TBM引水隧洞衬砌管片形式研究

管片衬砌是TBM引水隧洞的主要装配构件,其管片形式是决定衬砌结构安全与TBM隧洞推进速度的关键因素。结合某TBM压力引水隧洞,采用不同的管片形式,建立三维数值计算模型,针对常用的矩形管片衬砌与新型平行四边形管片衬砌,对比分析了典型工况（运行期、检修期）下管片衬砌的应力、管片接缝状态与连接螺杆应力等。结果表明,矩形管片衬砌的环向应力沿水流向的分布更均匀且峰值较小;运行期,平行四边形管片衬砌在接缝处的张开位移和螺杆应力分布更均匀且峰值较小;检修期,平行四边形管片间的接触压力与螺杆应力均较大。由于管片接缝位置的张开位移值安全裕度较大,可优先选取整体结构稳定性较高的矩形管片,在满足衬砌应力不超过混凝土设计强度允许值时,可选择施工进度更快的平行四边形管片。研究结果为TBM隧洞衬砌施工提供了指导。     

海洋土地基核电厂盾构排水隧洞地震响应研究

以某核电站的取排水工程为例,将典型核电地震波RG1.60谱人工波作为地震荷载,采用等价线性 法对海洋土地基地下隧洞进行了平面有限元地震响应分析,通过计算总结了穿越不同的海洋土土质条件 、不同埋深、管片接缝刚度、管片厚度及竖向地震对隧洞的衬砌受力与变形的影响,获得了此类盾构隧 洞的动力响应特性规律,为隧洞抗震分析提供了参考依据。     

欠挖条件下导流隧洞衬砌结构应力应变分析

针对功果桥水电站导流隧洞欠挖情况,根据进口段欠挖典型断面建立了数值仿真分析模型,比较了不同欠挖程度下衬砌结构的受力特征,分析了衬砌和围岩间粘结强度对衬砌结构的影响,并采用内力法对衬砌内的配筋进行了复核。结果表明,随欠挖程度的增加,衬砌实际厚度减小;在外水压力作用下,衬砌变形逐渐增大,应力也随之增加,衬砌安全度逐渐减小;在衬砌与围岩间粘结强度为0.4MPa,且欠挖深度在衬砌厚度的40%(欠挖92cm)及其以上时,衬砌结构的安全将得不到保证;同时衬砌与围岩间粘结强度对边墙和底板的变形和应力影响较大,而对顶拱位置影响较小。     

大型导流隧洞衬砌结构与围岩稳定研究

导流隧洞广泛应用于工程建设中,钢筋混凝土衬砌支护也是目前导流隧洞的主要支护方式。采用非线性有限元分析方法,对某水电站导流隧洞洞身特征断面进行了计算,并引入了点点接触单元,对在内水作用下围岩和钢筋混凝土衬砌之间存在初始缝隙时的联合承载特性进行了分析;引入了接缝单元,对围岩与钢筋混凝土衬砌接触部分在外水作用下的工作特性进行模拟,分析了衬砌与围岩接触面强度对衬砌应力的影响,研究结果对其他导流隧洞衬砌结构设计和施工具有一定的指导意义。     

大断面隧洞上穿既有隧洞结构安全分析

为分析丽水机场沙溪排水隧洞上穿既有玉溪引水隧洞工程可能造成的影响,采用有限元模拟法,综合考虑了大断面隧洞开挖引起的围岩应力重分布和爆破振动影响,研究了新建大断面隧洞自身的围岩受力和变形特征,及新建隧洞开挖、爆破施工引起的既有隧洞衬砌受力变形及动力响应。结果表明,在完成开挖后,新建排水隧洞的最大位移发生在拱顶处,围岩及衬砌结构受力变形满足设计要求;既有隧洞沿竖向发生隆起变形,最大隆起量为6.3mm,横向拱腰处发生向内的水平位移,最大水平位移为0.76mm,最大值均发生在隧洞交叉点处;既有隧洞衬砌结构最大压应力为30MPa,无拉应力,满足衬砌结构抗压和抗拉强度要求;新建隧洞爆破施工导致既有隧洞的最大质点振动速度满足爆破安全规程规定,说明新建大断面隧洞采用分层分块小断面控制爆破施工技术可有效控制爆破施工对临近结构的影响。     

基于遗传算法的深埋隧洞外水压力反分析

外水压力是富水区深埋隧洞衬砌结构承受的主要荷载,其取值的准确性直接关系到隧洞设计与施工的安全,根据西南某工程的钢筋应力等监测数据,基于遗传算法,利用FORTRAN语言对通用有限元软件ABAQUS进行了二次开发,编写了遗传算法及其与ABAQUS的接口程序,对引水隧洞衬砌结构承受的外水压力进行了反演分析,得到了外水压力取值,并与实际地勘资料提供的数据进行比较。结果表明,实测值与反演值相近,且均小于正演值,安全性能够得到保证,说明原有计算模型的外水压力初值具有一定的合理性。可见遗传算法用于隧洞的外水压力反演是可行的。     

水工有压隧洞单双筋衬砌结构弹性应力分析

根据弹性力学理论分别推导了裂缝贯穿衬砌后水工有压隧洞单双筋衬砌结构在不同内水压力下的结构应力计算公式,给出了开裂半径与内水压力的关系式并对完成的大比尺试验模型进行了理论计算.由计算结果发现,裂缝贯穿村砌后内水压力主要由围岩和衬砌内的环向钢筋承担,且在内水压力下单双筋衬砌结构的钢筋应力、围岩应力及开裂半径差异不大,表明衬砌内环向钢筋的主要作用是限制衬砌裂缝开度、确保衬砌完整性.围岩为主要承裁体.在水工有压隧洞衬砌结构中,在确保裂缝宽度下配王单层钢筋更为经济.     

温度变化对小浪底水库排沙洞无粘结预应力衬砌结构应力状态的影响

小浪底排沙洞是我国第一个采用无粘结预应力混凝土衬砌结构的高压水工隧洞,结合工程运行过程中的观测数据,对温度作用下混凝土应变计的应变变化规律和基于应变监测数据的温度应力计算方法进行了探讨,分析了温度变化对预应力衬砌结构应力状态的影响。结果表明,温度变化对衬砌结构的应力状态会产生比较大的影响,当温度升高时,衬砌中的温度压应力也随之增大;且温度相同时衬砌内侧受到的影响更大。     

压力隧洞钢筋混凝土衬砌开裂数值模拟研究

立足于直接求解压力隧洞设计所关注的衬砌裂缝条数和裂缝宽度,同时考虑混凝土衬砌的开裂、钢筋的作用、钢筋与混凝土间的粘结滑移以及围岩的作用,建立了压力隧洞钢筋混凝土衬砌开裂的数值模型,并编制了相应的计算程序。采用该计算程序对压力隧洞钢筋混凝土衬砌开裂问题进行数值模拟研究,分析了钢筋量、围岩条件对裂缝条数和裂缝宽度的影响,并着重与现行规范进行对比分析。结果表明,所建模型能反映压力隧洞钢筋混凝土衬砌作为地下结构的受力特性;围岩条件对裂缝条数和宽度均有明显影响;压力隧洞钢筋混凝土衬砌限裂的关键在于改善围岩条件,不宜盲目加大钢筋量。该研究结果对压力隧洞工程实践具有一定的指导价值。     

立洲水电站运行期调压井应力应变分析

为了解立洲水电站调压井应力应变情况,采用三维弹塑性损伤有限元法计算了正常运行工况、检修工况时的调压井同一高程处、不同高程处的应力应变数值,发现正常运行工况时的应力应变幅度大于检修工况。同一高程处调压井周边最大主应力为压应力,最大主应力值基本相等,呈对称均匀分布状态;随着高程的降低,调压井上游侧的最大主应力呈增大趋势,且在高程2 025～2 125m处检修工况下的最大主应力大于正常运行工况。在正常运行工况时同一高程处调压室周边最小主应力为拉应力,在检修工况时井筒中下部为拉应力、上部则为压应力,最小主应力值基本相等,呈对称均匀分布状态;随着调压井高程的降低,调压井上游侧的最小主应力呈增大趋势,检修工况下的最小主应力变幅极小。阻抗板上部应力分布较为复杂。同一高程井筒周围各点水平向位移量、沉降量基本相同,随着高程的降低水平位移量、沉降量逐渐增大,但检修工况下的水平位移及沉降变幅很小。计算结果表明,调压井外水压力对调压井衬砌结构的应力、变形影响均小于内水压力作用工况,因此在进行调压井配筋设计时应将内水压力作用下的正常运行工况作为控制工况。     

内水外渗作用下有压管道衬砌渗透损伤耦合分析

为研究内水外渗作用下有压管道混凝土衬砌渗透损伤规律,基于弹塑性损伤有限元理论,建立了损伤度与渗透率的匹配关系,采用增量变塑性损伤刚度迭代方法,模拟了水工隧洞充水运行过程中,混凝土衬砌在渗流-损伤-应力耦合作用下的损伤过程,并对衬砌与围岩的承载比例及受力变形特征进行了分析。工程应用结果表明,混凝土衬砌损伤系数沿衬砌厚度由内而外线性减小,损伤开裂减小了衬砌的水力梯度,改善了衬砌的受力条件;洞周锚杆系统发挥自身刚度作用加固围岩,且承担内水外渗的体积荷载,提高了衬砌和围岩联合承载能力;固结灌浆对提高围岩承担内水荷载及防渗能力起主要作用。     

水工隧洞素混凝土衬砌开裂过程弹性分析

根据弹性力学理论推导了水工有压隧洞素混凝土衬砌开裂时内水压力公式,给出了开裂半径与内水压力关系式,分析了素混凝土衬砌在不同开裂阶段时的结构应力.由计算结果发现,一旦开裂裂缝就会很快贯穿衬砌,裂缝贯穿衬砌前内水压力主要由衬砌承担.     

透水理论在新疆某高压隧洞混凝土衬砌结构设计中的应用

鉴于在高水头作用下,采用面力理论设计高压混凝土衬砌结构时存在衬砌厚度过大、含筋率超标严重的问题,以体积力的形式将内水压力施加于混凝土衬砌和围岩,通过建立透水衬砌理论数值计算模型,分析混凝土衬砌的应力应变关系,并按照规范进行限裂配筋。将该方法应用于新疆某水电站发电洞衬砌设计中,并与面力理论的计算结果进行对比,发现采用透水衬砌理论设计高压隧洞的混凝土的配筋量明显减小,降低了工程投入成本。     

基于ANSYS的水工压力隧洞配筋计算研究

利用有限元法模拟江坪河水电站引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构的应力分布,通过ANSYS面操作技术运用高斯积分原理求得衬砌结构内力分布,从而计算衬砌结构配筋量.计算结果与传统的结构力学配筋法计算结果基本吻合,可为同类工程提供参考.     

银盘水电站预应力蜗壳结构设计

银盘水电站厂房蜗壳为梯形断面,进口尺寸和最大内水压力较高,混凝土防裂问题突出。依据传统设计思路,若设置钢衬会增加投资、加长工期;若采用常规混凝土结构则会增加配筋量、增大施工难度。经多方案经济技术对比及大量数值仿真分析,采用预应力混凝土蜗壳结构方案及开敞式止水等工程措施,解决了混凝土蜗壳的防渗限裂难题。银盘水电站蜗壳结构运行期监测结果表明,采用该设计方案的机组运行情况良好,研究结果可为同类工程蜗壳结构设计提供参考。     

钢衬壁厚对抽蓄电站围岩内水压力分担率的影响

根据实际工程需要,采用FLAC3D数值模拟软件通过改变钢衬壁厚,分析了不同设计内水压力组合条件下,钢衬、混凝土垫层和围岩的位移和变形特征及钢衬环向拉应力,研究了引水钢衬壁厚对围岩内水压力分担率的影响。结果表明,随着壁厚增大,虽可相应减少钢衬径向位移和环向拉应力,但减幅小,效果不显著;随着壁厚变小,钢衬径向位移变大,根据变形协调,有助于荷载传递,提高了围岩分担率,有利于"钢衬-垫层-围岩"联合承载;在满足抗外压稳定验算、焊接工艺和施工安装前提下,壁厚可较大幅减小。研究成果不仅有利于减少不必要的投资,还有利于降低硐室钢衬运输安装等施工难度,可供类似工程设计参考。     

Fracture response of pipelines subject to large plastic deformation under bending

Demand for long-distance offshore pipelines is steadily increasing. High internal pressure combined with bending/tension, accompanied by large plastic strains, along with the potential flaws in girth welds make the structural integrity of pipelines a formidable challenge. The existing procedures for the fracture assessment of pipelines are based on simplified analytical methods, and these are derived for a load-based approach. Hence, application to surface cracked pipes under large deformation is doubtful. The aim of this paper is to understand and identify various parameters that influence the fracture response of cracks in pipelines under more realistic loading conditions. The evolution of CTOD of a pipeline segment with an external circumferential surface crack is investigated under pure bend loading as well as bending with internal pressure. Detailed 3D elastic–plastic finite element simulations are performed. The effects of crack depth, crack length, radius-to-thickness ratio and material hardening on fracture response are examined. The results show that at moderate levels of CTOD, the allowable moment capacity of the pipe decreases significantly with increase in internal pressure. Further, the variation of CTOD with strain can be well approximated by a simple linear relationship.