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.     

水工压力隧洞灌浆式预应力衬砌弹塑性应力分析

采用岩石力学中应用广泛的莫尔——库仑屈服条件,对水工压力隧洞灌浆式预应力衬砌进行了系统分析,给出了水工压力隧洞围岩分别处于弹性状态与弹塑性状态下的围岩、衬砌应力解析计算式．     

围岩类型及衬砌厚度对水工隧洞地震动力响应的影响分析

以分析水工隧洞在地震激励作用下的变形破坏机制为目标,针对不同围岩类型和衬砌厚度条件下水工隧洞位移变化,根据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,使用ANSYS建立了某水工隧洞的三维有限元模型,对其施加水平和竖向地震激励,应用瞬态分析法计算了隧洞结构模型在不同围岩类型和衬砌厚度下的水工隧洞动力响应。结果表明,在相同衬砌厚度下,随着隧洞围岩强度的降低,水平位移和竖向位移受影响的程度有明显的区别,即水平位移越来越大,竖直位移无明显规律可循;在相同的围岩强度下,水工隧洞并不会随着衬砌厚度的增加而趋于稳定,在Ⅲ类围岩的情况下,水工隧洞的位移随着衬砌厚度的增加而越来越大,Ⅴ类围岩下改变衬砌厚度对水工隧洞的位移几乎没有影响。因此,合理的设计围岩类型和衬砌厚度,可以既满足水工隧洞抗震性能要求,又能够降低工程造价。研究结果对合理设计隧洞衬砌厚度、增强抗震性能具有参考价值。     

水工隧洞永久缝间距对衬砌裂缝影响研究

水工隧洞是常见的水工建筑物之一,隧洞衬砌裂缝严重影响着隧洞的安全使用,因此,避免隧洞衬砌出现裂缝在工程中显得尤为重要。文章结合工程实际,分析了隧洞衬砌裂缝产生原因,探讨了衬砌永久缝间距对隧洞衬砌裂缝的影响。     

水工隧洞防渗排水措施探讨

水工隧洞是以输水为目的,有别于其他铁路、公路、矿山等隧道工程,水工隧洞二次衬砌混凝土除作为围岩压力的承载结构外,还起着承担着过水流内压的重要作用,特别在高水头有压隧洞中,二次衬砌混凝土防止内水外渗的作用更为重要。从水工隧洞渗漏水现状和渗漏水对水工隧洞危害出发,结合辽宁某工程实际,简要探讨水工隧洞防渗排水措施,可供其他工程参考。     

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。     

水工有压隧洞衬砌伸缩缝间距设计新法

根据对流换热边界条件下的水工压力隧洞温度分布规律，建立了考虑变温和内水压力联合作用下的隧洞衬砌、围岩应力计算法，绘出了水工有压隧洞衬砌伸缩缝间距计算公式。所获结果，可供设计人员参考。     

非圆形压力隧洞考虑支护滞后过程的应力与位移解析解

基于平面弹性复变函数中的保角变换方法,考虑衬砌的支护滞后效应,并认为衬砌与围岩完全接触,提出了带有衬砌的非圆形水工隧洞在原始地应力和内水压力共同作用下的应力与位移解析解,且求解过程中采用幂级数法简化计算。以马蹄形隧洞为例,用ANSYS进行数值计算,并与解析解进行对比验证;计算隧洞围岩开挖边界和衬砌内外边界的切向正应力以及围岩与衬砌之间的接触应力;讨论在不同侧压力系数、位移释放系数和内水压力下围岩与衬砌的应力分布规律。结果显示:解析解与数值解吻合较好;位移释放系数和内水压力对衬砌及围岩的应力分布影响显著,当位移释放系数和内水压力较大时,在衬砌内边界将出现拉应力区。研究结果为非圆形水工隧洞的围岩与衬砌的应力与位移分析提供了可行方法。     

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。     

我国水工地下结构建设的理论与实践

建国５０年来，我国水工地下结构建设的理论与实践均有新的发展，仅在水利水电工程中已建成水工隧洞的长度超过５００ｋｍ，水电站的地下厂房达１００座。在地下工程的设计和施工技术方面进行了大量研究，并提出了许多新的见解和理论，如水工隧洞应务分析的增量渗流荷载理论，衬砌外水压力、有压隧洞混凝土及钢筋混凝奶裂设计、在大断面混凝衬砌分岔洞、预应力混凝土衬砌、高流速水工隧洞、围岩高压固结灌浆以及地下厂房设计与施工新     

水工压力隧洞灌浆式预应力衬砌干缩应力与徐变应力计算

水工压力隧洞结构设计的理论基石是隧洞衬砌与围岩联合工作,为充分利用砼抗压强度高的优点和提高围岩的承载能力,采用灌浆式预应力衬砌是一种富具应用前景的技术方法.但灌浆式预应力衬砌隧洞,由于压浆环干缩硬化和砼徐变影响,使衬砌获得的预应力有所损失,笔者采用岩石力学中应用广泛的莫尔—库仑屈服条件,对水工压力隧洞灌浆式预应力衬砌干缩应力和徐变应力进行了系统分析,给出了相应的解析计算式.     

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。     

水工隧洞防渗堵漏技术探讨

水工隧洞是水利枢纽的重要组成部分,是以输水为目的的承压隧洞,有别于铁路、公路、矿山等非承压隧道。水工隧洞二次衬砌混凝土除作为围岩压力的承载结构外,还承担着内外水压力。从黄龙滩水电站水工隧洞渗漏水现状和渗漏水对水工隧洞危害出发,结合黄龙滩水电站扩建工程4号机组引水隧洞防渗堵漏工程,探讨水工隧洞防渗堵漏技术,可供其他工程参考。     

水工隧洞衬砌结构设计的一些基本原则

1衬砌型式的选择1．1衬砌的基本类型水工隧洞衬砌按永久承载结构型式常分为不衬砌、喷锚衬砌、混凝土衬砌（包括钢筋混凝土衬砌）、钢板衬砌等几种基本类型．在混凝土衬砌中按施工方法不同又分为装配式和现浇筑衬砌两种；按应力特点可分为普通混凝土衬砌和预应力混凝土衬砌；按衬砌设计原则的不同又分为抗裂衬砌与开裂衬砌；在开裂衬砌中按是否限制裂缝宽度分为限裂衬砌与非限裂衬砌．1．Zffi岩承担内水压力的能力在有压隧洞衬砌型式选择中，围岩有无承担内水压力的能力是一个要考虑的重要因素．围岩承担内水压力的能力是指在此压力作用下…     

圆形压力水工隧洞在轴对称岩体应力作用下的弹性理论计算

深埋于地层之中的圆形压力水工隧洞,无论是坚硬围岩还是软弱围岩,以往多按普氏和太沙基山岩压力理论及弹性抗力假定,采用结构力学或与弹性力学相结合的计算方法设计衬砌结构,这在某些情况下,不符合实际情况。对于支护结构的合理设计,国内外都在不断地探讨新方法,目前采用《新奥法》进行支护设计就是其一。本文视压力水工隧洞的围岩和混凝土衬砌为不同的弹性介质,运用弹性理论,推导出在轴对称岩体应力和内水压力联合作用下,计算混凝土衬砌及位移的计算式为:     

基于断裂力学的水工隧洞衬砌裂缝扩展分析

经钢筋混凝土衬砌的压力隧洞在使用上要求将衬砌裂缝控制在一定范围内。由于内外高水头圧力的作用,水工隧洞衬砌裂缝具有不同于一般钢筋混凝土裂缝的特点。通过总结前人关于水工压力隧洞混凝土衬砌裂缝的计算方法,提出利用断裂力学准则计算水工压力隧洞衬砌裂缝的宽度,并结合工程实例验证了该方法的可行性。     

跨沟水工隧洞洞顶堆渣方案研究

水工隧洞工程穿越沟谷时洞顶上覆岩层厚度往往不能满足规范要求，在这种洞顶上覆岩层厚度本身不满足规范要求的条件下，沟内进行的工程活动是否会对隧洞衬砌结构的安全产生较大影响是工程总体设计人员十分关心的问题。本文以陕北地区某水工隧洞为例，运用三维有限元仿真技术，模拟计算了洞顶沟内按设计高程堆渣前后衬砌机构的应力状况，对设计堆渣方案是否会危及隧洞衬砌结构的安全做出了评价，为类似工程布置提供参考。     

水工隧洞设置减震层作用机理与效果分析

基于水工隧洞围岩、减震层和衬砌的横向作用机制和振动理论,将水工隧洞围岩、减震层和衬砌简化为三自由度振动体系,并推导其运动方程,求解变形传递系数,探讨减震层与围岩刚度比、地震波荷载与结构自振频率比对水工隧洞抗减震特性的影响。在此基础上,分析了不同减震材料参数、不同减震层厚度对水工隧洞地震响应的影响。计算表明:在低频条件下,减小刚度比能够有效降低结构地震响应,在高频条件下,减震效果不明显;设置减震层能够有效缓解衬砌结构受力变形状态,且减震层弹性模量与围岩相差越大时,减震效果越明显;增大减震层厚度能有效减小衬砌结构应力和变形,但减震层厚度超过0.2 m,衬砌受力变化逐渐减缓。     

水工隧洞封堵期衬砌结构有限元计算

水工隧洞在封堵期外水水头较高,混凝土衬砌结构在高外水作用下将产生较大的变形和应力,外水水头是控制水工隧洞建设、运行及检修过程中结构安全稳定的重要因素。本文采用有限元计算软件,对两河口水电站导流洞封堵期D3型衬砌结构进行计算分析,分析封堵期高外水水头作用下衬砌变形、应力状态及周边锚杆轴力是否满足规范要求,以指导衬砌结构及围岩灌浆加固范围设计和施工。     

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。