水工高压隧洞衬砌计算方法研究

摘要

随着大量引水式电站和抽水蓄能电站的相继建设，需要兴建越来越多的高水头大直径压力隧洞。高压隧洞能否合理运行与其衬砌型式和分析方法密切相关。选择合适的衬砌型式，采用合理的衬砌分析理论对高压隧洞衬砌进行设计分析十分重要。本文以某水工隧洞为原型，分别基于面力理论和体力理论对高压隧洞钢筋混凝土衬砌进行配筋计算，研究两种理论下高压隧洞钢筋混凝土衬砌配筋的合理性;另外，选用钢板衬砌时对软弱围岩高压隧洞进行弹塑性有限元分析，并对不同衬砌型式的计算结果进行了对比。主要工作和得出的结论如下:
　　(1)简要介绍了水工隧洞结构的研究现状，并分析对比了高压隧洞钢筋混凝土衬砌和钢板衬砌的计算分析方法。利用有限元软件模拟了云南依萨河水电站的钢衬钢筋混凝土压力管道受力和变形情况，与试验吻合良好的数值结果说明了有限元方法能够模拟混凝土弹性-塑性-开裂和钢材弹性-塑性-屈服，直至结构丧失承载能力而破坏的整个过程。相比于解析方法，更能反映结构实际的受力和变形。
　　(2)对某水工隧洞分别在62m及200m水头下进行衬砌配筋分析，结果发现:面力理论较适合于中低水头隧洞混凝土衬砌的配筋设计。基于面力设计理论对高压隧洞衬砌进行配筋时，为满足限裂设计要求所需配筋面积过多，不适用于高压隧洞钢筋混凝土衬砌的配筋计算，应当将内水压力作为一种体积力，按体力理论进行分析配筋。
　　(3)基于体力理论对高压隧洞钢筋混凝土衬砌配筋，计算结果发现:围岩承担了绝大部分荷载，衬砌只承担了小部分荷载;仅通过增大配筋面积来降低钢筋应力和裂缝宽度作用有限，而围岩渗透性能对衬砌配筋计算结果影响显著，因此应当通过固结灌浆等措施提高围岩完整性、弹性抗力和抗渗性能。
　　(4)选用钢板加上回填混凝土来衬砌隧洞时并对其进行弹塑性有限元分析，发现在200m水头作用下回填混凝土已完全开裂，开裂后的混凝土基本不能承担环向拉应力，但仍能传递内压，大部分内水荷载由钢衬和围岩承担;钢衬能够有效防止渗漏问题。对于Ⅳ类、Ⅴ类围岩建议考虑钢板衬砌，以避免后期因渗漏问题影响电站运行。
　　(5)钢衬、回填混凝土及围岩之间的初始缝隙对钢衬的应力影响较大，因此在施工过程中需要保证回填灌浆质量，以尽量减小初始缝隙。
　　最后，对本文主要研究成果进行了总结，并对后续工作进行了展望。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究进展与现状

1．2．1 压力隧洞设计准则

1．2．2 钢筋混凝土衬砌计算分析理论

1．2．3 内外水压力分析处理

1．2．4 钢筋混凝土衬砌分析计算方法

1．2．5 钢板衬砌分析计算方法

1．3 本文主要内容

2 水工隧洞非线性有限元分析的基本原理

2．1 材料本构关系

2．2 混凝土破坏理论

2．3 混凝土裂缝模型及钢筋的模拟

2．4 非线性有限元模型的数值实现

2．4．1 非线性方程组的求解方法

2．4．2 收敛准则

2．5 ANSYS软件及SOLID65单元

2．5．1 ANSYS软件简介

2．5．2 SOLID65单元性质

2．6 本章小结

3 依萨河二级水电站钢衬钢筋混凝土压力管道的模拟与分析

3．1 项目概况

3．2 结构模型试验

3．2．1 模型试验设计与制作

3．2．2 模型试验结果与分析

3．3 三维非线性有限元分析

3．3．1 计算模型

3．3．2 结果及分析

3．4 综合对比分析

4 隧洞钢筋混凝土衬砌计算及结果分析

4．1 研究思路及工程概况

4．1．1 研究思路

4．1．2 工程概况

4．2 基于面力理论的衬砌计算及结果分析

4．2．1 基本假定

4．2．2 计算荷载

4．2．3 计算模型

4．2．4 素混凝土衬砌线弹性有限元分析

4．2．5 双层钢筋混凝土衬砌非线性有限元分析

4．3 基于体力理论的衬砌计算及结果分析

4．3．1 基本假设及符号规定

4．3．2 无松动圈时衬砌结构计算及分析

4．3．3 考虑围岩松动圈的衬砌结构计算及分析

4．4 小结

5 隧洞钢板衬砌计算及结果分析

5．1 规范方法

5．1．1 承受内压强度计算

5．1．2 抗外压稳定计算

5．2 有限元弹塑性分析

5．2．1 计算模型

5．2．2 计算荷载及工况

5．2．3 结果及分析

5．3 小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢