路堤填筑对下覆输水隧洞的影响及减载设计

路堤填筑将对下覆输水隧洞结构产生不利影响，为降低路堤填筑对下覆输水隧洞的影响，提出了在隧洞两侧设置灌注桩的减载方案，并采用有限元对未设置灌注桩减载及不同桩间距、桩体弹性模量和桩体排数的灌注桩减载加固后输水隧洞进行模拟，同时在典型断面设施监测点，监测隧洞衬砌顶拱、拱腰、边墙、底板、边墙与底板连接点的应力和变形情况，分析了桩间距、桩体弹性模量和桩体排数对隧洞减载效果的敏感性。结果表明：(1)路堤填筑将造成隧洞衬砌顶拱竖向变形达到5.45 cm,边墙和地板交接处，混凝土所受拉应力达到8.34 MPa,超过结构抗拉强度容许值，衬砌处于不安全状态；(2)通过设置灌注桩可以有效降低路堤填筑对输水隧洞的不利影响，提高输水隧洞的安全性；(3)输水隧洞减载效果与桩体间距和桩体排数显著相关，与弹性模量相关性相对较小。     

珠三角水资源配置工程隧洞埋岩深度及间距的影响分析

以珠三角水资源配置工程中的复合衬砌盾构输水隧洞为研究对象,在采用简化计算模型的基础上,利用ABAQUS有限元数值分析软件,分析不同外荷载工况下,不同埋岩深度及隧洞间距下管片衬砌环的应力和变形情况。由管片衬砌环最大径向变形及容许应力确定此时可承受的内水压力大小,并得到内水压力大小随埋岩深度和隧洞间距变化的影响规律,以供工程实践参考。     

输水隧洞内压作用下衬砌结构破坏分析

为了避免输水隧洞混凝土衬砌在运行中可能会出现不同程度的开裂破坏现象。为评价衬砌结构安全性,有必要开展输水隧洞混凝土衬砌结构的开裂分析,并揭示其裂缝开展及分布规律。以华东地区汤浦水库有压输水隧洞为例,建立隧洞围岩-衬砌结构非线性有限元模型,研究在内水压力等荷载综合作用下衬砌结构的应力、变形状态,并通过分级加载揭示了衬砌结构在内水压力作用下的破坏模式。研究结果表明:在高内压作用下,混凝土衬砌首条裂缝出现在衬砌结构的几何转角区域;由于受裂缝区域应力释放的影响,后续裂缝开展呈现出近似对称的规律。因此,在衬砌结构设计和安全运行监测时应对结构几何转角区域给予足够重视。     

不同外水压力下输水隧洞结构及配筋计算要点分析

针对输水隧洞在衬砌结构、配筋计算中不同外水压力对结构内力值及配筋结果的影响,根据《水工隧洞设计规范》(SL 279-2016)推荐的作用在钢筋砼衬砌结构上的外水压力计算方法及外水压力折减系数方法对外水压力进行折减,并采用水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计软件SDCAD对隧洞衬砌结构在不同外水压力作用下的内力及配筋进行计算。计算结果表明:①无压输水隧洞内力及配筋结果由外水压力控制,外水压力越大,结构所受内力越大,对隧洞的选配钢筋要求也越大;②在外水压力作用下隧洞底板与边墙交接位置出现了应力集中,拉应力大于砼抗拉强度,在设计中应采取一定的措施进行补救,防止结构产生拉裂破坏。     

输水隧洞衬砌在膨胀岩地层中的受力特性

以兰州市水源地建设工程彭家坪支线输水隧洞(穿越膨胀性岩层)为例,以荷载-结构模式计算并分析膨胀岩位于隧洞不同位置、在不同等级膨胀荷载作用下,衬砌内力、变形及最小安全系数的变化规律。计算结果表明,膨胀岩位于隧洞拱部时,随膨胀荷载的增加,衬砌墙脚应力集中显著,仰拱内侧弯矩及变形明显增大,属受力最不利工况;膨胀岩位于隧洞边墙及仰拱时,随膨胀荷载等级的增加,内力极值点会由仰拱向边墙转移;膨胀岩位于仰拱位置时,膨胀荷载对其影响较小。     

水工隧洞素混凝土衬砌的粘钢加固与安全系数提升

为了评价衬砌粘钢加固的效果,以三棵松无压城门洞型隧洞为例,建立粘钢加固前后的三维有限元模型,分析了在隧洞停水检修和运行工况下的衬砌应力、应变和开裂情况和加固前后衬砌的安全系数.结果表明,粘钢加固能有效地限制衬砌两侧边墙和底板的不利变形,抑制混凝土的进一步开裂,帮助承担部分拉应力,衬砌结构的最大拉应力和受拉区域都有减小;...     

输水隧洞复合衬砌结构数值模拟分析研究

以北京市南水北调东干渠输水隧洞为研究对象,采用有限元数值模拟方法,对复合衬砌结构的受力情况、安全性及极限状态进行了计算与分析.首先,采用荷载结构法,建立复合双框架结构受力模型,并将结构模型与实际地质条件相结合;其次,拟定了包括内外水压力、温度、地面荷载、地面不均匀沉降及空洞等不同荷载组合的多种计算工况,得到了不同工况下结构的应力分布规律;最后,建立了小尺度精细模型,计算外部管片连接螺栓的受力情况,并以螺栓最大拉力为判断标准,模拟了地面堆载作用下结构的极限破坏情况.通过数值模拟分析,得出不同工况下结构应力分布和螺栓最大拉力等计算结果,为输水隧洞复合衬砌结构的各种参数计算与分析模拟提供了参考.     

水深及衬砌弹性模量对水工隧洞动位移的影响

考虑水工隧洞在不同的输水深度和衬砌弹性模量条件下的地震动力响应变化规律,对研究水工隧洞在地震激励作用下的变形破坏机制非常重要。根据黏弹性人工边界和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,应用ANSYS建立了某水工隧洞的三维有限元模型,对其施加拟合后的人工地震波,并采用瞬态分析法计算了隧洞结构模型在不同输水深度和衬砌弹模下的动位移变化规律。结果表明:输水深度在一定程度上可以改变水工隧洞抗震性能,水工隧洞随着输水深度的增加,水平位移和竖向位移受影响的程度有明显的区别,水平位移先增加后减少,竖直位移无明显规律;衬砌弹性模量能够在很大程度上影响水工隧洞的抗震性能,各参考点的水平位移随着衬砌弹性模量的增加呈现出先减小后增加,大部分参考点的竖直位移都在增加;水工隧洞在地震发生后其拱顶及拱肩受影响程度比较大,在水工隧洞设计中应特别关注。     

输水工程中暗涵结构有限元计算分析

针对某输水暗涵穿过冲沟、跨越区域性断层带及地下水位较高等问题,采用有限元软件ABAQUS进行设计工况暗涵的应力、变形分析,探究暗涵结构应力变形规律,结果表明:设计工况下,结构拉应力集中在暗涵顶部中间位置,压应力集中在暗涵四周交接位置;暗涵结构竖向变形量大于横向变形,在横向上位移变形呈对称分布。因此设计时应采取一定的工程措施,防止结构破坏。     

基于ABAQUS对引水隧洞结构的有限元分析

本文以某水库工程中引水隧洞为研究对象,选取典型断面,利用ABAQUS软件建立围岩与衬砌结构的三维有限元模型。分析隧洞在施工期、完建期、运行期及检修期等不同工况下围岩与衬砌的变形和应力。结果表明,在现有荷载组合工况下,开挖期围岩总体是稳定的,仅断层破碎带变形相对较大,施工时应注意及时支护。据此分析隧洞围岩的稳定性及衬砌结构的工作性态,最终为开挖支护方案及衬砌结构配筋及优化提供依据。     

带有竖井的输水隧道地震响应分析

由于受应力集中及外形发生变化的影响,对于带有竖井的输水隧道,其在地震荷载作用下的应力、变形特性与一般输水隧道存在明显不同。采用基于势的流-固耦合运动方程建立了带有竖井的输水隧道有限元模型,考察其对于地震输入的响应。计算结果表明,由于应力集中,在竖井与隧道接头段,主应力最大;对于隧道段与竖井段,其主应力基本相同,但比不带竖井的隧道主应力要大;地震激励方向的位移最大值发生在隧道段。     

输水隧洞灌浆式预应力衬砌结构承载机理研究

输水隧洞双层混凝土衬砌之间采用预应力灌浆可以提高结构的承载能力,但此类灌浆式预应力衬砌结构的承载机理尚未得到系统阐释。基于弹性理论,采用荷载结构法,建立了考虑变形协调关系的灌浆式预应力衬砌力学分析模型。通过对衬砌结构的受力分析,揭示了预应力灌浆提高衬砌结构承载力的机理,推演了衬砌结构环向拉应力判定式,以及环向抗拉强度与灌浆预应力的关系式。利用有限元数值模拟验证了理论方法的合理性,针对工程案例分析了灌浆预应力对衬砌结构的定量影响规律。结果表明：结构能承担的最大内水压力与灌浆预应力及外部水土压力,均近似呈线性正相关,内衬结构的径向变形和环向应力随灌浆预应力的增大而减小,外衬结构的径向变形和环向应力随灌浆预应力增大而显著增大。这种考虑临界情况的分析和计算方法,揭示了灌浆式预应力衬砌结构的承载机理,可为该类型输水隧洞的力学分析和结构设计提供理论依据。     

过活动断裂隧洞抗错断适应性结构响应分析

输水隧洞作为长距离跨流域调水工程的关键控制性工程为缓解经济布局与水资源分布之间的区域矛盾发挥着巨大作用。而我国西南高烈度地区地质构造复杂,活动断裂分布密集,导致输水隧洞工程不可避免地需要穿越多条活动断裂带建设。针对滇中引水工程香炉山隧洞过活动断裂带,开展隧道适应性结构在断层错动条件下的影响校核。以龙蟠—乔后断层F10-1为代表,基于隧洞关键部位的位移、相对变形、最大主应力和纵向等效内力等指标,评估活动断层对香炉山隧洞抗错断适应性结构的影响,并基于数值计算验证其在减小衬砌内力与变形方面的作用。结果表明受走滑为主的断层运动影响,隧洞的一侧边墙表现为受拉状态,拉应力较小,约为5 MPa;铰接缝的最大法向变形与切向变形均位于断层带中央节段之间;铰接设计这一适应性结构的存在有效改善了衬砌在错动条件下的受力状态。研究成果可以直接应用于穿越活断层输水隧洞的工程设计与施工,为相关工程隧洞建设提供有利支撑。     

基于Midas软件的预制拼装管廊变形规律研究

通过Midas Gen有限元模拟软件对地震荷载、车辆荷载、不均匀沉降及单侧开挖等不同工况下的预制拼装管廊进行了模拟研究,以期揭示预制拼装管廊在不同工况下的结构受荷变形规律。研究表明,地震作用下管廊的X向位移主要发生在管廊的顶板处,Z向位移主要发生在左舱道。不均匀地质条件及水土压力,车辆荷载对管廊的竖向位移影响不大。双舱预制拼装管廊的的最大位移点位于左舱的中部顶板处。在管廊单侧开挖工况下,受力侧侧墙底部节点最容易发生破坏,但结构位移值较小,说明单侧开挖工况下对于双舱预制拼装管廊的刚度要求较低。     

深厚覆盖层土石围堰防渗墙结构设计研究

防渗墙良好的工作性态是深厚覆盖层土石围堰正常运行的重要保障,为弄清不同材料、不同设置位置、不同结构型式防渗墙在深厚覆盖层条件下的工作性态,给在该种环境下防渗墙的结构设计提供参考,以某实际工程为研究背景,采用有限单元法,借助ABAQUS大型商用有限元计算软件,对该工程防渗墙的各种方案进行结构计算,得出了不同方案条件下防渗墙的应力、位移变形等规律。根据计算得出的规律从定性与定量2个方面对该工程防渗墙的设计方案进行了优化选择,研究表明采用塑性混凝土防渗墙优于刚性混凝土防渗墙,前者与围堰的变形更协调,更有利于围堰的安全;防渗墙的设置位置对围堰自身的应力、位移变形影响较大,防渗墙设置离上游堰脚1/3堰底宽度的地方优于将防渗墙设置在堰轴线的地方;当一道防渗墙不能满足设计要求,可以考虑采用双防渗墙的结构型式,这种结构型式能大幅度提高围堰的安全裕度。     

考虑压力溶腔影响的岩溶隧道围岩稳定性分析

岩溶地区的富水压力溶腔常常对隧道施工安全造成不利影响。为研究岩溶溶腔对隧道施工过程围岩及支护受力的影响,依托某岩溶隧道,采用Flac3D有限元方法系统开展了不同工况的数值试验研究,主要考虑溶腔大小、溶腔位置及溶腔压力3因素影响,分析了不同工况下围岩受力变形、围岩应力及支护受力情况。结果表明:岩溶隧道溶腔会引起隧道施工过程围岩收敛变形和应力增大,溶腔大小、溶腔位置及溶腔压力均会对收敛变形和应力产生影响,溶腔越大、溶腔存在压力会造成靠近溶腔测点的收敛变形和应力值明显增加,溶腔位于拱顶时对隧道整体受力影响最大,溶腔位于边墙时对隧道影响次之,溶腔位于仰拱时对隧道影响最小;溶腔的存在会对初支受力造成不利影响,引起溶腔近侧初支应力重分布,建议加强溶腔施工段初支整体强度。     

滇中引水工程凤凰山隧洞过活动断裂带结构适应性研究

滇中引水工程输水建筑物多采用隧洞,占比高达92%,线路多次穿越区域性活动断裂带等地质条件复杂的地层,工程建设及安全运行均受到严重威胁。结合滇中引水工程隧洞穿越活动断裂带的工程设计案例,从建筑物结构型式选择以及结构对断裂带蠕滑变形及黏滑变形的适应性进行了三维仿真分析,并提出了工程运行期合理的检修年限。研究结果表明:采用短衬砌和宽变形缝结构形式可有效减小区域性活动断裂带位移产生的结构应力,大大延长了衬砌结构的使用寿命。研究结论为穿越活断裂隧洞的抗错断设计提供参考。     

基于侧压力系数变异性的隧洞围岩变形响应特征研究

以新疆东天山公路隧道为例,利用三维有限差分数值模拟软件FLAC3D,通过快速应力边界法生成符合实际工况的初始地应力场,结合实际侧压力系数λ的分布,分析λ取0.8、1.0、1.2、1.4、1.6时隧道内部变形规律。结果表明,λ从0.8增至1.6,拱顶竖向变形值减小约16%,拱底竖向变形值减小约14%,拱脚水平变形值增大3倍;在λ较低区段,注意拱顶和拱底处变形,及时安装衬砌系统,建议采取钢支撑挂网喷锚支护,对不稳定块体及时进行锚固;在λ较高区段,注意拱脚处变形,施工时要提高支护强度;在水平方向上一定范围内,由于应力状态的不同,不同沉降值出现逆向增长。     

EPS板减载的沟槽式高填黄土明洞受力特性研究

通过室内试验和ANSYS有限元模拟,研究了沟槽式高填黄土明洞结构受力特性,得到了明洞减载前后周围土压力、位移及外侧应力随填土高度的变化规律。在此基础上,探讨了EPS板密度、厚度、宽度、铺设位置及填土高度等参数对EPS板减载明洞结构内力的影响。结果表明:数值模拟与模型试验表现出一致的规律,即采取EPS板减载后,拱顶、拱底和拱肩土压力减小,拱腰和侧墙土压力增加;明洞侧墙向外变形、拱顶向内变形减小;明洞外侧应力均减小。10 kg/m~3密度的EPS板Mises应变已到硬化阶段,后期已无减载能力,而20 kg/m~3、30 kg/m~3的EPS板应变处于塑性阶段,后期仍有减载空间。EPS板厚度越大,内力减载量越大,减载效果越明显,但厚度大的EPS板Mises应变小,材料未能充分利用;随着EPS板宽度增加,明洞结构内力先增大后减小;当EPS板宽度为1～1.5倍洞宽时,明洞内力减载量达到最优状态;EPS板距明洞顶距离越小,EPS板Mises应变越大,使得明洞衬砌结构内力减载量越大。建议EPS板铺设在洞顶0～1 m范围内。随着填土高度的增加,明洞衬砌结构内力减载量逐渐增大,而其变化率逐渐减小。