水工隧洞衬砌混凝土温控防裂技术研究

水工隧洞衬砌混凝土受到压力和裂缝间距的不确定因素影响,导致裂纹的可控性不好,因此构建一种基于裂缝形成、分布、裂缝宽度和间距联合估计的水工隧洞衬砌混凝土温控防裂技术。基于水工隧洞衬砌混凝土裂缝的开裂位置以及开裂宽度估计,采用预应力检测方法,建立水工隧洞衬砌混凝土温控裂纹估计模型,通过变形、扭转进行形状分析,考虑配筋量、衬砌曲率、内水压力的影响,根据施工进度、温度应力、地质条件、混凝土性能多维参数分析,实现水工隧洞衬砌混凝土的裂缝宽度和间距联合估计,实现混凝土温控防裂。实验结果表明,该方法应用在水工隧洞衬砌混凝土温控防裂中,能准确确定初裂间距,水工隧洞衬砌裂缝宽度计算结果准确,计算负载较低。     

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。     

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.     

有压隧洞考虑灌浆预应力的衬砌设计方法

以往我国水工隧洞的衬砌设计，皆采用弹性抗力系数法，而弹性抗力系数理论的假定与实际很难符合，且岩体抗力系数ｋ主要依靠经验来决定，因此往往给出较为保守的结果，即使普通的有压水工隧洞，也需要采用双层钢筋衬砌。国外有一种限制裂缝开展宽度和考虑部分有效灌浆预应力的衬砌法，其原理是主要依靠围岩承担内水压力，且仅需要布置单层钢筋，不仅节省工程投资，而且可大大加快施工进度，方便施工。     

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。     

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。     

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。     

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。     

高压引水隧洞的有限元计算

钢筋混凝土高压引水圆型隧洞的设计与计算,其中一个重要的内容是用有限元模型正确模拟地应力,以判断在隧洞开挖后围岩的2次应力场中的应力是否仍大于内水压力在围岩中产生的主拉应力,围岩会不会出现水力劈裂现象?也就是说,要保证运行期间不发生水力劈裂,只有按内水压力作用下的三次应力场中不出现拉应力(或者拉应力远小于围岩的极限抗拉强度)来确定围岩的承载能力方能保证这一点.用变温应力场来模拟地应力能够获得合理的位移与应力计算结果.隧洞混凝土衬体的配筋是由裂缝开展宽度计算确定的.通过模拟钢筋的有限元模型的钢筋工作应力的计算结果来确定混凝土的缝宽,将能够较全面地考虑包括隧洞体型尺寸、围岩弹模与弹性抗力、混凝土标号、衬厚、配筋量以及高压固结灌浆的残余应力等诸因素的影响,合理地确定配筋量.     

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。     

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。     

水工隧洞钢筋混凝土衬砌水压致裂分析方法研究

引入具有水力耦合属性的内聚单元模拟衬砌裂缝、衬砌-围岩交界面,以反映缝隙的位移非连续特征以及内部压力水体的流动特性.结合渗流-应力间接耦合方法,提出了水工隧洞钢筋混凝土衬砌水压致裂算法,探究了衬砌裂缝发展历程、裂缝宽度演化以及缝隙内部水压力传递特征等,并基于此系统分析了衬砌-围岩有条件联合承载特性的影响.计算分析表明,...     

阳江抽水蓄能电站高压隧洞段工程地质条件分析

通过分析阳江抽水蓄能电站高压隧洞段的工程地质条件,从隧洞的覆盖层厚度、围岩水力劈裂、围岩渗透稳定性方面进行分析判别,结果高压隧洞段Ⅰ~Ⅱ类围岩满足采用钢筋混凝土衬砌的工程地质条件,但断层和裂隙密集带发育的Ⅲ~Ⅳ类围岩在高水头压力作用下会发生渗透破坏,需专门进行固结灌浆处理。     

新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术及其有限元分析

本文提出了一新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术,即:在厚壁圆筒承受内外水压力时,利用围岩的抗力作用,采用外加预应力法,在围岩和衬砌混凝土之间安装一种圆环形扁千斤顶设备——用薄钢板制成的中空圆环形压力囊,并根据需要利用水或水泥浆通过有限的径向位移对隧洞衬砌混凝土层外部人为地施加某一数值与分布的均布压应力,用以部分或全部抵消内水压力所产生的拉应力。其优点是不仅省去了预应力钢筋,而且施工简便、经济合理。还利用三维有限元法,分析了在隧洞衬砌混凝土外层间隔施加预应力时衬砌混凝土中应力的变化。计算结果表明,该技术是可行的,效果十分明显,可应用于实际工程。     

高压岔管首次充排水衬砌开裂规律与渗透特征

高压岔管首次充排水过程是影响衬砌裂缝产生和扩展规律、渗透规律以及长期受力特性的关键因素,亦是关乎结构安全与围岩稳定的重要工况。以阳江抽水蓄能电站钢筋混凝土高压岔管为工程背景,基于流固耦合方法,采用离散单元法(PFC~(2D))研究了首次充水裂缝开展位置与初始地应力的关系;然后,利用有限差分法(FLAC~(3D))分析了衬砌起裂过程和贯通临界压力,明确了首次充排水至平衡状态的衬砌渗透特性以及梯级排水条件下衬砌稳定性;最后,研究了钢筋和锚杆对衬砌结构力学特性的影响,并提出限裂设计参数优化方案。结果表明:内水压力2.8 MPa为衬砌起裂临界压力,继续增至4 MPa时衬砌结构裂缝贯通;裂缝是高压岔管充水期内水外渗和放空期外水压消散的重要渗流通道,衬砌结构配筋与锚杆支护是限制裂缝开度的关键措施;放空期高外水荷载作用下衬砌存在受压破坏风险,应对内水放空梯度进行严格控制。     

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。