高内水压新型三层衬砌输水隧洞结构力学性能研究

发布时间：2020-09-22 21:19

　　常规双层衬砌输水隧洞应用广泛,但随着输水隧洞工程对内水压设计要求不断提高,双层衬砌结构形式在高内水压下不可避免地发生内衬开裂、管片接头张开导致内水外渗或外水内渗等病害。为探究多层衬砌内水压作用下的力学特性,本文依托复合衬砌输水隧洞接头试验,验证了数值模拟方法的可靠性。同时采用同样的参数应用于珠三角水资源配置工程中的新型三层衬砌结构形式,研究其中联合受力和分开受力两种结构形式的内水压承载性能和破坏形式,并与传统双层衬砌结构形式进行对比分析。并在此基础上对不同围岩条件和钢套筒厚度进行讨论。本文主要工作和研究成果总结如下:(1)采用数值计算的方法对南水北调中线总干渠穿越黄河的隧洞的接头试验和复合衬砌管片接头结构试验进行重现:单独施作内衬承担外水土压力和复合衬砌共同承担内水压力。通过混凝土应变、接缝张开量、螺栓应力变化等与试验数据对比,证明了数值分析方法的可靠性。(2)依托珠三角水资源配置工程,建立了“1个整环+2个半环”的新型三层衬砌(联合受力和分开受力)结构形式精细有限元模型,探究其内水压作用下的力学特性和变形机理。根据内水压作用下,输水隧洞混凝土裂缝开展和各结构分担内水压比例变化分析得出,自密实混凝土内衬发生开裂区域贯穿时刚好对应自密实混凝土分担内水压骤降,管片、自密实混凝土、钢套筒内力重分配的阶段,说明输水隧洞结构内水压达到极限承载力。(3)选取常规双层衬砌结构形式和新型三层衬砌结构形式进行对比,分别是:混凝土内衬开裂区域比例对比,内水压承载性能对比,内水压分担比例对比分析,以此分析新型三层衬砌结构形式在内水压承载性能和控制混凝土开裂方面的优越性,并总结说明不同结构形式的输水隧洞内水压适用性。(4)根据珠三角水资源配置工程沿线地质情况复杂,钢套筒受内水压作用下抗拉强度富余量较大的实际情况。探讨不同地层抗力系数和不同钢套筒厚度对新型三层衬砌(联合受力)结构形式内水压承载力的影响,研究成果可为三层衬砌结构形式优化设计提供借鉴。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TV672.1
【部分图文】：

示意图,内衬,钢筋布置,示意图

方向共布置 16 根 25 mm 的 HRB335 钢筋，满后，在内衬上施加一对水平千斤顶作用力力。此时双层衬砌上共作用有三对可独立控图 2-3 接头受力示意图.2mφ7.4m手孔.0mPN1外管片内衬N2N1AH1≈0.5LpQa直径 25mm内衬钢筋

曲线,水土压力,接头试验,荷载模式

b）图 2-9 荷载模式及边界条件管片单独承担隧洞外部水土压力作用的接头试验，施工步骤分筋混凝土管片、橡胶止水垫、钢筋、纵向直螺栓、边界和接触条；（2）按照表 2-1 管片接头荷载试验加载等级表施加 N1，和 P。进行数值分析时，采用牛顿拉普森迭代方法，并采用能量收敛准数值模拟中管片混凝土应变是外管片单独承担隧洞外部水土压力时，在不同加载等级下，管化曲线。在负偏心距情况下，管片内弧面受压，中轴面以上混凝压应力峰值出现在手孔侧肋，手孔对管片有较大幅度刚度削弱级 9（N1=1400 kN，P=92 kN）至加载等级 12（N1=1900 kN，P片混凝土对应手孔附近（#10）处应变呈加速增长阶段。在最大0kN，P=123kN，M=342 kN·m），对应手孔附近（#10）应变最

变化曲线,管片,混凝土应变,截面高度

图 2-10 管片侧面混凝土应变随管片截面高度变化曲线应变片沿内弧面纵向布置（图 2-11），负偏心距情况下，内弧面受压（负值），手孔附近处应变最小（#15、l7），中间与两侧应变最大，应变曲线呈 M 形对称分应变分布说明，手孔对端部刚度具有较大的削弱作用，#18、#16、#14 处刚度较刚度分配原则，所产生的压应变也会更大。因此#15#、#17 处应变片读数更小当加载等级 12（N1=1700kN，P=111 kN，M=342 kN·m）至加载等级 14（N1=1900k123 kN，M=342 kN·m），有限元数值模拟计算所得的混凝土应变与实验混凝土应误差，达 200×10-6。通过对比数值分析及结构试验的竖向直径变形-荷载曲线的发展趋势发现，结到的混凝土应变总是大于数值分析结果，其中的主要原因是，试验过程中管片作用下接头处混凝土与钢筋在交界面处可能发生错动，而有限元模型中混凝土元节点耦合，能进一步限制管片接头处的压应变增长。#18

【参考文献】