（水工结构工程专业论文）地下钢筋混凝土高压岔管围岩稳定与衬砌结构分析.pdf

摘要 随着电力系统的发展，一定规模的抽水蓄能电站应需而生，它在调峰填谷、平衡昼 夜用电量、提高电网运行的灵活性和可靠性发挥着重要作用。相应的高水头大直径水工 压力隧洞的建设也逐渐增多。并且越来越多的工程采用地下铡筋混凝土翁管。这类结构 具有高内水压、高外水压和大直径等特点，岔管结构受力复杂，在围岩稳定和衬砌设计 等方面至今仍有许多难题。 本文介绍了地下钢筋混凝土龠管结构的研究现状、地下钢筋混凝土佾管结构设计理 论、基于a b a q u s 的高压岔管结构数值分析。详细论述了地下高压隧洞衬砌形式的选 择、围岩稳定的数值分析、衬砌结构数值分析、衬砌与围岩的相互作用模拟、内外水荷 载的取值计算、衬砌的钢筋模型、混凝土的本构模型，以及这些分析过程在a b a q u s 有限元分析软件上的实现。本文比较了用桁架单元加弱化层和弹簧单元模拟混凝土衬砌 和围岩相互作用，比较了用规范公式和混凝土本构模型配置衬砌钢筋，分析了镧筋应力 和裂缝丌展的情况，得出一些数据和结论。最后对辽宁某抽水蓄能电站工程钢筋混凝土 翁管的施工、运行、检修等不同工况进行了三维非线性有限元分析，分析了俞管围岩的 稳定性和衬砌的应力应变情况；分析了水荷载基于面力和渗透体力两种不同设计理论， 提出了不同的计算方法；采用弹簧简化模型对混凝土衬砌厚度以及配筋进行设计。通过 以上分析得到一些有益的结论，为完善地下岔管结构的计算理论和计算方法提供了参 考。 关键词：钢筋混凝土俞管、围岩稳定、衬砌结构、水荷载、配筋 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cs y s t e m ，m a n yp u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o n sh a v e b e e nb u i l t ，w h i c ha r ed i s p l a y i n gt h ei m p o r t a n te f f e c ti ne x c h a n g i n gp e a kt o a dt of i l lv a l l e y l o a d ，b a l a n c i n gt h eq u a n t i t yo fe l e c t r i c i t yo fd a ya n dn i g h t r i m p r o v i n gt h ef l e x i b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo fe l e c t r i cn e t w o r k b u i l d i n go fh y d r a u l i ct u n n e l sw i t hh i g hh e a da n dl a r g e d i a m e t e ri n c r e a s eg r a d u a l l y ，a n dt h eu n d e r g r o u n dr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r a n c hp i p ei sa d o p t e d i nm o r ea n dm o r ep r o j e c t s 。t h i sk i n do fs t r u c t u r ei sc h a r a c t e r i z e db yh i 薛i n t e r n a lw a t e r p r e s s u r e ，h i g ho u t s i d ew a t e rp r e s s u r ea n dl a r g ed i a m e t e r f o rt h ec o m p l e x i t yo f t h el o a d so n b r a n c hp i p e ，t h e r ea r em a n yc o m p l e xp r o b l e m si na n a l y s i s i n go nt h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n g r o c ka n dt h ed e s i g no f l i n i n g 。 t h es t a t eo f r e s e a r c ho nu n d e r g r o u n dr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r a n c hp i p e ，t h ed e s i g n t h e o r y o fu n d e r g r o u n dr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r a n c hp i p ea n dt h en u m e r i c a la n a l y s i so nh i g h - p r e s s u r e b r a n c hp i p eb ya b a q u sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ew a y sf o rs e l e c t i n gl i n i n gf o r mo f u n d e r g r o u n dh i g h p r e s s u r et u n n e l s ，t h en u m e r i c a la n a l y s i so f s u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t y ，t h e n u m e r i c a la n a l y s i so f l i n i n gs t r u c t u r e ，t h ec o m b i n e de f f e c to fs u r r o u n d i n gr o c kw i t hl i n i n g ， t h ev a l u eo f i n t e r n a la n do u t s i d ew a t e rl o a d ，t h er e b a rm o d e lo f l i n i n g ，t h ec o n s t i t u t i v em o d e l o fc o n c r e t ea n dt h em e t h o do ft h e s ea n a l y s i sp r o c e s sb yt h es o f t w a r eo fa b a q u sf e ma r e r e c i t e di nt h i sa r t i c l e i nt h i sp a p e r ，t h et r u s se l e m e n ta n dt h es p r i n ge l e m e n ts i m u l a t i n gt h e i n t e r a c t i o no fc o n c r e t el i n i n ga n dt h es u r r o u n d i n gr o c ka r ec o m p a r e d ，t h ec o d ef o r m u l aa n d t h ec o n c r e t ec o n s t i t u t i v em o d e lf o rc o n f i g u r a t i o nr e b a ra r ec o m p a r e da n dt h er e i n f o r c e db a r s t r e s sa n dc r a c kd i s t r i b u t i o ni sa n a l y z e d ，s o m ed a t aa n dc o n c l u s i o n sa r eg o t t e n f i n a l l y ，t h e d i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n ss u c ha st h e c o n s t r u c t i o n ，o p e r a t i o n ，i n s p e c t i o n o no n e p u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o np r o j e c ti nl i a o n i n gp r o v i n c ea r ea n a l y z e db y3 - dn o n * l i n e a r i t y f e mm e t h o d ；t h es u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t ya n dt h es t r e s s s t r a i ns i t u a t i o no f b r a n c hp i p ea r e s t u d i e d ；t w od i f f e r e n tk i n d so fd e s i g n i n gt h e o r yb a s e do ns u r f a c ef o r c ea n ds e e p a g eb o d y f o r c eo f w a t e rl o a da r ea n a l y z e d ；d i f f e r e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d sa r ed r a wo u t ；t h et h i c k n e s so f c o n c r e t el i n i n ga n dt h eq u a n t i t yo fr e b a ra r ed e s i g n e db ya d o p t i n gs i m p l i f i e d s p r i n g m o d e l b ya b o v es t u d y ，af e wb e n e f i c i a lc o n c l u s i o n sa r eg a i n e d ，w h i c hp r o v i d ear e f e r e n c e t b rd e s i g nt h e o r ya n dm e t h o do f a nu n d e r g r o u n dr e i n f o r c e dc o n c m t eb r a n c hp i p e k e y sw o r d s ：u n d e r g r o u n dr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r a n c hp i p e ；s u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t y ；l i n e r s t r u c t u r e ；w a t e rl o a d ；r e i n f o r c i n gb a r s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) l 可构粤妒7 年弓月2 2h 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 做作者( 签名) 丑塑坠知弘弓月2 宕日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 岔管的类型及布置方式 随着国民经济的发展和西部大丌发的全面展，1 ：，水利水电工程币在迅猛发展，继三 峡工程之后，西部开发的大型、特大型水电站与水利设施都已进入施1 ：或前期施工阶段， 其发展趋势是不断的大型化与复杂化。中国水力资源的绝大部分集中在西南地区，如长 江干流、澜沧江、南盘江等流域。东北、华北、华东及华南地理位置优越，但水力资源 较少，已基本开发完成。水电建设重点正逐步向西南转移，西南水电雉本处于高山峡谷 地区，水工建筑物布置在地f 的工程数量不断增多，规模大己成为明显的趋势。如乌江 的洪家渡、构皮滩，雅砻江上的锦屏一、二级，澜沧江上的小湾、糯扎渡，金沙江上的 溪洛渡、向家坝、虎跳峡工程等等，均具有相当数量与规模的地下工程。地下工程的设 计与施工己是水利水电工程的重要课题之一。 对于高水头地1 _ 电站，装机容量较大或者发电引水隧洞洞线较长时，为降低工程造 价，减小土石方的丌挖，常常不可避免的要采用联合供水或分组供水的方案，这样就需 要采用较大洞径的发电引水隧洞和分俞管。由丁佾管的主支管交叉部位的应力应变复 杂，冈此该部位是影响工程稳定的重点部位之一。尤其在施工j f 挖阶段，因在开挖过程 中洞壁围岩应力和变形较大，幽岩的塑性区分布也广，其稳定性受到影响。出于岔管形 态复杂，在高内水压及高地下水作用下，必然m 现应力集中和衬砌丌裂等现象，因此一 直以来衍管衬砌的设计及丌挖施工技术都是我们重点考虑的内容。 1 1 1 岔管的分类 翁管的结构形式很多，一般岔管可以结合布置方式和材料类型分成两大类： ( 1 ) 布置在镇墩中或地下埋藏但按钢俞管单独承载设计的岔管( 简称为明钢翁管) ； ( 2 ) 地下埋藏式岔管 1 明钢岔管 明钢翁管用钢材焊制而成，全部荷载由钢材承受。明钢俞管按其所用加强方式或受 力特点，可有以下结构型式： ( 1 ) 三梁翁管 三梁岔管由相贯线上的两根腰梁和一根u 梁而得名。沿两支管的相贯线用u 梁加 强，沿主管和支管的相贯线则用腰梁加强，u 梁承受较大的不平衡水压力，是梁系中的 主要构件。将u 梁和腰粱端郑联结点做成刚性联结，形成一个薄壳和空阃梁系的组合结 构，其受力非常复杂。 ( 2 ) 内加强月牙肋甜管 月牙肋俞管是用一个嵌入管体内的月牙形肋板来代替三梁龠管的u 梁，并取消腰 * 4 街人学顺i ：学位论文 梁。内加强月牙肋岔管是国l a # t 近年来在三梁龠管的基础上发展起来的新式岔管，目前 在我困已基本取代了三粱岔管。应用于大中型电站。 ( 3 ) 贴边岔管 贴边式岔管是在h 形布置的主、支管相贯线两侧用补强板加固，补强板与管壁焊固 形成一个整体。补强板可以焊固于管道外壁或内壁，或内外壁均有补强板。与加固梁相 比，补强板刚度较小，不平衡区的水压力由补强板和管壁共同承担。 ( 4 ) 球形岔管 球形翁管是通过球面体进行分衍，它是由球壳，圆柱形主、支管以及补强环和导流 板等组成。 ( 5 ) 无梁贫管 无粱龠管是在球形岔管的基础上发展起束的。用直径较大的锥管和球壳沿切线方向 衔接，使球壳只剩下上下两个面积不大的三角形，并在主、支管和这些锥管之间插入几 节逐渐扩大的过渡段，构成一个比较平顺的、无太大不连续接合线的体型，从而形成无 梁岔管。 ( 6 ) 隔壁岔管 隔壁俞管是一种新型的俞管型式，由扩散段、隔壁段和变形段组成，各级皆为完整 封闭的壳体，除隔壁外无其他加强构件。 2 地下埋减式翁管 ( 1 ) 埋藏式钢衬钢筋混凝土俞管 钢衬钢筋混凝土俞管即钢俞管外包钢筋混凝上，两者共同承受内水压力。内部钢衬 同时还可以防l 仁内水外渗，而外部混凝土允许丌裂，这样，钢衬和钢筋混凝土都能充分 发挥作用。钢衬可以根据需要采用钢岔管的某种型式，但由于钢筋混凝土参加承载，减 轻了钢衬负担，因而钢衬与单独承载的明钢俞管相比，管壁可以减薄，加强构件也可以 减小甚至取消。这种结构不仅可以节省钢板用量，使选材和工艺要求更简单，降低造价， 而且结构安全性也比明钢岔管高。 ( 2 ) 埋藏式钢象管 钢岔管与围岩之刚用混凝土填实，内水压力一部分经钢衬及混凝土传至围岩，钢衬 可以防渗及承受部分内水压力。这种岔管的钢衬部分，原则上可以采用前述明钢岔管的 任何一种结构型式。 ( 3 ) 埋藏式钢筋混凝土岔管 俞管衬砌采用钢筋混凝土材料，与围岩组合成整体承载结构。当岔管尺寸较小，内 压较低时，依靠围岩分担内水压，钢筋混凝土可以不开裂，同时起防渗和承载的作用。 当岔管较大，特别是内压很高时，由于围岩承载后必然有相当大变形，岔管形状复杂， 必然出现应力集中，因此钢筋混凝土很难保证不丌裂。7 1 ：裂后的钢筋混凝土在高内水压 f 成为“透水衬砌”，内水压基本i ：由围岩来承受，这样围岩成为承受内乐和抗渗的主 体。铡筋混凝土衬砌可以减小内壁粗糙度和水头损失，钢筋可以减小裂缝宽度，有利于 第一章绪论 减小渗漏。 1 1 2 岔管的布置形式 翁管比较典型的布置方式有三种：b 型布置、对称y 型布置、三俞型布置，若机组 台数较多可采用几种布置方式组合。为使结构简单，应尽量将翁管的主、支管中心线布 置在同一平面内。 1 2 地下钢筋混凝土高压岔管发展与分析研究概况 1 2 1 地下钢筋混凝土高压岔管的发展概况 我国早在上世纪六十年代就建成了碧口、涧潭工程等几座钢筋混凝土衬砌翁管【l4 1 ， 水头均小于1 0 0 米，限于受传统设计理论方法制约，长期未再突破，及至八十年代鲁布 革电站，水头达4 3 0 米，还是采用钢衬禽管，由日本川琦重工制作，分部运工地组装， 耗钢材1 0 6 吨。长期以来，国内设计钢筋混凝土衍管的理论水平及实际经验一直停留在 结构力学方法上。结构力学法无法考虑围岩中的初始地应力及丌挖引起的二次应力场， 所以，无法对围岩的承载能力作出客观的判断，也就难以研究对围岩的加固措施。考虑 用围岩的弹性抗力系数k 值来衡量围岩的承载能力，k 值的选取多半凭经验给定，即使 是作了水压试验，也常常认为试验结果偏大而不敢采用【1 ”，采用较小的k 值又无法充 分利用围岩的承载能力，因此围岩的弹性抗力系数k 值不是围岩承载能力的客观标准。 一方而受传统设计理论的制约，另一方面也由于我国在建造高水头、大直径的铡筋混凝 土岔管方面缺乏经验，因而设计出的岔管往往是厚衬砌、密钢筋。九十年代我国相继建 成了广蓄一、二期和天荒坪抽水蓄能电站等三座大型钢筋混凝士衬砌肃管，最大设计水 头达7 0 0 米以上，解决了制约工程建设的关键问题，设计理论方法突破传统理念约束， 在充分利用和发挥围岩承载能力方面取得了成功经验。表1 1 列举出国内外近期建成的 部分大型钢筋混凝土衬砌佾管的工程实例。 1 9 9 0 年，z a g a r sa 、y e hch 、陆宏策 i6 】等利用结构力学法对广州抽水蓄能电站一 期工程钢筋混凝土偷管进行了计算研究，并且采用了引自美国的混凝土裂缝开展宽度半 理论半经验计算公式，按限裂方法设计衬砌结构。1 9 9 4 年，阡| 斌、刘启钊【1 7 】结合天荒 坪抽水蓄能电站的工程实际，利用二维及三维线弹性有限元法对地下钢筋混凝土岔管在 内水及外水压力下的工作性态进行了研究，指出合理、安全的衬砌只能建立在围岩稳定 的基础之上，围岩稳定是地下钢筋混凝七岔管设计中应解决的关键问题。1 9 9 6 年，卢 兆康【18 j 利用边界元法对广蒂电站二期工程高压钢筋混凝土平底岔管在外水压力下的受 力情况进行了详细的分析。1 9 9 9 年，郭海庆【1 9 j 运用三维弹塑性有限元方法划力f 家寨引 黄入晋工程总干一级泵站 h 水岔管开挖工况进行了详细的计算分析，并编制了相应的计 算程序。2 0 0 1 年，肖明【2o 】根据岩体和混凝土衬砌联合受力特点，对不同体型结构的前 河海人学坝j 。学位论义 管作了计算分析，系统地提出了大型地下钢筋混凝土贫管结构体型优化的评估方法。 2 0 0 2 年，陈卫忠、朱维申【2 l 】对山西省万家寨引黄入晋工程总干一、二级泵站高压钢筋 混凝土翁管作了三维有限元分析，提出了对现有的钢筋混凝土衬砌体型优化的方案及相 应的配筋率参数。同年，肖明【2 2 】根据地下高压龠管受内水压力衬砌开裂后的渗流场变化 特征，提出了高压管道内水外渗的渗流场与应力场耦合的三维有限元数值分析方法。 2 0 0 5 年，苏凯、伍鹤皋口6 提出了水工隧洞钢筋混凝土衬砌非线性有限元分析方法。2 0 0 6 年，陈卫忠p7 】研究了高压俞管附近的渗流场和位移的分布特点，通过现场监测结果，验 证了计算模型的合理性和可行性。 表1 1 国内外已建成的部分钢筋混凝土衬砌岔管 装机容 水头岔管j 自径甜管分肃围岩地 衬砌 电站国家厚度 量( m w )( m ) ( m )布置质 ( c m ) d i n o r w i c ( 蓄能)英国6 3 0 05 4 29 5 3 81 分6板岩 1 0 0 k v i l l d a l挪威 4 3 0 04 6 51 3 1 1 分4片麻岩 m o n t e z i c ( 蓄能)法国 4 2 0 5 4 2 3 5 3 2 x1 分2花岗岩4 0 7 5 c a n a nm o u n t a i n美国6 2 8 02 8 9 1 1 3 4 61 分6片麻岩 h e l m s ( 蓄能)美国 3 3 5 05 3 18 2 3 51 分3花岗岩6 9 b a t h c o t m t r y ( 蓄 美国 6 3 5 03 9 08 6 9 5 43 1 分2砂页岩6 0 能) r a c c o nm t ( 蓄能)美国4 3 5 03 1 0 1 0 7 1 分46 0 n o r t h f i e l dm t ( 蓄 美国4 2 5 02 4 8 9 5 1 分4 能) b e a rs r a m p ( 蓄能)美国2 3 0 02 3 57 6 5 31 分2 b a dc r e e k ( 蓄能)美国4 3 0 93 6 58 8 3 1 分4片麻岩3 0 4 5 r o c k ym o u n t a i n 美国3 2 8 02 1 31 0 7 5 7 91 分3灰岩 ( 蓄能) 广蓄一期( 蓄能)中国 4 3 0 05 3 58 0 3 51 分4花岗岩6 0 广蓄二期( 蓄能)中国 4 3 0 0 5 3 5 8 0 3 51 分4花岗岩6 0 天荒坪( 蓄能)中国 6 3 0 06 8 07 0 3 22 1 分3凝灰岩6 0 广州惠州( 薷能) 中国 4 3 0 0 7 5 0 9 2 4 71 分4花岗岩6 0 1 2 2 钢筋混凝土岔管分析研究概况 钢筋混凝土岔管的结构分析，需要针对俞管的某些典型工作状况来分析岔管的应 力、应变情况，如在施工期，要分析岔管洞室的围岩稳定性与喷锚支护的受力情况，运 行期时校核水位下衬砌的应力计算以及衬砌裂缝的开展情况，俞管放空检修时外水压力 作用下衬砌的应力。应变及围岩的稳定性。归纳起来即为翁管围岩的稳定性分析和贫管 4 笫一章绪论 衬砌结构的应力应变分析，随着众多的地下钢筋混凝土俞管兴建，对这两者的计算分析 己经涌现出了很多方法，现概述如下。 1 围岩稳定分析方法 围岩稳定分析，按其方法又可分为定性分析法和定量分析法。定性分析是一种较为 粗略的评价方法，多使用于小型工程评价或定量评价方法相互结合使用；定量分析方法 是工程中极为常用的方法，可以给出阐岩稳定性的定量指标，便于实际操作。定量分析 法又可分为：解析分析法、图解分析法、物理模拟法与数值分析法。 ( 1 ) 定性分析法 对于一般的工程隧洞，由于埋深不大，围岩应力较低且影蚋范围较小，因而破坏失 稳总是发生在围岩强度显著降低的部位，不稳定性的地质标志较为明混，通常能够通过 一般的地质工作加以研究和评价。在运用这种方法进行稳定性分析时，根据查明的地质 情况，按照一定的标准对围岩进行分段，并相应给出围岩的稳定性评分值，供设计使用。 国外著名的围岩分类方法有：前苏联的普氏同结系数法、d e e r 的r q d 分类法。奥 地利的m a t m 法、b a r t o n 的q 系统法、b e n i a w s k i 的地质力学r w r 分类法以及国际岩 石力学协会的基本地质描述法等。我国的科技工作者眭! l 己经编制出适应我国国情的各种 专门的围岩分类方案，而且多数部门己编制出了相应行业的地下1 程围岩分类方案。 ( 2 ) 定量分析法【”j 对于高地应力区内的地下洞室，或深埋、大规模的地f 洞室，由于围岩应力的地质 标志难于掌握，因此，除一般的地质工作之外，还必须进行岩体力学方面的研究和计算， 以便对地下洞室的围岩稳定性做出定量的评价。通常采用的方法有：图解分析法、物理 模拟法、解析分析法和数值分析法等。 ( d 图解分析法 通过作图来分析结构面之问、结构面和丌挖临空面之间的空间组合关系，确定出在 不同工程部位可能形成块体的边界，进而分析其稳定性。常用的作图法有赤平极射投影 分析法、实体比例投影分析法和关键块体分析法。 物理模拟法 基于相似性原理和量纲分析原理，通过模型或模拟试验的手段来研究围岩中的应力 分布状态以及稳定性。常用的方法主要有模型试验、离心试验和光测弹性试验法。尤其 是模型试验法，能较好的模拟岩体的物理力学性能以及节理裂隙等构造情况，考虑围岩 与支护结构之删的共同作用，应用较为广泛。 ( d 解析分析法 通过对地质原型的高度抽象，得出简单的计算模型，借助数学力学工具来计算围岩 中的应力分布状态，进行评价罔岩的稳定性。弹性力学的解析法有分离变量法、积分变 换法、积分方程法、变分法及复变函数法等。对于坚硬、节理不发育、完整性较好的围 河海人学嫂l 学位论文 岩进行稳定性分析，经常采用复变函数法进行分析计算，得出弹性解析解。因为复变函 数具有保角变换这个功能，利用它可以把复杂的形状边界变换为简单形状的边界( 通常 是圆形) 来求解。解析法虽然不链准确地描述围岩的失稳、破坏过程，但大致上仍能对 成洞条件作出评价，对各种洞型方案及处理措旋进行对比分析。另外，解析法具有精度 较高，分析速度快和直于进行规律性研究等优点。所以在工程实践中弹性解析法仍然常 用，不失为一种基本的围岩稳定分析方法。但在围岩的应力应变超过峰值应力和极限应 变，围岩进入全应力应变曲线的峰后段的刚体滑移和张裂状态时，解析法便不再适用了。 数值分析法 通过对地质原型的拙象，并借助有限元等数值分析方法来分析计算不同工况下岩体 中的应力状态以及围岩稳定性等。近几年来数值计算得到长足的进步，己成为岩石力学 研究和工程设计计算的重要手段，在地下工程围岩稳定分析中大致有以下方法： a 有限元法。是目前广泛使用的种数值方法，可以用来求解弹性、弹塑性、粘 弹塑性，粘塑性等问题，是地下工程岩体应力应变分析最常用的方法。其优点是部分地 考虑了地下结构岩体的非匀质和不连续性，可以给出岩体的应力、变形大小和分布，并 可以近似地依据应力、应变舰律去分析地下结构的变形破坏机制。有限元法的应用是否 真正有效，主要取决于两个条件：一是对地质变化的准确了解，如岩体深部岩性变化的 界限、断层的延展情况、节理裂隙的实际分布规律等：二是对介质物性的深入了解，即 岩体的各个组成部分在复杂应力及其变化的作用下的变形特性、强度特性及破坏规律 等。 b 边界元法。由英国学者b r i b b i a 最先提出的边界元法，从2 0 世纪6 0 年代丌始在 工程计算中得到应用。边界元法将偏微分方程变换成求解对象边界上的积分方程式并将 其离散化求解。该法只在求解区域的边界上进行剖分单元，这样就把考虑问题的维数降 低了维，这也是边界元法的优点。另外，边界元法计算精度高，应力和位移具有同样 的精度。当仅需要知道物体内部个别点的解时，有限元不得不剖分整个物体才能确定个 别点的解，而边界元则可以在己知边界上的解后，根据需要去求物体内部预知点的解， 这就比有限元大大地节省计算量和费用。但边界元的系数矩阵( 带状稀疏矩阵) 的结构 复杂。对于面积与体积之比较大的薄壁结构等物体，边界元不如有限元优越。且边界元 法对奇异边界难于处理。另外，边界元对变系数、非线性等问题较难适应，且它的应用 是基于所求解的方程有无基本解，因此，限制了边界元法在更广泛的领域的应用。然而， 边界元法和其他数值方法联合使用，可以为解决愈来愈广泛的问题开辟新的途径。例如， 在线弹性区域或无限域、半无限域采用边界元，在非线性的区域采用有限元法，充分发 挥各自的优势，使计算效率、计算精度得到提高和改进，这对工程实际应用是很有意义 的。 c 离散单元法。由c u n d a l l 于1 9 7 1 年提出，特别适用于节理岩体及其锚杆( 索) 应力分析。其基本思想是岩块之间的相互作用，同时受表征位移一力的物理方程和反映 第一章绪论 力一加速度( 位移、速度) 的运动方程的支配，通过迭代求解显示岩体的动态破坏过程。 离散单元法的个突出功能是它在反映岩块之自j 接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的 同时，又能计算岩块内部的变形与应力分布。与有限元法一样，须将区域剖分成单元， 但单元会受节理等不连续面控制，在以后的运动控制中，单元结点可以分离，即一个单 元与相邻单元可以接触，也可以分开。该法利用显示实践差分法( 动态松弛法) 求解动 力平衡方程，求解非线性与动力稳定问题容易。存在的问题是阻尼系数的选取和迭代计 算的收敛性。 d d d a 方法。由石根华博士首创的不连续变形分析方法d d a ( d i s c o n t i n u o u d e f o r m a t i o na n a l y s i s ) ，是基于岩体介质非连续性发展起来的，以模拟复杂加载条件下 离散块体系统的不连续大变形的力学行为作为目的的平行于有限元法的一种数值方法， d d a 模型建立了一套完整的块体系统运动学理论，较好地模拟具有非连续面的岩体的 运动与变形特性。与有限元不同之处是可以计算不连续面的错位、滑移、丌裂和旋转等 大位移的静力和动力问题。 e f l a c 方法。c u n d a l l 根据有限差分原理，提出了f l a c ( f a s tl a r g ea n a l y s i so f c o n t i n u u m ) 分析方法。该方法采用了混和离散方法、动态松弛方法和显示差分方法， 不形成刚度矩阵。该方法能更好的考虑岩体的不连续性和大变形特性，求解速度较快。 适于模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏和塑性流动力学行为；适于 模拟地质材料的大变形、失稳、动力、流变、支护及加固、建造及丌挖等问题；同时还 可以模拟渗流场和温度场对岩土工程的影响。它的求解方法虽i 司离散元法的显示按时步 迭代求解，但是结点位移连续，本质上仍属于连续介质范畴的方法。 f 块体单元法。任青文等提出的块体啦元法以块体单元的刚体位移为基本未知量， 根据块体在外力和缝面应力作用下的平衡条件、变形条件和缝而材料的本构关系，采用 变分原理导出块体单元的支配方程。根据缝面材料不同的本构关系，可以对结构进行弹 性、弹塑性或流变分析。这种方法可以解决非连续介质问题，特别适用于解决具有众多 节理、裂隙岩体的变形、应力和稳定分析。 g 块体弹簧元分析法。k a w a i 于1 9 8 7 年提出了采用简化的刚性块体来模拟不连 续介质的刚体弹簧元数值模型。它以单元形心的刚体位移为基本未知量，仅考虑单元之 间缝面的变形协调和本构关系来建立求解的支配方程，确定缝面的相对位移和应力。该 模型在分析节理岩体的稳定性时具有一定的优点，可以反映围岩不连续的变形和运动规 律。 h 其它方法 如半解析元法、随机有限元法、离散边界元法等。 2 衬砌结构计算方法 目前地下结构衬砌内力计算方法主要有工程类比法、荷载结构法、地层结构法和极 限收敛法，目前最常用的是荷载结构法和地层结构法【8 j 。 地层结构法认为衬砌与地层构成一起受力变形的整体，并可按连续介质力学原理来 洲海大学域l ：学位论文 计算衬砌和周边地层。常见的关于圆形衬砌的弹性解、弹塑性解和粘弹性解都属于地层 结构法。由于地层岩土材料的本构关系原则上有线弹性、弹塑性和粘弹性等多种计算模 型，衬砌结构的计算原则上可据此分类。然而，由于数学上的困难，目前这方面已获得 精确解析解的课题为数极为有限，大多数问题都依赖于数值方法解决。 荷载结构法认为地层对结构的作用只是产生作用在衬砌结构上的荷载( 包括主动的 地层雎力和被动的地层抗力1 ，从而计算村砌在荷载作用下产生的内力和变形。在计算 过程巾，首先确定地层压力，然后计算衬砌结构在地层压力及其他荷载作用下的内力分 布。但是，采用这种方法进行计算的缺点在于，衬砌结构本身的内力和变形可以由计算 得出，但是周围环境的变形仅能由衬砌结构的变形问接求得，而且难以知道周围岩士体 的应力状况及其稳定性。 事实上，对一个物体施加荷载的过程，就是施加者、被施加者之问相互接触、相互 作用的过程，只不过在一定条件下，我们将其中一方简化为明确、不变的作用，成为应 力或位移边界，而研究另一方的受力和变形；当一方不能或不宜简化为应力或位移边界 时，则必须同时考虑各物体的受力和变形1 9 】。在隧洞衬砌的两种计算方法中，荷载结构 法即为第一种情况。而地层结构法将围岩和衬砌视为共同受力变形的整体，同时考虑了 围岩和衬砌的受力变形以及围岩对衬砌的约束作用，更为合理。 萄载结构法和地层结构法都可按数值方法计算。因为数值计算方法可以对许多复杂 的岩土工程问题求得近似解，尤其是有限单元法。将有限元用于荷载结构法，目前主要 有以下三种处理方法：一是将衬砌作为杆单元，围岩作为集中弹簧系统的计算模型，如 原苏联地下铁道设计局以地层局部理沦为基础提出的连杆法 1 0 l ，该方法的不足在于将衬 砌简化为杆单元，无法考虑衬砌实际截面形式对其影响，无法考虑混凝土的丌裂，且集 中弹簧系统仅仅模拟围岩对于衬砌的法向约束，其切向约束作用无法得到反映。二是将 衬砌作为文克勒弹性地基梁的模型，同济大学朱合华】提出的梁一弹簧模型属于这种方 法，该方法在方法一的基础上做了一定的改进，用梁单元代替了原先的杆单元，但在梁 单元混凝土材料本构模型的选取上还停留在线弹性阶段，无法考虑混凝土开裂的影响。 三是将围岩作为有定厚度的二维弹性体地基的计算模型，如布加也娃提出的弹性地基 梁法【i “，这种方法克服了方法一和方法二中用弹簧单元模拟围岩对衬砌约束的不足，但 围岩还是作为线弹性材料处理，且在围岩厚度的选取上存在一定的任意性。 地层结构法方面，长江科学院苏海东 ”】编制了考虑围岩与衬砌共同作用的非线性有 限元程序，围岩作为弹塑性材料，衬砌仍按线弹性材料处理，不考虑衬砌混凝土的开裂。 1 3 问题的提出 存高内压水头作用下，钢筋混凝土衬砌为透水衬砌，钢筋混凝土俞管下游为高压钢 管，高压钢管为不透水衬砌，贫管为透水衬砌与不透水衬砌的相连接结构物。因此，铡 筋混凝土高压箭管的结构设计卣接关系到贫管本身及相邻建筑物的运行安全，进而影响 第一章绪论 到整个工程的运行安全。 根据混凝土岔管结构设计，内水压力主要是靠围岩和钢筋混凝土衬砌联合承担并防 渗，且围岩是主要的承载和防渗结构，衬砌的作用还有平顺水流、减小糙率、保护围岩， 确保灌浆顺利进行等。钢筋混凝土衬砌要和围岩共同承担内水压力，按常规设计方法， 由于俞管部位外压水头较高，单独由衬砌结构承担外水压力较为困难，因此需要研究衬 砌与围岩共同承担外水压力的i _ l ：r 能性。因此，结构设计的主要任务是保证岔管洞室丌挖 施工期的安全和永久运行时衬砌与围岩结构的安全可靠，防止内、外水压力作用下衬砌 破坏塌落危及机组运行安全。钢筋混凝土岔管在内水压作用下，如何考虑“内水外渗” 和内水压力以体力的方式作用时岔管的应力应变分析，这方而的研究尚须更多的数值模 拟来指导实际工程的设计。外水压较大时，钢筋混凝土肃管设计受外压工况控制，而钢 筋混凝土岔管外压工况的计算分析尚无成熟的方法，如对外水压力的合理取值、如何考 虑排水效果、如何考虑残余的灌浆压力、岔管承载外水压的计算模型等均需要进一步的 探讨。结构设计中钢筋混凝土岔管的配筋计算，到目前为止尚无成熟的方法，但已有许 多成功的工程经验可以借鉴。因而参考体型类似、p d 值相近的已建工程的岔管结构设 计及其运行状况和放空检查后的性能等尤为重要。同时，俞管的体型和受力条件、边界 条件以及与围岩联合承载的机理均十分复杂，为了全面了解高压俞管结构及罔岩在各种 复杂因素条件下的工作性态，优化和确定设计方案，本阶段有必要对翁管的体型和结构 受力特性，以及围岩稳定性等关键技术问题进行深入细致的研究，为引水系统的设计和 施工提供科学依据。由于常规的计算方法无法准确描述结构的变形和受力特征，采用数 值计算方法是十分必要的。 1 4 本文所做的主要工作 钢筋混凝土岔管因深埋地下，使得贫管洞室在高地应力的作用下，围岩稳定问题增 加了一系列不确定因素，在高内水、高地下水作用下，合理地研究和分析衬砌的应力应 变状况是工程设计的关键问题。本文结合辽宁某抽水蓄能电站尾水俞管三维有限元计算 分析的课题，在前人的基础上，对地下埋藏式钢筋混凝土高压岔管围岩稳定与衬砌结构 进行了深入的分析。所做的主要工作如下： 1 在阅读大量文献的基础上，对目前埋藏式钢筋混凝土岔管的各种分析方法做了 归纳总结，分别从地下俞管围岩稳定的研究方法和岔管衬砌的结构分析方法两方面，总 结了国内外现有的研究方法，并分析其优缺点和使，h j 范围。 2 完整论述了岔管结构设计理论，阐述了有限元数值方法的基本理论，有限元在 地应力、开挖、锚喷支护和在内外水作用机理方面数值模拟的实现方法。 3 介绍了a b a q u s 软件的计算原理，详细论述了地下高压隧洞衬砌形式的选择、 围岩稳定的数值分析、衬砌结构数值分析、衬砌与围岩的相互作t = j 模拟、内外水荷载的 取值计算、混凝土的本构模型，以及这些分析过程在a b a q u s 有限元分析软件上的实 河海大学砸：j ：学位论文 蚬。 4 本文比较了用桁架单元加弱化层与弹簧单元模拟混凝土衬砌和围岩相互作用， 比较了用规范公式和按混凝土本构模型配置衬砌钢筋，分析了钢筋应力和裂缝丌展的情 况，得出一些数据和结论 5 以辽宁某抽水蓄能电站岔管结构计算为实例，利用通用有限元程序a b a q u s 对 几个典型工况下的钢筋混凝土岔管进行三维非线性有限元分析，分析了围岩的稳定性和 衬砌的应力应变情况，衬砌结构配筋情况，并比较分析其结果，得到了一些有利于工程 实际的结论。 6 基于“透水衬砌”的设计思想，对某工程用不同方式模拟地f 水荷载的作用效 果，对各种方式的计算的结果进行了深入的分析比较，得出了一些有益的结论。 0 箱二章地下钢筋混凝1 ：龠管结构设| 十汁算理论 第二章地下钢筋混凝土岔管结构设计计算理论 2 1 概述 如何进行地一f 钢筋混凝土翁管的结构设计，以及对钢筋混凝岔管的可行性作出合 理的评价，是设计工作者的主要任务。地下结构设计中存在着许多值得进一步探讨的问 题，如衬砌型式的选择，幽岩、衬砌栩互作用的分析，内、外水压力作用问题以及衬砌 结构的限裂设计问题等等。由于对钢筋混凝土俞管的工作状态并不完全了解，地下铡筋 混凝士俞管的结构设计尚无成熟方法，主要有结构力学法，有限元法和边界元法。常规 的结构力学方法无法对钢筋混凝土岔管的可行性作出论证，无法对鄹岩稳定进行分析， 设计出的岔管往往是厚衬砌，密钢筋。按照常规的结构力学方法进行分析，已不能适应 工程的需要，采用三维非线性有限元方法，能反映岔管的空问受力特性，又能较好地模 拟材料的非线性性质及围岩与衬砌的联合受力情况。地下钢筋混凝土佾管结构设计步骤 如下： 岔管结 构设计 衬砌型 式的选 择 衬砌的 基本类 一型 衬砌承 撞斑永 i 麓办 衬砌与 耐岩的 相互作 衬砌与 围岩缝 醵阀鏖 衬瑚周 凰国岩 弱他 衬砌内 外水压 的作j _ | _ j 内水压 力作用 问题 透水衬 砌 不透水 衬砌 外水压 力作用 问题 衬砌结 构配筋 钢筋媵 f 龋型 斌配筋 透水衬 砌= = 不透水 村砌 图2 1 地下钢筋混凝土岔管结构设计步骤 应力转 换成内 力配筋 衬砌裂 缝问题 衬砌裂 缝计算 赢法 衬砌裂 缝设计 河海大学硕卜学位论殳 2 2 衬砌型式的选择 2 2 1 衬砌的基本类型 水工隧洞衬砌按永久承载结构型式常分为不衬砌、喷锚衬砌、混凝土衬砌( 包括钢 筋混凝土衬砌) 、钢板衬砌等几种基本类型；在混凝土衬砌中按衬砌设计原则的不同分 为抗裂衬砌与，r 裂衬砌，在开裂衬砌中按是否限制裂缝宽度又分为限裂衬砌与非限裂衬 砌。 图2 2衬砌的基本类型 2 2 2 各种衬砌对围岩承担内水压力能力的要求( 围岩最小覆盖层厚度的确定) 在地下衬砌型式选择中，围岩有无承担内水压力的能力是一个要考虑的重要冈素。 围岩承担内水压力的能力是指在此压力作用下围岩最小覆盖层是否满足要求，若不满足 要求，围岩将产生水力劈裂，则不具备承担内水压力的能力。 不衬砌有压隧涮的内水压力直接作用在围岩上，要使隧洞能保持稳定，并不因渗水 过大而不能正常运行，必须保证隧洞有足够的埋深，使隧洞岩石覆盖厚度大于最小覆盖 厚度。对混凝土衬砌或钢筋混凝土牢寸砌的有压隧洞，因衬砌裂缝很难避免，水由裂缝渗 出，作用在围岩上的水压力接近于内水压力，也有最小覆盖厚度问题。因此，最小覆盖 厚度的确定是水工有压隧洞设计的一个重大问题。由于覆盖厚度不足 h 现事故或大量渗 水的j i ：程实例屡见不鲜f 2 3 1 ，因而这一问题是水工隧洞设计人员最为关注的问题之一。 高压引水岔管设计过程中，若采用钢筋混凝土衬砌代替钢管衬砌，必须要求管道上 方具有一定的岩石覆盖厚度，以避免高水头作用下发生大的水力劈裂，产生严重渗漏。 所以，要论证钏筋混凝土衬砌衍管在工程上的可行性，就应从确定岩石覆盖厚度是否满 足要求入手。 现有确定水工隧洞最小覆盖厚度的准则： 1 上抬准则【2 5 j ( 平缓地表面) 理论上，隧洞周边受内水压力、围岩中附加应力及重分布应力叠加后，若为压应力 则围岩不致破坏，若为拉应力，只要拉应力超过岩体的抗拉强度，围岩便会出现拉裂破 坏，这就是确定良好完整围岩承载力的理论基础。 第二帝地下钢筋j 昆凝十甜管结构设汁汁算理论 地面 图2 3有压隧洞最小上覆屡厚度 但是，在实际工程中，往往只要围岩一出现拉应力便是危险状态。如图2 3 所示