地下高压管道的联合承压计算

本文推导了地下高压管道中钢衬、衬砌混凝土和围岩在施加内压的各个阶段中应力和位移的计算公式，这些公式适用于不同层间缝隙以及衬砌混凝土与围岩存在不同径向裂缝的情况，亦可应用这些公式计算混凝土与围岩产生径向裂缝时的临界内水压力和裂缝的开裂区半径，与同类计算公式相比，其精确性更高，适用性更广。     

地下高压管道的联合承压计算

本文推导了地下高压管道中钢衬，衬砌混凝土和围岩在施加内坟的各个阶段中应力和位移的计算公式，这些公式适用于不同层间缝隙以及衬砌混凝土与围岩存在不径向裂缝的情况，亦可应用这些公式计算混凝民围岩产生径向裂缝时的临界内水压力和裂缝的开裂区半径，与同类计算公式相比，其精确性更高，适用性更广。     

应力-渗流耦合下衬砌天角潭引水隧洞围岩承载作用分析

针对应力-渗流耦合作用下衬砌隧洞围岩承载作用,以天角潭引水隧洞为基础,对隧道钢筋混凝土衬砌受力敏感性进行研究,分析围岩等级对衬砌裂缝宽度和受力的影响,同时探讨单双层钢筋、衬砌厚度以及隧洞洞径大小对高压隧洞钢筋混凝土衬砌受力的影响规律,为工程实践衬砌设计分析提供借鉴。     

反复温度-应力耦合作用下引水隧洞变形特征

深埋引水隧洞在通过高地温区域时,伴随着开挖卸荷—通风降温—通水运行的全过程,隧洞围岩将经历反复的温度-应力耦合作用,使得围岩的变形破坏更为复杂。对齐热哈塔尔水电站深埋引水隧洞高地温洞段进行三维数值分析,详细研究了围岩在经历开挖、两次降温以及内水压力共同作用的全过程变形特征,比选了衬砌设计方案。结果表明:温度对围岩径向深度5 m范围内影响很大,此范围内围岩在经历反复温度-应力耦合作用后,不仅位移明显增大,而且可能会加重岩体损伤程度,但一定的内水压力有利于围岩稳定;施做二次衬砌能控制围岩变形,使原本隆起的拱脚变为下沉,但是仅通过增加二次衬砌厚度来抑制围岩变形和改善衬砌应力的作用是有限的。     

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。     

压力隧洞裂缝混凝土衬砌和围岩的接触条件

提出裂缝衬砌和围岩之间接触应力rσ(ra)的表达式,并通过算例分析它的特性,结果表明,rσ(ra)随衬砌与围岩接触面(r=ra)处的渗透压力pa的增大由压变拉,但rσ(ra)+pa却变化不大。提出一定条件下衬砌脱开围岩独立工作的判别式,该式若满足,衬砌将脱开围岩独立工作,钢筋应力和裂缝宽度将大幅度减小。算例计算结果表明,若衬砌和围岩之间的黏结强度较小,裂缝衬砌很容易脱开围岩独立工作。     

软岩隧洞二次衬砌的裂缝特性与成因

某大型灌溉工程中的引水隧洞，二次衬砌产生了严重裂缝．通过对不同洞段的衬砌变形、裂缝的发生发展以及衬砌与围岩温度的跟踪观测，获得了二次衬砌的应力变化与发展规律、混凝土的收缩曲线及影响因素、裂缝的产生时间与发展变化特性、温度应力的分布与变化过程．各种观测结果规律性好、相互印证，为裂缝的原因分析提供了可靠的依据．综合分析监测结果得出：隧洞二次衬砌的纵向裂缝与横向裂缝产生的原因是不同的，纵向裂缝是由于围岩压力和混凝土的收缩应力共同作用的结果，横向裂缝是由于混凝土的温度应力和收缩应力共同作用所致。     

考虑主筋约束作用的高压水工隧洞衬砌裂缝开度研究

针对高压水工隧洞衬砌裂缝开度的研究,基于钢筋混凝土有限差分方法,引入Cable结构单元,对衬砌开裂后混凝土—钢筋的联合承载特性进行分析,结果显示,裂缝开裂位置与衬砌力学状态有关。通过探讨运行期高内水压力工况下主筋对衬砌裂缝的约束效果,分析了环向配筋率、钢筋位置、隧洞半径和围岩类别对衬砌裂缝开度的影响,并通过逐步回归分析提出高压水工隧洞衬砌的限裂设计优化方法。结果表明:衬砌最大裂缝开度与环向配筋率、围岩变形模量呈反比,选择适中的钢筋位置可以实现对衬砌的最佳约束;在衬砌限裂的优化设计过程中,建议优先采取固结灌浆等工程措施,改善围岩力学性能,其次提高衬砌环向配筋率以减小最大裂缝开度,将调整钢筋位置和隧洞半径作为衬砌限裂的辅助方法。本文研究成果为高压水工隧洞衬砌限裂设计配筋计算和裂缝预测提供重要参考。     

高压水工隧洞透水衬砌渗流-应力-损伤耦合分析方法研究

在高压隧洞发电运行过程中,衬砌钢筋应力普遍小于设计预期,并未达到既安全又经济的效果。本文基于混凝土塑性损伤模型与透水衬砌理论,提出了透水衬砌渗流-应力-损伤耦合算法。基于大型通用有限元软件平台ABAQUS进行二次开发,通过Fortran语言调用实用程序GETVRM获取材料损伤,并利用子程序USDFLD实现了材料渗透系数随损伤的动态更新,完成了隧洞初次充水加压工况中衬砌损伤开裂的耦合分析过程,研究了衬砌损伤开裂、渗透孔压以及钢筋应力的演化特征,并探讨了衬砌与围岩有条件联合承载特性对耦合结果的影响。可以发现:计算所得的衬砌损伤开裂特征与衬砌压水试验结果吻合,完全联合承载与有条件联合承载两种情况下,衬砌钢筋应力表现出明显的差异,说明衬砌设计中未考虑衬砌与围岩相互脱离,即有条件联合承载,是隧洞发电运行时衬砌钢筋应力普遍小于设计预期的原因。本文提出的耦合算法所得到的结果与工程普遍规律相符,具有一定推广性,可以为衬砌设计问题提供一定参考。     

高压钢筋混凝土隧洞透水衬砌设计理论的进一步研究

在高压钢筋混凝土隧洞透水衬砌设计理论在广蓄成功应用实践的基础上,结合近年来水电工程数值计算的成果,提出了一套较完整的透水衬砌设计理论的数值计算方法。根据钢筋混凝土衬砌的开裂渗透特性建立了钢筋混凝土衬砌的应变~裂缝宽度~渗透系数的关系方程,将内水压力以体力的形式作用于隧洞衬砌和围岩,并结合结构三维弹塑性损伤有限元分析,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,用于模拟高压钢筋混凝土隧洞透水衬砌的运行机理,进行透水衬砌理论设计。     

高压水工隧洞BFRP网格增强钢筋混凝土衬砌试验研究

为探究玄武岩纤维增强树脂复合材料网格(简称BFRP网格)对高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌结构裂缝控制能力及承载能力的增强作用,进行了高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌结构模型对比试验,试验采用真实高压水加载。通过对隧洞模型内壁环向变形监测,以及通过声发射系统对模型在加载全过程中的声发射信息监测,对比分析了BFRP网格对裂缝产生及扩展的影响。研究结果显示,与常规混凝土衬砌结构模型相比较,BFRP网格增强钢筋混凝土衬砌结构模型的极限承载力提高21%、宏观裂缝最大开度减少了68%、宏观裂缝空间分布更为分散;开裂前内壁环向拉应变增大了81%,开裂时的声发射绝对能量占加载过程中声发射总累积绝对能量的33.78%(前者为99.38%),主要破坏模式表现为韧性破坏。可见,BFRP网格可显著提高高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌结构的裂缝控制能力和承载能力。     

高内压作用下叠合式衬砌结构承载机理原型试验研究

本文针对"外衬管片-自密实混凝土填充层(SCC)-内衬钢管"三层叠合式输水隧洞衬砌结构的承载性能及破坏机理,开展了结构在内外载联合作用下的原型试验。试验以分布式光纤感测技术作为主要测量手段,获得了加载过程中SCC层的裂缝扩展情况、接缝张开变形、螺栓应力与内衬钢管环向应变的发展历程。试验结果表明:在无内压工况下,结构整体呈弹性工作状态;在内压变化工况下,当内压低于0.6 MPa时,结构整体保持弹性,三层衬砌共同承担内压;当内压达到0.6 MPa时,SCC层开裂,内压快速向外衬管片转移,结构整体进入弹塑性阶段;随着内压继续增大,管片接缝螺栓在内压为0.965 MPa时屈服,外衬逐渐失去分担内压能力,结构体系进入破坏阶段,内水压力主要由内衬钢管承担。试验研究成果可为实际工程设计提供指导和参考。     

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。     

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.     

岩石围岩盾构钢筋混凝土内衬高内压输水隧洞受力简化分析方法

长距离输水工程在穿越城市群时,往往需要深埋以规避地表及浅层地下的各类建(构)筑物。这种情况下盾构隧洞成为极具优势的选择方案。当这种深埋隧洞的围岩具有较好承载能力时,可以采用钢混凝土内衬与盾构组成复合衬砌,与围岩一起共同承担管道内的高内水压力。而这种隧道结构的内衬往往会发生开裂,进而改变其受力特征,此时内衬、盾构管片与围岩如何共同受力成为了工程设计的重点和难点,对此目前还没有成熟的计算方法和规程。针对钢筋混凝土受内水压开裂后的受力变形特点,提出了钢筋混凝土内衬开裂后刚度减少的等效刚度计算方法,计算在内水压力作用下复合衬砌与围岩共同作用的受力特点。结果表明:当围岩弹性模量达到2 GPa时,这种结构可以具有较好的承载能力;当围岩弹性模量达到5 GPa时,可以承担1 MPa以上的内水压力,围岩具有较好的利用价值。研究结果为盾构钢筋混凝土内衬高压输水隧洞联合受力提供了简化的计算方法。     

大尺寸水工隧洞衬砌物理模型试验系统研制与应用

根据水工隧洞衬砌受力特点,研制出一种新型的大尺寸水工隧洞衬砌模型试验系统。该系统主要由压力筒体、加载系统、测量系统、封水结构组成,其中压力筒体由厚22 mm的Q245R钢板制作,尺寸为Ø3000 mm×L4000 mm,外水压力试验时采用橡胶囊柔性加载方式或衬砌与压力筒体间高压水体直接加载方式,内水压力试验时在隧洞内腔直接采用高压水体加载,动力源由自主设计的伺服控制高压水泵与稳压筒体组成,测量系统由常规检测仪器组合实现,封水结构则由端头涂刷防水胶与双圈橡胶条实施。该模型试验系统在高外水压力、高内水压力作用下的水工隧洞衬砌试验结果表明,所研制的试验系统能满足水工隧洞多种不同边界模型试验要求。     

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。     

裂隙岩体水力劈裂临界水压力试验研究

许多水工建筑物建于基岩上,天然岩体大多存在节理裂隙,在高水压力作用下易发生水力劈裂破坏。为研究裂隙岩体的水力劈裂特性,以水泥砂浆代替岩石、制作预制裂缝试样,研制了高压水密封装置和水压力加载系统,开展了不同缝长和缝宽的砂浆试件水力劈裂试验研究,测定了预制裂缝起裂临界水压力、水力劈裂临界水压力,分析了两者关系,提出了预测表达式。试验结果表明,试件水力劈裂临界水压力为0.441~1.542 MPa,相同条件下,试件水力劈裂临界水压力与初始缝长及缝宽呈负相关关系;预制裂缝起裂临界水压力与水力劈裂临界水压力比值为61.57%~64.17%,与预制裂缝初始缝长和缝宽无关。应用应力强度因子计算公式,综合试验结果,分析得到了考虑预制裂缝宽度影响的裂缝起裂临界水压力和试件水力劈裂临界水压力的计算表达式。