水工高压隧洞衬砌计算方法研究

发布时间：2017-06-10 12:13

  本文关键词：水工高压隧洞衬砌计算方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【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。
【关键词】：高压隧洞 钢筋混凝土衬砌 面力理论 体力理论 钢板衬砌
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV554
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-16
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 国内外研究进展与现状10-14
• 1.2.1 压力隧洞设计准则10-11
• 1.2.2 钢筋混凝土衬砌计算分析理论11-12
• 1.2.3 内外水压力分析处理12
• 1.2.4 钢筋混凝土衬砌分析计算方法12-13
• 1.2.5 钢板衬砌分析计算方法13-14
• 1.3 本文主要内容14-16
• 2 水工隧洞非线性有限元分析的基本原理16-25
• 2.1 材料本构关系16-18
• 2.2 混凝土破坏理论18-19
• 2.3 混凝土裂缝模型及钢筋的模拟19
• 2.4 非线性有限元模型的数值实现19-21
• 2.4.1 非线性方程组的求解方法19-20
• 2.4.2 收敛准则20-21
• 2.5 ANSYS软件及SOLID65单元21-24
• 2.5.1 ANSYS软件简介21
• 2.5.2 SOLID65单元性质21-24
• 2.6 本章小结24-25
• 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25-39
• 3.1 项目概况25-26
• 3.2 结构模型试验26-28
• 3.2.1 模型试验设计与制作26-27
• 3.2.2 模型试验结果与分析27-28
• 3.3 三维非线性有限元分析28-36
• 3.3.1 计算模型28-29
• 3.3.2 结果及分析29-36
• 3.4 综合对比分析36-39
• 4 隧洞钢筋混凝土衬砌计算及结果分析39-60
• 4.1 研究思路及工程概况39-40
• 4.1.1 研究思路39
• 4.1.2 工程概况39-40
• 4.2 基于面力理论的衬砌计算及结果分析40-48
• 4.2.1 基本假定40
• 4.2.2 计算荷载40-41
• 4.2.3 计算模型41
• 4.2.4 素混凝土衬砌线弹性有限元分析41-43
• 4.2.5 双层钢筋混凝土衬砌非线性有限元分析43-48
• 4.3 基于体力理论的衬砌计算及结果分析48-58
• 4.3.1 基本假设及符号规定48-49
• 4.3.2 无松动圈时衬砌结构计算及分析49-54
• 4.3.3 考虑围岩松动圈的衬砌结构计算及分析54-58
• 4.4 小结58-60
• 5 隧洞钢板衬砌计算及结果分析60-70
• 5.1 规范方法60-65
• 5.1.1 承受内压强度计算61-63
• 5.1.2 抗外压稳定计算63-65
• 5.2 有限元弹塑性分析65-68
• 5.2.1 计算模型65-66
• 5.2.2 计算荷载及工况66-67
• 5.2.3 结果及分析67-68
• 5.3 小结68-70
• 6 总结与展望70-72
• 6.1 总结70-71
• 6.2 展望71-72
• 参考文献72-75
• 致谢75-76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 侯靖;;论水工压力隧洞围岩承载设计准则及防渗排水设计[J];浙江水利科技;2007年01期

2 李青麒,何其诚;压力隧洞衬砌计算方法[J];水力发电学报;1998年03期

3 何明;许晓亮;韩晶;;基于FLAC~(3D)多孔介质模型的隧洞透水衬砌数值计算分析[J];水电能源科学;2014年05期

4 张红军;司艳菲;;钢衬钢筋混凝土压力管道非线性有限元分析[J];江汉大学学报(自然科学版);2011年01期

5 张春生;;混凝土衬砌高压水道的设计准则与岩体高压渗透试验[J];岩石力学与工程学报;2009年07期

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本文编号：438484