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)問、溶管一裂隙耦合系數(shù)、作為邊界條件的地質(zhì)環(huán)境。作者并對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了深入研究。Jonathan B. Martin和Elizabeth J.Screaton認(rèn)為：高空隙率和滲透性巖溶地區(qū)，管道流和彌散流之問有大的水力交換，量化該量值對(duì)于建立概念模型和計(jì)算模型是至關(guān)重要的。作者對(duì)此進(jìn)行了研究，并提出管道流和彌散流之間水力交換的控制因素主要有：彌散流與管道流之間的水頭梯度、基巖滲透性、區(qū)域地下水位和管流梯度、管流與區(qū)域地下水位的相對(duì)高程。鐘輝亞等Ⅲ對(duì)金沙江下游峽谷段擬建電站壩基的巖溶問題進(jìn)行了研究，對(duì)遇到的承壓水特性及其形成條件進(jìn)行了探討，通過承壓水系統(tǒng)的水文地質(zhì)環(huán)境、介質(zhì)環(huán)境和賦水空間的研究，認(rèn)為該處承壓水是在以白云巖為主的地層中以溶孔、裂隙為主要賦存空間的承壓水，是相對(duì)孤立封閉的，與河水無直接的水力聯(lián)系?！　?duì)巖溶含水層模型進(jìn)行了評(píng)述，提出在建立地球化學(xué)、數(shù)學(xué)或計(jì)算機(jī)模型之前，首先要有概念模型。一個(gè)構(gòu)成完善的概念模型可轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)學(xué)模型，這個(gè)轉(zhuǎn)換是巖溶含水層模型建立的核心問題?！　』趲r溶水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特點(diǎn)，各國學(xué)者提出了犬量巖溶涌水量的預(yù)測計(jì)算方法。何發(fā)亮等 “總結(jié)出隧道涌水量預(yù)測計(jì)算主要有水文地質(zhì)比擬法、水均衡法、井泉補(bǔ)給法等，但巖溶地下水運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)顯然決定了隧道涌水量的計(jì)算不宜采用建立在層流理論基礎(chǔ)上的水文地質(zhì)計(jì)算方法。實(shí)踐表明，水均衡法計(jì)算結(jié)果較符合實(shí)際。蒙彥等口胡較系統(tǒng)地總結(jié)歸納了目前涌水量的預(yù)測計(jì)算方法，將其分為以下幾種：①近似方法，主要包括涌水量曲線方程外推法和水文地質(zhì)比擬法兩種；②專業(yè)理論方法，主要包括地下水動(dòng)力學(xué)法、水均衡法、地下徑流模數(shù)法、降水人滲法、地下徑流深度法和地球物理化學(xué)法；③數(shù)值法；④隨機(jī)數(shù)學(xué)方法；⑤非線性理論方法等。同時(shí)，作者結(jié)合各種方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用：對(duì)每種方法的特點(diǎn)和適用性進(jìn)行了分析探討，指出隧道涌水量的預(yù)測計(jì)算方法很多，目前較為常用的主要是專業(yè)理論方法，但其預(yù)測精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，究其原因主要是巖溶系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的開放的系統(tǒng)，是非線性的，目前人們對(duì)巖溶系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)還不是很完善。因此涌水量的預(yù)測應(yīng)采用多種方法結(jié)合，多學(xué)科交叉的手段，以提高預(yù)測精度。

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