基于幂强化-理想塑性模型的深埋圆形水工衬砌隧洞弹塑性解

为了求解围岩与衬砌相互作用体系下深埋圆形水工衬砌隧洞的应力和位移,首先假定围岩采用幂强化-理想塑性模型,衬砌采用理想弹性模型,然后考虑渗流影响和主应力顺序,推导了施工期和运行期两种工况下深埋圆形水工衬砌隧洞的弹塑性解,最后探讨了围岩与衬砌渗透系数比、幂强化参数、屈服准则三个参数对塑性区半径、切向应力和位移的影响。研究结果表明:围岩与衬砌渗透系数比对施工期切向应力、施工期和运行期塑性区半径影响非常显著;幂强化参数对施工期、运行期的位移和塑性区半径影响比较显著;不同的屈服准则对施工期、运行期塑性区切向应力和塑性区半径影响比较显著。考虑围岩与衬砌的相互作用更接近于工程实际。

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。

非圆形隧洞衬砌支护下应力与位移的新解法

以往在利用平面弹性复变函数方法进行衬砌支护作用下非圆形隧洞的力学分析时,一般将洞室外域保角映射到象平面的单位圆外域,并认为可以利用同一个映射函数将衬砌截面映射到象平面的圆环域内。当衬砌厚度很薄时,这种方法是可行的,而当衬砌相对较厚时,利用同一映射函数所得到的衬砌截面形状发生严重失真。为解决此问题,本文引入两套映射函数,分别将洞室外域映射到象平面的单位圆的圆外域,衬砌截面映射到圆环域。这种方法可以适应于不同的衬砌厚度,利用这种方式获得的衬砌截面,在衬砌较厚时仍能保证衬砌厚度相对均匀。在求解解析函数过程中不再采用传统的幂级数解法,而是使用边界配点法,将两套映射函数结合,获得了该问题的应力解和位移解。本文以马蹄形隧洞为例,求解结果与ANSYS软件所得数值解吻合很好,分析了衬砌厚度对隧洞应力和位移的影响。根据本文解答可以方便、快捷地进行相近条件下隧道的初步设计。

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。

水工隧洞混凝土衬砌管片预制成型与蒸养一体化技术研究与应用

介绍了水工隧洞钢筋混凝土衬砌管片预制成型与蒸养一体化技术的研究目的、方法、主要技术原理,管片钢模的制造及安装、钢筋笼加工及安装、混凝土浇筑和蒸汽养护一体化施工程序的质量控制及管片质量检验要求。该技术采用工厂流水线式施工方法,通过对各个工序循环时间的严格控制,完成整个盾构管片的生产流程,提高了生产效率;采用折叠养护棚蒸汽养护方式,单个棚内可同时布置10套模具同时作业,根据施工进度安排确定同时运行养护棚的个数;流水线采用“浇筑+蒸养”一体的模式,即生产线与蒸养线同步,缩短了管片生产时间;混凝土通过自动输送平台运输到生产浇筑区进行浇筑,提高了预制管片生产的自动化程度。

水工隧洞转弯段混凝土高精度衬砌施工工艺

水工隧洞转弯段施工组织是施工重点和难点。通过对大渡河某水电站导流洞转弯段衬砌体型控制所采用工艺的阐述,采取调整分仓长度、改变台车衬砌方式、选定每仓控制轴线、预先控制矮边墙尺寸、严控台车行走定位位置、校核顶模及边模安装位置工艺措施,提高了水工隧洞转弯段衬砌精度,实现了导流洞转弯段混凝土高精度衬砌的目的。

富水砂卵石地层水工隧洞衬砌用纤维混凝土性能评价

为了提高富水地段含砂卵石地层水工隧洞衬砌施工用混凝土材料的耐久性能,将钢纤维和聚丙烯纤维混合作为混杂纤维,分别评价了单一纤维和混杂纤维掺入时对水工隧洞衬砌用混凝土材料的力学性能和抗渗性能的影响。结果表明:在相同的配合比条件下,钢纤维和聚丙烯纤维的掺量越大,混凝土试件的抗折强度相对就越大,抗渗性能越强,而抗压强度则先升高后降低。混杂纤维的掺入能够更好地提升水工隧洞衬砌用混凝土的力学性能和抗渗性能,协同增效作用明显。综合考虑目标工程用混凝土的抗压强度、抗折强度和抗渗性能,推荐混杂纤维中钢纤维的最佳掺量为40 kg·m^(-3),而聚丙烯纤维的最佳掺量为4 kg·m^(-3)。研究结果认为钢纤维和聚丙烯纤维的掺入能够有效改善富水地段含砂卵石地层水工隧洞衬砌用混凝土结构的力学性能和抗渗性能,进而提高水工隧洞工程建设的质量。

水工隧洞衬砌的极限变形分析与开裂判别

衬砌开裂会对水工隧洞衬砌的承载力和安全性造成不同程度的影响,隧洞衬砌极限变形与开裂判别则成为隧洞工程施工中急需解决的关键问题之一,然而,目前对于隧洞衬砌开裂的极限变形计算与判别的研究较少,因此,本文以水工隧洞K68+932~K69+052段为例,通过对水工隧洞衬砌开展衬砌开裂的极限变形分析,研究衬砌的开裂情况和极限变形条件。研究结果表明:隧洞衬砌轴向水平应力最大值与差异位移量呈非线性增大的关系;衬砌能承受的向下最大相对位移为0.075mm/m、向上最大相对位移为0.065mm/m时,衬砌最大拉应力基本达到了衬砌混凝土的抗拉强度,可能开始出现裂缝。成果已用于秦岭输水隧洞工程建设不同阶段混凝土衬砌安全分析评估,有效指导了秦岭输水隧洞工程建设。

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。

小断面水工隧洞小曲线半径段针梁式台车衬砌施工技术

针对输水隧洞洞径小、曲线半径小的特点,为提高衬砌线形质量,保证衬砌厚度和完整性,拓展针梁式台车适用范围,研制了横向调位装置,配合模板两侧支撑油缸行程的不平衡调整,使针梁式台车具备横向位移和一定的转弯能力。该方法可实现台车模板与衬砌设计轮廓线的良好贴合,从而使针梁式台车适配小断面隧洞小曲线半径段衬砌的高效施工。

应力释放率对水工隧洞衬砌开裂影响及其评价

由于目前对于应力释放率对隧洞衬砌开裂影响及临界应力释放率评价缺乏系统研究,本文以水工隧洞K11+892.2~K12+012.2段为工程背景,运用弹塑性有限元分析应力释放率对隧道衬砌开裂影响程度,评价隧道衬砌开裂所对应的临界应力释放率。研究结果表明:隧洞横断面水平应力最大值与应力释放率大致呈非线性的负相关的关系,且随着应力释放率的增大而衬砌水平应力逐渐减小,并确定了临界应力释放率为61.5%,可有效确定衬砌的支护时机。本成果应用于水工隧洞施工不同阶段混凝土衬砌开裂风险评估,可有效指导水工隧洞建设的安全。

双层衬砌圆形水工隧洞力学分析

采用复变函数方法提出了一种求解双层衬砌圆形水工隧洞的解析方法。建立的模型基于围岩与初衬、初衬和二衬(完全接触)之间的相互作用,并考虑了内水压作用和支护延迟效应。根据预设的边界条件,基于位移协调和应力连续,建立求解相关解析函数系数的方程,然后利用具体的解析函数,可以求解围岩、初衬和二衬任意位置的应力分量。通过与数值解的比对,证明所提出的解析方法是正确、有效的。最后从控制水工隧洞运行内水压、互换衬砌弹模以及控制衬砌厚度三个角度进行了参数分析,探讨了影响衬砌应力分布的因素和结果。揭示了双层衬砌水工隧洞的荷载传递机理和规律,为衬砌防护工程的前期设计和施工提供了理论依据。

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。

水工隧洞衬砌混凝土通水冷却控温最佳时机

大坝混凝土通水冷却时机控制的成功经验,不能很好适用于薄壁衬砌结构控温控裂。以水工隧洞为例,采用有限元法仿真计算,深入分析衬砌混凝土内部最高温度、最大内表温差、最大拉应力、最小抗裂安全系数及温降速率等温控特征值与通水时间的关系。结果表明:通水冷却控温最佳时机是混凝土覆盖冷却水管开始通水、最大内表温差出现后瞬间终止。在白鹤滩水电站1#泄洪洞上平段144~145单元进行现场试验,并结合有限元法仿真,验证了其控温控裂的科学性和经济有效性,可供实际工程采用。

对流-导热作用下寒区水工隧洞衬砌热力耦合分析

寒区水工隧洞在通风条件下产生的温度变化会影响衬砌结构力学性能,进而影响水工隧洞的安全运行。以新疆布伦口水电站水工隧洞为依托,基于现场监测数据,采用有限元法对在不同风温、风速下隧洞不同深度处衬砌结构的热学、力学耦合特性进行深入分析。结果表明:不同风温下水工隧洞洞口衬砌温度低于洞内衬砌温度,洞口衬砌温度变化幅度大于洞内衬砌温度变化幅度;随着通风时间增加,一次衬砌与二次衬砌压应力均先减小后增大,最大压应力均位于拱腰处;不同风速下一次衬砌与二次衬砌最大温差为8.40℃,沿水工隧洞轴向与径向距离的增加,温度逐渐升高,风速、风温影响逐渐减小,最大温度拉应力位于拱腰,一次衬砌为0.12 MPa,二次衬砌为0.32 MPa;在不同风温和不同风速下,一次衬砌与二次衬砌位移均呈水平收缩、竖直隆起趋势。研究成果可为寒区水工隧洞衬砌优化设计提供理论参考。

具有衬砌的圆形水工隧洞弹塑性应力统一解

针对具有衬砌的圆形水工隧洞,假定衬砌与围岩位移连续,考虑不同工况下主应力顺序、岩石应变软化和中间主应力等综合影响,采用统一强度理论和弹脆塑性软化模型,推导衬砌和围岩弹塑性应力统一解.选取不同的统一强度理论参数,可得到一系列应力场公式及塑性区半径与内压力的关系.通过工程算例分析知,考虑第一主应力的变化是正确的,更符合工程实际,并得出统一强度理论参数、软化特性参数对衬砌和围岩切向应力的影响规律.研究结果表明,统一强度理论参数和软化特性参数对衬砌与围岩塑性区切向应力的影响显著.

深埋水工隧洞衬砌渗透压力控制措施研究

我国西部高山峡谷地区水电站工程地下水位高,深埋水工隧洞衬砌外水压力大,防渗排水措施要求高。为减小作用于衬砌上的外水压力,提高衬砌结构的安全性和经济性,同时减小排水对地下环境的影响,需要采取合理的围岩防渗排水措施。结合某在建水电站工程,拟采用固结灌浆、排水孔等防渗排水措施,建立泄洪洞的三维有限元模型,精细模拟固结灌浆和排水孔作用,研究不同方案下隧洞围岩浸润面变化和衬砌所受渗透压力分布规律。结果表明:泄洪洞深部固结灌浆可大幅减少围岩地下水内渗,有效降低对地下水位的影响,有利于生态环境保护;排水孔的排水降压作用显著,可有效减小衬砌所受外水压力。若需兼顾考虑地下水环境影响及有效减小衬砌所受外水压力时,可采用深固结灌浆联合浅排水孔的处理方案,且建议固结灌浆范围为5~8 m,排水孔深度1~2 m。

具有黏弹性衬砌的深埋圆形隧洞饱和土动力响应

由于混凝土衬砌具有黏弹性性质,以往的弹性曲梁、弹性壳体等理论都难以描述其蠕变的全过程。将土体和混凝土衬砌分别视为饱和多孔黏弹性介质和具有分数阶导数本构的黏弹性体,在频率域内研究饱和黏弹性土和分数导数型黏弹性衬砌系统耦合振动特性。根据Biot理论和黏弹性理论,通过位移势函数,分别得到简谐荷载作用下饱和土和衬砌的位移、应力和孔压解析通解,并通过衬砌内边界以及饱和土和衬砌接触面处的应力和位移协调条件,给出待定系数的具体表达式。考察饱和土和衬砌各物性和几何参数对系统动力特性的影响,研究表明:饱和黏弹性土和分数导数型黏弹性衬砌系统的动力特性与饱和黏弹性土和经典黏弹性衬砌系统的动力特性存在较大差异。另外,随着土骨架阻尼比的增加,响应幅值逐渐减小。

各向异性渗流深埋隧洞衬砌外水压力解析研究

基于渗流力学基本理论,进行各向异性深埋隧洞渗流场解析研究。由稳定渗流场基本微分方程结合深埋隧道渗流场边界条件,利用坐标变换法将地层从各向异性转换为等效各向同性,运用保角变换将渗流方程转化为Laplace方程;将围岩渗流区域进行分区计算,得到围岩的渗流量计算公式;考虑衬砌为各向同性渗流,根据围岩与衬砌分界面上的渗流量相等得到衬砌外水压力的解析表达式,在此基础上考虑注浆圈及其对衬砌外水压分布的作用,得到了带注浆圈隧道衬砌水头和渗流量的解析解;通过与各向同性解析解和数值算例的计算结果对比,验证了公式的正确性。分析围岩水平与竖向渗透系数、注浆圈参数、衬砌参数、作用水头高度和隧道半径等因素对衬砌外水压力的影响,并考虑了各向异性渗流情况下衬砌外水压力与隧道渗流量的关系曲线。

深埋圆形隧洞饱和土-衬砌简谐振动的解析解

在频率域研究深埋圆形隧洞饱和粘弹性土体-衬砌系统耦合简谐振动的动力学特性.根据弹性理论和饱和多孔介质理论,分别得到衬砌和饱和粘弹性土体的稳态动力响应;通过衬砌边界条件以及衬砌与饱和土界面的连续性条件,得到衬砌边界均布简谐载荷作用下饱和土-衬砌系统稳态振动时的位移、应力和孔隙水压力等的解析表达式.考察物理和几何参数对系统动力学特性的影响.研究结果表明:孔隙水的渗透性对系统动力特性影响显著,不透水情形下系统响应远大于透水情形下的响应,且不透水情形下,衬砌厚度对系统响应具有显著影响.然而,土骨架与孔隙水相互作用系数和土体泊松比等对系统响应影响很弱.