湿陷性黄土区输水隧洞盾构施工风险评估

为了提高针对湿陷性黄土区输水隧洞盾构法施工安全评估的可靠性,从人员管理、机械材料、施工技术、施工环境4个方面构建较为完善的施工安全风险评估指标体系;利用灰色-DEMATEL方法对中心度进行处理得到风险指标权重;以风险发生概率和风险损失程度两个维度为基础构建二维云评估模型,其中发生概率由主、客观方法相结合来确定,损失程度通过改进雷达图法从人员伤亡、经济损失、工期延误、功能缺陷和环境影响5个方面来综合确定。将该评估模型运用到引汉济渭工程X输水隧洞盾构法施工项目的安全评估中。结果表明:该项目施工风险评估等级为Ⅱ级,施工安全风险程度较小,评价结果符合工程实际,验证了该评估模型的可行性和有效性。研究成果可为湿陷性黄土区类似输水隧洞盾构法施工安全风险评估提供借鉴和参考。

穿越连续破碎地层开敞式TBM改造技术研究与应用

开敞式TBM法施工输水隧洞,因设备局限性及断面尺寸受限,设备对复杂地质适应性较差,一直是工程界的难题,不仅存在重大安全隐患,常有塌方、突水突泥,甚至卡机等灾害发生,严重影响工程安全。以北疆重大调水工程TBm^(3)-2段为例,当开敞式TBM穿过复杂地质段时出现的撑靴部位踩踏坍塌、岩块进入刀盘卡机及围岩变形将护盾抱死卡机等情况,工程采用对开敞式TBM进行改造为开敞式+护盾式双模式TBM,改造后的TBM极大缩短了现场工期,具有保障现场施工安全、高效、智能、环保等优势。

内水渗漏软化基底对盾构隧洞衬砌管片受力性能的影响分析

水工盾构隧洞在运行过程中存在内水渗漏导致基底软化的风险,基底软化将对隧洞管片受力变形产生影响。依托实际水工盾构隧洞工程,构建了由管片、灌浆体和围岩组成的三维有限元数值模型,针对Ⅴ类围岩条件下因渗漏导致基底均匀和不均匀软化的状况,研究了管片的受力性能变化规律。结果表明:在内外荷载作用下,管片的环向应力、竖向位移和定位销应力均随基底软化深度的增加而增大,均匀软化条件下仰拱管片出现峰值为1.88 MPa的拉应力,存在管片开裂风险;基底软化导致定位销应力增大,而管片竖向位移的变化幅度较小。研究成果可为水工盾构隧洞的安全运行监测提供科学依据。

穿越岩溶地区隧洞施工开挖防渗措施研究

穿越岩溶地区隧洞在施工开挖期极易遭遇涌水突泥现象,如何选择合适的防渗措施减少隧洞渗流量一直是热点问题。依托某引调水工程,建立岩溶地区复杂地层三维有限元模型,重点考虑洞顶回填混凝土、洞周注浆圈、混凝土防渗墙3种防渗措施,研究了隧洞开挖过程中孔隙水压力及隧洞渗流量的变化规律,分析了防渗墙和注浆圈渗透系数对渗流特征的影响。结果表明:在本工程中,混凝土防渗墙对隧洞孔隙水压力分布的影响非常大,防渗墙之间水位降低程度明显,而洞周注浆圈对隧洞渗流量的影响最大,施工时要保证注浆圈的质量;孔隙水压力随着与隧洞中心水平距离增加而增加,随着与隧洞中心竖直距离增加呈现先增大后减小的变化趋势;随着注浆圈或防渗墙渗透系数增加,注浆圈或防渗墙区域内的孔压增长速率逐渐降低,隧洞渗流量不断增大。

胡家湾渡槽拱圈脚手架支撑结构设计

胡家湾渡槽为原址拆除重建工程,槽身采用6跨连拱结构,拱圈支架采用盘扣式钢管脚手架与贝雷梁钢管支架的施工方案。为确保渡槽拱圈脚手架支撑结构设计合理,应对拱圈脚手架稳固性进行计算,基于此,文章对拱圈脚手架稳固性计算的内容、依据、参数,荷载的分类、取值及组合等进行了分析;对盘扣式钢管脚手架、钢管贝雷梁支架、墩身受力等进行了计算。结果证明:设计成果完全符合胡家湾渡槽工程的实际情况,为工程建设的顺利完成并投入运行,起到了有效的保障作用。

超深埋隧洞防渗排水措施与衬砌外水压力分布规律

高外水压力是制约超深埋水工隧洞建设的关键性难题之一,以排水孔为中心的综合堵排措施是降低外水压力的主要举措。为克服传统排水孔实体单元法整体网格划分难度大和计算效率较低的问题,首先,基于ABAQUS平台开发了两节点排水孔线单元模型,并验证其在隧洞工程数值模拟分析中的正确性和有效性;其次,建立了考虑防渗排水措施的围岩-衬砌三维有限元模型,研究多种防渗排水措施下的隧洞渗流场及衬砌外水压力分布规律;最后,探讨了防渗灌浆圈与排水孔设计参数对外水压力分布的影响,提出了防渗灌浆圈与排水孔间隔布置的原则。研究结果表明:所开发的两节点排水孔线单元具有较高的精度,在排水孔数目繁多的模型中具有极高效率;排水孔数目越多、深度越大、排距越小,衬砌外水压力越低;排水孔能够有效降低衬砌的外水压力,而防渗灌浆圈降外压能力有限;在排水孔末端间隔一定厚度围岩后再施作防渗灌浆圈,可更有效发挥两者的降压作用。

水介质中冰-桥墩碰撞动力响应分析

为准确模拟冰-桥墩碰撞过程中墩体结构的动力响应,基于流固耦合(fluid-solid interaction, FSI)的计算方法,运用ANSYS/LS-DYNA软件数值模拟了水介质中冰排与桥墩在不同碰撞影响参数下的动力响应。结果表明:恒定附加质量(constant added mass, CAM)模型相比FSI模型冰载荷计算结果偏大,是因为CAM模型忽略了降低冰排速度的“水垫效应”,但其计算效率高,计算时间是FSI模型的1/10,更有利于桥墩防撞设计,而FSI模型能够更真实地模拟冰-桥墩碰撞场景。综合分析该研究所模拟的不同冰排工况,发现桥墩在冰排撞击作用下呈现明显的冰激结构振动特征,桥墩侧向位移云图随着应力波的传递呈现明显的层状分布,其顶部侧向位移幅度最大,因此在工程设计时应充分考虑其对桥梁整体安全的影响;随着冰排速度、冰排厚度和冰排压缩强度的增大,冰载荷平均值均呈现近似多项式函数关系。此外,研究发现当冰排压缩强度小于2.668 MPa(环境温度高于-15℃)时,冰载荷平均值明显减小,表明环境温度的变化对于桥墩受冰排撞击挤压作用所受的冰害问题具有显著的差异。其仿真研究成果拟为桥梁及桥墩防撞设施设计提供参考。

大东湖有压深隧淤积数值模拟研究

基于Godunov型有限体积法建立了能模拟有压管道冲淤的一维水动力-固体物输移-管道冲淤数学模型,并基于该模型模拟预测了大东湖深隧有压管道内的固体物淤积过程,探讨了深隧淤积后的水力冲刷效果。研究结果表明,深隧按现状条件下运行时,管道长期使用基本不会发生淤积,但当遇到极端情况致使固体物浓度达到一定程度时,管道发生明显淤积。当管道最大淤积厚度达到30 cm时,采用水力冲刷将前期淤积物全部冲刷完所需的时间约为16~24 h。

严寒地区大型输水工程倒虹吸管桥优化设计研究

本研究旨在针对严寒地区大型输水工程倒虹吸管桥的上下部结构,以确保其在Ⅶ度强震地理环境,全年运行,最大温差48.3℃下的安全稳定运行。通过二维计算和三维有限元数学模型分析,提出合理的结构型式,并采用伸缩节、外保温结构等措施有效控制应力集中。经过钢管保温效果分析、支承环结构优化设计等研究方式,设计符合工程需求的管桥结构。该研究在大跨度管桥设计中采用了新理念,具有推广应用的价值。

基于PIPEPHASE的苏南采出水外输系统模拟研究

采出水外输是各大气田生产过程中保证气田产量和完善气田开发效果的重要途径。苏南气田采出水外输系统是一个复杂的流体网络系统,系统需要在不同状态下对外输方式进行调整。基于集气站、输水阀室、输水管线、处理厂的空间分布和拓扑结构关系,利用PIPEPHASE稳态多相流模拟计算软件,建立包含管网设施和参数的气田采出水外输系统模型;通过黏密度检测分析、阴阳离子色谱实验等明确了外输系统中的介质组分,进而开展仿真模拟;通过误差修正后的模型开展模拟计算,得出不同状态下各节点单元的压力和流量。结果表明:外部气温变化造成的介质温度改变会对外输系统产生小幅影响,通过对比不同分配分输方式的模拟计算结果与现场生产数据,验证了模型的合理性。研究结果可以为苏南气田现场生产提供参考。

高地温对水工隧道围岩内力及变形的影响

为研究高地温对水工隧道围岩内力及变形影响。文章基于数值模拟研究了不同路径、不同围岩深度及侧压力系数等因素对水工隧道稳定性的影响。结果表明:隧道围岩位移在拱顶和拱底处达到最大值,洞壁环向应力在边墙处最大,洞壁位移在边墙处达到最小。侧压力系数不同工况下,边墙处的洞壁环向应力最大,位移在边墙处最小。实际工程中应加强薄弱处的施工质量,加强监控预警,保障施工安全。

阀后管道突扩对控制阀门流阻特性的影响

为准确地描述非均匀流条件下控制阀门阀后采用突扩管道后的流阻特性,针对典型控制阀门(活塞式调流阀与固定式锥形阀),采用物理模型试验与理论分析方法,基于阀后突扩管道内的流场结构及试验段压力特性,研究阀后管道突扩对典型控流调压阀门流阻特性的影响规律。结果表明,不同阀型采用相同突扩体时的流阻特性变化程度不同,阀型的影响主要体现在改变了突扩体的入流、出流条件。在规范公式的基础上,考虑阀门出流流场结构(突扩体入流条件)与水流缩脉(突扩体出流条件)的影响,分析得到管道突扩比与阀门流量系数的定量关系,规范计算值与试验值的最大差异约为8%,优化公式计算值与试验值最大差异约为1%,说明改进后的突扩体流阻系数公式的计算精度较规范公式有所提高。研究结果可为高压差、大流量调流调压系统管路设计提供参考。

基于模糊AHP的输水管道施工风险评价

为了更好地预防输水管道施工过程的风险发生,文章以H省输水管道建设X项目为例,采用模糊AHP法对输水管道施工风险进行评价,计算施工过程中的风险因素权重和模糊综合评价向量,根据最大隶属度原则确定风险等级。结果表明:X项目的施工风险为一般风险,符合现场实际情况。研究为类似工程的风险评价提供了一定的参考,有助于提高输水管道施工的风险预防和控制水平。

某输水隧洞工程超深埋洞段TBM选型研究

某长距离输水隧洞工程的TBM3段穿越埋深最大为2502m的山脉,受地形条件影响,无布置施工支洞的条件下,独头掘进16km,施工通风最长距离达到21km情况下,通过对地质问题的适应性、衬砌结构问题分析、施工环境与安全问题、工期问题、经济性综合比较,并结合近年各深埋长隧洞工程TBM施工以及设备发展的情况下,进行的TBM掘进设备的初步选择分析。

基于不同围岩特性的隧洞衬砌厚度优化分析

基于不同围岩特性的隧洞衬砌厚度优化既能实现安全要求又可以降低工程投资。结合某电站引水隧洞,采用有限元分析法对隧洞在不同围岩特性下的受力情况进行数值模拟,计算分析在不同衬砌厚度下的应力、配筋及裂缝宽度情况,综合考虑安全性和经济性对结果进行分析比较,提出了针对不同围岩特性的隧洞衬砌厚度优化方案。研究结果表明,隧洞衬砌在运行期的应力情况是影响衬砌配筋的关键因素,不同围岩特性下衬砌厚度的选择应充分考虑隧洞衬砌应力、所需配筋及裂缝宽度因素影响,当衬砌达到一定厚度后,所需配筋及裂缝宽度趋于稳定。

基于多目标优化的箱梁渡槽结构设计研究

针对箱梁渡槽所受水荷载远大于同等跨径箱梁桥所受汽车荷载导致槽身纵向受力突出的问题,在渡槽结构设计中统筹考虑箱梁纵向应力储备和造价,构建了以截面尺寸、钢筋用量等6个参数为设计变量,以渡槽边缘正应力和造价为目标函数,以槽身挠度、法向应力等9个验算指标为约束条件的多目标优化模型,并基于支持向量机近似模型和NSGA2遗传算法求解多目标优化模型的Pareto最优解集,然后综合专家打分、COWA算子、博弈论综合赋权与TOPSIS法从Pareto最优解集中选出最佳方案。结果表明:与初始方案相比,最佳方案的渡槽边缘正应力储备提高了17.55%,渡槽上部结构总造价降低8.84%;与有限元分析相比,该方法在保持较高计算精度的同时节省了65.42%的计算时间成本。

典型控流调压阀后突扩体的压力特性

为了研究突扩体对控流调压阀门的增压减振作用,以典型控流调压阀门(活塞式调流阀和固定式锥形阀)为研究对象,采用物模试验和三维数值模拟相结合的研究方法,重点对2类阀门在不同突扩体型、阀门开度及空化强度下的阀后流态及管壁压力特性进行了观测分析,探究突扩比与阀后稳定压力的定量关系,试验阀门通径为150 mm,阀门直径为150~370 mm,突扩体长度为1000 mm.结果表明,突扩体能提升阀后管壁时均压力、减弱压力脉动的基本原理是水垫层效应.综合物模与数模试验结果,拟合得到了突扩比与阀后管壁稳定时均压力的关系式.突扩体可以提升阀门的工作背压,提升程度随突扩比的增大而渐缓.当突扩比为4.00时,阀后管壁稳定时均压力的增幅已非常平缓,趋于稳定.不同阀型试验结果差异小,说明突扩体的增压减振作用具有普适性.研究结果可供输水调压工程阀门段管道系统设计参考借鉴.

基于河涌纳污能力的特大城市中心城区初期雨水截流标准

为有效控制和治理特大城市中心城区排水系统溢流的初期雨水污染,选取广州市猎德涌和石井河作为典型河涌,在对初期雨水水质及降雨特征进行分析的基础上,复核水域纳污能力,对比分析截流雨量与污染物削减效率,提出了初期雨水治理的截流标准。结果表明,广州市中心城区合流制区域的初雨截流标准宜为8~10 mm,分流制区域的取值宜为5~6 mm。研究结果可为广州市等特大城市中心城区初期雨水污染治理提供科学依据。

局部降温对输水渠道水华抑制的影响分析

南水北调中线工程自通水以来,发挥着巨大的社会和经济效益,已成为京津地区的主力水源。中线工程输水的水质理化指标相对稳定,但局部渠段存在藻类异常增殖现象,有水华爆发的风险。针对出现的藻类异常增殖问题,在通冷风这一改变局部气象条件的工程措施基础上,建立了澎河—沙河渡槽段平面二维水动力和水质模型,研究了通风位置、通风温度和通风时长等因素对输水渠道水温和藻类的影响。研究表明:水温和叶绿素a浓度均与通风位置、通风温度和通风时长有关,通风温度越低、通风时长越长,平均水温和叶绿素a浓度下降幅度越大,平均水温最高可下降约2℃,叶绿素a浓度最大可降低约54.5%,且仅上游和全渠段通风均可有效降低水温和抑制藻类生长,仅下游通风对水温和藻类的影响较小。因此,采取局部降温的方式可以起到一定的降低叶绿素a浓度的作用,综合考虑藻类抑制效果和工程成本,在水华易爆发渠段的上游通冷风是行之有效的工程措施。

生物附着现象对有压输水工程过流能力的影响

针对我国输水工程中生物污损现象造成的壁面混凝土剥落、有效过水断面缩小以及水质恶化等问题,依托南水北调中线某输水建筑物,开展了不同面积占比下的室内模型试验,并采用多孔介质域数值仿真分析了以淡水壳菜为主的生物附着下的有压管道三维流场和淡水壳菜附着对有压输水工程过流能力的影响。结果表明:受淡水壳菜附着的影响,有压管道水流呈主流偏移现象,近壁面水流质点动量交换更加剧烈;断面糙率与附着厚度及面积占比均呈正相关关系,低密度时,影响因素主要为淡水壳菜附着数目,高密度时,附着厚度为主要因素。