高压条件下岩体渗透系数取值方法研究

裂隙岩体在高水压条件下的渗透性可以通过高压压水试验获得。高水压状态下裂隙岩体中水流形态及渗流本构律对岩体渗透系数起决定性的影响。针对高水压状态下岩体中渗流形态为紊流和非达西流的实际情况,以高压压水试验中压水孔内的水压力和流量以及渗压孔内的孔隙压力等参量为基础,推导了单孔三段压水法和单孔单段压水法的裂隙岩体渗透系数计算公式。结合某抽水蓄能电站高压压水试验成果深入分析了不同渗流形态下的岩体渗透系数的差异性。研究成果表明,裂隙岩体水流形态对岩体渗透系数定量取值结果影响较大,同时高水压条件下水力劈裂产生也将导致裂隙岩体渗透系数取值的急剧增加。     

山岭隧道渗流及衬砌等效渗透系数的实用计算

衬砌渗漏水是山岭隧道最常见的病害表现,对衬砌的服役性能有重要影响。基于平板裂隙渗 流理论,提出了山岭隧道渗流量及等效渗透系数估算的实用计算公式;以典型两车道公路隧道二次衬砌 为例,展开了细致的算例分析,并与３ＤＥＣ三维渗流数值模拟的计算结果相互验证。结合前人关于山岭 隧道衬砌渗流裂缝的分布统计,利用上述实用计算公式开展了８０种不同工况下的渗流计算。计算结果 表明,隧道渗流量随裂缝开度近似呈指数型增长,随衬砌外水压呈线性增长;衬砌等效渗透系数随裂缝 开度的增大呈指数型增长,随围岩等级呈先增大后减小的趋势。上述研究成果可为山岭隧道渗流量的 估算、衬砌防水设计、衬砌役性能评价等问题,提供定性和定量的参考。     

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,...     

高压水道钢筋混凝土夹心钢板衬砌研发与性能验证

针对高压水道中钢筋混凝土衬砌内水外渗以及钢板衬砌易于溃屈问题,研发了一种高压水道钢筋混凝土夹心钢板衬砌,主要由内层钢筋混凝土-钢板-外层钢筋混凝土组成。为验证新型衬砌性能,进行了高内外水交替作用下模型试验,研究衬砌变形受力及荷载分担变化情况。结果表明：外水压力作用下衬砌处于受压状态,各部分荷载分担比较为固定,钢板部分所受压应力仅为1.47 MPa,远低于临界应力20.25 MPa,失稳溃屈的风险极小;内水压力作用下衬砌处于受拉状态,随着内水压力的增加,内层混凝土会先于外层混凝土开裂,未开裂前衬砌各部分荷载分担比基本固定;开裂后混凝土部分分担荷载降低、钢板与围岩所分担荷载增加,钢板所受拉应力为28.01 MPa,远低于其极限强度。相较于传统衬砌,新型衬砌结构在高压水道环境下具有更优越的性能。     

考虑地下水渗流影响的衬砌隧洞弹塑性分析

考虑地下水渗流场的作用,将含水围岩作为两相介质体,视外水压力为渗透水作用在围岩和衬砌应力场中的体积力,分别考虑围岩与衬砌的渗透系数,并基于岩体应变非线性软化特征,对衬砌隧洞进行弹塑性分析,得到了渗流场作用下围岩与衬砌的应力和位移解析计算式,并得到围岩开始产生屈服的极限应力。计算表明,当考虑渗透水压力作用时,围岩径向应力和切向应力都增大,并使围岩塑性区扩展;当隧洞围岩、衬砌材料的渗透系数差异显著时,不能简化为等渗透系数处理。     

水和温度耦合作用下水工隧道钢筋混凝土衬砌开裂特性

为研究水和温度联合作用下对水工隧道钢筋混凝土衬砌开裂的影响,以某工程案例为依托,基于多裂缝混凝土本构模型的数值模拟方法,研究水工隧道初次冲水加压和温度联合作用下,衬砌结构的开裂特征。结果表明,隧道充水和温度的同步作用下会导致隧道衬砌的提前开裂;两因素联合作用时,增大充水速度将显著影响裂缝的宽度,同时对裂缝的分布范围也产生较大影响;衬砌和围岩之间的热导作用,通常不会改变裂缝产生的位置,但会显著减小裂缝的宽度。     

矿山岩体压裂控制及裂隙渗流与应力关系分析

为开发矿山地热能,在利用矿山开采过程中自然涌出热水的基础上,提出了压裂矿山热岩石,利用裂隙渗流特性用冷水吸收热岩体能量的方法。通过对岩体开裂力学模型的进一步推导,得出岩块稳定开裂的条件;对失稳状态下裂缝压力进行分析,得到垂直裂缝压力和水平裂缝压力;通过实验,明确裂隙渗透率与静应力的关系;建立了三维裂隙在三向应力作用下的渗透系数及渗流量模型,求得岩体应力对渗透系数及渗流量的影响作用。     

大石峡水电站压力隧洞钢筋混凝土衬砌限裂分析

大石峡引水压力隧洞上平段为钢筋混凝土衬砌,内水压力标准值为0.99 MPa,需要设置一定数量钢筋控制衬砌裂缝分布及其宽度。通过采用基于修正摩尔-库伦准则的弹塑性损伤混凝土有限元法和预设裂缝法,建立非线性数值模拟模型,其中用植入式杆单元模拟钢筋力学效应,用具有抗拉和滑移力学特性的节理单元来模拟衬砌上的预设裂缝。结果表明：仅衬砌内层和内外层均布置钢筋对混凝土衬砌塑性损伤区即开裂出现时机和位置基本没有影响,只对塑性区分布的范围稍有影响;布置钢筋方式对钢筋应力影响较小,钢筋混凝土塑性模型计算的两种情况的钢筋应力相差1.6%,预设裂缝模型计算的相差22.1%。两种数值模型计算出的钢筋混凝土衬砌裂缝宽度均小于规范允许值,满足结构限裂要求。     

CAES储气库衬砌开裂对裂隙围岩两相渗流和传热特性的影响

为研究压气储能(CAES)储气库衬砌密封层开裂对裂隙围岩的两相渗流和传热特性的影响，基于COMSOL平台，利用弱形式PDE二次开发了双重介质两相渗流计算程序，并进行了验证。以某CAES储气库为背景，建立了储气库裂隙岩体两相渗流传热数值模型，研究了充放气过程中衬砌开裂对裂隙围岩的两相渗流和传热特性的影响。结果表明：(1)衬砌开裂会使围岩裂隙和孔隙内渗流压力升高，同时导致裂隙和孔隙之间的渗流压力差增大，最大压差增大1.5 MPa。(2)运行210 d后，衬砌开裂将导致渗漏的气体水平扩散范围由无开裂的54 m扩大至66.7 m。(3)初次充放气条件下，衬砌内外侧温差大，有可能超过100 K;衬砌开裂和围岩裂隙对衬砌和围岩温度分布影响微弱。因此衬砌开裂会造成渗流压力扩散，但对温度分布影响微弱。     

压力隧洞钢筋混凝土衬砌设计新方法

本文介绍一种考虑裂隙的压力隧洞钢筋混凝土衬砌的设计方法,这种方法考虑了衬砌与岩体中的渗透及与变形有关的衬砌渗透性,并以渗透压力洞的理论及关于钢筋混凝土中裂缝发展的较新知识为依据,尽可能实际地确定混凝土衬砌中裂缝的平均宽度与间距,钢筋中和岩体中的应力及压力隧洞的渗漏损失。计算中按隧洞是在地下水位以上或是以下分别处理。还考虑了裂缝发展的过程和它对环向钢筋应力的影响。随后介绍了钢筋混凝土压力隧洞的基本设计准则并举例说明。     

结构型钢纤维对混凝土单裂缝渗透特性的影响

为研究纤维对裂隙混凝土渗透性能的影响,借鉴圆盘劈裂试验引入可控裂缝,并采用Supereyes数码显微镜和Image Pro Plus(IPP)图像分析软件对裂缝形态进行了分析。对于带裂缝试件,分别利用变水压和恒定水压渗透试验研究了其抗渗性能;参照达西定律及平板渗流模型,提出了在考虑纤维影响后单裂隙混凝土渗透性能的分析方法。研究表明:在圆盘劈裂试验中素混凝土试件发生脆性破坏、无法控制裂缝的发展速率,而掺入结构型钢纤维后,试件不仅表现出良好的韧性和变形能力,而且可实现裂缝扩展速率的有效控制;结构型钢纤维可提高裂缝曲折度,降低裂缝修正系数和渗透介质通过混凝土的能力。与传统变水压渗透系数相比,恒水压渗透试验得出的修正单裂隙渗透系数可较敏感地反映内部裂缝对混凝土渗透性的影响,定量分析裂缝与混凝土渗透性之间的关系。     

均匀含水岩体结构中隧道外水压力研究

隧道建设中高水压问题日益突出,其关键问题就是准确确定外水压力。以均匀含水岩体中开挖隧道为例,对隧址区地下水渗流场、水压力的计算研究可知,毛洞状态下,隧道开挖后,开挖段周边的水压力迅速降低,岩体渗透性控制水压力的减小程度,渗透性越强,水压力减少越大,反之越小;堵排结合状态下,隧道开挖后,衬砌背后的水压力迅速下降,岩体渗透性影响水压力的减小程度,渗透性越强,水压力减小越小,反之越大。在此基础上,验证了隧道外水压力计算公式。     

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。     

隧道砂层段排水性能对水压与排水量的影响

为保证运营期某隧道衬砌结构安全提供理论依据,需提出排水量与衬砌水压荷载之间的关系。通过ABAQUS数值模拟软件,将模型中隧道排水系统和初支统一视为一层排水介质,简化为一维第三类边界条件,并利用温度场与渗流场的对应关系,使用温度场模拟渗流场,在保证精度的同时,极大的提高了计算效率。对数值模拟出的变量关系进行曲线拟合,以得到简化计算公式。研究表明,对于本工程,流量与水压1个月内迅速下降并稳定。初支渗透性减小,隧道压力水头增加。当表面渗透系数K≤3×10~(-5) d~(-1)时,可认为初支不透水,承担全部水压;当K≥3 d~(-1)时,可认为初支完全透水,不承担水压力,不影响隧道排水;当表面渗透系数3×10~(-5)≤K≤3 d~(-1)时,稳定水头高于设计水头,承担部分水压力。拟合公式可以合理反应表面渗透系数、水头、排水量、时间的相互关系。     

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。     

重力坝深(底)孔断面钢筋混凝土模型试验研究

文通过7个小尺寸和1个大尺寸的钢筋混凝土断面模型试验，研究重力坝深(底)孔在坝体自重和内水压力以及超内水压力作用下的结构特性和破坏规律。重点探讨混凝土和钢筋应力应变、混凝土开裂、裂缝宽度和裂缝扩展规律，为建立更为科学的孔口配筋理论提供依据。     

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。     

某水电站引水隧洞突水数值模拟

 离散元软件 UDEC 可以用来模拟裂隙岩体的开挖以及进行水力全耦合分析。采用 UDEC 来模拟裂隙岩体开挖后在水力耦合作用下渗流流量与其对应水压力的变化过程并预测可能发生的突水灾害。结果表明开挖洞室以后,在围岩渗流与应力耦合作用下,围岩中裂隙隙宽、裂隙中水压及其渗透流量三者相互作用、相互依赖。裂隙隙宽的减小使得结构面水力梯度变大,作用在裂缝上的渗透压力增大,促进导水裂缝扩展,裂隙连通性增加。裂缝隙宽增大,渗透能力增强,渗流量增大,其渗流压力相应降低。在一定条件下,裂隙隙宽的改变可导致局部水力通道的形成,高压水头从局部涌出,从而促进突水灾害的形成。西南某水电站在深部裂隙岩体中开挖引水隧洞,该处地应力高且外水压大,容易引起突水灾害,对其进行了突水数值模拟,提示了一些可能发生突水的位置。     

突水作用下深埋公路隧道衬砌受力特征及安全性分析

突水是造成隧道运营期二次衬砌开裂渗水的原因之一。为分析突水作用对二次衬砌的内力及安全性影响,依托某深埋公路隧道,采用ANSYS软件建立二维数值模型,分析了不同突水位置、水压力大小下公路隧道衬砌的受力特征及安全性。研究结果表明：衬砌局部突水的压力、位置对衬砌内力影响显著;衬砌突水压力作用位置在仰拱时,衬砌受力最不利,其安全系数明显小于其他部位;突水对衬砌的内力有叠加（或抵消）的现象,在设计时应予以考虑。     

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。