基于流固耦合的栽管法施工数值模拟及参数敏感性分析

发布时间：2020-03-24 02:30

【摘要】：为满足核电厂循环水冷系统用水需求,通常需要在深水区修建排水隧洞、排水立管与排水头部,该施工过程中,地质环境复杂、施工条件恶劣、人员安全难以保障等问题尤为突出。为提升工程质量、保证施工安全、提高施工效率、节约工期,陆丰核电一期排水工程通过对现有施工技术的吸收、总结、改良、创新,提出一种新型工法栽管法,并拟做典型施工。然而,该工法中的一些重难点工序能否安全实施仍需要验证,分析地质参数对于栽管法施工影响的敏感程度也十分必要。本文就上述问题展开分析,并取得以下研究成果:1、介绍了垂直顶升法和栽管法两种施工方案的工艺流程和控制要点,通过工程分析法和经验分析法对两种工法实施的可行性进行了理论分析和计算,并从项目工期、工程质量、施工控制、防渗处理、工程成本的角度进行了方案比选。考虑流固耦合作用,建立了包含排水立管“栽种”、排水隧洞下穿排水立管、排水立管与排水隧洞连通三个关键工序在内的三维有限元模型,并阐述了材料特性、计算荷载、分析步、渗流的数值模拟方法。2、开展了栽管法全过程施工数值模拟分析。首先,对排水立管“栽种”过程进行模拟,分析排水立管结构变形特征与应力分布,以及外侧混凝土保护层与排水立管应力变形的关系;其次,对排水隧洞盾构下穿排水立管施工进行模拟,研究排水立管在施工扰动作用下的自身沉降与倾斜度随开挖进尺的变化以及既有排水立管对排水隧洞衬砌变形的影响,并对盾构开挖面孔隙水压力分布以及合理支护力选取进行了分析;最后,对排水隧洞与排水立管连通施工进行了模拟,分析了管片环切割之后以及排水立管凿除基座混凝土之后的应力分布特性。3、提出了基于Morris法的栽管法施工地质参数全局敏感性分析方法。首先,通过敏感性分析方法的比较,选用Morris法进行全局敏感性分析;其次,选取密度、弹性模量、内摩擦角、粘聚力、渗透系数、孔隙比共6个参数,依据Morris法基本原理,针对排水立管“栽种”精度受排水隧洞开挖的影响,进行Morris法试验设计;最后,通过对计算结果的统计分析,得出结论:弹性模量、内摩擦角对排水立管竖向沉降的影响较为显著,且弹性模量、内摩擦角与其他参数的耦合作用对排水立管竖向沉降的影响较大;弹性模量、密度、内摩擦角对排水立管倾斜度的影响较为显著,且弹性模量、内摩擦角与其他参数的耦合作用对排水立管倾斜度的影响较大。
【图文】：

平面布置图,排水隧洞,陆丰,核电厂

1.1 工程背景.1.1 总体布置陆丰核电厂位于广东省陆丰市碣石半岛南端的田尾山，核电厂规划容量百万千瓦核电机组，其中一期工程将建设 2 台机组，包括确保厂区防洪安洪堤工程、确保电厂安全生产运营的厂外取排水工程以及满足电厂设备运的重件码头工程等。该电厂采用以海水为冷却水的循环水冷系统，共规划水隧洞，电厂运行产生的低放废液连同冷却水通过排水隧洞排放至较深水期工程需完成 2 条排水隧洞施工，隧洞开挖计划采用矿山法辅助通过花岗化段后，再采用盾构工法实施开挖。1#排水隧洞设计起止里程为 SSK0+0K1+658.564，其中里程 SSK0+736.000～SSK1+658.564 段采用盾构法施工水隧洞起止里程 SSK1+816.727～SSK3+512.366，其中里程 SSK3+004.0K1+816.727 段采用盾构法施工。陆丰核电厂排水隧洞平面布置如图 2-1 所示。

示意图,排水隧洞,陆丰,排水立管

本工程建设规模为 2 处排水头部建筑物，其中每个头部建筑物设有 8 个排水出口。排水头部构筑物采用重力式圆筒结构，圆筒为无底有盖板的混凝土圆筒结构，盖板下圆筒壁上设排水窗口 4 个，每个窗口宽 3.5m。圆筒壁厚 600mm，底部加厚到 800mm，内趾宽 500mm，外趾宽 2000mm，圆筒外径 7.6m。排水头部建筑物结构持力层为中粗砂，基槽开挖至持力层后租用“长旭号”平台作为冲孔施工平台，开始冲孔施工，冲孔完成后将预制立管吊起放入已完成的冲孔中，通过导管浇筑混凝土，使立管与岩石层固结在一起，“长旭号”平台移位，安装混凝土圆筒，然后依次抛填 10~100kg 块石，回填开山石，抛填护底块石等。排水头部海域水深约 20m，立管高度 12m，内空尺寸 2×2m；立管下端与隧洞顶部连接，上端与海水连通，立管伸入隧洞范围内的钢筋采用的是玻璃纤维筋，盾构机掘进通过栽管位置时，完全可以正常掘进，无需采取任何措施。隧洞掘进贯通后，，按照原设计将排水口段盾构外土体进行注浆加固，封闭该段岩石层的裂隙渗透。陆丰核电厂排水隧洞与排水立管剖面图如图 2-2 所示。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM623

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