压力隧洞衬砌结构型式选择准则

为了从渗透角度给出压力隧洞衬砌结构型式的选择准则,采用渗流-应力-开裂耦合分析模型,进行一系列组合工况下的压力隧洞内水外渗分析,计算得到在不同工况下不同内水压力时的压力隧洞综合透水率.以综合透水率作为判断隧洞是否渗透破坏的标准,建立破坏内水压力与围岩综合抗渗指标的关系,拟合出不同容许吕荣值对应的破坏内水压力与围岩综合抗渗指标的关系曲线,作为钢筋混凝土衬砌与钢板衬砌以及不衬砌与钢筋混凝土衬砌的分界线.研究结果表明,当围岩综合抗渗指标<25时,必须采用钢筋混凝土或钢板衬砌;当围岩综合抗渗指标较大时,对低水头电站压力隧洞可不衬砌.     

有压引水隧洞内水外渗作用研究

基于Biot固结理论,对统一域混合模型进行改进,考虑了结构面的法向渗透特性,对高压内水外渗进行了渗流场-应力场耦合计算,以衬砌上钢筋应力变化为代表,反映内水外渗耦合计算分析下的结构应力状态的变化.并以衬砌上的微裂缝宽度、围岩渗透系数、岩体结构面的产状为影响因素,以衬砌外沿最大孔隙水压为系统特性,进行了敏感性研究.结果表明,高压内水外渗耦合计算分析步中钢筋拉应力变小;衬砌微裂缝的宽度是影响衬砌外沿最大孔隙水压的主要因素,围岩渗透系数为次要因素,结构面的产状对其影响最小,但是对孔隙水压的分布影响较大.     

导流隧洞外水压力与施工冷缝的影响分析

采用有限单元法代替传统的综合折减系数法,对某导流隧洞的渗透水压力进行了计算分析.计算表明对于完整衬砌结构,当围岩渗透系数远大于衬砌渗透系数时(1000倍以上),隧洞对山体地下水位的影响甚小,外水压力折减系数可以达到0.87以上,当围岩渗透系数与衬砌渗透系数相当时(1~10倍),隧洞对山体地下水位有较大扰动,外水压力折减系数在0.3以下.同时计算表明衬砌施工冷缝张开时排水效果显著,能显著降低隧洞周边的渗透水压力,但造成局部渗透水压力梯度明显增大.     

基于黏结单元力学参数随机赋值的压力隧洞衬砌水力劈裂分析

压力隧洞衬砌水力开裂的随机性威胁深埋压力隧洞的安全运行。为准确模拟内水压作用下压力隧洞衬砌的随机水力劈裂过程,将混凝土衬砌视为两相介质,借助商业软件ABAQUS与MATLAB,结合用户材料子程序二次开发,基于黏结单元力学参数的随机赋值理论,建立压力隧洞衬砌内水外渗下的随机水力劈裂模型。首先,借助ABAQUS用户材料子程序二次开发,改进传统孔压黏结单元本构关系;利用改进的孔压黏结单元模拟衬砌中的初始缺陷等弱相,采用Weibull分布描述弱相力学参数的随机性;利用实体孔压单元模拟衬砌强相,强相材料参数取混凝土力学参数均值;内水压力按体力施加,建立压力隧洞衬砌渗流–应力–劈裂耦合分析模型;利用MATLAB对模型前处理与后处理。以某大型物理模型试验为例,采用本文模型进行压力隧洞衬砌的水力劈裂全过程模拟。结果表明:压力隧洞衬砌在高内水压下,不可避免发生开裂,出现内水外渗;衬砌裂缝分布稀疏,具有一定随机性;衬砌开裂部位钢筋应力先增长后回缩,与内水压力关系密切,内水外渗改善衬砌受力状况;提出的模型较好地模拟了压力隧洞衬砌在内水压作用下的随机水力劈裂特征、裂缝分布,且钢筋应力计算结果与模型试验实测结果吻合较好,为压力隧洞衬砌水力劈裂分析提供了一种可靠的方法。     

高压隧洞透水衬砌结构研究

基于水荷载的面力和体力作用理论,建立轴对称计算模型,推导了考虑混凝土开裂特征与围岩开挖松动圈影响的相关计算公式,并编制了对应的计算程序,在此基础上实现了基于通用有限元计算平台的透水衬砌计算仿真分析.计算结果表明:采用体力理论时,钢筋应力和裂缝宽度均明显小于面力理论,围岩承担了绝大部分的水压力,充分体现了围岩是隧洞内水压力承载主体的设计理念,对于隧洞局部围岩条件较差区域仅通过增大钢筋用量不能有效控制隧洞的渗透流量,建议对衬砌外围软弱岩体进行局部置换.     

压力隧洞内水外渗的渗流-应力-开裂耦合分析

针对压力隧洞内水外渗分析缺乏完善的渗流-应力-开裂耦合分析模型的现状,基于传统的黏结裂缝模型,提出了能进行渗流分析的黏结裂缝单元模型.应用Biot固结理论和内水荷载施加的体力理论,建立了压力隧洞内水外渗的渗流-应力-开裂耦合分析模型.选择典型的圆形断面压力隧洞进行了内水外渗的渗流-应力-开裂耦合模拟分析.计算结果与实测资料的定性对比表明,该模型是合理可行的,可用于压力隧洞内水外渗的渗流-应力-开裂耦合分析.     

深埋输水隧洞断层破碎带衬砌外水压力三维数值模拟研究

深埋输水隧洞常承受较高外水压力,可能导致衬砌结构破坏与外水内渗情况,隧洞衬砌结构设计中考虑高外水压力作用的影响至关重要。建立了灌浆圈-衬砌界面的应力渗流耦合接触界面模型,探讨了灌浆圈厚度、灌浆圈渗透系数和排水孔入岩深度对外水压力的影响规律。结果表明：灌浆圈的厚度增大时,衬砌承受的外水压力减小;灌浆圈渗透系数对外水压力的影响较小;当排水孔入岩深度增大时,衬砌承受的外水压力减小。研究结果可为深埋输水隧洞灌浆圈、排水孔的设计提供优化方案。     

轴对称解析解对马蹄形隧道衬砌水压力及渗透量适用性研究

为简化马蹄形隧道衬砌水压力及渗透量的计算方法,基于轴对称解析解与等效周长法,求得不同衬砌渗透系数、注浆半径和衬砌厚度的衬砌水压力与渗透量,并与FLAC3D数值模拟同等条件下相应工况的衬砌水压力与渗透量进行对比.研究表明:轴对称解析解简化马蹄形断面计算隧道衬砌水压力及渗透量的结果与数值模拟结果误差为7.7%,可以将其应用于工程中;3种工况下,最不利位置均位于拱腰;衬砌渗透系数减小与衬砌厚度增大,衬砌安全系数均在增大,而注浆半径的增大对衬砌安全系数无明显影响;衬砌渗透系数减小,衬砌水压力增大,渗透量减小,注浆半径增大与衬砌厚度增大,衬砌水压力与渗透量均减小.     

沙湾隧洞数学仿真模型分析及开挖方式研究

通过对沙湾地下隧洞工程的数学仿真模型的分析,以Ⅳ类围岩典型断面为例,计算围岩位移、围岩应力、衬砌及锚杆应力等,分析不同开挖方式对隧洞围岩稳定性的影响,探讨优选隧洞的支护及开挖方式,验证设计方案的合理性。     

小浪底工程高标号隧洞衬砌混凝土温控标准分析

混凝土设计标号采用圆柱坐标差分法 ,对小浪底工程隧洞衬砌混凝土施工期的温度及温度应力进行了分析 ,利用前后时段的温差 ,计算各时段混凝土温度自生应力及混凝土和围岩在接触面径向变位相容的约束应力 ,叠加计算温度弹性应力 ,由当量松弛系数法计算温度徐变应力 .确定了不同混凝土等级、不同衬砌厚度的温控标准和衬砌分段长度 .与实测资料对比 ,计算温度与实测温度接近     

岩石隧道渗流模型试验相似材料的研制及应用

为提高岩石隧道渗流场分析的合理性,通过大量以控制渗透系数为核心的配比试验,提出适用于岩石隧道渗流模型试验的围岩、注浆圈及初衬等新型相似材料及其原料配比.试验以黏土、细砂和玻璃纤维为原料配制围岩相似材料,以水泥和炭渣配制注浆圈相似材料,由多层编织土工布模拟初衬相似材料.结果表明:随细砂含量加大,围岩相似材料渗透系数呈非线性增长,稳定性逐渐降低,改变玻璃纤维的含量对其渗透系数影响不明显;注浆圈相似材料渗透系数值随炭渣含量增加近于线性增长,2.5 m水头下的试验值较1.35 m水头时更大;随着编织土工布叠加层数增加,初衬相似材料平均渗透系数呈快速减小并逐渐收敛的趋势,且单次渗透系数测试结果也趋于稳定;相同隧道排水量时,二衬外拱底处水压力远大于拱顶,逐步减小隧道排水量后,拱顶水压力值上升幅度大于拱底,调水阀接近闭合时,拱顶和拱底位置的水压力接近初始水压力.研制的相似材料工作性能稳定,并成功应用于工程渗流试验中.     

半无限平面含注浆圈深埋隧道渗流场解析研究

基于复变函数和渗流力学理论,采用保角变换将半无限平面围岩渗流场解析问题转化为二维圆环域的Laplace方程求解问题.根据边界条件和流量连续条件,对围岩、衬砌及注浆圈的渗流场进行联立求解,推导出半无限平面含注浆圈深埋隧道渗流场解析解.通过与镜像法解析解及数值解进行对比,验证了该解析解的可靠性.运用该解析解分析含注浆圈深埋隧道渗流场对注浆参数变化的敏感性,结果表明： 注浆参数变量可通过与注浆圈渗透系数负相关,与注浆圈厚度正相关的无量纲影响因子统一表示;隧道渗流量、衬砌外水头以及渗流场敏感性随着注浆参数影响因子的增大而减小;随着衬砌渗透系数减小,衬砌厚度增大,隧道渗流场对注浆参数变化的敏感性减弱,而隧道埋深与断面尺寸的变化则对其影响很小.     

水工隧洞检修期衬砌与围岩联合承载作用机理

衬砌与围岩是水工隧洞的主要组成部分,外水压力是其承担的主要荷载之一.结合某水电站工程实例,建立其发电引水隧洞的有限元数值分析模型,针对衬砌与围岩有条件联合承载作用特征,对衬砌外围岩变形模量进行折减以反映围岩的作用,并引入具有一定抗拉强度的薄层单元量化反映衬砌与围岩有条件联合承载能力.结果表明:与衬砌完全单独承载外水压力计算结果相比,围岩在承担外水压力中的作用不容忽视,且随着外围岩体变形模量的增加,其所分担的外水压力越大;采用薄层单元量化后,衬砌与围岩的联合承载机理更为明确,薄层单元开裂前,围岩承担外水压力较多,薄层单元开裂后,衬砌承担外水压力较多,因而要确保回填灌浆和固结灌浆质量,以提高衬砌与围岩联合承载能力.     

注浆、衬砌作用下非线性渗流隧洞弹塑性解

为探求深埋隧洞在非线性渗流条件下围岩-注浆圈-衬砌体系的力学行为,引入Izbash非线性渗流模型,给出了围岩-注浆圈-衬砌体系的水头分布,基于统一强度理论,考虑塑性区可能的分布位置,在注浆、衬砌支护作用下对隧洞位移、应力和塑性区半径进行了理论推导.通过算例将理论解与数值解对比分析,验证了研究方法的可靠性,并进一步探讨了...     

输水隧道流-固耦合地震反应研究

目的为了研究在考虑介质的辐射阻尼的情况下，穿越软土地区的浅埋大管径输水隧道在内水作用下。其水体晃动、阻尼系数、地震激励方向、内水压力、围岩种类、围岩和衬砌的非线性以及衬砌的厚度对衬砌的地震响应的影响．方法根据流固耦合原理建立内水-衬砌-围岩三者的运动方程。以一穿越河底的输水隧道为例，采用三维流固耦合有限元程序对其进行地震反应分析．其中管内水体采用基于势的流体单元．结果经分析得出其中水体晃动、地震激励方向、高内水压力、围岩种类，围岩非线性及衬砌的厚度都对衬砌的地震响应的影响很大．结论采用有限元理论分析了对衬砌的地震响应有影响的几个因素，为工程设计与施工提供了可靠的理论依据．     

深埋式中心水沟排水隧道渗流场解析研究

以镜像法和渗流力学理论为基础,推导半无限平面内深埋式中心水沟排水隧道渗流场及涌水量的解析解.依托深埋式中心水沟排水隧道工程实例,应用FLAC3D有限差分软件建立数值模型,从隧道涌水量、衬砌水压力两方面验证所得解析解的正确性,探究隧道水下埋深、围岩渗透性对衬砌水压力的影响规律.研究结果表明,深埋式中心水沟涌水量大、有效排导能力强,是隧道排水体系的主要排水路径,也是控制隧底水压力的关键;即使在隧道水下埋深较大或围岩渗透性较好的情况下,深埋式中心水沟排水方式仍可以有效降低衬砌水压力,控制隧底水压力,减少因隧底水压力过大导致的病害的发生.     

输水隧道二维地震反应分析

为研究软土中的浅埋输水隧道由于内部水体的作用使其动力特性与一般的交通隧道有所不同.在考虑介质的辐射阻尼的情况下,采用流-固耦合的分析方法分析一穿越河底的大管径输水隧道二维平面应变的地震反应,同时讨论其水体晃动、阻尼系数、内水压力、围岩种类、围岩的不均质分布、围岩和衬砌的非线性及衬砌的厚度对衬砌的地震响应的影响.结果表明:在满水且无内水压力的情况下,流体对隧道衬砌的地震反应影响不是很大;但其水体晃动、辐射阻尼、内水压力、围岩种类、围岩的不均质分布和围岩非线性及衬砌的厚度,对衬砌的地震反应有很大的影响;并且随着内水压力的增加,其地震反应趋于剧烈.     

富水区隧道渗流场解析解及合理支护参数

以复势函数和地下水力学理论为基础,引入双极坐标描述等势线,推导由围岩、注浆圈和初期支护组成的富水地区隧道渗流场解析解,获得隧道注浆前后初期支护外水头的水头差公式. 通过与保角变换法、镜像法和数值模拟计算结果对比,验证所提解析方法的合理性. 通过研究隧道注浆圈、初期支护的渗流参数与初期支护外水头、渗水量及水头差的关系,提出隧道结构合理渗流参数的确定方法. 结果表明：减小初期支护渗透系数或增大初期支护厚度都可致渗水量减小且水头增大;水头差随初期支护渗透系数或厚度增大先增大后减小,当水头差处于峰值时,注浆圈能发挥较大的作用,初期支护外水头可以降至全水头的30%±6%.     

基于PFC-FLUENT联合开展岩体水力劈裂细观机理分析

为研究岩体水力劈裂的致灾过程,揭示水力劈裂细观机理,采用VB编译平台,实现PFC、SURFER、GAMBIT、FLUENT商业软件的调用,并依托FORTRAN编译子程序实现软件间数据信息交换及特定功能,完成岩体水力劈裂三维分析平台的构建。随后,利用该平台建立与文献中相同的岩体水力劈裂圆筒模型,并与试验结果比对,验证了该平台研究岩体水力劈裂的可行性。最终,以某一输水隧洞为例,依托该平台开展输水隧洞裂纹扩展研究,分析高内水压下围岩裂隙萌生、扩张、延伸、贯通的破坏过程。结果表明:该平台能较精细地揭示隧洞衬砌水力劈裂过程并动态获取相应裂隙流场分布特征,针对该隧洞模型,衬砌外围岩压力大于0.6 MPa时方能确保当前高压内水作用下隧洞衬砌安全。