高地热高地应力水工隧洞衬砌稳定性研究

以新疆塔什库尔干河齐热哈塔尔水电站引水隧洞为例,使用ANSYS Workbench软件建立了热-固耦合分析模型,采用数值模拟的方法分析了高地热、高地应力、压力水头311.49 m条件下,水工隧洞运行期衬砌的稳定性。结果表明:隔热层的设置能明显改善一期混凝土衬砌的受力情况,衬砌平均主应力减小约46%,但对二期混凝土几乎没有影响,且衬砌结构的平均位移增大约14%;设置隔热层能显著提高一期混凝土的安全性,但二期混凝土除两底角安全系数大于1外,其余部位的安全系数仍小于1;隔热层+一期混凝土+二期混凝土组成的支护结构有其合理之处,但必须使用高性能混凝土提高支护结构的抗裂性能,才能满足工程安全的要求。     

水电站引水隧洞支护结构稳定性分析

文章以哈德布特水电站引水隧洞工程为研究对象,通过对工程建设期和运行期支护结构稳定性进行研究,分别计算了不同监测点的安全系数、结构位移和等效应力。结果表明:衬砌厚度为0.27m时,支护结构的稳定性最佳;隔热层对温度应力影响较大,能明显改善支护结构的受力情况;喷锚支护+隔热层+钢筋混凝土的支护结构可满足工程实际的需求,为提高隧洞支护结构稳定性提供理论依据。     

高温热害水工隧洞支护结构受力分析数值模拟研究

为得到高温热害水工隧洞支护结构的受力机理,以新疆某引水隧洞为例,通过理论计算并使用ANSYS建立热-固耦合模型,对高温热害隧洞支护结构的受力特征进行了计算和分析。结果表明:在围岩与混凝土间设置隔热层能显著改善一期混凝土衬砌的受力情况,衬砌平均应力减小约46%,对二期混凝土无明显影响;隔热层会使支护结构的平均位移增大约14%;隔热层能显著提高一、二期混凝土的安全系数,其均值>1。对隧洞进行喷锚支护并对二期混凝土进行配筋后,隔热层+一期混凝土+二期钢筋混凝土组成的支护结构可以满足工程安全性的要求,可应用于实际工程中。     

水工隧洞衬砌结构非线性地震响应分析

为了合理描述水工隧洞衬砌混凝土的非线性力学特性,采用塑性损伤模型模拟了混凝土材料在地震荷载作用下的本构关系。在此基础上,通过将混凝土刚度与钢筋材料刚度叠加来考虑衬砌中钢筋结构对衬砌刚度的强化作用,并基于此建立了衬砌结构非线性有限元分析模型。结合动力时程法模拟衬砌结构地震响应全过程,建立了完整的衬砌结构地震响应分析模型。通过将该模型应用于某水工隧洞地震响应数值计算中,分析了衬砌结构非线性地震响应特征。结果显示:地震过程中衬砌结构腰部的位移响应较大,衬砌结构整体产生了较为明显的结构变形,导致衬砌腰部最大拉应力达到了1.3MPa左右并超过了混凝土抗拉强度;震后衬砌结构内侧受到附加动水压力的影响,导致其损伤程度较大,损伤最为严重的区域主要分布在衬砌腰部,最大损伤系数达到了0.7左右。     

苗坑水库工程引水隧洞稳定性及应力分析

输水隧洞经常发生的病害主要为衬砌裂缝,因此对隧洞裂缝进行分析对维护衬砌结构的稳定性至关重要。以苗坑水库输水工程为例,结合断裂力学理论以及混凝土断裂准则,建立输水隧洞衬砌结构稳定性的安全评价方法。依据计算模型,分析裂缝位置及角度对衬砌结构安全性以及稳定性的影响,最终确定引水隧洞的稳定性和应力条件,以此为隧洞支护提供建议。     

地震波入射角对输水隧洞地震响应的影响

在均质围岩条件下,结合大伙房输水隧洞二期工程,对输水隧洞混凝土衬砌层进行了地震响应分析。结果表明:随着地震波入射角的增大,衬砌层的径向应力先增大后减小,当地震波入射角为45°时,径向应力最大;环向应力逐渐减小,当入射角为90°时,环向应力趋向于0;纵向应力逐渐增大,当入射角超过75°时,衬砌层的纵向应力超过环向应力。当地震波入射角为45°左右时,衬砌层径向、环向和纵向的动应力均较大,衬砌层的地震响应最不利。     

高地应力条件下输水隧洞断面选型及支护设计

在高地应力条件下选择合理的隧洞断面型式以及支护结构,对保证施工期围岩稳定及隧洞长期运行安全具有重要意义。针对滇中引水工程高地应力洞段,通过对比分析不同断面型式下隧洞围岩应力、变形及塑性区分布规律及量值大小,确定了隧洞断面型式为马蹄型,有利于隧洞围岩受力及结构稳定。在综合分析隧洞围岩的应力变形情况及塑性区深度的基础上,结合工程类比法确定了隧洞施工过程的临时支护措施及永久衬砌方案。通过对比支护前后隧洞围岩的变形数值及塑性区分布范围发现:临时支护措施能够有效的控制围岩的变形及减小围岩的塑性破坏范围,经永久衬砌后的隧洞围岩处于稳定状态,无明显的塑性破坏产生。     

围岩类型及衬砌厚度对水工隧洞地震动力响应的影响分析

以分析水工隧洞在地震激励作用下的变形破坏机制为目标,针对不同围岩类型和衬砌厚度条件下水工隧洞位移变化,根据地下结构抗震计算理论,选取合理的材料参数和模型边界条件,使用ANSYS建立了某水工隧洞的三维有限元模型,对其施加水平和竖向地震激励,应用瞬态分析法计算了隧洞结构模型在不同围岩类型和衬砌厚度下的水工隧洞动力响应。结果表明,在相同衬砌厚度下,随着隧洞围岩强度的降低,水平位移和竖向位移受影响的程度有明显的区别,即水平位移越来越大,竖直位移无明显规律可循;在相同的围岩强度下,水工隧洞并不会随着衬砌厚度的增加而趋于稳定,在Ⅲ类围岩的情况下,水工隧洞的位移随着衬砌厚度的增加而越来越大,Ⅴ类围岩下改变衬砌厚度对水工隧洞的位移几乎没有影响。因此,合理的设计围岩类型和衬砌厚度,可以既满足水工隧洞抗震性能要求,又能够降低工程造价。研究结果对合理设计隧洞衬砌厚度、增强抗震性能具有参考价值。     

基于衬砌混凝土等级对输水隧洞地震响应影响数值模拟

文章以柴河水库为例,采用ANSYS有限元分析法数值模拟了供水工程输水隧洞地震响应受衬砌混凝土等级的影响规律。结果表明：提高输水隧洞衬砌混凝土等级可能会增大其地震应力,对抗震稳定性有不利影响,其最优等级为C25,具有适度的强度和韧性,能够提供良好的抗震稳定性;通过外部抗震带等措施有利于提升输水隧洞整体抗震性能,减少地震作用下的应力集中问题。     

水工隧洞设置减震层作用机理与效果分析

基于水工隧洞围岩、减震层和衬砌的横向作用机制和振动理论,将水工隧洞围岩、减震层和衬砌简化为三自由度振动体系,并推导其运动方程,求解变形传递系数,探讨减震层与围岩刚度比、地震波荷载与结构自振频率比对水工隧洞抗减震特性的影响。在此基础上,分析了不同减震材料参数、不同减震层厚度对水工隧洞地震响应的影响。计算表明:在低频条件下,减小刚度比能够有效降低结构地震响应,在高频条件下,减震效果不明显;设置减震层能够有效缓解衬砌结构受力变形状态,且减震层弹性模量与围岩相差越大时,减震效果越明显;增大减震层厚度能有效减小衬砌结构应力和变形,但减震层厚度超过0.2 m,衬砌受力变化逐渐减缓。     

丹巴水电站引水隧洞衬砌结构安全与围岩稳定性分析

依托丹巴水电站引水隧洞工程,研究锚杆和衬砌对围岩稳定性的影响,进行了不同埋深下隧洞衬砌厚度的比选和衬砌的安全性分析、配筋和裂缝宽度验算等,考虑了不同衬砌施加时机对隧洞受力及位移的影响。研究发现,锚杆支护可使围岩塑性区分布更加均匀,受力更加合理,可较好的控制围岩变形;衬砌内最大压应力值随着埋深增加而增大,随着衬砌厚度增加而降低;提出了有效减压区,应在有效减压区选择衬砌厚度,衬砌厚度选1.5m为宜;在最危险工况下,给出了合理的配筋设计方案;经过不同位移量和不同模型下衬砌安全性的对比分析,衬砌加固选择85%的位移预留量,围岩的变形量和最大控制内力都可得到明显的控制。     

高地应力区隧洞稳定性的数值仿真分析

结合具体工程实例对高地应力地区隧洞的稳定性以及支护系统进行模拟施工过程的有限元仿真分析。分析结果表明,高地应力地区中喷层最易遭到破坏;隧洞围岩与支护结构的受力与变形的最大特征为沿大主应力方向围岩应力释放最多、位移最大、沿小主应力方向围岩应力集中程度最高,两个方向均为围岩的最薄弱位置,最后提出要进行及时有效的支护、增长锚杆和对全洞除底板外喷钢纤维混凝土的建议,对其它类似工程有丰富的借鉴意义。     

衬砌混凝土等级对输水隧洞地震响应的影响研究

我国属于多地震国家,开展输水隧洞等水利工程设施的抗震性能研究具有重要意义。文章以辽宁省柴河供水工程输水隧洞为工程背景,通过ANSYS有限元分析的方法,对衬砌混凝土等级对输水隧洞地震响应的影响进行数值模拟研究,结论显示提高输水隧洞混凝土衬砌的等级,会使地震应力作用下的输水隧洞应力增大,不利于隧洞本身抗震性能的改善。因此,建议采用C25混凝土进行输水隧洞衬砌施工,同时结合外部抗震带等其他工程措施,改善输水隧洞的抗震性能。     

衬砌混凝土等级对输水隧洞地震响应的影响研究

中国属于多地震国家,开展输水隧洞等水利工程设施的抗震性能研究具有重要意义。文章以辽宁省柴河供水工程输水隧洞为工程背景,通过ANSYS有限元分析的方法,对衬砌混凝土等级对输水隧洞地震响应的影响进行数值模拟研究,结论显示提高输水隧洞混凝土衬砌的等级,会使地震应力作用下的输水隧洞应力增大,不利于隧洞本身抗震性能的改善。因此,建议采用C25混凝土进行输水隧洞衬砌施工,同时结合外部抗震带等其他工程措施,改善输水隧洞的抗震性能。     

软质围岩隧洞衬砌裂缝的分析与处理

小浪底水利枢纽南岸引水口工程配套项目孟西灌区总干渠7号隧洞在施工过程中出现裂缝、下沉和底板拱起现象.经过分析和结构应力计算,认为地质情况的变化导致隧洞衬砌受力条件恶化,原设计混凝土衬砌厚度不足,侧墙和底板实际应力大于规范允许值,从而引起隧洞产生纵向贯穿缝和底板裂缝拱起现象.另外,原设计爆破施工方案对隧洞围岩稳定影响较大,应采取人工边开挖、边支护、边衬砌的施工方式进行作业;将出问题隧洞段的衬砌由C20混凝土改为C20钢筋混凝土,直墙和圆拱的衬砌厚度增加至35 cm后,裂缝得到了控制.     

深埋大直径无压引水隧洞基于流变的风险分析

以南水北调西线工程深埋大直径无压引水隧洞为例，考虑高地应力及锚杆、衬砌等支护的动态作用，推导出隧洞围岩、衬砌应力及位移的表达式．经计算表明，一般在运行5年后，隧洞衬砌及围岩稳定破坏基于流变的风险达到最大，并随围岩流变的稳定而趋于稳定，隧洞开挖后未及时衬砌的风险明显高于及时衬砌的情况．     

高地温引水隧洞隔热支护结构温度及应力特性分析

以解决高地温特殊环境下引水隧洞支护结构隔热保温问题及优化支护结构设计为目标,研究高地温引水隧洞不同隔热支护结构聚苯乙烯泡沫聚苯板(EPS)、聚苯乙烯泡沫挤塑板(XPS)的温度分布规律及受力特性,以新疆某水电站引水隧洞为研究对象,基于隧洞现场监测试验成果,采用有限元软件对支护结构的温度场和应力场进行模拟。结果表明:采用隔热层能减少温度对围岩和支护结构温度分布的影响;高地温隔热支护结构中隔热选材必须具有良好的保温隔热性能和一定的强度;EPS板两侧温差比XPS板两侧温差大2.11℃;相较XPS复合衬砌和普通混凝土衬砌, EPS复合衬砌内外温差最小,EPS复合支护结构隔热性能最好;三种衬砌结构拱顶处环向应力均最大,相比之下EPS复合衬砌环向应力最小,其值为0.40 MPa,EPS复合支护结构受力特性最好。对比分析结果表明,支护结构隔热选材上EPS板性能优于XPS板。     

洞型及衬砌厚度对软岩隧洞围岩稳定性的影响

软岩隧道工程中,洞型及衬砌厚度是影响软岩隧洞围岩稳定性的重要因素。根据工程实际情况,采用岩土工程软件FLAC3D建立模型进行数值模拟,从位移、应力和塑性区等几个方面分析洞型及衬砌厚度对围岩稳定性的影响。研究结果表明,圆形断面为最优开挖断面;衬砌厚度增加时,位移量和塑性区范围反而减小,主应力相差不大:选取1m作为最终衬砌厚度。     

基于ABAQUS对引水隧洞结构的有限元分析

本文以某水库工程中引水隧洞为研究对象,选取典型断面,利用ABAQUS软件建立围岩与衬砌结构的三维有限元模型。分析隧洞在施工期、完建期、运行期及检修期等不同工况下围岩与衬砌的变形和应力。结果表明,在现有荷载组合工况下,开挖期围岩总体是稳定的,仅断层破碎带变形相对较大,施工时应注意及时支护。据此分析隧洞围岩的稳定性及衬砌结构的工作性态,最终为开挖支护方案及衬砌结构配筋及优化提供依据。     

陕西省引汉济渭二期工程引水叉洞施工变形特性研究

在已建引水隧洞旁新建叉洞会引起交叉段围岩和支护结构的应力释放与重分配,使得交叉段附近岩体与支护结构力学行为发生变化,影响已建引水隧洞的安全可靠性。基于引汉济渭二期工程,通过建立黑河引水隧洞与连接洞交叉段三维有限元模型,采用摩尔库伦屈服准则,研究在Ⅲ类围岩条件下,连接洞开挖、引水隧洞正常运行、预留岩塞段开挖及引水隧洞交叉段衬砌拆除等施工过程对引水隧洞位移、应力等影响。结果表明：连接洞前段开挖对引水隧洞的影响变形在0.02 mm以下,影响较小;引水隧洞正常运行时,在距交叉口20 m内范围内,岩塞体最大变形在0.08 mm内,因此预留20 m岩塞可以保证安全;预留岩塞段开挖,交叉口附近15 m范围内衬砌最大下沉变形为0.6 mm,衬砌未出现拉应力,引水隧洞结构安全;交叉段衬砌拆除后,剩余衬砌最大变形小于1.0 mm,引水隧洞衬砌受压,最大压应力在4.0 MPa以内,衬砌结构安全。