柘溪水电站引水隧洞钢筋混凝土衬砌非线性有限元计算研究
输水盾构隧洞复合衬砌结构设计计算研究
衬砌间接触界 面的处理条件和 方式密切有关。目
前, 内、外层衬砌之间接触界面的处理类型主要有两 种:
1 )衬 间敷 设有 防 排水 垫 层 。此 时 内 、外 层 衬 砌
由防排水垫层相互隔开。防排水垫层可以保证内、
外层排放渗漏水各行其道, 内、外水间不贯连, 内、外
衬砌结构单独受力, 隧洞 外部作用荷载 ( 包括施工
内、外衬新老混凝土接触界面因处理方式的不 同将会造成接触界面力学性质的明显差异。为此, 本文提出了以下 4种新老混凝土的接触界面模型。
1) 无粘结力模 型。内衬施工前 先将管片内侧 表面的螺栓手孔、注浆孔、吊装孔等凹槽、孔洞均用 水泥砂浆充填抹平, 然后浇注内衬混凝土。为此可 认为, 内外层衬砌界面间只能传递径向压力, 而由于 设定层面间缺失粘结力, 故不能承拉和仅能有限承 剪 ( 界面摩擦力 ), 此时可通过界面摩擦力 ( 由径向 压力引起 )的形式 ( 需经过检算认定 ) 传递内、外衬 层面间的切向剪力。这种复合衬砌接触界面的无粘 结力模型, 建议采用与 管片 土体 接触面作相同 处理的库仑摩擦模型。
可认为此时内、外层衬砌界面之间的位移是协调的, 对其接触界面作变形处理时可采用位移协调模型。
4)局部位移协调模型。外衬管片的手 孔或凹
槽中有足够插筋伸入到内衬混凝土内, 且一些局部 部位经层面间压浆面密贴接触, 此时上下界面间的
径向和切向位移可认为是协调的; 另一些部位如果
层间粘结与摩擦强度不足 而导致上下界面 相互脱
加后张预应力是当前国内外主要采用的一种机械式
形成环箍状张拉的预应力衬砌。我国清江隔河岩和
小浪底二处水电站经过多年的通
0引 言
将盾构工法用于输水隧洞工程在国内外较为少 见。目前, 有 压输水隧洞多采用双层衬砌结构 ( 如 我国尚在施工的南水北调中线一期穿越黄河的输水 隧洞、埃及穿越苏伊士运河输水隧洞和拟建的旧金 山湾输水隧洞 等 ) ; 还有部分输水隧洞是从地下深 部岩层中穿越, 其洞内水压对所产生的结构受力影 响不大 ( 如我国辽宁大伙房水 库输水工程、引红济 石调水工程等 ) ; 而采用大型盾构机在软弱土层中 进行高水压、大直径输水隧洞设计施工, 如上述正建 的南水北调中线穿黄输水隧洞 ( 复合预应力衬砌 ) 则是比较典型的示例。
引水隧洞开挖支护方案围岩稳定的非线性有限元模拟
摘 要 ： 围岩 与衬砌结 构看做整体承载结 构 ， 围岩结构 视为弹塑性体 ， 将 将 结合工程实例 ， 采用 ＡＢ ＵＳ非线性有 限元软 Ｑ
件 ， Ⅳ、 对 Ｖ类围岩洞段进行模拟计算 ， 塑性 变形的角度分析 围岩稳定性并 提出合理支护方 案 。模 拟分析结果 为： 从 Ⅳ
类 围岩 稳 定 性 较 差 ， 护 处 理 后 ， 拱 塑性 区 基 本 消 失 ； 支 顶 Ｖ类 围 岩 稳 定 性 很 差 ， 须 进 行 超 固 处 理 。研 究 结 果 对 同类 型 必
Ｗ ＡＮＧ ａ － ｎ Ｚ Ｘｉ ｊ 。 ＨＯＵ ｉＪＡＮＧ ｉｇ ｏｕ Ｈｕ ， １ Ｂｎ
（ ｎ ｉｎ ｃ ｎｉｉ ｓａｃ ｎｔｔｔ ｏ Ｘｉｊａ ｇＳ ｉ ｔ ｃＲｅｅｒｈＩｓｉ ｅ ｆＷａｅ ｅ ｆ ｕ ｔｒＲｅｏ ｒｅ ｎ ［ｙ ｒｐ ｚｅ ， ｓｕｃｓ ｄ － ｄ ｏ ｏｔｒ ＭＷＲ， ｒ ｍｑ ８ ０ ０ ， ｈｎ ａ ｔ Ｕ ｕ ｉ ３０ ０ Ｃ ｉａ
ｗｉ ｒｊｃ ａ ｅ ｕ ｉｇ ｎ ｎ ｉｅ ｒ ｆ ｉ ｌ ｎ ｏ ｔ ｒ－ ＱＵＳ ｔ ｅ ｐ ｐ ｒｃ ｒ ｉ ｕ ｉ ｌ ｉｎ ｃ ｌ ｌｔ ｎ ｆ ｒ（ ａ ｓ Ｉ ａ ｄ Ｖ ｕ ｒ ｌ ｉｇ ｔ ｐ ｏｅ ｔ ｓ ， ｓ ｏ ｌ ａ ｉ ｔ ｅｅ ｈ ｃ ｎ ｎ ｎ ｅ ｍｅ ｔ ｆｗａ ｅＡＢ ｓ ， ｈ ａ ｅ ａｒｅ ｏ ｔｓ ｓ ｍｕａ ｏ ａｃ ａ ｉ ｏ ； ｓ Ｖ ｎ ｓ ｒｏｍｄｎ ｔ ｕ ｏ ｌ
其 他引水隧洞工程 围岩稳定评 价及支护设计具有一定 指导意义 。 关键词 ： 引水 隧洞 ； 围岩稳定 ； 非线性有 限元 中图分 类号 ： ５ ＴＶ５４ 文献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ：６ ２１ ８ （０ ０ ０ —１ ３０ １７ —６ ３ ２ １ ） ５０ ５ －４
水电站无压隧洞设计方案分析论文
水电站无压隧洞设计方案分析论文汇报人：2023-11-25•引言•无压隧洞设计基础•水电站无压隧洞设计方案•水电站无压隧洞设计优化•设计方案的评价和比较•工程实例分析•研究结论与展望01引言研究背景和意义能源需求和供应水电站建设现有研究不足本研究将采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，对无压隧洞的设计方案进行深入分析和研究。
研究目的和方法研究方法研究目的本论文将主要研究无压隧洞的结构设计、水流特性、稳定性分析等方面，并对其设计方案进行优化。
研究内容本文将分为五个部分，引言、文献综述、研究方法、实验研究和结论与展望。
在引言中，我们将介绍研究的背景和意义；在文献综述中，我们将梳理现有的研究成果和不足；在研究方法中，我们将详细介绍本研究的研究方法和实施方案；在实验研究中，我们将对无压隧洞设计方案进行分析和优化；最后在结论与展望中，我们将总结本论文的研究成果和不足，并提出未来研究方向。
论文结构研究内容和结构02无压隧洞设计基础01 02 030102030403水电站无压隧洞设计方案设计方案的选择方案1方案2方案3方法2方法3方法1施工方法的确定材料1选用钢筋混凝土作为衬砌材料，具有较好的抗拉性能和抗震性能，适用于地震区的无压隧洞建设。
材料2材料3衬砌材料的选用04水电站无压隧洞设计优化施工工艺优化施工时间安排施工组织设计030201施工过程的优化材料选择选用高强度、耐腐蚀、轻质的衬砌材料，如喷射混凝土、钢纤维混凝土等。
材料性能提升通过研发新型材料或优化材料配比，提高衬砌材料的性能。
材料维护与更换制定衬砌材料的维护和更换计划，确保隧洞长期稳定运行。
衬砌材料的改进01防水设施设计02防水设施施工03防水设施监测防水设施的设置05设计方案的评价和比较技术经济比较方案1方案2方案3方案2钢衬砌方案在施工过程中会产生较大的噪声和粉尘污染，且运行期间对环境影响也较大。
方案3喷锚支护方案在施工过程中对环境影响较小，但运行期间可能会产生一定的噪声和粉尘污染。
柘林水电站扩建工程引水隧洞模板设计与优化
模板设计为六大块进行 整体加工 ， 块最重 ７０ ｇ 单 ０ ｋ，
人 工 配 合 吊车 能 够 顺 利 进 行 安 拆 。 如 何 将 １４圆 墩 模 板 与 顶 拱 模 板 进 行 组 合 加 ／ 工 是 洞 脸 渐 变 段 模 板 加 工 的难 点 。 采 用 图 ２的 布 置型 式 ， 们 很 好 地 解 决 了 这 一 问题 ， 板 在 加 工 我 模
主要 变 化 方 向 ， 另 一 个 方 向 的变 化 则 由 面 板 来 控 而
的引 水 系统 。 引 水 明渠 由水 库 北 侧 库 湾 扩 挖 形成 ， 下 接 ５号 、 ６号 两 条 引 水 隧 洞 。 隧 洞 由 洞 脸 渐 变 段 、 身 渐 变段 、 渐 变 段 （ 变 圆 ） 上 平 段 、 弯 洞 上 方 、 上 段 、 管 段 、 弯 段 、 平 段 、 平 弯 段 和 下 渐 变 段 斜 下 下 水
２ 模 板 的 选 型 、 计 与优 化 设
模 板 的 选 型 决 定 于 曲 面 形 状 、 工 难 度 、 转 加 周
次 数 、 拆 手 段 及 费 用 等 因素 。 安
根 据 我 公 司 在 清 江 隔 河 岩 引 水 隧 洞 工 程 及 三 峡 工 程 泄 水 箱 涵 等 工 程 中 使 用 钢 模 台 车 的 成 功 经
和 使 用 过 程 中取 得 了成 功 。
引水 隧 洞 ０＋１ ． ３ ０＋１ ．３ ２ １６ ５ １６为 洞 脸 渐 变
段 ， 身 宽 由 １ｍ 变 为 ９ 边 墙 按 Ｒ＝３ 洞 ５ ｍ， ｍ的 １４圆 ／
弧 变 化 ， 拱 由 Ｒ＝１ ．２ ｍ， 心 角 ａ＝２ ． １ 。 顶 ６０ １ 中 ７ ９ ４ 圆
抽水蓄能电站钢筋混凝土衬砌水道渗流-应力耦合分析方法、钢筋混凝土衬砌结构计算原则
附录A 渗流-应力耦合分析方法第4.0.5规定，对于高压水道，渗流分析应采用应力-渗流耦合方法，即考虑应力场和渗流场的相互影响。
目前岩体应力-渗流耦合分析方法主要有间接耦合方法和直接耦合方法。
对于间接耦合分析方法，渗流场和应力场是分开进行求解，然后通过两场的叠加实现耦合，具体实现方法是先通过求解渗流场得到渗透体积力，然后将渗透体积力以体力形式施加到应力场分析中；对于直接耦合分析方法，渗流场和应力场是耦合求解，建立以应力场和渗流场为未知值的数学模型，通过求得此模型实现直接耦合，分析理论一般采用Biot 固结理论。
（a ）渗流-应力耦合间接分析方法1）渗流场分析通常，假定地下水在岩体中的流动满足达西定律，根据质量守恒或渗流连续性条件，地下水稳定渗流微分方程可表示为：Q x y z HH H K K K x xy y z z ⎛⎫∂∂∂∂∂∂⎛⎫⎛⎫++= ⎪ ⎪⎪∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭ （A.1） 式中：H 为渗流测压管水头（m ），pH z gρ=+；x K 、y K 、z K 分别为x 、y 、z 方向的渗透系数(m/s)；Q 为内源项。
2）渗透体积力计算水在渗流过程中由于水压力的坡降而产生渗流体积力，渗流体积力与水力梯度成正比例，由渗流产生的渗透体力可根据如下公式计算：x w y w z wHf x H f y H f z γγγ⎧∂=-⎪∂⎪∂⎪=-⎨∂⎪⎪∂=-⎪∂⎩（A.2） 式中：x f 、y f 、z f 分别为x 、y 、z 方向的渗透体积力。
3）应力场分析根据弹性力学理论，在小应变条件下，应力场分析中任一单元体满足如下方程： ①平衡方程：000xy x xzx yx y yzy zy zx z z b x y z b x y z b x y z τσττστττσ∂⎧∂∂+++=⎪∂∂∂⎪⎪∂∂∂⎪+++=⎨∂∂∂⎪⎪∂∂∂⎪+++=∂∂∂⎪⎩（A.3） 其中，x xy y z zb f b f b g f ⎧=⎪=⎨⎪=+⎩②几何方程：==x xy y yz z zx u u v x y x v v w y z y w u wz z x εγεγεγ∂∂∂⎧=+⎪∂∂∂⎪∂∂∂⎪=+⎨∂∂∂⎪⎪∂∂∂==+⎪∂∂∂⎩，，， （A.4） ③本构方程：222x x v xy xyy y v yz yz z z v zx zxG G G G G G σελετγσελετγσελετγ=+=⎧⎪=+=⎨⎪=+=⎩，，， （A.5） 式中：x σ，y σ，z σ，xy τ，yz τ，zx τ为应力分量；x b ，y b ，z b 为体积力，包括重力和渗透体积力；x ε，y ε，z ε，xy γ，yz γ，zx γ为应变分量；v ε为体积应变；λ和G 为弹性常数。
马边芭蕉溪水电站引水隧洞及渠道设计
马边芭蕉溪水电站引水隧洞及渠道设计信息与工程技术学院农业水利工程专业邓招贵（指导教师：张顺芳工程师）摘要本文是无压引水式水电站引水隧洞及渠道的设计报告,主要包括断面设计和结构设计两大部分。
主要任务是根据已定的流量来选定隧洞和渠道的断面尺寸、糙率、纵坡、水深.设计按照一定的程序，根据相关的地形、地貌、地质、水文等原始资料和大量的设计规范，运用工程类比法、方案比较法和试算法，在同时满足防冲、防淤及施工、技术方面要求的基础上，以明渠恒定流理论作为隧洞、渠道水力设计的基本依据，拟定几个可能的方案，经过技术经济比较，选定经济、安全、美观，便于施工的最优设计方案。
最终确定隧洞的断面为圆拱直墙式，拱顶中心角为120o,渠道为矩形断面，均采用底坡1/500，糙率0。
017，底宽1。
4m的矩形过水断面。
在结构设计中，从安全、经济以及便于施工的角度出发，采用浆砌块石找平，混凝土抹面，取得很好效果。
关键词糙率；水力半径；水头损失The Design of Diversion Tunneland Channel of MaBian Power StationAbstract This article is about the design of diversion tunnel and channel of diversion type hydropower station。
It includes two major parts of the section design and structural design mainly. Design according to certain procedure，according to such firsthand information as relevant topography，landform , geology , hydrology ,etc。
and a large number of design specifications, use the analogy law of the project , scheme comparative law and try algorithms，on the basis of meeting to defending washing, defending the silt, specification requirement。
某水电站引水隧洞衬砌结构计算书
目录1 计算总说明 (1)1.1 计算目的及要求 (1)1.2 基本资料 (1)1.3 计算原则和假定 (1)1.4 材料参数 (2)1.5 参考书目及资料 (2)2 计算过程 (3)2.1 围岩分担内压 (3)2.2 按初拟配筋计算钢筋应力 (8)2.3 按限裂标准复核钢筋应力 (9)2.4 抗外压计算 (11)3 计算成果及分析 (13)4 附图........................................... 错误！未定义书签。
引水隧洞衬砌结构计算书1 计算总说明1.1 计算目的及要求本算稿采用高压隧洞的透水衬砌方法（公式法）对某水电站引水隧洞进行内力和配筋计算，为施工详图设计阶段引水隧洞衬砌的施工图绘制提供合理的数据依据。
1.2 基本资料引水隧洞布置于XX河左岸，进水口至调压室引水隧洞长全长15541.226 m，为有压隧洞。
引水隧洞建筑物为3级，结构安全级别为Ⅱ级。
沿线山体雄厚，设计洞轴线与主要结构面呈较大角度相交，具备基本的地形地质条件，围岩类别以Ⅲ类为主，局部稳定性差，应及时采取支护措施；少部分洞段属Ⅱ类围岩，基本稳定，Ⅳ~Ⅴ类围岩不稳定。
Ⅱ、Ⅲ1类围岩段，采用马蹄形断面(喷锚支护方式)，Ⅲ2、Ⅳ、Ⅴ类围岩段采用马蹄形或圆形断面（钢筋混凝土衬砌支护方式），本算稿仅针对钢筋混凝土衬砌支护段进行结构计算。
围岩分类及参数详见附页互提资料单。
1.3 计算原则和假定高压隧洞的结构设计采用了透水衬砌方法进行计算，本工程采用公式法进行计算。
公式法：考虑变形协调，计算圆形断面在内水压力作用下围岩、混凝土、钢筋的应力和变形，以及混凝土裂缝开展宽度。
充水过程：初次充水，内水压力达到一定程度后，高压隧洞衬砌体开裂，内水压力以渗透压力，即体积力的形式作用在混凝土衬体和围岩上，使混凝土衬体内、外水压的压差逐渐降低或趋于平衡，从而在钢筋混凝土上产生的应力都较小。
衬砌计算原则：1）高压隧洞透水衬砌计算要求隧洞埋深满足挪威准则，且在地质围岩较差段外水满足渗流稳定。
发电引水隧洞衬砌的有限元分析实例
证模 型 ．．
（ ）计算 所 用单 元及 材 料 的本构 模 型。 在有 限 １
元 的计算当中， 必须选择恰当的单元模拟实体模 型， 以兼顾计算效率与计算精度。 根据隧洞的几何特点 ，
站 总装 机 容 量３ ０ＭＷ。工 程规 模 为 四等 小 （） １型工
０ 引言
在 水 电站 有压 引水 隧 洞设 计 中 ． 于 较 大尺 寸 对
程， 主要建筑物为４ ， 级 次要建筑物为５ 。 级 引水 隧洞是 本 工程 主要 建筑物 ，规模 大 ，投 资 高， 对电站影响较大。洞线布置于河道右岸山体中， 为有压 隧洞 ， 设计过水流量１８ Ｔ ， ３． ｍ ｓ断面 （ 高 ） ６ 宽×
凝 土衬 砌 ， 内压 水头 较高 或 围岩状 况更差 时 ． 当 还要 加 强衬 砌 。 对 于 隧洞 的钢 筋 混 凝 土衬 砌 计算 ． 般 多采 用 一
《 水工隧洞设计规范》 Ｓ ２９ ２ ０ ）推荐的结构力 （Ｌ ７ —０ ２
学分 析方 法 ． 即程 序“ 工 隧洞钢 筋混凝 土衬 砌计 算 水
计实践 ， 在对本工程引水隧洞衬砌进行计算时 ， 采用 了洞 室有 限元 分析 方法 ， 进行 了设 计优 化 。
性分析 、 非线性分析和高度非线性分析 ）流体动力 、 学 分析 、 电磁场 分析 、 声场 分析 以及 多物 理场 的耦合 分析 ， 可模 拟多 种物 理介 质 的相互 作用 ， 具有 灵敏度 分 析及 优化 分析 能 力 。 目前该 软件 已在水 利 工程地
下 洞室 分析 计算 中有 一定 应用 ，经 其它 工程计 算验
１ 引 水 隧 洞 工 程 概 况
扭 子水 电站工 程位 于甘 肃省 南部 卓尼 县县 城上 游 约２． ｋ ０１ ｍ处 的洮 河 干 流 上 ，距 省 会 兰 州 市 约 ３０ｋ 主要 建筑 物 由枢纽 、 系统 、 电厂房等组 ６ ｍ。 引水 发 成 。电站额定水头２ ， 计 引用 流量 １８６ ３ ， ５ｉ 设 ｎ ３ ．０ｍ／ 电 ｓ
高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构相关工程问题探究与建议_secret
高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构相关工程问题探究与建议中国***第一工程局作者: ***1综述高压引水隧洞是构成大型水电站、抽水蓄能电站的引水建筑物，其承受工作水头压力大于100m。
构成抽水蓄能电站的引水建筑物由系统的高压引水隧洞组成，具有结构形式多样、承压水头高、引水线路长等特点；国内已建的天荒坪抽水蓄能电站引水隧洞承压水头达700m以上，引水系统隧洞总长度达1000m以上。
在此，本文针对抽水蓄能电站引水系统，把承压水头大于100m的引水隧洞作为高压引水隧洞。
引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构是应用较普遍的衬砌结构形式，对于高压引水隧洞而言，钢筋混凝土衬砌结构也是一种较经济的结构形式，高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构在工程应用中常会遇到不良地质条件的影响，从而引出一些相关的工程问题。
本文针对不良地质条件软弱地质构造的工程危害，从高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构应力分析入手，分析高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌----围岩复合体结构稳定性，探究不良地质条件环境中高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构应用实践中存在的工程问题，并提出相关的建议2高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构的工程应用及其工作特点2.1高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构的工程应用抽水蓄能电站高压引水系统包括：上平段、上弯段、斜（坚）井段、下弯段、下平段、岔管段、钢管段等组成部份。
高压引水隧洞的衬砌形式一般常用有两种：钢筋混凝土衬砌结构形式和钢管回填混凝土衬砌形式；高压引水系统隧洞主要布置于深厚覆盖的山体中，当工程地质条件相对较好时，常采用斜井布置形式，引水隧洞衬砌多采用钢筋混凝土衬砌结构形式，当工程地质条件较差时，一般采用坚井布置形式，或采用斜井钢衬结构形式。
已建的天荒坪抽水蓄能电站及桐柏抽水蓄能电站高压引水系统都处于较完整的新鲜花岗岩岩体中，无较大规模发育的地质构造带，区域工程地质条件较好，因而其高压引水系统隧洞采用斜井钢筋混凝土衬砌结构形式；北京十三陵、江苏宜兴抽水蓄能电站引水系统区域工程地质条件较差，围岩风化程度较强，且有较大的断层等地质构造带通过，北京十三陵抽水蓄能电站高压引水系统采用了斜井钢管衬砌回填混凝土结构形式，江苏宜兴抽水蓄能电站引水系统采用了坚井钢管衬砌回填混凝土结构形式。
某水电站导流隧洞开挖与衬砌过程数值模拟研究
（ ． Ｋｅ ｂ ｒ ｔ ｒ ｆ Ｇｅ ｌ ｇ ｃ ｌ Ｈａ ａ ｄ ｎ Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｒ ｏ ｒ Ａｒ ａ ｏ ｕ ａ ｉ ｎ Ｍ ｉ ｉｔ ｙ Ｃｈ ｎ １ ｙ Ｌａ ｏ ａ ｏ ｙ ｏ ｏ ｏ ｉ ａ ｚ ｒ ｓ ｉ ｒ ｅ Ｇｏ ｇ ｓ Ｒｅ ｅ ｖ ｉ ｅ ｆ Ｅｄ ｃ ｔ ｎ ｓ ｒ ， ｏ ｉａ
赖 小 玲 陈 艺 南。 王 世 梅
（ ．三峡 大学 三峡库 区地 质 灾 害教 育部 重 点 实验 室 ，湖 北 宜 昌 １
２１ ０ ８） ００
４ ３ ０ ；２ 东南 大 学 交通 学 院 ，南京 ４０ ２ ．
摘要 ： 用 大型通 用 有限元 软件 ＡＮＳ Ｓ对 潘 口水 电站 导流 隧洞开 挖 与衬 砌过 程进 行数值 模拟． 利 Ｙ 隧
中图分 类 号 ： ＴＶ５ ４ ５ 文献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ：６ ２９ ８ ２ １ ） １０
Ｎｕ ｅ ｉ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｏ ｅ ｓ ｓ ｏ ｃ ｖ ｔｏ ｎ ｎｉ ｇ ｏ ｖ ｒ ｉ ｎ Ｔｕ ｅ ｍ ｒ ｃ ｌＳ ｍ ｌ ｔｏ ｆ Ｐｒ ｃ ｓ ｅ ｆ Ｅｘ ａ ａ ｉ ｎ ａ ｄ Ｌｉ ｎ ｆ ａ Ｄｉ ｅ ｓ ｏ ｎｎ ｌ
Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｉ． ｒ ｅＧｏ ｇ ｓＵｎ ｖ ，Ｙｉｈ ｎ ４ ０ ２ ｃ ａ ｇ ４ ３ ０ ，Ｃｈ ｎ ；２ ｉａ ．Ｔｒ ｎ ｐ ｒａ ｉｎＣｏ ｌｇ ， ｏ ｔ ｅ ｓ ｉ． ａ ｓ ｏ ｔｔ０ ｌ ｅ Ｓ ｕ ｈ ａ ｔ ｅ Ｕｎ ｖ ，Ｎａ ｊ ｇ２ ０ ０ ， ｎｉ １ ０ ８ ｎ
介 于二者 之 间． 故在 两种 计 算结果 的 基础 上 结合 工 程 实 际情 况 和 经验 ， 对潘 口水 电站 导流 洞 洞 身
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水电站设计D H P S 第16卷第4期2000年12月柘溪水电站引水隧洞钢筋混凝土衬砌非线性有限元计算研究陈 波1,刘 幸2(11同济大学工程结构研究所,上海 200092;21武汉水利电力大学,湖北武汉 430072)摘 要:采用钢筋混凝土非线性有限元方法,对柘溪水电站引水隧洞钢筋混凝土衬砌的强度和开裂度进行了校核,并对衬砌开裂原因进行了分析,得出温度应力对该衬砌结构开裂具有相当影响的结论。
关键词:引水隧洞;衬砌裂缝;非线性有限元方法;温度应力;柘溪水电站中图法分类号:TV 73213 文献标识码:B 文章编号:1003-9805(2000)04-05 收稿日期:1999-11-11 作者简介:陈 波(1975-),女,湖北人,在校博士生,研究方向为工程抗震与防灾。
1 前 言柘溪水电站位于湖南省安化县境内的资水中游大溶塘峡谷出口处。
电站采用单支墩大头坝岸边引水式厂房布置方案,坝高104m ,坝顶高程174m ,正常蓄水位16715m 。
电站的引水发电系统布置在右岸,主要由进水口、引水隧洞和厂房等组成,共装机6台,均为单独隧洞供水。
6条引水隧洞从大坝、进水口穿过高山,然后引入厂房,其中1号、2号和3号引水隧洞由渐变段起至下弯管前为钢筋混凝土衬砌,下弯管以后为钢板衬砌;4号、5号和6号引水隧洞全为钢板衬砌。
引水隧洞最长为204m ,最短为159m ,洞径由615m 渐变到512m 或515m 。
两洞壁间岩体厚715m ,与开挖洞径相当,个别地方甚至小于一倍洞径。
相邻两洞间壁厚各处不一,一般为7～12m ,这样小的厚度是国内外水工隧洞少有的。
水电站的6条引水隧洞投产运行已有三十余年,均不同程度地出现了钢筋混凝土衬砌开裂和钢板衬砌鼓包等问题,特别是1号、2号和3号引水隧洞的钢筋混凝土衬砌,裂缝达一百多条,缝宽约011～012mm 。
衬砌段开裂后,虽经多次修复,均不能明显根治,使衬砌长期带裂缝工作,不仅导致钢筋锈蚀,降低衬砌本身的承载能力,而且内水外渗,危及山体和边坡的稳定。
为了全面地弄清裂缝产生的根本原因和估计钢筋混凝土衬砌的承载能力,本文在文献[1]、[2]的基础上,考虑材料非线性特性,对1号、2号和3号引水隧洞的钢筋混凝土衬砌进行了有限元计算分析。
2 钢筋混凝土有限元模型的建立2.1 钢筋与混凝土的本构关系钢筋的应力—应变曲线简化为一条斜线和两条水平线,如图1所示。
混凝土的应力—应变曲线在Saenz 曲线的基础上,简化为图2所示的折线。
图1 钢筋应力—应变曲线图2 混凝土应力—应变曲线2.2 单元计算模型的选择钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种材料组成,它们的外形和材料特性都不相同。
钢筋部分采用轴力杆单元,混凝土部分采用平面常应变三角形单元。
考虑钢筋和混凝土之间的不同联结情况,通常采用的计算模型有两种方式:完好粘结单元和有滑移时的联结单元。
这两种模型都是钢筋混凝土处于连续状态下的模型,或称为初始模型。
随着荷载的逐渐加大,混凝土进入非线性阶段,当混凝土单元开裂和破碎时,需代之以相应的不同计算模型。
在计算程序[6]中,对开裂型破坏单元的处理采用结点不分离模型,即假定单元开裂时,裂缝从单元内部通过,而不进行结点分离。
对于开裂后的单元,沿开裂面无法向刚度;对于压碎型破坏单元,忽略该单元的残余刚度。
3 分析方案的选取虽然水工混凝土结构以近似概率统计理论为基础的极限状态设计法已经颁布(文献[3]),但以《水工钢筋混凝土结构设计规范(SDJ 20-78)(试行)》[4]为基础制定的《水工隧洞设计规范SD 134-84》[5]并没有作相应的调整。
鉴于此,本文以文献[4]、[5]为依据,进行引水隧洞衬砌强度验算和抗裂度复核。
根据文献[5],作用于衬砌上的荷载,按其作用情况可分为基本荷载和特殊荷载。
基本荷载是长期或经常作用的荷载,包括围岩压力、衬砌自重、设计条件下的内水压力、稳定渗流情况下的地下水压力;特殊荷载是出现机遇较少的不经常作用的荷载,有校核水位时的内水压力(包括动水压力)及相应的地下水压力、施工荷载、灌浆压力及地震作用等。
计算荷载根据以上两类荷载同时存在的可能性分别组合为基本荷载组合和特殊荷载组合。
依据文献[4],钢筋混凝土结构构件计算时按单一安全系数极限状态设计方法进行。
进行强度校核时,基本荷载组合下的安全系数取115,特殊荷载组合下的安全系数取114(二级建筑物)。
本工程的原设计是允许开裂的(即为限裂设计),但实际运行中开裂比预期的早且严重。
为了弄清衬砌开裂的主要原因及温度对衬砌开裂的影响程度,本文进行了抗裂度验算而非裂缝宽度验算,抗裂安全系数取112(二级建筑物)。
按文献[4],计算混凝土结构的温度变化引起的应力时,可考虑混凝土的徐变作用而予以降低,作为估算,运行期由于长期温度变化引起的应力可降低35%。
文献[3]中指出,该被折减的温度应力是按弹性体计算得到的弹性温度应力。
本文采用非线性有限元方法,不再考虑此折减问题。
对于温度应力的计算,文献[4]、[5]中都没有明确规定,本文将它同于荷载考虑,即基本组合下的强度安全系数、特殊组合下的强度安全系数、抗裂安全系数分别为115、114、112(二级建筑物)。
根据原设计资料、施工记录和引水隧洞衬砌建成运行后现有情况,采用钢筋混凝土非线性有限元方法,对引水隧洞进行全面的计算分析。
在计算中,考虑了材料的弹塑性性质、引水隧洞的实际运行工况、各种荷载及其组合。
3.1 计算简图及边界温度的确定计算对象为钢筋混凝土衬砌的1、2、3号引水隧洞。
在荷载作用下,取洞群为模型,并考虑相邻各洞的互相作用,洞口以外的岩体取3倍以上洞径作为计算域。
由文献[6]第二章的分析可知,3倍洞径大于16m 左右时,在温度变化作用下的计算域可取同外荷载作用下的计算域。
此水电站引水隧洞洞径的3倍均大于16m ,因而可取温度变化下的计算域同外荷载作用下的计算域。
整个计算域为包含1～3号洞的矩形区域,底部边界为固定边界,其余边界为自由边界。
计算简图的选取、网格的剖分(见图3)和材料的力学参数均同文献[1]。
对1980～1989年洞内水温的资料分析表明,洞内水温最大值取25194℃(10年最高水温的图3 计算简图及网格剖分平均值为241175℃,方差为11153,25194℃具有大于95%的保证率,是可取的样本值);洞内水温最小值取9106℃(10年最低水温的平均值为101695℃,方差为11342,9106℃具有大于95%的保证率,是可取的样本值)。
停机后测得的洞内温度近似值为15℃。
根据文献[6]第二章的分析,可得出计算域外边界温度取为15℃,引水洞周边的温度在通水情况下取洞内水温,在不通水情况下取15℃。
3.2 计算荷载及其组合将引水隧洞下弯段处作为控制截面,考虑如下荷载:A 1—水库水位为17010m 时的内水压力;A 2—岩石压力;A 3—衬砌自重;A 4—岩石侧压力;A 5—无压满水重;A 6—地下水压力;A 7—水锤与设计水头共同产生的内水压力;A 8—温度差引起的环向拉应力;A 9—地应力场。
B 1—水库水位为172171m 时的内水压力;B 2—灌浆压力。
考虑各种可能的荷载组合和运行工况,其中起控制作用的是:(1)A 1+A 3+A 5作用于1号洞+A 8+A 9;(2)A 1+A 3+A 5作用于2号洞+A 8+A 9;(3)A 1+A 3+A 5作用于3号洞+A 8+A 9;(4)A 1+A 3+A 5作用于1、2号洞+A 8+A 9;(5)A 1+A 3+A 5作用于1、3号洞+A 8+A 9;(6)A 1+A 3+A 5作用于2、3号洞+A 8+A 9;(6)A 1+A 3+A 5作用于1、2、3号洞+A 8+A 9。
以上为基本荷载组合。
(8)A 7+A 3+A 5作用于1号洞+A 8+A 9;(9)A 7+A 3+A 5作用于2号洞+A 8+A 9;(10)A 7+A 3+A 5作用于3号洞+A 8+A 9;(11)A 7+A 3+A 5作用于1、2号洞+A 8+A 9;(12)A 7+A 3+A 5作用于1、3号洞+A 8+A 9;(13)A 7+A 3+A 5作用于2、3号洞+A 8+A 9;(14)A 7+A 3+A 5作用于1、2、3号+A 8+A 9。
以上为特殊荷载组合。
每种组合下的A 8依工况不同而选取不同的内边界温度进行计算,每种工况下又根据通水温度的不同分为两种情况,即以上14种荷载组合实际为28种。
进行强度复核时,考虑基本荷载组合,取安全系数115,对以上的(1)～(7)种工况进行计算;考虑特殊荷载组合,取安全系数114,对以上的(8)～(14)种工况进行计算。
进行抗裂度复核时,取安全系数112,对以上的(1)～(14)种工况进行计算。
4 计算成果分析强度复核以钢筋应力的大小来判断其是否符合强度要求,主要关心的是衬砌中钢筋单元的应力。
导致混凝土开裂的主要原因是各种荷载及其组合下主拉应力超过混凝土抗拉强度,因而抗裂度计算的成果分析重点放在第一主应力(即主拉应力)。
4.1 强度复核基本荷载组合和特殊荷载组合下的安全系数平均值分别为51331和41625,大于文献[4]规定的115和114,说明衬砌强度满足要求。
考虑温度作用的组合情况与不考虑温度作用情况下的平均安全系数26136(基本荷载组合)和18144(特殊荷载组合)[1]相比,下降很多,说明温度作用使衬砌中钢筋应力增长显著。
以组合A 1+A 3+A 5+A 8(1、2、3号洞)+A 9且洞内水温低于外边界温度为例,仅考虑温度作用时的钢筋最大拉应力为321695N/mm 2,考虑温度和荷载共同作用时的钢筋最大拉应力为431703N/mm 2,可见温度作用在很大程度上影响了钢筋应力的增长。
4.2 抗裂度复核根据计算方案,考虑基本荷载组合和特殊荷载组合,共进行了28种方案的计算。
1、2、3号洞均通水且洞内水温低于外边界温度下的温度场、温度应力见图4、5。
组合A 1+A 3+A 5+A 8(1、2、3号洞)+A 9且洞内水温低于外边界温度下,总的第一主应力见图6。
根据计算[6]以及图5、6可以看出,衬砌的抗裂度复核计算结果有如下几个特点:图4 A 8(L )(1、2、3号洞)下的温度场(L 表示洞内水温低于外边界温度)(1)无论是基本荷载组合还是特殊荷载组合,当引水洞内的水温高于计算域外边界温度时,温差作用使该洞周边混凝土受压,而内水压力使该洞周边混凝土径向受压、环向受拉,共同作用使主拉应力的最大值不是出现在通水洞的洞周,而是出现在相邻洞的洞周,说明了相邻洞的相互影响较为显著。
主拉应力的最大值仅为01697N/mm 2,抗裂安全系数最小值为11263,大于规范抗裂安全系数112。