关于《水工隧洞设计规范》中若干结构计算问题的讨论

在水工隧洞设计规范中,对结构计算介绍了弹性力学法、边值数值法和有限元法,宜在工程设计时合理使用;而在具体计算中,衬砌材料的弹性模量、围岩介质力学的指标又是十分重要的基础数据,亦需合理确定。文章系笔者在岗位工作和实际工作期间,所了解到的情况和设计实践过程的反馈意见,加以整理与归纳,供讨论。同时可供设计人员在执行隧洞设计规范时,在结构计算方法与基本参数选值问题上有所参考与借鉴。

《水工隧洞设计规范》和《水闸设计规范》修订工作大纲审查会在北京召开

2014年1月13日，水利水电规划设计总院在北京组织召开会议，对《水工隧洞设计规范》和《水闸设计规范》修订工作大纲进行了审查。参加会议的有水利部国科司、水电水利规划设计总院、上海勘测设计研究院等单位的专家和代表。

地下式进水口在水工引水隧洞进水口设计选型中的实践研究

进水口设计与选型在水工引水隧洞设计方面相当关键,目前比较常见的地下式进水口选型设计即如此。考虑到水工引水隧洞进水口一般处于地形条件复杂区域,交通条件相对恶劣不便,而且同时需要做好环境保护工作,所以利用地下式进水口来实践参与水工引水隧洞进水口设计选型工作颇有必要。本文围绕某B引水工程为例,明确工程地质条件,研究进水口设计选型实践内容,并最终得出。

公路隧道上跨水工隧洞节点设计关键技术研究

以某分离式高速公路隧道上跨既有水工隧洞工程为例,结合类似项目设计经验,对大断面公路隧道上跨水工隧洞节点各关键环节进行设计,主要包括基底注浆设计、上跨节点防排水设计、上跨节点监测设计、施工组织设计等,对上跨水工隧洞节点设计要点及关键技术进行总结,给出上跨水工隧洞节点设计建议,为类似项目提供借鉴。

复杂地质条件下水工隧洞衬砌结构设计与施工技术研究

水工隧洞需承担长期不间断输水功能,对洞身结构的稳定性有严格的要求。面对复杂多变的地质条件,设计施工难度显著攀升,为此,需要通过技术手段实现资源的最优化配置与高效利用,同时兼顾环境保护,力求在保障工程进度的同时,最小化对自然生态的干扰。基于此,本文在简单阐述复杂地质条件下隧洞衬砌结构设计原则的基础上,分析复杂地质条件,并对复杂地质条件下隧洞施工技术方面提出个人见解,旨在为后续相关工作的展开提供参考。

水工隧洞支护结构设计与施工方法研究

本次研究的目的是对水工隧洞支护结构的设计和施工方法进行研究,从而保证隧洞的稳定性和安全性,并对其地质条件,结构选型进行深入的剖析、受力分析及材料耐久性等主要因素对支护结构性能影响规律,提出相关设计优化及施工改进方案;采用数值模拟,新型材料的开发应用及智能化,自动化设计,对支护结构设计进行创新及优化。同时也论述了支护结构的施工工艺和方法,重点阐述了在施工中质量控制,安全保障和环境影响和防治措施。研究结果对提高水工隧洞支护结构安全稳定性,施工效率和环保性能等方面有着重要的指导意义。

中小断面水工隧洞光面爆破开挖动态精细设计方法研究

为规范爆破方案设计、寻求高效建造技术,从而提高炮孔利用率、增大循环进尺、保证爆破效果和过程安全,以体形系数小、岩石钳制作用大的Ⅱ~Ⅲ级围岩中小断面水工隧洞为研究对象,在考虑爆破过程对隧洞自身和周围环境影响的基础上,基于“能量-影响-控制-设计-评价”的系统方法(简称“EICDE”法),首先梳理分析了爆破开挖全过程的物质能量、环境作用、控制对象、设计要素、设计准则和效果评价等内容。然后结合建造方法并运用PDCA循环管理法建立了其动态精细设计方法框架,形成了从设计到建造、评价、改进的动态精细设计方法。最后通过工程实例验证该设计方法的科学性和可行性。研究结果表明:采用该设计方法可保证爆破效果和过程安全,亦可为中小断面水工隧洞光面爆破开挖方案设计和高效建造提供参考和借鉴。

高压水工隧洞混凝土复合衬砌的设计及试验研究

本文基于水工隧洞工程的高地下水压情况,设计了一种混凝土复合衬砌,通过模拟隧洞注水和排空过程,分析混凝土复合衬砌的环向、径向应力,并与混凝土普通衬砌应力变化进行对比。得出结论:在水排空时,当水压降低至0.1MPa时,混凝土复合衬砌的环向压应力降低至0.04MPa,混凝土普通衬砌增至1.6~2.5MPa,混凝土复合衬砌和普通衬砌的径向压应力均随隧道水压的降低而降低;在注水期间,混凝土复合衬砌环向一直处于受压状态,当水压为1.00MPa时,径向压力约为0.40~0.80MPa;混凝土复合衬砌在隧洞注水和排空过程中,环向、径向均处于抗压状态,在水工隧道高地下水压情况中具有应用潜力。

基于全景展开图像的水工隧洞渗水侵蚀病害快速检测方法研究

为解决水工隧洞尺寸较小、断面形式多变、洞内环境复杂、无信号覆盖给检测图像快速采集带来的难题,研制出一种无信号覆盖下图像实时传输以及适用于不同断面、尺寸下隧洞全断面采集的水工隧洞检测系统,采集重叠率和精度满足三维重建及对自主研发的衬砌展开影像生成器的要求;针对隧洞表观病害传统算法速度慢、精度低等问题,引入DenseNet主干网络和ECA注意力机制对YOLOv5检测算法进行改进,优化特征提取能力;针对单张图像识别难以反映病害整体分布、全景展开图尺寸过大网络难以捕获有效特征等问题,以全景展开图底层图像为种子点,利用方向搜索结合目标检测算法提出一种“段-环-点”的隧洞常见表观病害快速识别算法。现场应用表明:1)相比YOLOv7-tiny、YOLOv8、YOLOv9等模型,改进的YOLOv5模型在mAP和F 1上均有明显提高,可有效提升复杂背景下病害识别与边界定位精度,显著减少误检和漏检现象;2)所提技术适用于圆涵、箱涵等不同类型、尺寸的水工隧洞表观图像快速获取与全景识别,能够用于隧洞表观病害的展示和快速定位,可为病害整治措施的及时制定提供依据。

图像识别技术在水工隧洞收敛变形监测中的应用

基于图像识别技术的水工隧洞收敛变形监测技术,是实现水工隧洞全断面收敛变形简便、易操作的自动化监测的重要手段。在实践应用中,基于图像识别技术实现了靶标自动识别和位移自动测读,测量精度可控制在2 mm之内,通过试验获得了最佳靶标直径和适宜的拍摄距离参数,靶标适宜直径范围为150~250 mm,适宜拍摄距离根据洞径选择3~10 m,并结合某施工期水工隧洞工程进行实际应用,取得了良好的应用效果,可显著减少人工监测工作量,大大提高监测工作效率,研究结果可为隧洞安全监测提供重要参考和技术支撑。

探地雷达法在水工隧洞衬砌隐蔽缺陷检测中的应用

水工隧洞衬砌施工过程中易产生隐蔽性缺陷,危害隧洞的安全稳定运行,因此同步开展检测对保证施工质量具有重要作用。探地雷达法属于当前较为先进的混凝土质量原位检测技术,根据该方法基础原理和数据采集及处理方法,以新疆某水利枢纽为例分析研究该方法在中孔溢洪洞衬砌质量检测中的具体应用,结果表明,探地雷达法可通过研究电磁波在衬砌结构体内传播特征对隐蔽性缺陷进行无损、经济、高效检测,可为指导后续处理方案设计提供科学的数据服务和决策支持。

关于水工隧洞设计规范的讨论

文章就新颁布的“水工隧洞设计规范DL/T5195-2004”的结构分析和岩层覆盖厚度提出一些讨论意见,供同行专家们讨论。

对流-导热耦合作用下保温层对寒区水工隧洞衬砌结构力学特性的影响

以新疆布伦口水电站引水隧洞为例,考虑对流-导热作用,通过现场监测成果和有限元仿真计算,分析引水隧洞在不同位置铺设不同厚度的保温层对衬砌结构热-力耦合特性的影响。结果表明,表面铺设时,保温层厚度与衬砌的冻胀力呈负相关,且当厚度在0.06 m以上时,二次衬砌的冻胀力变为压应力;保温层厚度与衬砌的横向位移呈正相关,与纵向位移呈负相关。夹层铺设时,保温层厚度与二次衬砌的冻胀力呈正相关,与一次衬砌的冻胀力呈负相关;随着保温层厚度的增加,二次衬砌的最大主应力变为拉应力,不利于二次衬砌的安全稳定;随着保温层厚度的增加,一次、二次衬砌的横向位移差值增大近4倍,纵向位移差值增大10倍以上。

水工隧洞围岩稳定可靠度计算的智能优化算法及其应用

深埋水工隧洞围岩稳定的主要表现之一是岩体变形或应变能够控制在允许范围内,而隧洞设计中围岩变形或应变的求解一般可采用收敛约束法,但该方法对围岩变形的求解隐含在非线性方程组中,难以运用传统的可靠度算法进行计算。因此,根据可靠指标的几何涵义,将可靠度计算转化为约束优化问题的求解,提出了基于成吉思汗鲨鱼优化器的深埋水工隧洞围岩稳定可靠度计算方法,并对某深埋水工隧洞进行了验证分析。结果表明,该方法对隐式非线性功能函数的可靠度计算问题具有很好的适用性,在计算效率和计算准确性之间能够达到较好的平衡,可为深埋水工隧洞结构设计和围岩稳定可靠性评价提供技术支撑。

铺设排水板的水工隧洞组合衬砌受力特性研究

为研究铺设排水板的水工隧洞组合衬砌结构受力特性,基于有限元软件ABAQUS建立围岩-组合衬砌整体三维数值模型,考虑围岩的约束作用、结构交界面接触非线性和自密实混凝土开裂非线性,研究内水压作用下组合衬砌钢管、自密实混凝土、管片、螺栓等结构的受力特征以及排水板材料属性对组合衬砌结构承载性能的影响。研究结果表明:衬砌充水运行时,钢管发生“横椭圆”膨胀变形,整体出现上抬趋势,排水板端部钢管处于弯剪受力状态,整体应力水平较低;自密实混凝土在排水板端部开裂后发生错动,环向分布多条贯穿裂缝;管片变形主要发生在无排水板铺设区域,环向以受拉为主,而环向螺栓有较大的安全裕度;排水板材料属性对组合衬砌承载性能影响显著,随着其弹性模量略微增加,钢管各部位内水压承载比明显降低,自密实混凝土底部发生开裂,管片环向拉应力持续增大,组合衬砌出现整体联合承载趋势,对管片受力较为不利,后期优化设计应以控制排水板弹性模量为主,建议其弹性模量取值不超过10 MPa,以保证衬砌结构安全运行。研究成果可为水工隧洞组合衬砌结构设计提供参考。

水工隧洞渗流场解析求解方法比较研究

隧洞渗流量和衬砌外水压力是水工隧洞防排水设计和衬砌设计的重要参数,选取合理的渗流场计算方法对于计算结果的准确性至关重要。采用三种解析方法即竖井法、镜像法和保角变换法在一致的简化条件和坐标系下求解考虑围岩-灌浆圈-衬砌复合系统的富水地层水工隧洞渗流场,结合松林隧洞讨论了地下水作用水头、灌浆圈渗透性及厚度、衬砌渗透性等因素对隧洞渗流量和衬砌外水压力的影响,并通过与数值解比较分析了三种解析方法的差异。研究结果表明:竖井法与镜像法、保角变换法的差异主要是源于对围岩渗流场求解机理的不同,解析解对毛洞渗流量的预测结果大于数值解,主要原因之一是解析解没有考虑地下水位下降的影响;对于围岩-灌浆圈-衬砌复合系统的隧洞渗流量和衬砌外水压力,三种解析解与数值解的相对误差均小于10%;增加灌浆圈厚度或减小灌浆圈渗透性可有效降低隧洞渗流量及衬砌外水压力。研究成果可为富水地层水工隧洞渗流场预测分析提供参考。

综合物探法在水工隧洞岩塞口开挖施工中的应用

采用反射层析成像(True Reflection Tomography,简称TRT)及探地雷达技术(Ground-Penetrating Radar,简称GPR)两种物探方法 ,结合水工隧洞开挖时的掌子面地质情况,查明某引水工程水工隧洞岩塞口前方未开挖洞段地质情况。采用TRT探测技术,对前方150m范围内的断层发育及围岩稳定情况进行初步判断后,结合探地雷达法,对开挖范围内30m地质情况进一步探明,为指导岩塞爆破开挖的关键洞段进行安全施工提供保障。