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圆形水工压力隧洞衬砌变形特性与限裂设计研究

沈威  
【摘要】:我国现行的水工隧洞衬砌限裂公式均脱胎于普通钢筋混凝土构件工作机理,但衬砌结构受水压力和围岩约束影响,其应力变化、受力变形特点以及开裂状况均与普通水工混凝土构件有较大的区别。近年来大洞径、深埋深的高压引水隧洞结构工程的大量实践表明,满足挪威准则、最小主应力准则情况下围岩往往成为承载的主体,衬砌承担的荷载有限。研究旨在通过大比尺结构试验和非线性有限元分析,研究加载过程中衬砌结构的应力及变形规律,找出在内水压力以及渗流场作用下裂缝发生及其扩展过程,分析各种工况下内水外渗和围岩对衬砌结构变形和承载作用的影响,找出更为合理的隧洞衬砌结构限裂设计计算公式,为今后更为安全、合理的隧洞设计提供相应的研究基础。 主要研究成果及结论如下: 1)采用室内水工隧洞大比尺(1:10)结构模型试验,并对钢筋混凝土衬砌、围岩、固结灌浆区、围岩裂隙等进行了系统的模拟,采用真实水压力直接加载,使用光纤等现代先进的量测方法和采集设备,对内水压力、外水压力、内外水压力共同作用下衬砌结构的受力变形特点与承载作用进行了系统研究。试验结果表明,与围岩的有条件联合作用和内水外渗现象是衬砌结构特有的特性。衬砌与围岩的联合承载,极大的提高了隧洞结构的承载能力,而内水外渗作用是衬砌结构承载作用减弱的最重要因素。受围岩影响,衬砌结构的开裂荷载达到1.1Mpa,裂缝也是少而宽,产生的顺序也具有鲜明的特点。而在内水外渗作用下,衬砌与围岩的联合承载受到削弱,衬砌的承载作用降低,开裂前衬砌结构承受面力作用,荷载根据衬砌、围岩二者的刚度比分摊;开裂后则根据二者的相对渗透系数比分摊。分析结果显示,在Ⅳ类围岩下,双筋衬砌在未开裂前承担了大约20%-40%的内水压力,在开裂后应小于30%,甚至小于5%,而单筋衬砌则更低。受内水外渗作用影响,开裂后衬砌内钢筋应力并不会随着水压力的持续增长而无限增长,而只会增长到—定限度,在加压、稳压过程中钢筋应力会出现减小趋势。单、双筋衬砌裂缝宽度对比表明,在加载初期钢筋对裂缝扩展的限制仍是十分有效的,但对长时间工作后裂缝的抑制以及提高衬砌承载能力作用不大。由于衬砌承载作用有限,因此若围岩条件或固结灌浆较好,衬砌构造配筋即可。 2)通过数值模拟方法,对衬砌结构在内水压力作用下的初始破坏状态和外水压力作用下钢筋应力变化进行了分析和验证。分析结果表明围岩节理方向和衬砌与固结灌浆圈交界处的缺陷对衬砌结构裂缝的产生以及破坏形式影响较大。通过建立裂隙岩体的渗流—应力应变耦合模型,并编制相应的有限元计算程序,对衬砌结构钢筋应力、裂缝宽度及围岩中渗流场在内水外渗后的变化情况进行了数值分析。数值分析表明衬砌开裂后,75%的总水头耗损在衬砌和固结灌浆圈内,其中固结灌浆圈承担的比例较大;裂缝最大张开度与钢筋应力基本上呈线性关系,但在内水压较大时对裂缝的抑制作用有所减弱。计算结果与试验结果的比较表明,该程序计算出的钢筋应力变化规律和试验结果大体相似,可以较好地模拟衬砌开裂后的内水外渗现象。渗流—应力耦合分析表明,在围岩条件或围岩加固圈施工质量较好、渗漏量不大时,衬砌限裂没有必要。即使裂缝张开度大点,钢筋应力也不会超过其极限抗拉强度,衬砌裂缝稍大也不影响围岩稳定。 3)根据大比尺结构模型试验数据和数值分析结果,按照数理统计分析方法,提出了对规范公式的修正建议和拟合出内外水压力共同作用下水工隧洞衬砌钢筋平均应力σs及裂缝平均宽度ω计算公式。与试验和原型监测结果对比,拟合公式计算结果误差在10%左右,该公式可用于水工隧洞结构计算。


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