Indagine numerica sulle caratteristiche dell'afflusso e delle infiltrazioni d'acqua in una galleria che attraversa due faglie parallele sovrapposte

Aug 23, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11806 (2023) Citare questo articolo

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L'afflusso di acqua è uno dei principali rischi geografici che minacciano la sicurezza dei tunnel e di altri progetti di ingegneria sotterranea. La zona fagliata è uno degli importanti fattori scatenanti geologici di tali eventi. Le indagini numeriche sull'evoluzione del comportamento del flusso nei tunnel attraverso le zone di faglia sono importanti per la previsione e la prevenzione di questo tipo di rischi geografici. In questo lavoro, viene stabilito un modello di indagine numerica con due faglie parallele sovrapposte in fase stazionaria secondo la teoria della struttura di faglia delle "tre zone". Il flusso turbolento rapido nella zona di faglia è simulato utilizzando il modello di infiltrazione di Darcy-Brinkman migliorato, mentre il flusso laminare lento nella zona rocciosa ordinaria è descritto dall'equazione di Darcy. L'effetto della posizione relativa e della distanza tra il fronte di scavo del tunnel e le faglie parallele sovrapposte sulla pressione interstiziale delle acque sotterranee e sulla velocità del flusso viene studiato attraverso diversi scenari e viene calcolata la velocità di afflusso dell'acqua nel tunnel. I risultati dell’indagine numerica rivelano che mentre il fronte del tunnel viene scavato nel nucleo centrale della faglia, nella zona fratturata, nella zona della roccia ordinaria e nel centro delle faglie sovrapposte, il valore della pressione dei pori a monte del fronte di scavo aumenta mentre la velocità del flusso diminuisce. in sequenza. La velocità di afflusso è massima mentre il fronte del tunnel viene scavato fino al centro del nucleo della faglia, che è strettamente correlato all'estensione dell'area sovrapposta. I risultati dell'indagine offrono un riferimento pratico per prevedere il rischio geografico dovuto all'afflusso di acqua quando un tunnel attraversa due faglie parallele sovrapposte.

Con l’attuazione dell’iniziativa “Belt and Road”, la costruzione di infrastrutture come progetti minerari, di trasporto, di tutela dell’acqua e di energia idroelettrica nella Cina occidentale ha fatto rapidi progressi1. Attualmente, la profondità, la lunghezza totale e il numero totale di tunnel in Cina sono al primo posto nel mondo2,3,4. Sfortunatamente, l'afflusso di acqua e fango è diventato un grave e frequente rischio geografico durante la costruzione del tunnel sepolto in profondità, causando notevoli perdite economiche e vittime5,6. Evitare incidenti dovuti a infiltrazioni di acqua e fango causati da formazioni geologiche sfavorevoli come faglie e rocce fratturate è diventato uno degli obiettivi principali della ricerca di ingegneria sotterranea7,8,9. Lo studio della legge di evoluzione del flusso delle acque sotterranee mentre il fronte di scavo di un tunnel attraversa zone di faglia è utile per prevedere la velocità di afflusso e ridurre significativamente il rischio di afflusso di acqua ed evitare perdite economiche e vittime nella costruzione del tunnel10.

I principi e le manifestazioni dell'evoluzione dei diversi canali di afflusso dell'acqua hanno concluso che la legge di sviluppo dei canali di afflusso dell'acqua nelle zone di faglia è strettamente correlata a fattori quali la pressione del fluido e le vibrazioni dell'esplosione11. Alcuni studiosi hanno proposto un approccio di indagine globale multifattoriale sull'afflusso di acqua e fango nel tunnel in condizioni di alta temperatura e alta pressione ed hanno esaminato le zone di faglia su larga scala sulla base del modello macrogeologico. Alcuni studiosi hanno condotto analisi teoriche, test di laboratorio e simulazioni numeriche per comprendere il comportamento del flusso delle acque sotterranee e i meccanismi di afflusso dell'acqua nei tunnel che attraversano zone di faglia14,15,16. I metodi di analisi teorica includono l'introduzione della rete neurale, della teoria delle catastrofi e di altri approcci non lineari che descrivono l'evoluzione dell'afflusso di acque sotterranee. Zheng et al.17 hanno proposto il concetto di "coefficiente di attivazione" per i tunnel carsici pieni e hanno analizzato l'evoluzione della regione instabile nel tempo. I test di laboratorio includono test di laboratorio, test su modello e test sul campo et al. Ad esempio, Jeon e Wang et al.18,19 hanno effettuato test su modelli fisici sulla stabilità della parete rocciosa e sullo sviluppo delle fratture, analizzando le influenze negative delle faglie e dei piani di stratificazione scadenti sulla stabilità e sulle infiltrazioni caratteristiche della roccia della parete del tunnel.