随着我国基础设施的蓬勃发展,一大批高风险隧道即将修建,这些隧道具有“洞线长、高应力、高水压和地质构造复杂”的显著特点。断层破碎带突水是隧道建设过程中高频发生的重大地质灾害,对隧道建设安全的影响极大,轻则造成工期延误,重则危及施工人员的生命安全。断层破碎带突水的本质科学问题为破碎带岩体的变质量渗流问题,因此,研究富水断层破碎岩体的变质量渗流行为,对于预防和控制断层破碎带突水突泥灾害具有重要的理论意义和工程实践价值。本文运用层次分析法确定诱发断层突水的关键因素,以断层破碎岩体为研究对象,采用模型试验和数值模拟结合的方法,研究富水条件、断层破碎带充填物颗粒级配、断层构造、隧道揭露断层深度等对富水断层变质量渗流的影响规律,取得了一定的成果。(1)分析断层突水的影响因素并进行分类,基于层次分析法的基本原理,建立断层突水影响因素的层次结构模型并构造判断矩阵,定量计算各影响因素重要性程度并进行一致性检验,进而确定诱发断层突水灾害的关键因素。(2)自主研制了断层破碎岩体变质量渗流可视化模型试验装置,包括供水装置、亚克力玻璃管承料装置、突水混合物收集装置、支架等。采用该装置展开了分别以断层充填物颗粒级配(连续级配、缺失级配)、富水条件、工程实例级配作为研究变量的渗流模型试验,描述并分析了多参量响应时各试验的变质量流失现象,获得了不同变量时流失质量组成结构、流失质量时变规律、突水时间、沉降量等描述变质量渗流的关键参数。(3)采用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件建立了基于Darcy定律与PDE耦合的渗流模型,展开了以水压力及初始孔隙率作为研究变量的数值计算,获得了模型内部孔隙率及渗透率的动态变化规律,分析了渗流状态变化的时间分界点,该点同时也是渗流参数变化的分界点。将数值模拟的分析结果与试验研究结果进行对照,验证了试验研究与数值模拟研究的合理性。(4)建立基于Darcy-Brinkman-Navier-Stokes方程控制的隧道揭露断层变质量渗流模型,展开以富水条件(水压力、承压水层位置)、断层破碎带(断层带宽度、倾角、渗透率)、隧道揭露断层深度为研究变量的数值计算,获得了不同流场区域流速及流线分布特征、轴线流速变化规律、不同区域水压力场的变化特征、轴线水压力变化规律,为揭示断层突水过程中各流场宏观特征提供了有益参考。(5)综合模型试验及数值模拟的研究结果,归纳总结了断层充填物颗粒(细粒组主导、均匀粒组主导、粗粒组主导)、断层破碎带富水条件(流速、水压力)对变质量渗流特性的影响规律,揭示了富水断层破碎岩体的变质量渗流行为。