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。     

动力强度折减法在水工隧洞稳定性分析中的应用

采用动力强度折减法对水工隧洞进行了地震作用下稳定性数值计算分析,并进行了振动台模型试验,模拟了地震对隧洞的作用,得到了和数值计算一致的结果,对其进行了对比验证。结果表明隧洞的破坏是一个渐变过程,首先在薄弱部位形成破裂区,逐渐扩大,直至破裂区贯通破坏;不同埋深隧洞在地震中的破坏形式不同,浅埋隧洞在其上方形成贯通到地面的破裂区,深埋隧洞在其周围形成贯通的破裂区,并不延伸到地面;隧洞的洞径对隧洞的动力稳定性影响较大,洞径增大1倍,安全系数降低45%左右。     

非圆形压力隧洞考虑支护滞后过程的应力与位移解析解

基于平面弹性复变函数中的保角变换方法,考虑衬砌的支护滞后效应,并认为衬砌与围岩完全接触,提出了带有衬砌的非圆形水工隧洞在原始地应力和内水压力共同作用下的应力与位移解析解,且求解过程中采用幂级数法简化计算。以马蹄形隧洞为例,用ANSYS进行数值计算,并与解析解进行对比验证;计算隧洞围岩开挖边界和衬砌内外边界的切向正应力以及围岩与衬砌之间的接触应力;讨论在不同侧压力系数、位移释放系数和内水压力下围岩与衬砌的应力分布规律。结果显示:解析解与数值解吻合较好;位移释放系数和内水压力对衬砌及围岩的应力分布影响显著,当位移释放系数和内水压力较大时,在衬砌内边界将出现拉应力区。研究结果为非圆形水工隧洞的围岩与衬砌的应力与位移分析提供了可行方法。     

锚喷衬砌在长距离城门洞形引水隧洞中的应用

对于城门洞形隧洞衬砌计算,目前均采用《水工隧洞设计规范》规定的边值数值解法,或通过隧洞衬砌计算软件SDCAD计算。该方法对于小断面城门洞形隧洞,按照边值法计算后,即使围岩条件较好的洞段采用钢筋混凝土衬砌,仍需采用双层配筋,对长距离引水工程来说,投资较大。因此,通过ANSYS有限元法和边值数值解法进行对比计算分析,对于小断面城门洞形隧洞衬砌进行优化,以集安供水工程为例,主要论证Ⅱ、Ⅲ类围岩采用锚喷衬砌的可行性,有效节省投资。     

引水隧洞地震响应分析和抗震措施探讨

采用数值模拟方法,以四川某引水隧洞为例,引入1995年日本神户地震波数据,对该引水隧洞模型断面的地震响应进行了研究.利用有限元软件计算该模型在运行期遭遇地震波时的位移、应力和塑性区情况,选取隧洞衬砌轮廓关键点进行了位移分析,结果表明隧洞水平向位移峰值随着埋深的增大有减小的趋势.     

基于渗流场与应力场耦合的高压隧洞设计

将内水压力以体力的形式作用于隧洞衬砌和围岩,建立了高压隧洞内水外渗渗流场与应力场的耦合数值分析的计算模型。该计算方法较好的反映了水工高压隧洞的内水外渗后实际受力变形情况。将其应用于惠州抽水蓄能电站高压隧洞不同方案的对比计算研究,得出了一系列有意义的结论。     

高压长引水隧洞衬砌结构分析

水工引水隧洞在水利水电工程中应用广泛,采用不同的衬砌形式及配钢筋量对隧洞工程的投资与工期有着决定性的作用,进而影响到电站的经济效益与运行安全,在高水头、高埋深条件下尤为突出.基于国外某水电站工程引水隧洞设计展开研究,参照国内外相应设计规范,采用公式法、边值法、有限元法等不同方法对不同围岩类别条件下衬砌配筋进行了计算分析...     

混凝土衬砌土质隧洞抗震稳定性分析

目前混凝土衬砌隧洞抗震设计主要采用拟静力法,存在无法考虑地震动作用对衬砌隧洞的影响。为了分析混凝土衬砌后的土质隧洞动力响应,采用有限元强度折减法对某土质深埋衬砌隧洞进行了动力计算。结果表明:①在地震作用下,抗震性差的衬砌隧洞周围土体单元塑性区向45°发展,在隧洞破坏时塑性区范围不断增大,而抗震性能较好的衬砌隧洞周围土体塑性区在地震时程中变化不大。②在地震作用下,衬砌及周围土体出现应力集中现象,且随着地震时程的延长,应力集中范围逐渐增大。隧洞位移最大点出现在底拱和两拱脚位置。衬砌应力集中现象出现在顶拱和两侧拱脚处,周围土体应力集中主要分布在顶拱及底拱处。     

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。     

水工压力隧洞结构设计若干关键问题刍析

据水工压力隧洞结构与荷载特点,讨论了水工压力隧洞最小覆盖厚度、主应力大小顺序、外水荷载、钢筋混凝土衬砌轴向裂缝与限裂设计、衬砌伸缩缝间距设计与环向裂缝开展等涉及水工压力隧洞结构设计诸多复杂问题,探讨了解决上述疑难问题的计算模型与计算方法,强调为保证水工压力隧洞衬砌与围岩联合承载,应重视水工隧洞回填灌浆与高压隧洞固结灌浆.     

水工隧道衬砌地震作用力计算方法探讨

在进行水工隧道衬砌地震作用力计算时,目前采用的解析方法存在加力困难,数值计算方法对初始应力场的使用方法不严密,两种方法对围岩类别和埋深的影响考虑不充分并且计算结果相差较大。针对存在的这些问题,改进了荷载施加方式,修正了初始应力场,得到了比较满意的结果。     

考虑初期支护作用的引水隧洞衬砌结构配筋计算

我国水工高压隧洞设计规范中并未考虑围岩和初期支护的承载作用,往往使得最终的配筋量偏大,造成了不必要的浪费,并增加了施工难度。为此,结合某水电站引水隧洞,利用数值分析方法,模拟了隧洞施工全过程和初期支护的作用效果,分析了施加初期支护和不施加初期支护情况下的围岩稳定性,根据数值计算成果进行了衬砌结构配筋,并开展了裂缝开展宽度的复核。结果表明,初期支护可以明显提高围岩自身承载能力,可相应减小衬砌结构配筋量。     

高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开度计算方法评析

针对在复杂工作条件下的高压水工隧洞衬砌裂缝宽度的计算问题,基于国内外现有主要裂缝计算方法理论基础,通过研究内水压力、隧洞半径、衬砌厚度、保护层厚度、围岩抗力、混凝土抗拉强度以及衬砌配筋率等参数对衬砌裂缝开裂特性和扩展规律的影响,结合某抽水蓄能电站高压水工隧洞工程案例,开展各裂缝计算方法的综合评析。结果表明:(1)对高压水工隧洞衬砌而言,衬砌裂缝宽度主要受内水压力、围岩抗力和钢筋应力参数的影响,其中内水压力的影响最为显著;(2)由于裂缝开展规律不同,基于一般混凝土构件建立的裂缝计算方法不适用于高压水工隧洞,并且计算结果明显与实际情况差别较大;(3)弹性地基梁方法对高压水工隧洞衬砌裂缝宽度计算较为合适。     

水工压力隧洞有限元模型简化算法

 水工压力隧洞结构复杂，进行有限元分析时其前后处理及计算的工作量巨大，因此寻求一种有效的简化算法尤为重要。水工压力隧洞在受内水压力作用时，衬砌将压力部分传递给围岩，同时受到围岩的被动抗力。在进行有限元分析时，主要关注的是压力隧洞衬砌及其外围一定范围内围岩的应力和变形情况。对于均质连续岩体，通过模拟围岩抗力，可以仅取衬砌及其附近围岩作为分析对象，将水工压力隧洞应力分析转化为受内、外压的厚壁圆筒。从而仅对厚壁圆筒划分有限元网格，大大减少了前后处理和计算的工作量。     

高外水压力下深埋隧洞衬砌与围岩联合承载设计研究

在深埋隧洞的设计中,高外水压力常常成为制约隧洞结构设计的关键因素。本文结合新疆某深埋隧洞工程,秉承衬砌与围岩联合承载的设计理念,考虑固结灌浆对围岩的加固及堵水作用,对比分析了灌浆圈厚度、渗透系数及排水孔深度和布置对外水压力的影响。同时,通过有限元方法模拟固结灌浆圈与衬砌间的接触粘结作用关系,从接触粘结强度的影响机制出发,分析了高外水条件下隧洞衬砌、固结灌浆圈、原状围岩之间的传力性能,得到了不同粘结强度下隧洞支护结构的承载状态,并据此实现了对隧洞衬砌—围岩系统联合承载能力的评价,从而完善和优化了支护设计。     

瀑布沟水电站泄洪洞地震动力分析

采用有限元分析方法，分析计算了地震波作用下瀑布沟电站泄洪洞出口段2—2剖面岩体与衬砌结构的变形、应力及加速度特性，计算表明，地震作用下动破坏区及衬砌内偏压现象均有显著增加。依据其动力破坏区发展深度．提出了抗震加固处理措施。     

引汉济渭工程黄三段输水隧洞围岩变形与压力分析

以分析深埋长隧洞围岩应力和应变为目标,考虑隧洞施工方式,围岩支护形式等因素,通过数值计算,动态模拟隧洞施工过程,获取了黄三段输水隧洞初期支护后的围岩变形情况以及围岩与衬砌相互作用关系。计算结果显示:采用设计的初期支护形式,可有效控制不良洞段的围岩变形,Ⅳ、Ⅴ类围岩最大收敛变形满足规范设计要求。Ⅳ、Ⅴ类围岩与衬砌间的相互作用力随衬砌浇筑时距掌子面距离的增加而降低,但在距掌子面约4倍洞径后降幅微小。通过对比分析经验方法与数值方法所确定围岩压力成果,确定了衬砌结构设计所需的围岩压力指标,为黄三段输水隧洞设计提供了依据,分析方法可为相似工程提供参考。     

排水结构设置后软岩隧洞的渗流-应力耦合分析

高外水作用下,深埋软岩隧洞围岩-支护结构安全将受到极大挑战。为了降低高外水压对软岩隧洞围岩-支护体系的影响,较常见的工程处理措施为在隧洞周围布置排水结构,以降低洞周外水压力。笔者首先提出了一种简便的隧洞围岩-衬砌结构渗流-应力分析思路。然后,以某过断层带深埋软岩隧洞为研究对象,通过开展隧洞施工期、运行期渗流-应力耦合分析,研究了软岩隧洞排水结构的排水效应。研究发现,在注浆圈和排水结构的综合作用下,隧洞衬砌附近的水力比降较小,注浆圈水力比降较大,使注浆圈承担绝大部分外水荷载,而衬砌承担少部分外水荷载;在软岩和衬砌的变形协调作用下,最终形成注浆圈与衬砌的协同承载效应,有效提高了隧洞的运行安全水平。