（水工结构工程专业论文）水工隧洞断面设计可视化系统研究.pdf

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隧洞断面衬砌计算可视化系统的实用性和稳定性。 关键词：水工隧洞断面设计可视化混合编程配筋图 s u a l i z 撕o ns y s t e ms t i l d yf o rd e s 培no fh y d r a u n ct u i l i l e ls e c t i o n s u b j e c t ：h y d r a u l i cs t m c t u r ee n g i n e e r i n g m 矗s t e rc a n d i d a t e ：z h 俚。良枷 a d v i s 。r ：c 扣日协2 ，。吁恤留艮“几n d a t eo fd e f e n ：m a r c h 2 0 0 3 a b s 仃a c t b a s e do nr e v i e wo fh y d m u l i cm n n e ld e v e l 叩m e n t sb o t hd o m e s t i ca i l d 曲r o a d ，t l ea d v a n c eo fc o m p u t e ra i d e dd e s 培no ft h em n e ls e c t i o nl i n i n gi s s u m m a r i z e d ，山ev i s u a l i z a t i o ns y s t e mo fh y d r a u i i ct u n n e ls e c t i o nl i i l i n gd e s i g ni s r e s e a r c h e d b e c a u s et h es o f t w a r ei se a s i e r a n dt h ec a l c u l a t i n gt i m ei s1 e s s ，a n d 山ew o f k i n g1 0 a di sr e d u c e d ，d e s i g n e rc a np a ym o r ea t 七e n t i o nt ot h ec o m p a r i s o n o fs c b e m e s ，w h i c hc a i lp r o d u c em o r er e a s o n a b l ea d de c o n o i n j c a lr e s u l t sa i l dc a n i i l l p r o v e 血ed e s i g nq u a l i t y t h eo b j e c t i v eo fm i ss t i l d yi st oi n l p r o v ec o m p u t e r a i d e dd e s i g nc 印a c i t ya i l da p p l i c a t i o ne f f i c i e n c yo f 血es o f t w a r e t h er e s e a r c h m e 血o di st oc o m p i e t ed i 恐r e l l tf u n c t i o nm o d u i eu s i n g 血ea d v a n t a g eo f s o f t w a sc o m b i n e dw i 血d e s i g c h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i ct u 肌e ls e c t i o n ，a i l d c o n n e c tm e mw i 山也em e t h o do fm i 】【e dp r o 粤a r i i l i n 吕t h er e s e a r c hc o n c l u s i o n s a r ea sf o o w s ： 1 n e 血e o r ya 1 1 di t sc a i c u i a t e dm e t h o d so ft i l n n e ls e c t i o nd e s 培ni sr e s e a r c h e di n t h i sp a p e i n c l u d i n g 血ef o u n d a t i o na i l dm e 血o d so ft h ec h o i c eo fp r o m ea i l d 曲et y p e s ， a n dv a l u ea n dd i s t r i b u n o no fl o a d ，a n d 血ec o m m o nc a l c u l a t e dm e t h o d so fl i n i n g s t r u c t u r e 2 t h ep r e p r o c e s s o ro fv i s u a i i z a t i o ns y s t e mi ss t l l d i e d ，i n c l u d i n gi n t e r f a c ed e s i g n ， a i l dd a t ap r o c e s s i n g ，a i l dd a t ac o n t r o l ，a n ds t o r a g ea n d “诅n s f e ro fd a t a 3 t h em a t h e m a 丘c sm o d e la n dc a l c u l a t e dm e t h o d so fc o m p u t i n gm o d u l eo fv i s i b l e s y s t e mi sp r e s e n t e d 西安理工大学硕士学位论文 4 t h ep o s t p r o c e s s o ro fv i s u a l i z a t i o ns y s t e mi ss t u d l e d ，i n c l u d i n gt h ed i s p l a yo f c h a na i l d c o m p u t i n gr e s u l t s ， a n dd r a w i n gc 伽s t m c t i o np l a nb a s e d 0 ns e c o n d d e v e l o p m e n to f a u t o c a d t h ec o m m o nm e t h o d so fr e a l i z a t i o no fv i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t m cc a l c u l a t i o na r e s u g g e s t e di n 血i sp 叩e la n dt h ec a k u l a t i o ne x a m p l ei ne n g i n e e r i n gi n d i c a t e st h a tt h e v i s u a l i za t i o ns y s t e mo f h y d r a u l i ct u n n e ls e c t i o ni i n i n gd e s 远ni sp r a c t i c a la 力ds t e a d y k e yw o r d s ：h y d r a u l i ct u n n e l ， s e c t i o nd e s i g n ，v i s u a l i z a t i o ns y s t e m ，l t l i x e d p r o g r a m 皿n g ， r e i n f o r c e m e n td r a w i n g 第一章绪论 1 绪论 1 1 立题背景 1 1 1 水工隧洞发展状况及其发展前景 水工隧洞是以输水为目的在地下开凿而成的建筑物，按其输水目的 不同，水工隧洞可分为引水发电隧洞、灌溉供水隧洞、城镇工业及生活 供水隧洞、泄洪隧洞、排沙隧洞、施工导流隧洞等。随着我国国民经济 和科学技术的发展，水工隧洞的建设取得了举世瞩目的巨大成就。据不 完全统计，1 9 9 2 年以前我国已建的水工隧洞总长3 1 3 k m ，其中大于i k m 的隧洞6 5 条，总长2 7 4 k m ，而1 9 9 7 年统计，大于1 k m 的隧洞1 1 3 条， 长度达6 0 8 k m 。短短的五六年间，水工隧洞建设的数量和长度就增加了 一倍。建设规模己达到或超过国际先进水平，据2 0 世纪8 0 年代统计，有 压隧洞的最大直径为1 2 m ，无压隧洞的最大尺寸为1 6 mx1 8 m ，单洞的最 大长度为l o k m ，最大的内水压水头为8 0 m 。我国已建的二滩水电站导流 隧洞的断面尺寸为1 75 m 2 3 m ，正在建设的三峡地下厂房尾水洞尺寸为 2 4 m 3 6 m ，已达国际同类隧洞尺寸之最。正在建设的引黄南干线7 号隧 洞单洞长达4 3 k m 。天荒坪抽水蓄能电站高压隧洞的静、动水压总水头达 8 3 0 m ，已建广西天湖水电站不衬砌引水隧洞内水压水头亦达6 0 0 余米。 但随着城镇工业迅速发展，城镇人口剧增，城镇生活用水和工业用水猛 增，再加上近几年我国北方严重干旱和部分沿海城市海水倒灌，不得不 兴建一系列本流域内和跨流域调水工程，修建许多水工隧洞。因此，需 要对水工隧洞进行深入研究，进一步提高我国水工隧洞建设水平。 1 1 2 目前水工隧洞断面计算机辅助设计中存在的问题 隧洞建设要求对隧洞断面进行计算，确保隧洞周围岩体稳定，确保 隧洞能满足设计要求。水工隧洞设计规范( s d l 3 4 铝4 ) 讲述了不同断面 形式的计算方法，并列出了通用计算程序。尽管这些通用程序仍广泛应 西安理工大学硕士学位论文 用与工程设计中，但是，随着计算机硬件及软件技术的飞速发展，原有 程序相对于计算机的发展显露出它的落后性驰”3 。使用计算程序进行隧洞 断面的内力与配筋计算，需要确定隧洞的基本参数，对于荷载情况也要 有全面的了解。很显然，以上工作若是采取数据文件录入的方式( 也包括 逐个的数据交互式录入) ，必然会造成用户的诸多不便，因为，在这种模式 下，必须相当熟悉系统的数据文件的组成，而当用户对该系统只是初次 接触，必然会感觉无从做起。若因为错误操作造成某一参数需要重新核 定，那么，不管你对该系统多么熟悉，结果仍然是改变一次就会造成从 头到尾的重新计算。而隧洞的设计工作是一种创造性的劳动，用户若是 想要得到一个较为合理、经济、在各方面皆优的设计方案，进行各种参 数的调整将是很多，且很频繁。所以，采取数据文件或简单交互数据输 入显然是落后的，势必不能满足用户对系统的要求。当前的软硬件的发 展已为解决这一问题提供了十分便利的条件。面向对象的语言已经能够 很轻松地解决类似的问题。 另一方面原有的计算程序只具备单一的数值计算功能，目前对水工 隧洞的施工图绘制大多数还只是停留在简单的a o t u c a d 的操作上，只是 将屏幕视为图纸，鼠标当作绘图笔，一笔笔绘制，工作量繁重，在整个 设计过程中占用了大量的人力和时间。若能充分利用a o t u c a d 可开发 性这一功能，将a o t u c a d 的绘图功能与水工隧洞专业特点有机的结合， 实现施工图的自动绘制，必将为设计人员节约出大量的时间，把更多的 精力投入到各种方案的比较上。 1 2 课题研究的目的、内容及预期的成果 1 2 1 课题研究的目的 原有程序大多在d o s 下开发，正面临着向晰n d o w s 环境移植的任务。 针对上述存在的问题，选用w n d o w s 作为操作平台，在w i n d o w s 操作系统 下，实现窗口操作，在可视化环境下编程。可视化系统的研究，提高了用户 使用结构分析程序的可靠性和使用效率，必将为计算机在水利水电工程领 第一章绪论 域的应用作出贡献，该软件符合国家对工程设计的要求，有助于工程设计 节省机时，提高计算的准确性。 由于科学研究的需要，出现了称作科学计算可视化这一学术发展方向， 它是由于在科学计算中产生大量数据，人们为了更好地理解它而提出的一 种直观形象的图形表示方法。科学计算与图形、图像有着密切的联系，它 不仅满足于有了数据后用图形显示，还希望从计算模型的建立和原始数据 的准备开始就通过图形和图像来实现。这一切的关键所在是图形显示与数 据处理的紧密结合。人们一方面可对计算结果有一个全面形象的了解，追 踪计算过程，洞察发生的问题，加深对计算过程和结果的了解，另一方面 可根据计算机分析判断所反馈的信息，通过对图形的修改，改变参数，实 时地干预和引导计算过程，朝着预期的方向发展。 1 2 2 课题研究的主要内容 计算软件设计的重点已不是单纯解决数值计算的问题，而是解决数值 计算、图形生成、事务处理、图形界面编程相结合的软件设计中的系统构 成问题。如何处理程序中的数据流，如何处理程序各个模块间的联系，已 成为软件设计的主要问题。 研究的主要内容有： 1 系统框架设计； 2 前处理系统研究； 3 各模块之间的连接与数据传递； 4 后处理系统研究 水工隧洞结构c a d 系统是人机交互式的应用软件，其系统控制模块 包括：设计计算模块、数据库管理模块、数据图形转换模块、输出模块。 1 2 3 研究成果 将开发出水工隧洞断面计算机辅助设计软件，其功能包括： 1 能对隧洞衬砌进行分析与计算； 2 能对描述隧洞衬砌的所有信息进行统一存储、管理； 西安理工大学硕士学位论文 3 能根据设计要求绘制工程图纸。 研究集设计、计算、配筋和绘图于一体的水工隧洞断面衬砌设计系统， 能够快速、准确地进行结构设计。编制多个功能程序模块，建立输入和输 出文件、钢筋数据库、图形数据库等等，随调随用。 1 3 课题研究的方法及技术路线 课题主要解决隧洞断面计算和绘图问题，所涉及的计算机语言包括 v b 、f o r t r a n 和a u t o c a d 1 0 1 们。 将f o r t r a n 的1 6 位程序转化为3 2 位程序最方便的工具是f o n r a n p o w e r s t a t i o n4 o 。f p s4 o 不仅支持f o r t r a n9 0 ，而且兼容f o r t r a n7 7 ， 更重要的是f p s4 o 支持w i n d o w s 编程。f o n r a n 语言以其清晰的结构层 次，强大的数值计算和数学分析能力，而广泛用于工程计算中，特别适 用与编制具有模块化结构的大型计算程序。然而，f o r t r a n 语言的一个不 足之处是进行可视化编程难度大。 v b 以其能迅速有效地编制优良的交互界面设计性能，广泛的应用与 w i n d o w s 环境下系统的可视化界面设计。v b 所提供的对象链接与嵌入 ( o b j e c t1 i n k i n ga i l de m b e d i n g ) 工具，为利用其他软件进行数据的可视化 处理提供了方便，但v b 的缺点在于运算速度慢，不适合进行大型数值 计算。 若将f o r t r a l l 语言强大的数值计算能力与v b 的界面操作、数据输入 与输出的可视化设计能力结合起来，则可充分利用两种语言的优势。所 要解决的关键问题就是两种语言的混合编程。 a u t o c a d 凭借其强大的绘图功能，开放的结构及良好的性能价格比， 在首次发布之后的十余年中，得到了长足的发展，逐步成为代表世界工业 标准的c a d 软件平台。选择a u t o c a d 作为二次开发平台，就是充分利 用其提供的图形处理功能以及其与w i n d o w s 的高度集成、与其它常用软 件的互易操作性，提高开发效率，便于为使用a u t o c a d 的庞大用户群 所接受。采用a u t o c a d 的二次开发工具a u i o l i 3 p 语言开发，参数化设计 第一章绪论 绘图，通过两次人工干预，完成接口处理，实现计算与绘图的统一( 见 图1 一1 ) 。 i 再瓦语言编r 讦再丐啊平_ 一 打日】1 门了_ 审焉习耵f _ 第一次人工干预i 、 ， 、 、 一+ 计算结果、否 、是否满意一一 、 ， 一面i 而i 蠡堕堕垂二! 煮；产! 塑竺_ ；虿焉r l 第二次人工干预 否一钎算结秉、 、是否满意，7 7 、。 一l 一 壹垂 图l 一1 参数化设计绘图流程 采用数据库管理技术，这样做有以下几个特点：尽可能不重复， 即冗余度最小；以最优的方式服务于一个或多个应用程序，即应用程 序对数据资源的共享：数据存放尽可能地独立于使用它的应用程序， 即数据独立性：用个软件统一管理这些数据，例如维护、增加、变 更、检索这些数据，如图1 2 。 分析计算系统 e 系统 后处j 内力计算 据输入。 配筋计算 图形 数 数 据 粪 羹 又 件 件 数据管理系统 塑据库 数据文件 图1 2 数据流向图 第二章水工隧洞断面设计的理论及方法 2 水工隧洞断面设计的理论及方法 2 。1 断面选型 按洞内水流状态，水工隧洞分为有压隧洞和无压隧洞7 2 钔。 有压隧洞多采用圆形断面，若洞径和内、外水压力不大，也可采用 便于施工的其它断面形式。 无压隧洞多采用圆拱直墙形断面，这种型式适于承受垂直山岩压力， 且便于开挖和衬砌，可承受较大的流速。圆拱直墙形断面适应于地质条 件较好，山岩压力较小的的情况。当山岩压力较大时，需要较厚的衬砌， 不经济，需考虑用其它断面形式。 当围岩条件较差，不仅有垂直向下的山岩压力，而且有侧向和底部 向上的山岩压力时，可采用马蹄形断面形式。这种断面由几部分圆弧组 合而成，承受外压力较圆拱直墙形好，但施工较为复杂。 蛋形( 又叫做高拱形) 的断面曲线与压力曲线比较接近，受力条件 好，适应于地质条件差，山岩压力大的情况。 总的说来，水工隧洞断面选型考虑的因素主要包括地层的构造、围 岩特性、用途、隧洞在地层中所处位置、施工方法、水荷载的大小等有 关，在考虑选择结构形式时，应综合考虑各种复杂的因素。 2 2 衬砌型式的选择 衬砌的作用包括：承受岩石压力；承受内水压力： 防止漏水；减小 洞壁糙率，防止岩石风化；防止高速水流对岩石冲蚀等。所以只要施工 和运用期间围岩稳定、不坍塌，不漏水，并且允许有较大的水头损失， 则隧洞可以不做衬砌。不衬砌的隧洞，不论岩性如何完整致密，由于风 化和水流冲刷，日久必有剥落掉块，故沿洞线隔一定距离在洞底设一集 石坑，定期检修时将积在坑内的石块清除，以免影响过水能力。不衬砌 隧洞主要根据经验和工程类比确定，对于竖井和斜井，因多数靠近山体 西安理工大学硕士学位论文 边坡，故尤应注意分析内水压力向围岩渗透时是否会影响边坡的稳定性。 2 2 1 衬砌型式 需要衬砌的隧洞，可以沿隧洞长度选择一种或数种不同型式的衬砌。 衬砌型式大致有以下几种： 1 护面衬砌或称平整衬砌。主要为了减小糙率或防止岩石风化而采 用，一般用喷浆、喷混凝土或抹水泥砂浆做成，其厚度不经计算而视开 挖的平整程度按构造采用5 1 5 厘米。单纯为了减小糙率而采用护面衬 砌时常与不衬砌方案进行技术经济比较。不衬砌的隧洞虽然省去了衬砌 作业，但需要开挖断面较大，所以无论造价和工期可能是有利的也可能 并不有利。无压隧洞为了减小糙率还可以考虑只在过水断面的部分采用 护面衬砌。还有为了施工方便和适当减小平均糙率而只在洞底做衬砌的。 2 混凝土衬砌和砖石衬砌。当围岩比较完整不需要配钢筋抗拉时可 采用混凝土衬砌。不论无压隧洞和有压隧洞，其衬砌厚度均由计算确定。 3 钢筋混凝土衬砌。当隧洞衬砌中的拉应力超过混凝土的允许抗拉 强度，应采用钢筋混凝土来衬砌。有压隧洞或无压隧洞均可采用钢筋混 凝土衬砌，其厚度与混凝土衬砌一样由计算确定。 4 组合式衬砌。通常分为二层：内层或称内围主要用来保证衬砌不 透水和承担一部分内水压力，外围承担岩石压力并和围岩一起承担余下 的内水压力。外层用混凝土或钢筋混凝土视强度需要而定，内层用钢丝 网喷浆或钢板也视强度需要而定。国内已建的水利水电工程中大都采用 内层为钢板外层为混疑土的双层衬砌，在体形比较复杂( 如分岔口部位) 和地质条件很差的地段则采用内层为钢板外层为钢筋混疑土的衬砌。双 层衬砌的内外层厚度原则上都由计算确定。组合衬砌型式主要应用于高 水头的有压隧洞。 5 装配式衬砌。用预制的混凝土或钢筋混凝土块拼装成衬砌环后用 水泥砂浆灌注缝隙作成，一般用于盾构法开挖的隧洞或整断面开挖中要 求立即支承围岩的隧洞。装配式衬砌的优点是：可以在工厂或工场预先 第二章水工隧洞斯面设计的理论及方法 浇制，质量较有保证，衬砌为拼装工作，便于快速施工缩短施工时间。 缺点是：接缝较多，易漏水，从而需要考虑设置止水和防止接缝可能裂 开的措施。 6 预应力衬砌。是指预先使衬砌产生环向压应力以抵消大部分或一 部分内水压力产生的拉应力，包括纯混凝土的压浆式预应力衬砌，钢筋 混凝土的拉筋式和钢箍式预应力衬砌。预应力衬砌主要用于内水压力较 高的隧洞中。 7 喷锚衬砌。是向围岩钻孔插入锚杆并在表面喷混凝土做成，尤其 在围岩需要及时支护的情况下更能显示它的优越性。近代隧洞在施工时， 常在开挖面完成以后，立即采用喷锚衬砌。如岩石较好，可不再作衬砌， 即以喷锚结构作为衬砌，如岩石较差，则仍需另作衬砌。 2 2 。2 衬砌设计中应注意的问题 在有压隧洞衬砌形式选择中，围岩有无承担内水压力的能力是一个 考虑的重要因素，围岩承担内水压力的能力是指在此压力作用下围岩是 否会产生水力劈裂，若会，则不具备承担内水压力的能力。 围岩是否具有承担内水压力的能力，一般以围岩地应力来判断，当 地应力的最小主应力大于内水压力时，围岩不会产生水力破坏，即围岩 具备承担此内水压力的能力。由于目前并非所有工作都进行地应力测试， 所以在很多情况下，常用隧洞埋深来代替地应力的判断，隧洞围岩要满 足承担内水压力能力的最小厚度d 应是： d 尘旦 c o s 口 式中 r w 一一水的重度； h 一一围岩的重度； h 一一内水压力水头； 口一一地面坡度。 实际工程中应用这一准则时还应考虑一定的安全系数。对于隧洞上 西安理工大学硕士学位论文 部围岩覆盖厚度，根据设计规范规定d o 4 h ( h 为内水压力，d 为覆盖 岩层厚度) ，见图2 1 。 图2 1 围岩覆盖厚度的确定，还要根据围岩的构造情况，对i 、i i 类围岩， 岩石新鲜或微风化岩体，岩层完整性好，覆盖岩体抗内水压力的上抬作 用，不仅靠岩体的自重，还有岩块间的抗剪作用，即使上覆围岩厚度不 到0 4 倍的水压力，也能保持稳定。而风化破坏较严重的、类围岩， 由于完整性较差，则覆盖岩层厚度应取大于o 4 倍的内水压力的数值。 衬砌形式的选择与围岩条件紧密相连，当水工隧洞的内水外渗会引 起一些严重危害( 如围岩失稳、边坡失稳、周围建筑物失稳等) 时，防 渗常常是一个重要因素，另外，隧洞的运行条件、施工方法等也是衬砌 形式选择要考虑的方面。例如，不衬砌及喷锚衬砌的糙率大，运行中产 生的水头损失也大，只适应于流速较小的隧洞。当隧洞采用双护盾掘进 机施工时，这种施工方法决定了衬砌形式只能采用预制钢筋混凝土管片 的装配式衬砌。 圈岩悬备具有承担内术压力的骺力 蕾 l 誓 i在内水及其谴作用影响下围岩是否能性期穰定l i撬 。曼一i 耋眦芎雩船i 混凝土村硼 2 。j i 圈岩抗洛性垦否好? li 腰岩抗漕性是番好? j 是 + 一j * f 上一 l童蕉墼! ! 塑 内术募主主警1 【! ! 墨兰墨堕童! 是 i i 再赢蔷屉i 否! 图2 2 选择衬砌形式的流程 第二章水工隧洞断面设计的理论及方法 以围岩条件、隧洞运行条件、防渗要求来选择衬砌形式的流程如图2 2 所示，有时还需进行经济比较后再确定衬砌形式。 1 抗裂衬砌 抗裂衬砌型式有两种，即普通混凝土( 包括钢筋混凝土) 抗裂衬砌 与预应力混凝土抗裂衬砌。对普通混凝土衬砌的有压隧洞，是采用足够 的衬砌厚度来满足抗裂要求的，即 ( 孵一 式中h 最小抗裂衬砌厚度； 衬砌的内半径； a 一一隧洞弹性特征因素； p 隧洞的设计内水压力； b 混凝土的允许轴心抗拉强度。 普通混凝土抗裂衬砌中仍然需要利用围岩来分担内水压力，为满足 共同承载的要求，围岩的有效厚度应大于3 倍洞径当内水压力p 值较 大、围岩较差时，计算出的抗裂衬砌厚度足将会很大，使衬砌结构变得 很不合理或不经济，在这种情况下，应该用预应力钢筋混凝土抗裂衬砌 或钢板衬砌。形成预应力的方法有很多，可以分成两大类，一类是高压 灌浆方法；另一类是机械方法高压灌浆方法又可分成内圈环形灌浆式、 环形管灌浆式和钻孔灌浆式。机械方法中有拉筋式、钢索式、钢箍式、 挤压式等多种方法。 2 限裂衬砌 限制裂缝宽度的目的是为了防止钢筋锈蚀和减少隧洞的渗漏量。水 工隧洞衬砌的限裂标准，若参照水工混凝土结构设计规范确定，则 衬砌的最大裂缝宽度允许值的规定如表2 1 所列。 西安理工大学硕士学位论文 表2 1限裂衬砌的最大裂缝允许值m m 荷载组合 衬砌环境条件 基本特殊 水质无侵蚀性 0 2 50 3 0 水质有侵蚀性 o 2 00 2 5 规范中的裂缝计算公式为： 埘，：口口，d ，! 生f3 c + o 1 j 生1 “甜p 2 嘞茸r + 0 1 瓦j 式中 一一一最大裂缝宽度7 构件受力特征系数，对以内水压为主的隧洞衬砌取吼= 1 3 ； d ，钢筋表面形状系数，对变形钢筋a = 1 0 ，对光面钢筋口，= 1 4 ； 吼荷载长期作用的影响系数，短期组合取口，= 1 5 ，长期组合取 = 1 6 ； 盯。受拉钢筋应力； e 。钢筋弹性模量； c 一从钢筋表面算起的保护层厚度； d 一钢筋直径： p r 。一一受拉钢筋的有效配筋率，按下列规定计算，风= 哕。， 当p 。 o 3 时，取以= o 3 ，其中爿。为钢筋面积，一，= 翮2 4 ，爿。为有 效受拉混凝土截面面积，按爿。= 2 日，上计算，a 。为钢筋中心至衬砌边缘的 距离，l 为钢筋间距。 求限裂钢筋允许应力时将珊。以允许的裂缝宽度b 代入，就可得出 限裂设计方法与强度设计方法的唯一区别在于钢筋允许应力的计算 盎几 第二章水工隧洞断面设计的理论及方法 不同，由于限裂钢筋应力与钢筋的种类、布置、直径、表面形状等多种 因素有关，因此在限裂设汁时，需要在确定了衬砌钢筋类型、保护层厚 度的基础上，先试选一个较细或中等的钢筋直径和较大的钢筋间距( 一 般l o 2 5 m ) 来计算限裂钢筋允许应力 盯，】，再按【盯， 计算所需的限裂钢 筋面积a 。如果计算出的a 较大，按原选定的钢筋直径配筋有困难，可 参照计算出的a 值重新选定钢筋直径和间距( 必要时还可减薄保护层厚 度) ，再计算一次限裂钢筋允许应力和配筋面积，一般这次计算均能满足 要求。一般情况下限裂钢筋允许应力比强度条件的钢筋允许应力要小， 满足限裂条件也就满足了结构强度条件。但在有时( 例如采用低强度的1 级钢筋、很小的保护层厚等) 也可能出现相反的情况因此，计算出限 裂钢筋允许应力后，还应与强度条件的钢筋允许应力进行比较，取二者 中的较小者进行配筋计算。 3 非限裂衬砌 当水质无侵蚀性时，裂缝宽度并不影响钢筋锈蚀，而隧洞的渗漏量 取决于衬砌裂缝宽度和围岩抗渗性两方面，当围岩抗渗性好，即使裂缝 宽度大些也不会增加隧洞的渗漏量，在这样一些情况下，隧洞衬砌当然 也就不必以限裂标准作为设计的控制条件。因此，对于开裂衬砌应该根 据围岩具体情况来决定衬砌采用哪种原则( 限裂或非限裂) 进行设计， 以避免衬砌中配置一些过量钢筋而造成浪费。 非限裂设计就是按结构的强度条件来设计，即按钢筋允许应力 p 。j = 曰。岛( 如为钢筋的设计强度，k l 为结构的强度安全系数) 来进行 衬砌配筋。 2 3 水工隧洞的荷载 设计水工隧洞的衬砌应该使断面里的衬砌材料有足够的强度，以抵 抗在最不利的条件下由于作用于它上面的荷载所引起的内力。作用在衬 砌上的荷载分为基本荷载和特殊荷载两大类，基本荷载包括：围岩压力、 衬砌自重( 包括超挖回填混凝土的重量) 、设计条件下的内水压力、稳定 西安理工大学硕士学位论文 渗流情况下的地下水压力等；特殊荷载包括：校核水位时的内水压力和 相应的外水压力、施工荷载、温度荷载、灌浆压力及地震荷载等。各种 荷载的数量、出现的时期和作用的区域随各隧洞的环境情况而异，进行 隧洞衬砌的设计和计算以前，应对各种荷载分别进行具体的调查和试验 研究，才能定出最合理的数据。 各个水工隧洞在施工期、完建期、投产运用期、放空修理期、发生 地震期可能受到不同荷载组合的作用。各断面因每种荷载组合而产生的 内力，包括弯矩和轴向力，不仅数量上有差异，而且有时正负符号相反， 哪种组合可引起最不利的内力，只有对其中危险的荷载组合做好内力计 算，才能确定。 下面就对各种荷载的数量和分布情况加以论述。 2 3 1 山岩压力 在岩体中开凿隧洞之后，岩体原有的平衡状态受到破坏，因而围岩 中将产生应力重分布。如果围岩比较坚硬和完整，则岩石的抗剪强度能 够抵抗由于应力重分布而引起的局部拉应力，因此岩石能继续维持稳定， 不致因开凿隧洞而产生崩落和坍塌，此时围岩对衬砌不产生压力；如果 岩体比较软弱，或存在裂隙，或节理比较发育，则应力重分布的结果将 引起围岩变形和崩塌，此时围岩对衬砌将产生一定的压力，称为山岩压 力。作用在衬砌上的山岩压力的大小，决定于围岩的性质、隧洞的埋置 深度，断面形状和尺寸、隧洞的施工方法、支撑情祝、衬砌的浇筑情况、 围岩的应力重分布等因素。一般情况下可根据围岩的类别，采用不同的 方法估算山岩压力。 为了计算简化起见，常将山岩压力分为垂直压力和水平压力两个分 离，假定它们都是均匀分布的，并按下式计算： ( 1 ) 垂直山岩压力： q = sv yr b ( 2 ) 水平山岩压力： 第二章 水工隧洞断面设计的理论及方法 e = b z 7 r h 式中 q 、e 均匀分布的垂直山岩压力强度和水平山岩压力强度( k p a ) ； y 。围岩的容重( k n m3 ) ； s ”s 。垂直山岩压力和水平山岩压力系数； b 一一隧洞开挖宽度( m ) ； h 一一隧洞开挖高度( m ) 。 2 3 2 地层弹性抗力 作用于隧洞衬砌上的荷载大多数是主动性质的荷载，例如山岩压力， 水压力等；也有一种荷载是被动性质的荷载，即地层弹性抗力。 地层弹性抗力不是地层主动发出的，而是衬砌压迫了地层才产生的， 当衬砌受到主动荷载的作用后，衬砌结构产生变位，有的变位向着地层 方面，有的背着地层方面。背着地层的变位，倾向于脱离地层，并不对 地层进行压迫，所以地层对它也不发生抵抗力，只有向着地层的变位是 对地层实施压迫的。要是衬砌四周没有围岩的存在，那么它在各种主动 荷载作用之下就可自由地发展变位但是衬砌的外壁是和围岩贴接着的， 向着围岩的变位受到围岩的抵抗，抵制变位的发展。这种抵抗力叫做地 层弹性抗力。变位大。抗力就大；变位小，抗力就小。所以说它是被动 性质的。但对衬砌来说，它也可被看作为一种荷载。 根据文克尔法则，地层的弹性抗力p 和衬砌的变位6 成正比，即： p = k 6 式中，k 为地层的弹性抗力系数。 在隧洞衬砌的静力分析中，考虑了地层的弹性抗力，则可降低衬砌 断面中的内力，从而减小衬砌的厚度。但如果地质方面的缺陷很显著， 则弹性抗力系数不宜取得过大。 2 3 3 地层摩擦力 地层摩擦力是和地层弹性抗力相伴而产生的，凡有地层弹性抗力作 用于衬砌上面时，同时必有地层摩擦力的存在，这和一般接触面上作用 西安理工大学硕士学位论文 力和摩擦力的关系相同，即摩擦力的数量等于作用力乘摩擦系数，它的 方向是和作用力正交的，并和衬砌运动倾向的方向相反，因此，如果衬 砌因受别种荷载作用的结果，向着围岩产生变位d ，那么地层弹性抗力为 k d ，如果地层和衬砌问的摩擦系数为u ，则围岩和衬砌的接触面里就产生 地摩擦力q ，如下式： q = p k d 2 3 3 衬砌自重 衬砌自重，可按初步确定的衬砌断面积( m 2 ) ，乘上衬砌长度1 m ， 求得衬砌的积，再乘以衬砌材料的容重( 脒，m 3 ) ，就得到衬砌的自重。 由于进行静力计算时，常把衬砌断面分成若干楔块，故实际计算衬 砌自重时，要把每一楔块的面积求出，乘上隧洞长度l m ，得到体积( 加 上平均超挖面积) ，再和容重相乘，得到每一楔块的衬砌自重自重的作 用点位于每一楔块断面的形心，作用力向着地心。 2 3 3 内水压力 对于有压隧洞，一般都将内水压力分成均匀内水压力和满洞水压力 二部分，见图2 3 ，以利在衬砌计算中应用图表，图中h 为压力坡线至 洞顶的高度， 为水的容重。均匀内水压力是有压隧洞村砌所受到的主要 荷载。无压隧洞不存在均匀内水压力。 ，仇十d ) 厂 图2 3 内水压力分解图 第二章水工隧洞断面设计的理论及方法 2 3 4 外水压力 夕卜水压力，也叫地下水压力。隧洞穿过的山岭，常有地下水存在于 岩中间，对衬砌外壁旖加外水压力，也就是渗透水在围岩和衬砌中产生 的体积力。它的压强对于无压隧洞常以从地下水位到衬砌拱顶内壁的垂 距和水容重相乘而得。对于有压隧洞，则指隧洞顶部内壁以上的水柱重 量。 2 3 5 灌浆压力 对任何工程地质条件以及有压或无压隧洞，凡混凝土、钢筋混凝土 和钢钣衬砌的顶拱一般均进行回填灌浆。灌浆压力主要存在于施工完建 时期，完建以后，逐渐减小。通常假定沿衬砌背面均匀分布，并与背面 正交。关于灌浆压力的数值，在计算中究竟采用灌浆压力表上的实际读 数还是采用实际读数的i 3 1 4 ，没有统一意见。在缺乏试验资料时， 无压隧洞一般采用1 6 个大气压，有压隧洞一般采用2 8 个大气压。 2 3 6 温度作用 由于衬砌混凝土的干缩和热胀冷缩，且由于衬砌外侧围岩阻碍衬砌的 自由膨胀，所以在衬砌内部产生温度应力。混凝土是善于抗压而不善于抗 拉的材料，故常能抵抗升温时产生的压应力，而难抵抗降温时产生的拉应 力。降温引起的拉应力计算公式如下： 盯= 一e 旺f 式中o 混凝土衬砌完全不能自由伸长时在降温t ( 摄氏度) 时在 其内部产生的拉应力； c 【混凝土的线膨胀系数，即降温1 。c ，每米长的混凝土材料 缩短的米数，一般为十万分之一； e 一一混凝土的弹性模量。 2 3 7 地震荷载 地震对隧洞的破坏作用大致有以下情况：( 1 ) 地震时衬砌与围岩产生 相对变位致衬砌发生横向、斜向、纵向的各种裂缝和错位。( 2 ) 在岩层破 6 西安理工大学硕士学位论文 碎、岩性多样、断层、洞上地表面地形陡变处衬砌破坏较厉害。在岩层 完整致密，地质条件较好的地段破坏较小。( 3 ) 浅埋隧洞破坏比较厉害， 深埋( 埋深大于4 0 6 0 米) 的隧洞破坏程度较轻。( 4 ) 不衬砌部分发生岩块 脱落等破坏现象，洞口边坡坍滑造成堵塞，进出口洞身数十米范围内衬 砌裂缝较严重。( 5 ) 岩石坚固系数f 1 0 的地段，洞顶和洞底发生纵向裂缝。 地震时水工隧洞受到的附加荷载主要有：( 1 ) 洞内水体振荡力；( 2 ) 衬 砌自重的惯性力：( 3 ) 附加的山岩压力。此外，地震时围岩与衬砌还存在 接触应力，其变化比较复杂，目前尚未找出规律。 1 内水体振荡力p c ( 为水平横向作用) ： 只= 足c 2 ，矿c 。r ( 吨米2 ) 式中 k ，一一地震系数； y 一一水的容重，一般都取y = 1 吨力米； c 。地震波的传播速度； t 地震波的周期( 秒) ，岩石地基t = o 2 秒，非岩石地基t = 0 3 秒。 2 衬砌自重的惯性力 ，假设作用于衬砌重心，水平横向作用。 p 。= k c g ( 吨) 式中g 一衬砌自重( 吨) 3 附加的山岩压力p ， p r 一( u ，1 一u ，) 。k c 2 冗7 ，c 口t ( 吨米2 ) 式中u ，、， 岩石的泊松比和容重( 吨米3 ) 。 2 4 衬砌结构计算方法 衬砌计算常用的计算方法主要有结构力学法和有限元法选择何种计 算方法，应视围岩的条件而定，根据水工隧洞设计规范的建议分以下几 种情况7 3 ： ( 1 ) 对于i 类围岩中的隧洞，宜采用有限元法计算； ( 2 ) 对于i v 、v 类围岩中的隧洞，宜采用结构力学方法计算； ( 3 ) 对于i i 、i i i 类围岩中的隧洞，可视围岩的条件和所能取得的基本 第二章水工隧洞断面设计的理论及方法 资料选用合适的计算方法。当围岩条件好时，采用有限元法分析， 否则，以采用结构力学方法。 这里，对两种主要的计算方法做一简述7 “。 ( 一) 结构力学方法 根据衬砌的形式不同，结构力学法中通常又分为弹性中心法、角变 位移法和衬砌边值问题数值解法。 1 弹性中心法 这种方法的计算特点是衬砌顶拱按无铰的计算，封闭式的拱座与底 板以及非封闭式的拱座与岩石按弹性固结进行计算；衬砌中的反拱按弹 性地基上的梁计算；按力法原理计算，多余未知力设在弹性中心。 弹性中心法的计算步骤( 见图2 4 ) ： ( 1 ) 定刚臂长度c ： ( 2 ) 假定a 端固定，计算在单位赘余力z ，= l 、x ，= 1 作用下弹心 的角变4 ，、位移占：和h 点的位移瓯。、瓯： ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) ( 1 0 ) 假设o 端固定，计算在荷载作用下弹心的角变。、：。和h 点的位移“ 确定基本体系中拱座的转角届和。； 假定o 点无水平位移，计算赘余力x 、盖，； 确定拱座总的转角口； 确定点h 的径向变位； 将已知的h 点的径向变位值代入第5 步，求出x 、z ，； 计算任意截面上的弯矩m 和轴向力n ； 根据所求的内力计算配筋。 西安理工大学硕士学位论文 图2 4 封闭式衬砌计算的基本简图 2 角变位移法 圆拱直墙式隧洞衬砌计算，建议按角变位移法原理进行计算，本方 法的特点是衬砌顶拱与边墙、边墙与底板或边墙与岩石基础均按弹性固 结进行计算；先将结构各节点固定，计算各杆端的载常数，然后放松节 点，按照节点平衡条件，计算其不平衡弯矩及推力作用下所产生的角变 位目和位移值，由毋和值即可求得各杆件抒端平衡弯矩和推力。 角变位移法的计算步骤( 见图2 5 ) ： ( 1 ) 分别计算顶拱、边墙、底板的形常数和载常数； ( 2 ) 计算结点变位臼 、4 、臼8 、。； ( 3 ) 计算杆端弯矩和轴力。 _。 a bd 图2 5 角变位移法计算简图 第二章水工隧洞断面设计的理论及方法 3 衬砌边值问题数值解法 这种计算方法是本文采用的计算方法，是将衬砌结构的计算化为非 线性常微分方程组的边值问题，采用初参数数值解法，并结合水工隧洞 的洞型和荷载特点，以计算水工隧洞衬砌在各主动荷载及其组合作用下 的内力和位移。对衬砌上的弹性抗力分布不作任何假定，由程序经迭代 计算自动得出。它符合衬砌向围岩方向最终的法向位移值，故较一般结 构力学方法合理，也更接近实际情况。 ( 二) 有限元法 有限单元分析法是将衬砌与围岩视作连续的弹性体，此弹性体离散 化为有限多个形状不一定相同的三角形或矩形小块单元组成，假设相互 间只在三角形或矩形顶点铰结，把荷载分解为只作用在结点上，拟定一 个直角座标后每一结点均有其座标值。每一单元弹性体在结点力作用下 由弹性理论和几何原理可求得结点力和结点变位的关系，每一个结点上 的周围各单元用结点变位表示的结点力和结点荷载( 或荷载为零) 要保持 平衡，因此每一个结点可建立一组平衡方程式，几百个结点就得几百组 方程( 每组二个方程) ，应用电子计算机联解这些方程可求得结点变位，根 据每个单元变位与应变的关系，应变与应力的关系即可解得应力。 最后需要说明的是在衬砌结构计算中，无论采用结构力学法还是有 限元法，都属于叫作荷载结构法的范畴