输水隧洞内压作用下衬砌结构破坏分析

发布时间：2021-07-23 01:45

　　为了避免输水隧洞混凝土衬砌在运行中可能会出现不同程度的开裂破坏现象。为评价衬砌结构安全性,有必要开展输水隧洞混凝土衬砌结构的开裂分析,并揭示其裂缝开展及分布规律。以华东地区汤浦水库有压输水隧洞为例,建立隧洞围岩-衬砌结构非线性有限元模型,研究在内水压力等荷载综合作用下衬砌结构的应力、变形状态,并通过分级加载揭示了衬砌结构在内水压力作用下的破坏模式。研究结果表明:在高内压作用下,混凝土衬砌首条裂缝出现在衬砌结构的几何转角区域;由于受裂缝区域应力释放的影响,后续裂缝开展呈现出近似对称的规律。因此,在衬砌结构设计和安全运行监测时应对结构几何转角区域给予足够重视。 

【文章来源】：人民长江. 2020,51(S1)北大核心

【文章页数】：4 页

【部分图文】：

图1 支护结构

为评价有压输水隧洞在内水压力作用下的衬砌结构安全性，以承受内水压力（考虑隧洞运行过程中产生的水锤压力）大为原则确定分析断面，建立有限元模型。模型自隧洞中心向水平两侧及底部取足够大的计算范围（约15倍洞径）以避免计算模型截断边界对分析结果产生的影响，计算模型顶部边界按实际地形取至地表。在有限元网格剖分过程中，依据实际岩层分界线（强风化下限、弱风化下限）模拟围岩分区，并按照设计方案对主要支护措施进行模拟。模型采用4节点四边形等参数实体单元模拟围岩与混凝土衬砌，采用杆单元模拟支护锚杆与衬砌钢筋，并在杆单元与实体单元之间施加位移协调约束条件。图2给出了围岩-支护（衬砌）结构有限元整体网格，整体模型共包含14719个单元，14 237个节点。2.2 计算参数

图6给出了混凝土衬砌在各级压力水头下的开裂过程。图7给出了第1条贯通裂缝产生后混凝土衬砌的环向应力与环向位移云图。当内压水头由107 m增加到108 m过程中衬砌左下角出现第1条贯通裂缝，随后在右侧拱腰上部出现第2条贯通裂缝。第一条裂缝出现后，裂缝附近混凝土衬砌的应力水平降低，形成应力释放区，其余区域应力量值及分布变化较小（见图7(a））。此时，裂缝处衬砌的环向位移出现了明显的不连续（见图7(b）），且位移主要集中在裂缝附近。继续增加压力水头至112 m时，混凝土衬砌出现第3条裂缝，位于拱顶左侧。内压增加到114 m时，衬砌右下角出现第4条贯通裂缝。当内水压力水头增至125 m时拱顶右侧出现第5条贯通裂缝。继续增大内水压力水头至130 m时，在衬砌左侧拱腰附近出现第6条贯通裂缝。随着内水压力的增大，衬砌的左右拱腰以及拱顶与底板的相对位移逐渐变大，但变化速率整体保持不变，衬砌变形仍呈现扩张趋势。图4 环向应力（单位：Pa)

【参考文献】：
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本文编号：3298334