压力隧洞高效预应力混凝土衬砌的设计与应用

概括介绍了高效预应力混凝土技术在国内外压力隧洞衬砌中的应用状况,借鉴多个工程的成功经验,提出了压力隧洞高效预应力混凝土衬砌的荷载及其效应组合、设计原则和计算方法,供相关工程设计参考.     

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。     

压力隧洞渗透稳定的参数敏感性分析

为了研究压力隧洞渗透稳定性与围岩变模、围岩渗透系数、地应力、衬砌类型及厚度等的关系,建立了压力隧洞内水外渗的渗流-应力-开裂耦合计算模型,拟定了不同围岩渗透系数、不同围岩变模、不同初始地应力、不同衬砌类型及厚度等组合的一系列工况,运用上述计算模型对压力隧洞内水外渗进行了计算.根据计算结果,以隧洞综合透水率和破坏内水压力为渗透稳定性指标,对围岩渗透性、围岩变模、地应力及侧压力系数、衬砌是否配筋、衬砌厚度等影响因素进行了参数敏感性分析,给出了各参数对压力隧洞综合透水率及破坏内水压力的影响程度.研究成果可为压力隧洞设计,尤其是衬砌型式选择提供参考依据.     

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.     

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。     

园形压力隧洞的计算

本文在考虑围岩和衬砌变形协调的基础上,同时考虑到围岩内结构力对衬砌应力的影响,衬砌裂缝的扩展(向围岩内),以及衬砌裂缝部分和未裂缝部分的工作特点等因素,分别探讨了园形无衬砌隧洞,有混凝土衬砌的隧洞和有钢筋混凝衬砌的隧洞的计算方法,对目前设计中所沿用的园形压力隧洞的计算方法作了改进。     

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.     

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.     

水工隧洞在内水压力作用下按限制裂缝宽度的计算方法

目前,不少水利水电工程中对水工隧洞的设计一般都采用了限制裂缝开展宽度的计算,为国家节约了大量的资金和钢材。但是所采用的计算方法很不一致。本文对限裂设计提出一个简单的计算方法。钢筋混凝土衬砌的有压水工隧洞,在内水压力不断上升过程中,当衬砌的切向应力接近混凝土抗拉强度平均值 Ri 时,在某一最薄弱的地方即发生第一条裂缝。此时的内水压力为P_1。     

衬砌压力隧洞的弹塑性分析

基于岩体应变非线性软化本构模型,考虑中间主应力的影响,对衬砌圆形压力隧洞在等压荷载下进行弹塑性分析,对弹塑性边界位置在衬砌范围内和围岩范围内分别进行了讨论,指出根据弹塑性边界位置的不同应采用不同的计算公式,并得到了由隧洞开挖卸荷引起的、围岩开始屈服时的极限压力以及内压力作用下分别使衬砌、围岩开始屈服时的极限压力。     

圆形有压隧洞钢筋混凝土衬砌预留人工缝的防渗漏设计方法研究

通过理论阐述和有限元计算分析，研究了有压圆形隧洞钢筋混凝土衬砌一种新的防渗漏设计方法，即预留人工缝的防渗漏设计法，并根据分析结果提出了设计建议。这种新的设计方法不但能够达到工程中防渗漏设计要求，同时能够节约钢筋和混凝土的用量、施工方便、缩短工期     

地下水工隧洞围岩及钢筋混凝土岔管结构数值分析

随着高山峡谷地区大型水电工程的兴建,深埋地下水工隧洞的围岩稳定和内外水压力作用下衬砌应力变形等成为重点关注问题。从围岩开挖支护、围岩衬砌相互作用和钢筋混凝土有限元模拟等方面建立钢筋混凝土岔管段数值分析模型,以蒲石河抽水蓄能电站尾水岔管为例,分析了围岩的应力、变形问题以及混凝土岔管结构配筋和配筋后应力、裂缝开展等问题。围岩分析计算结果表明：在主、岔洞交叉处会产生拉应力,塑性区开展较深,同时主洞靠近岔洞侧和尾水支洞的两侧岩体塑性区也有较大的开展。岔管结构分析计算结果表明：正常运行工况在内水压力作用下岔管结构大部分区域存在拉应力,裂缝较大;检修工况在外水压力作用下仅在主、岔管交叉处存在拉应力区,裂缝较小。     

Durability of lining concrete of subsea tunnel under combined action of freeze-thaw cycle and carbonation

Through the fast freeze-thaw cycle test,accelerated carbonation test,and natural carbonation test,the durability performance of lining concrete under combined action of freeze-thaw cycle and carbonation were studied.The experimental results indicate that freeze-thaw cycle apparently accelerates the process of concrete carbonation and carbonation deteriorates the freeze resistance of concrete.Under the combined action of freeze-thaw cycle and carbonation,the durability of lining concrete decreases.The carbonation depth of lining concrete at tunnel openings under freeze-thaw cycles and tunnel condition was predicted.For the high performance concrete with proposed mix ratio,the lining concrete tends to be unsafe because predicted carbonation depth exceeds the thickness of reinforced concrete protective coating.Adopting other measurements simultaneously to improve the durability of lining concrete at the tunnel openings is essential.     

隧道衬砌检测探地雷达图像分析与工程应用

为了提高隧道病害检测人员对于隧道衬砌病害的识别准确度,基于探地雷达工作原理,结合实际工程应用经验,系统研究衬砌厚度、钢筋及钢拱架分布情况、保护层厚度、围岩破碎富水裂隙发育程度、脱空、不密实、雷达脱离等雷达图像特征及其解译原理,形成一种用于隧道衬砌病害检测的高效探地雷达信号解译方法,并结合实际工程案例进行了分析与验证。其中钢筋在图像上呈现月牙形,脱空在图像上呈弧形反射,不密实表现为杂乱波形,天线脱离呈条带状亮反射。解译方法为隧道衬砌检测提供了参考和依据,有利于隧道病害的及时处理及隧道衬砌质量的准确评价,对提高隧道的整体质量起到重要作用。     

柘溪水电站引水隧洞衬砌在温度和使用荷载下的计算分析

采用钢筋混凝土非线性有限元方法,对湖南柘溪水电站引水隧洞衬砌在温度变化和使用荷载作用下的受力情况进行了计算分析,得出了温度变化是引起衬砌开裂的原因和衬砌结构仍具有较高承载力的结论．     

Research on Stress and Strength of High Strength Reinforced Concrete Drilling Shaft Lining in Thick Top Soils

High strength reinforced concrete drilling shaft linings have been adopted to solve the difficult problem of supporting coal drilling shafts penetrating through thick top soils. Through model experiments the stress and strength of such shaft linings are studied. The test results indicate that the load beating capacity of the shaft lining is very high and that the main factors affecting the load bearing capacity are the concrete strength, the ratio of lining thickness to inner radius and the reinforcement ratio. Based on the limit equilibrium conditions and the strength theory of concrete under multi-axial compressive stressed state, a formula for calculating the load-beating capacity of a high strength reinforced concrete shaft lining was obtained. Because the concrete in a shaft lining is in a multi-axial compressive stress state the compressive strength increases to a great extent compared to uni-axial loading. Based on experiment a formula for the gain factor in compressive strength was obtained： it can be used in the structural design of the shaft lining. These results have provided a basis for sound engineering practice when designing this kind of shaft lining structure.     

Service life prediction of lining concrete of subsea tunnel under combined compressive load and carbonation

Qingdao Jiaozhou Bay subsea tunnel is the second self-built tunnel in China with the designed service life over 100 years. The durability of lining concrete are one of an important factors to determinate the service life of tunnel. Considering the main environmental loads and mechanical loads of subsea tunnel, the durability properties of lining concrete under combined action of compressive load and carbonation has been studied through the critical compressive load test, accelerated carbonation test, natural carbonation test and capillary suction test. The tests results show that critical compressive load apparently accelerates the carbonation and deteriorates the anti-permeability of concrete. Under the combined action of critical compressive load and carbonation, the durability of lining concrete decreases. Based on the carbonization life criteria and research results, for the high-performance concrete with proposed mix ratio, the predicted service life of lining concrete for Jiaozhou bay subsea tunnel is about 80 years which fails to reach the required service life. It is necessary to adopt other measurements simultaneously to improve the durability of lining concrete.