内水外渗作用下有压管道衬砌渗透损伤耦合分析

为研究内水外渗作用下有压管道混凝土衬砌渗透损伤规律,基于弹塑性损伤有限元理论,建立了损伤度与渗透率的匹配关系,采用增量变塑性损伤刚度迭代方法,模拟了水工隧洞充水运行过程中,混凝土衬砌在渗流-损伤-应力耦合作用下的损伤过程,并对衬砌与围岩的承载比例及受力变形特征进行了分析。工程应用结果表明,混凝土衬砌损伤系数沿衬砌厚度由内而外线性减小,损伤开裂减小了衬砌的水力梯度,改善了衬砌的受力条件;洞周锚杆系统发挥自身刚度作用加固围岩,且承担内水外渗的体积荷载,提高了衬砌和围岩联合承载能力;固结灌浆对提高围岩承担内水荷载及防渗能力起主要作用。     

大断面隧洞上穿既有隧洞结构安全分析

为分析丽水机场沙溪排水隧洞上穿既有玉溪引水隧洞工程可能造成的影响,采用有限元模拟法,综合考虑了大断面隧洞开挖引起的围岩应力重分布和爆破振动影响,研究了新建大断面隧洞自身的围岩受力和变形特征,及新建隧洞开挖、爆破施工引起的既有隧洞衬砌受力变形及动力响应。结果表明,在完成开挖后,新建排水隧洞的最大位移发生在拱顶处,围岩及衬砌结构受力变形满足设计要求;既有隧洞沿竖向发生隆起变形,最大隆起量为6.3mm,横向拱腰处发生向内的水平位移,最大水平位移为0.76mm,最大值均发生在隧洞交叉点处;既有隧洞衬砌结构最大压应力为30MPa,无拉应力,满足衬砌结构抗压和抗拉强度要求;新建隧洞爆破施工导致既有隧洞的最大质点振动速度满足爆破安全规程规定,说明新建大断面隧洞采用分层分块小断面控制爆破施工技术可有效控制爆破施工对临近结构的影响。     

引水隧洞二衬刚度与施作时机优选及系统构建

二次衬砌结构刚度与施作时机优选是隧洞工程中关键问题之一,对于引水隧洞穿越软弱流变围岩洞段则尤为突出。为研究引水隧洞开挖过程中时空效应耦合作用对二衬优选的影响,基于现场围岩和支护结构实测应力变形数据,采用三维粘弹塑性有限元方法,结合开挖和支护设计实际工况考虑二次衬砌施作距掌子面不同距离和不同二衬刚度(厚度),分析了围岩变形、二衬内力及变形的变化规律。结果表明,二衬刚度对二衬时机的优选影响不大,围岩应力的释放及围岩变形为二衬时机优选的关键因素,最后针对设计和施工人员开发了二衬支护结构优选系统。研究成果和优选系统可为类似隧洞工程施工和设计提供参考依据。     

回风立井井筒围岩应力演化及变形规律的研究

针对贾郭煤矿新建回风立井,运用数值模拟研究不同垂直深度条件下回风立井井筒围岩地应力演化机制及变形规律,掌握了井筒围岩应力随深度不同变化的基本规律。井筒围岩塑性区范围,应力值及围岩变形随深度的增加而逐渐增大,但达到一定深度时,围岩应力增长率逐渐减小,并趋于稳定。     

基于FLAC~(3D)的隧洞衬砌与围岩接触性状分析

为了更好地了解围岩与衬砌之间的相互作用,利用三维拉格朗日有限差分法,在商业软件FLAC3D中通过设定接触面来研究不同工况下围岩与衬砌间的接触状态及围岩与衬砌的应力、应变规律。通过数值模拟破坏性试验揭示高应力下待开挖区域变形规律,通过接触面来反映隧洞围岩和衬砌嵌入形态。模拟结果表明,岩性和开挖支护方式选择在实际地下隧洞施工中起着重要作用。     

富水区地下泵房渗流场及其对衬砌结构影响的数值分析

地下水在地层中运动会影响地下泵房结构的安全,在渗透水压力作用下洞室围岩易引发渗透问题致使洞室及厂房内部渗水,高地下水位产生的外水压力会影响地下洞室厂房衬砌结构安全。结合某富水区泵站工程,采用数值分析方法,构建了三维有限元模型,基于流固耦合理论,对工程区的渗流场进行分析,并研究了不同灌浆圈厚度、不同衬砌透水性下工程区外水压力变化规律。结果表明,增加灌浆圈厚度或增强衬砌的透水性均可降低衬砌外缘上的外水压力,研究成果可以为类似工程提供参考。     

温度变化对小浪底水库排沙洞无粘结预应力衬砌结构应力状态的影响

小浪底排沙洞是我国第一个采用无粘结预应力混凝土衬砌结构的高压水工隧洞,结合工程运行过程中的观测数据,对温度作用下混凝土应变计的应变变化规律和基于应变监测数据的温度应力计算方法进行了探讨,分析了温度变化对预应力衬砌结构应力状态的影响。结果表明,温度变化对衬砌结构的应力状态会产生比较大的影响,当温度升高时,衬砌中的温度压应力也随之增大;且温度相同时衬砌内侧受到的影响更大。     

大型导流隧洞衬砌结构与围岩稳定研究

导流隧洞广泛应用于工程建设中,钢筋混凝土衬砌支护也是目前导流隧洞的主要支护方式。采用非线性有限元分析方法,对某水电站导流隧洞洞身特征断面进行了计算,并引入了点点接触单元,对在内水作用下围岩和钢筋混凝土衬砌之间存在初始缝隙时的联合承载特性进行了分析;引入了接缝单元,对围岩与钢筋混凝土衬砌接触部分在外水作用下的工作特性进行模拟,分析了衬砌与围岩接触面强度对衬砌应力的影响,研究结果对其他导流隧洞衬砌结构设计和施工具有一定的指导意义。     

结构设计因素对泄洪洞衬砌混凝土施工期温度裂缝的影响

施工期温度裂缝会给高流速泄洪洞带来安全隐患,影响结构耐久性,应从结构设计开始加强控制。综合已有研究成果,补充部分三维有限元仿真计算,并结合三峡、溪洛渡、白鹤滩等巨型水电站泄洪洞衬砌结构设计的成功经验,系统分析结构型式、断面尺寸、内部钢筋和过缝钢筋、锚杆、衬砌与围岩间设砂浆垫层等结构设计因素对衬砌混凝土温度裂缝控制的影响程度,提出在衬砌结构设计中要兼顾混凝土温度裂缝控制,尽量减小约束,尽可能选择平直、小曲率、小断面结构,减小分缝分块,钢筋不过缝,衬砌与围岩间设砂浆垫层等。     

寒旱区湿陷性土地基渠道衬砌结构改造的数值模拟研究

寒旱区输水渠道防渗衬砌结构极易发生冻胀破坏而影响灌区供水安全和稳定运行。为提高湿陷性黄土地基渠道的抗冻胀性能,以宁夏固海扬水灌区衬砌渠道为例,通过分析原型渠道冻胀破坏特征,基于提高防渗体抗冻胀变形能力的思路,提出了三种不同边坡系数、断面结构形式和边坡筑构材料的防渗结构优化方案,并应用ABAQUS软件,分别计算分析了不同方案的衬砌结构受热力耦合作用下的冻胀变形特征与受力状态。结果表明,在湿陷性黄土地区,弧底梯形渠道的抗冻胀性能普遍优于梯形断面渠道;在渠道防渗衬砌体基土之间加设一定厚度的水泥砂浆垫层,能有效减弱衬砌结构在冻胀作用下的应力集中现象;适当减小渠道边坡系数能有效减少渠道内的冻胀应力峰值;在三种衬砌改造结构中,其峰值应力减幅分别为70.49%、63.36%、27.68%,最大冻胀量降低率分别为7.70%、5.05%、-2.82%,选取边坡系数为1∶1.75的弧底梯形断面型式,并在混凝土防渗面板与基土间设置水泥砂浆垫层时,其抗冻胀效果最佳,可在同类地区推广应用。该研究结果为跨越湿陷性黄土地基的灌区渠道结构改造提供参考,也可为同类地区渠道的防冻胀设计提供依据。     

透水理论在新疆某高压隧洞混凝土衬砌结构设计中的应用

鉴于在高水头作用下,采用面力理论设计高压混凝土衬砌结构时存在衬砌厚度过大、含筋率超标严重的问题,以体积力的形式将内水压力施加于混凝土衬砌和围岩,通过建立透水衬砌理论数值计算模型,分析混凝土衬砌的应力应变关系,并按照规范进行限裂配筋。将该方法应用于新疆某水电站发电洞衬砌设计中,并与面力理论的计算结果进行对比,发现采用透水衬砌理论设计高压隧洞的混凝土的配筋量明显减小,降低了工程投入成本。     

非线性徐变模型在泄洪洞衬砌混凝土温控仿真分析中的应用

针对地下工程衬砌混凝土温控仿真分析中徐变变形和温度应力的关系,基于有限元分析软件ANSYS,以溪洛渡泄洪洞无压段衬砌混凝土温控仿真分析为例,比较分析了线性和非线性徐变模型计算的温度应力的差异。结果表明,当温度应力与相应龄期抗拉强度的比值小于0.5时,差异很小;但当温度应力与相应龄期抗拉强度的比值大于0.5时,差异则较显著,为地下工程衬砌混凝土温控分析提供了参考。     

水工有压隧洞单双筋衬砌结构弹性应力分析

根据弹性力学理论分别推导了裂缝贯穿衬砌后水工有压隧洞单双筋衬砌结构在不同内水压力下的结构应力计算公式,给出了开裂半径与内水压力的关系式并对完成的大比尺试验模型进行了理论计算.由计算结果发现,裂缝贯穿村砌后内水压力主要由围岩和衬砌内的环向钢筋承担,且在内水压力下单双筋衬砌结构的钢筋应力、围岩应力及开裂半径差异不大,表明衬砌内环向钢筋的主要作用是限制衬砌裂缝开度、确保衬砌完整性.围岩为主要承裁体.在水工有压隧洞衬砌结构中,在确保裂缝宽度下配王单层钢筋更为经济.     

基于流固耦合的高压混凝土隧洞衬砌结构配筋研究及应用

当采用面力理论计算新疆阿尔塔什水利枢纽工程的发电引水隧洞的配筋量时,衬砌含筋量巨大,与实际情况不符合。对此,采用岩体弹塑性渗流—应力—损伤耦合模型,将动态变化的体积力施加于整个模型,得出混凝土衬砌应变情况,根据衬砌应力按照现行规范进行限裂配筋。计算得出了围岩、衬砌的渗流场、应力场和相应的水力梯度以及最高外渗水头。结果表明,考虑流固耦合下的高压隧洞衬砌应力小于面力理论计算的成果,且前者计算出的混凝土衬砌配筋量远小于后者的计算结果。研究成果可为类似隧洞设计提供参考。     

钢衬壁厚对抽蓄电站围岩内水压力分担率的影响

根据实际工程需要,采用FLAC3D数值模拟软件通过改变钢衬壁厚,分析了不同设计内水压力组合条件下,钢衬、混凝土垫层和围岩的位移和变形特征及钢衬环向拉应力,研究了引水钢衬壁厚对围岩内水压力分担率的影响。结果表明,随着壁厚增大,虽可相应减少钢衬径向位移和环向拉应力,但减幅小,效果不显著;随着壁厚变小,钢衬径向位移变大,根据变形协调,有助于荷载传递,提高了围岩分担率,有利于"钢衬-垫层-围岩"联合承载;在满足抗外压稳定验算、焊接工艺和施工安装前提下,壁厚可较大幅减小。研究成果不仅有利于减少不必要的投资,还有利于降低硐室钢衬运输安装等施工难度,可供类似工程设计参考。     

压力隧洞钢筋混凝土衬砌开裂数值模拟研究

立足于直接求解压力隧洞设计所关注的衬砌裂缝条数和裂缝宽度,同时考虑混凝土衬砌的开裂、钢筋的作用、钢筋与混凝土间的粘结滑移以及围岩的作用,建立了压力隧洞钢筋混凝土衬砌开裂的数值模型,并编制了相应的计算程序。采用该计算程序对压力隧洞钢筋混凝土衬砌开裂问题进行数值模拟研究,分析了钢筋量、围岩条件对裂缝条数和裂缝宽度的影响,并着重与现行规范进行对比分析。结果表明,所建模型能反映压力隧洞钢筋混凝土衬砌作为地下结构的受力特性;围岩条件对裂缝条数和宽度均有明显影响;压力隧洞钢筋混凝土衬砌限裂的关键在于改善围岩条件,不宜盲目加大钢筋量。该研究结果对压力隧洞工程实践具有一定的指导价值。     

锚索间距对环锚预应力衬砌结构强度的影响与选择

以南水北调中线穿黄隧洞环锚预应力混凝土衬砌结构为例,利用有限元软件ANSYS建立计算模型,通过三维有限元计算并分析了环锚预应力结构中锚索间距对衬砌结构强度和稳定性的影响及其相关规律。结果表明,当锚索间距过大时,不能满足衬砌结构的承载能力及环向应力沿轴向的均匀性要求,局部区域因环向拉应力超过混凝土抗拉强度设计值时将出现裂纹;当锚索间距过小时,衬砌结构偏于安全,但影响工程施工的便利性并提高工程造价。对于穿黄隧洞工程,锚索间距为0.4~0.6m时可满足其安全运行要求,为尽可能降低锚索的工程造价,兼顾锚索的锚固作用及工程的经济效益,建议在满足工程结构受力的要求下优先选取较大的锚索间距。