水工高压隧洞衬砌结构计算的边值法

摘要

随着我国基础设施建设的持续推进，水工隧洞等大型地下结构的建设和发展也日益加快，尤其是高压水工隧洞，在国内已有了大量的工程应用。自人类开挖隧洞以来，基于衬砌结构的设计计算方法经过不断的发展至今已较成熟，目前主要有结构力学法和弹性力学法两大类。
　　伴随计算机的高速发展，结构力学法的数值解法——边值法应运而生，其因可程序化、高效简便的优点被众多科研设计人员广泛使用。
　　本文首先阐述了边值法的计算原理，对其程序化的重要技术处理方法做了详细介绍，并绘制了计算程序流程图，应用MATLAB编制了计算程序。并与理正岩土5.6版的计算结果进行对比，验证了本文程序的正确性。
　　然而，传统边值法也有其缺点，如不考虑钢筋混凝土的开裂，不考虑衬砌渗水，所以对高压隧洞来说，内力与配筋计算结果偏大。在高压水作用下，隧洞混凝土衬砌一般会开裂并与围岩脱开，围岩也就承担了部分水荷载。所以，本文一方面将衬砌混凝土弹性模量进行折减;另一方面，将边值法与水荷载的体力理论结合起来，把衬砌视为透水结构，内水压力以渗透压力形式作用在衬砌和围岩上。采用以上两种途径尝试改进传统边值法，并编制计算程序进行了实例计算。
　　其次，本文以圆形高压水工隧洞为例，考虑到高压隧洞在很低的水头下衬砌开裂并与围岩脱开的实际情况，计算了不同衬砌厚度、隧洞内半径、围岩渗透系数、钢筋间距、内水压力下的围岩承载比，并以计算所得数据为基础，讨论了围岩承载比随以上5个变量的变化规律与取值区间。
　　最后，对本文的主要工作进行了总结，并对以后的工作进行了展望。

目录

声明

摘要

符号规定

1 绪论

1．1 引言

1．2 我国水工隧洞的发展

1．3 水工隧洞衬砌的作用及类型

1．3．1 水工隧洞衬砌的作用

1．3．2 水工隧洞衬砌常见形式

1．4 水工隧洞设计方法

1．4．1 结构力学法

1．4．2 弹性力学法

1．5 高压水工隧洞设计出现的问题

1．6 本文的主要工作

2 衬砌结构计算的边值法及其验证

2．1 衬砌结构计算的边值法

2．1．1 原理概述

2．1．2 衬砌边值问题的建立

2．1．3 基本方程式的数值解

2．1．4 衬砌结构交界点处连接处理

2．2 算例验证

2．2．1 圆形水工隧洞

2．2．2 城门洞形隧洞

2．2．3 马蹄形水工隧洞

2．3 剪力位移项对计算结果的影响

2．4 本章小结

3 折减混凝土弹性模量改进边值法

3．1 边值法计算某隧洞衬砌配筋

3．1．1 工况及计算简图

3．1．2 求解过程

3．2 折减混凝土弹性模量对衬砌内力的影响

3．3 内力与外荷载关系

3．4 隧洞内半径、衬砌厚度对轴力比的影响

3．5 本章小结

4 结合体力理论改进边值法

4．1 水荷载的体力设计理论

4．2 体力理论

4．2．1 体力理论计算模型

4．2．2 体力理论基本假设

4．3 无围岩松动圈时衬砌外表面水压力p2求解

4．3．1 衬砌外表面处水压力p2计算公式

4．3．2 求解衬砌外表面处水压力p2

4．4 体力理论与边值法结合

4．4．1 计算方法及流程

4．4．2 实际算例

4．5 体力理论与边值法结合计算配筋面积与实际工程配筋对比

4．5．1 瀑布沟水电站压力管道

4．5．2 溪洛渡水电站压力管道

4．5．3 乌江索风营水电站引水发电隧洞

4．5．4 实例验证总结

4．6 影响围岩承载比的因素探讨

4．6．1 围岩承载比N随内水压力p1变化的规律

4．6．2 围岩承载比N随钢筋间距S变化的规律

4．6．3 围岩承载比N随衬砌厚度t的变化规律

4．6．4 围岩承载比N随隧洞内半径r1变化的规律

4．6．5 围岩承载比N随围岩渗透系数Kr变化的规律

4．7 本章小结

5 总结与展望

5．1 本文主要工作及成果

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢