压力隧洞内水外渗的渗流-应力-开裂耦合分析

针对压力隧洞内水外渗分析缺乏完善的渗流-应力-开裂耦合分析模型的现状,基于传统的黏结裂缝模型,提出了能进行渗流分析的黏结裂缝单元模型.应用Biot固结理论和内水荷载施加的体力理论,建立了压力隧洞内水外渗的渗流-应力-开裂耦合分析模型.选择典型的圆形断面压力隧洞进行了内水外渗的渗流-应力-开裂耦合模拟分析.计算结果与实测资料的定性对比表明,该模型是合理可行的,可用于压力隧洞内水外渗的渗流-应力-开裂耦合分析.

管道衬砌内水外渗对边坡稳定影响的数值模拟

根据钢筋混凝土受拉开裂特性,通过混凝土开裂后钢筋和混凝土联合承载原理,提出了在内水压作用下混凝土衬砌开裂的裂缝宽度估算公式。根据开裂衬砌内水外渗的规律,提出了高压管道内水外渗与混凝土衬砌裂缝宽度相互影响的有限元迭代计算分析方法。该方法将内水压荷载分解为起裂荷载和破坏荷载,对混凝土衬砌起裂荷载采用一次加载,对破坏荷载采用分级加载迭代,由此较好地反映衬砌开裂和渗流耦合作用效应。根据渗流荷载对边坡的破坏作用,提出了对边坡稳定判断的思路。通过对实际工程的分析计算,论证了高压管道内水外渗对边坡的稳定影响,为内水外渗与应力场耦合分析提供了一种有效的计算方法。

水工隧洞内水外渗耦合分析

在水荷载体力理论的基础上,引入钢筋应变不均匀系数和混凝土应变不均匀系数。计算衬砌渗透系数,引入反映钢筋混凝土衬砌与围岩有条件联合承载特性的充水夹层单元模型,采用等效耦合分析方法,对水工隧洞内水外渗条件下的衬砌钢筋应力和围岩应力状态进行了计算分析。计算结果表明,与考虑衬砌与围岩完全联合承载的耦合分析方法相比,钢筋应力有了较大幅度的降低,在一定程度上反映了钢筋混凝土衬砌高压隧洞运行过程中钢筋应力水平普遍较低的这一工程特性。

基于UDEC的高压隧洞内水外渗离散元分析

基于UDEC的离散元法,选取典型地质剖面,对阳江抽水蓄能电站高压水道进行内水外渗裂隙渗流研究。结果表明,高压隧洞的固结灌浆能有效降低围岩的裂隙水压力及其水力梯度,且隧洞上部岩体的水力梯度降低比下部岩体明显。与有限元计算成果相比,计算结果总体规律相似,离散元法渗流水头等值线相对凌乱,但其考虑的地质模型更符合实际,可与有限元法互为补充。

高压隧洞内水外渗三维有限元分析与渗透稳定性研究

阳江抽水蓄能电站高压岔管拟采用钢筋混凝土衬砌,其静水压力799 m为国内之最。为保证在高水头作用下围岩的渗透稳定,采用三维有限元方法,针对阳江抽水蓄能电站高压水道防渗排水系统进行渗流及渗透稳定研究。研究结果表明,高压隧洞渗漏量在合理范围,高压固结灌浆、防渗帷幕和排水系统等防渗排水措施设计合理,效果显著。渗透稳定性方面,断层f 708与排水廊道相交处渗透坡降较大,发生渗透破坏的可能性较大,需重点处理。通过高压隧洞内水外渗三维有限元分析与渗透稳定性的研究,使得处理措施更具针对性。

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。

涔天河水库工程引水发电洞内水外渗探查及处理

涔天河水库工程发电引水隧洞由混凝土衬砌平洞段、混凝土衬砌斜洞段、钢板混凝土衬砌高压平洞段等组成,洞径9.5 m,进口底板高程256.5 m,下平洞中心线高程215 m,考虑停机水锤压力,设计最大工作水头140 m。引水发电洞投入运行前充水检查发现,衬砌外渗压计及洞顶上方地下水位观测孔反映存在内水外渗现象,分析认为是因为衬砌混凝土本身缺陷处理不够彻底、部分衬砌分段止水失效等原因所致。针对该情况,主要采取内堵外排的措施进行处理,即在洞内对混凝土衬砌缺陷部位进行化学灌浆、加强衬砌与岩壁之间回填灌浆,洞外设置排水洞排水减压的综合处理措施。经过处理后,内水外渗量明显减小。

局部水力交互下盾构隧道渗流与力学响应研究

针对有压盾构隧道中接缝水力劣化所引发的内外水力交互渗流问题,基于水力开度理论,通过数值和解析方法研究局部渗流下隧道衬砌与周围地层的渗流特性和力学响应。结果表明:基于镜像法推导的衬砌隧洞多点渗漏下渗流场解析解与数值解吻合良好,验证了给出的局部渗漏数值模型的有效性;局部外水内渗与内水外渗诱发的衬砌与地层共同作用存在较大差异,前者导致局部孔隙水压力降低引起土体挤压衬砌,衬砌轴力减小而弯矩增大从而产生衬砌外凸,后者则相反;多点局部渗漏对渗流场和衬砌响应的影响存在耦合作用,当内水压接近地层水头时可能出现外水内渗与内水外渗并存的特殊水力交互情况;地层渗透系数对局部渗漏行为的影响较大,复合地层下当局部渗漏发生于高渗透性地层时,其诱发的衬砌响应不显著,当渗漏处于下部低渗透性地层时,在地层交界面存在渗流折射现象,上部高渗透性地层起到补(排)水作用。

水工隧洞衬砌水压致裂过程的渗流–损伤–应力耦合分析

基于弹性损伤理论和线弹性断裂力学理论,建立水工隧洞衬砌水压致裂过程中的渗流–损伤–应力耦合模型。模型采用增量变弹性损伤刚度有限元迭代法,在内水荷载逐级施加的过程中考虑损伤对于渗流的影响,可以较好地模拟在水工隧洞充水加压过程中,混凝土衬砌在应力场和渗流场耦合情况下的损伤演化及裂纹的产生、扩展的过程。工程算例结果表明:计算结果较为合理地反映高内水压力下水工隧洞衬砌的开裂规律。当水压致裂过程采用耦合模型时,衬砌的损伤演化和开裂对衬砌渗流场的影响不可忽略;由于内水外渗的的影响,衬砌的受力条件在一定程度上得到改善。

高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌开裂渗漏研究

基于弹性损伤理论和等效连续介质渗流理论,提出一种可以在高压水工隧洞衬砌开裂后估算隧洞渗水量的方法。以不同水压力作用下钢筋混凝土衬砌的裂缝宽度变化作为考虑衬砌渗透性变化的主要因素,考虑衬砌裂缝与断层相交的情况和高压固结灌浆作用的影响,对水工隧洞充水、放空阶段的内外水渗漏做出相应探讨。将惠蓄高压隧洞的监测数据和数值模型计算结果进行对比得到,隧洞的渗水量与衬砌裂缝开度及洞周是否存在较显著的渗漏通道存在密切联系。在隧洞洞周没有或尚未形成显著渗漏通道的情况下充水或放空时,计算结果与实际监测结果吻合良好;在衬砌裂缝与断层连通的渗漏通道形成后,计算结果和监测结果则会存在一定的差距。研究结果可为水工隧洞充水期内水外渗和放空期外水内渗渗漏量计算提供一种有效的思路。

广州抽水蓄能电站地下工程外水压力研究

根据广州抽水蓄能电站水文地质条件 ,研究地下洞室外水压力形成的原因和外水压力的大小、排水降低外水压力和渗漏水的可行性及效果 ,同时还研究了钢筋混凝土衬砌的高压引水隧洞 (含高压岔管 )内水外渗引起外水压力升高等问题。通过充水试验及运行初期外水压力观测 ,证明外水压力的研究成果是可行的 ,采取的排水及防渗措施是合理的 ,从而保证了地下洞室工程的安全和正常运行。

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。

压力隧洞渗透稳定的参数敏感性分析

为了研究压力隧洞渗透稳定性与围岩变模、围岩渗透系数、地应力、衬砌类型及厚度等的关系,建立了压力隧洞内水外渗的渗流-应力-开裂耦合计算模型,拟定了不同围岩渗透系数、不同围岩变模、不同初始地应力、不同衬砌类型及厚度等组合的一系列工况,运用上述计算模型对压力隧洞内水外渗进行了计算.根据计算结果,以隧洞综合透水率和破坏内水压力为渗透稳定性指标,对围岩渗透性、围岩变模、地应力及侧压力系数、衬砌是否配筋、衬砌厚度等影响因素进行了参数敏感性分析,给出了各参数对压力隧洞综合透水率及破坏内水压力的影响程度.研究成果可为压力隧洞设计,尤其是衬砌型式选择提供参考依据.

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(PFC2D)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(FLAC3D)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。

蒲石河抽水蓄能电站地下厂房渗水原因分析

因埋深大、引水距离长,蒲石河抽水蓄能电站地下厂房排水廊道岩体渗水现象较明显。对此,结合枢纽区地质构造情况、气温变化和地下厂房结构布置等资料,以渗流场和温度场耦合机理为理论支撑,通过研究实测漏水量与气温等影响因子的相关关系,分析了不同区域的渗漏原因。结果表明,周期性变化漏水点的主要渗漏原因为出露的岩体裂隙和气温变化,而非周期性的漏水点漏水主要为内水外渗所致。研究结果可为厂房安全运行提供技术借鉴。

供水压力隧洞突发强渗漏水的成因分析和紧急抢修处理

在对供水压力隧洞突发强渗漏水原因分析的基础上,通过方案比选后,实施了钢衬应急处理措施,成功解决了洞周突发环境水文地质问题。观测情况表明,处理效果良好。同时从勘察、设计、施工、质监等方面总结洞周突发强渗漏水的教训,对相似有压隧洞工程有启示意义。

广蓄电站地下工程外水压力研究

根据广州抽水蓄能电站水文地质条件，研究地下洞室外压力形成的原因和分析它的压力大小，排水降低外水压力和渗漏水的可行性及效果，同时还研究了钢筋混凝土衬砌的高压引水隧洞（含高压岔管）内水外渗引起外水压力升高。并通过充水试验及运行初期外水压力观测，证明外水压力的研究是可行的，采取排水及防渗措施是得当的，从而保证了地下洞室工程的安全和正常运行。

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。

复杂调压井结构的三维有限元分析计算

运用三维有限元分析方法,对围岩采用增量变塑性刚度法进行迭代计算,通过对某水电站调压井结构的受力分析探讨衬砌体形结构的优化问题。通过对调压井衬砌加高前后衬砌和周边围岩受力情况的对比,分析了由于高内水位造成调压井顶部发生内水外渗并在调压井周围形成非稳定渗流场的条件下,衬砌加高对于衬砌自身受力和井壁周边围岩稳定的影响;并通过对内水工况下衬砌厚度减薄前后衬砌的受力研究探讨了衬砌厚度减小的可能性。计算结果表明,在衬砌分别加高和减薄情况下,衬砌和周边围岩的受力状况良好,衬砌体形结构的优化是可行的,对类似工程具有一定的借鉴意义。

透水理论在阿尔塔什水电站发电洞混凝土衬砌设计中的应用

通过建立透水衬砌理论数值计算模型,以体积力的形式将内水压力施加于整个模型,分析混凝土衬砌和围岩的变形情况,根据衬砌应力按照规范进行限裂配筋。利用这种方法可以较好地反映内水外渗后衬砌和围岩的实际受力应力应变情况。将这种计算方法应用于阿尔塔什水电站发电洞混凝土衬砌设计中,结果表明:发电洞混凝土衬砌配筋量要远小于面力配筋量,并从而得出了一些有意义的结论,可为这类隧洞设计提供借鉴思路。