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水利学报 2018年第3期49卷 313-322页

作者：周利苏凯周亚峰文喜雨伍鹤皋武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072 长江勘测规划设计研究院湖北武汉430010 长江岩土工程总公司湖北武汉430010

在高压隧洞发电运行过程中,衬砌钢筋应力普遍小于设计预期,并未达到既安全又经济的效果。本文基于混凝土塑性损伤模型与透水衬砌理论,提出了透水衬砌渗流-应力-损伤耦合算法。基于大型通用有限元软件平台ABAQUS进行二次开发,通过Fortra... 详细信息

在高压隧洞发电运行过程中,衬砌钢筋应力普遍小于设计预期,并未达到既安全又经济的效果。本文基于混凝土塑性损伤模型与透水衬砌理论,提出了透水衬砌渗流-应力-损伤耦合算法。基于大型通用有限元软件平台ABAQUS进行二次开发,通过Fortran语言调用实用程序GETVRM获取材料损伤,并利用子程序USDFLD实现了材料渗透系数随损伤的动态更新,完成了隧洞初次充水加压工况中衬砌损伤开裂的耦合分析过程,研究了衬砌损伤开裂、渗透孔压以及钢筋应力的演化特征,并探讨了衬砌与围岩有条件联合承载特性对耦合结果的影响。可以发现:计算所得的衬砌损伤开裂特征与衬砌压水试验结果吻合,完全联合承载与有条件联合承载两种情况下,衬砌钢筋应力表现出明显的差异,说明衬砌设计中未考虑衬砌与围岩相互脱离,即有条件联合承载,是隧洞发电运行时衬砌钢筋应力普遍小于设计预期的原因。本文提出的耦合算法所得到的结果与工程普遍规律相符,具有一定推广性,可以为衬砌设计问题提供一定参考。

关键词：透水衬砌损伤开裂耦合钢筋应力有条件联合承载

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水工隧洞钢筋混凝土衬砌水压致裂分析方法研究

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水利学报 2021年第1期52卷 21-33页

作者：周利苏凯汪洋张妍珺朱洪泽伍鹤皋武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072 长江勘测规划设计研究院湖北武汉430010

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... 详细信息

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,隧洞充水加压过程中,衬砌裂缝促发与扩展过程短暂且密不可分,随之缝内水压力突增、内水外渗效应加剧;衬砌开裂后,缝内水压力沿衬砌径向的降低幅度非常小,量值较为接近于内水压力。有条件联合承载情况下,衬砌裂缝与衬砌-围岩交界面间隙所形成的水体流动通道可以起到传导水压力的作用,使得衬砌外水压力分布更为均匀;衬砌裂缝相对稳定,并且呈现数量少、间距大的分布特点,与衬砌压水试验结果更为吻合。

关键词：水工隧洞钢筋混凝土衬砌水压致裂内聚单元有条件联合承载

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透水衬砌设计方法与高压隧洞承载特性研究

透水衬砌设计方法与高压隧洞承载特性研究

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作者：文喜雨武汉大学

学位级别：硕士

随着常规高水头电站和抽水蓄能电站的建设,高压隧洞的兴建将迎来高峰期。由于抗外压稳定、施工场地受限等问题的存在,钢板衬砌型式在工程上的应用受到了一定限制,而钢筋混凝土衬砌型式虽能克服以上困难,却也面临着混凝土在高内压作用下... 详细信息

随着常规高水头电站和抽水蓄能电站的建设,高压隧洞的兴建将迎来高峰期。由于抗外压稳定、施工场地受限等问题的存在,钢板衬砌型式在工程上的应用受到了一定限制,而钢筋混凝土衬砌型式虽能克服以上困难,却也面临着混凝土在高内压作用下难免开裂的问题。因此,对于钢筋混凝土衬砌,采用透水衬砌理论进行设计,通过限制裂缝宽度来控制渗流量成为设计与研究的核心。本文基于透水衬砌理论和衬砌与围岩的有条件联合承载机理,采用解析法和有限元法进行了透水衬砌结构的相关问题研究,主要内容如下:(1)基于透水衬砌理论,采用解析计算法构建了包含衬砌-围岩结构的双层厚壁圆筒模型,通过引入衬砌与围岩间的粘结力来考虑二者的有条件联合承载特性,结合算例提出了采用该模型进行衬砌设计的具体方法,并分析了不同粘结力下隧洞充水时衬砌与围岩的联合承载机理。结果表明,在内水压力作用下,衬砌与围岩的变形协调性并不是完全积极的,可通过控制粘结力来避免用筋量过大;初次充水期间,衬砌与围岩即将脱离时的最大裂缝宽度和钢筋应力达最大值,衬砌设计时应对该状态的衬砌结构进行安全校核;衬砌开裂前及衬砌与围岩脱离后,粘结力的大小不影响衬砌结构受力。(2)在双层厚壁圆筒模型研究的基础上,采用解析计算法建立了包含衬砌-松动圈-完整岩体结构的三层厚壁圆筒模型,结合算例提出了以该模型进行衬砌设计的具体方法,并分析了围岩松动圈对衬砌结构计算的影响。结果表明,进行衬砌结构设计时,考虑围岩松动圈影响更安全;粘结力为零时,松动圈对衬砌结构计算的影响较小;粘结力较大,衬砌与围岩联合承载时,由于衬砌与围岩间存在拉力作用,钢筋应力、最大裂缝宽度均将随松动圈厚度、变形模量、渗透系数的增加而增加。(3)基于渗流-应力耦合理论和衬砌与围岩的有条件联合承载机理,采用有限元法建立了双层厚壁圆筒模型,通过等效节点荷载反映渗流场对应力场的影响,通过渗透系数与损伤值的关系式反映应力场对渗流场的影响,以接触单元反映衬砌与围岩的结合状态,分析了充水过程中混凝土损伤演化及渗流场变化规律等。结果表明,衬砌开裂前,混凝土损伤及钢筋应力的分布较均匀,衬砌与围岩联合承载;开裂时,出现单条贯穿裂缝,裂缝处的钢筋应力急剧增加,衬砌渗透系数呈数量级增长,以致衬砌与围岩出现脱离;开裂后,损伤、钢筋应力、最大裂缝宽度的增幅均较小。

关键词：高压隧洞透水衬砌有条件联合承载围岩松动圈渗流-应力耦合

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