隧洞饱水疏松粉砂岩段双排水平冻结施工温度场数值分析

【目的】探求饱水疏松粉砂岩在双排水平冻结法施工条件下的温度场分布情况,为今后隧洞冻结法施工最优方案的制定提供参考.【方法】以甘肃省引洮一期工程总干渠7#隧洞出口冷冻施工为例,基于热分析相变理论,采用有限元软件ANSYS,研究了引水隧洞双排水平冻结施工积极冻结期间的温度场分布、冻结管交圈时间及维护冻结期间冻结帷幕厚度的发展状况,并探讨了此方法的数值模拟精度.【结果】相邻两冻结管交圈时间30d,积极冻结50d后,冻结帷幕厚度已达到设计值2.5m;在考虑施工安全的情况下进行了60d的维护冻结期,期间温度保持在-24℃左右,且限制了冻结帷幕的进一步发展,避免了开挖过程中由于冻土强度过高而使施工难度增大.【结论】通过模型模拟和实测数据的比较分析,证明该模型应用具可靠性,可为同类工程施工的方案制定提供理论依据.     

含水疏松砂岩隧洞冻结施工三维数值模拟

甘肃省引洮供水一期工程总干渠7#引水隧洞出口,采用冻结施工法成功穿越了含水疏松砂岩地层.应用大型有限元软件ANSYS,对冻结施工过程进行了三维数值模拟,分析了隧洞开挖过程中冻土帷幕的位移和应力分布情况,并提出了在施工过程中的一些安全保障措施,以便准确地掌握冻土温度的变化及冻土帷幕厚度发展状况,从而确定最优的开挖时间.分析结果及工程实践表明:最大拉、压、剪应力计算值分别为3.02、0.15和0.97Mpa,计算值相对于设计值的安全系数分别为13、1.9和1.5,并确定了其极值发生位置.同时也表明利用冻结施工法穿越含水疏松砂岩地层隧洞是合理的,研究结果可为引洮供水一期工程总干渠7#引水隧洞出口冻结施工提供理论支持,同时也为类似工程提供参考.     

多因素对高温隧洞稳定性的影响

【目的】研究洞室围岩温度场扰动对洞室地层热力学平衡和围岩热物理力学性能的影响,为隧洞设计与施工提供参考。【方法】通过建立地下隧洞几何模型和洞内环境热力学模型,针对新疆某高温隧洞,根据实测洞内环境温度及围岩温度,应用 ANSYS 有限元程序,对不同施工工况下围岩的温度场变化进行模拟,深入研究温度场下隧洞的埋深、围岩类别（Ⅲ、Ⅳ1和Ⅳ2类）等不同状况对隧洞围岩稳定性的扰动规律。【结果】大量系统的数值试验表明,在影响高温隧洞围岩稳定性的各因素中,温度和围岩类别是影响围岩温度应力的2个主要因素。初始温度场的温度越高或温度差越大、围岩类别越好,围岩的温度应力越大;洞室埋深的增大对围岩二次应力场及围岩位移场均有显著影响。【结论】得到了温度 、温差、围岩类别、埋深对高温隧洞稳定性的量化影响规律,对于高温隧洞问题,可参考上述规律并结合工程实际进行综合分析。     

浅埋黄土隧洞施工过程数值模拟

【目的】针对浅埋黄土隧洞顶覆土薄,自稳能力差,特别是开挖初期变形增长较快,极易产生坍塌的特征,利用有限元方法模拟隧洞不同施工工序的施工过程,通过比较得出较为合理的施工工序,以指导工程施工。【方法】结合某工程输水隧洞具体施工问题,利用有限元分析计算软件ADINA,建立该隧洞的施工过程数值模拟模型,对上行法和下行法2种开挖过程进行数值模拟,分析2种施工过程中硐室周围土体所产生的应力、应变、屈服区以及位移等。【结果】通过对隧洞施工工序的模拟分析,得到上行法开挖时的拱脚压应力是下行法开挖时的1.5倍,对于拱顶位移和塑性区范围,上行法开挖均大于下行法。【结论】虽然该黄土隧洞埋深较浅,断面较大,采用人工分层开挖,下行法和上行法2种工序均是稳定的,但下行法优于上行法。     

隧洞含水疏松砂岩段的处理方法

在进行隧道施工的过程中,经常会遇到各种各样的地层,地质非常恶劣的底层对于隧洞的施工有着非常不利的影响,这就需要采取适合的措施对其进行有效的处理,进而保证隧洞施工能够顺利进行。在我国的西北地区进行隧洞施工,常常会遇见含水疏松砂岩段,在这种地质的情况下进行隧洞施工是非常困难的,这就应该采取有效的措施对含水疏松砂岩段进行处理。本篇文章以甘肃省引洮工程7#隧洞的施工为例子,对隧洞含水疏松砂岩段的处理方法进行具体的分析和研究,进而为我国隧洞在含水疏松砂岩段进行施工时提供重要的参考资料。     

流固耦合作用下引洮7~#隧洞开挖过程中的数值模拟分析

以甘肃历史上最大的水利工程引洮供水工程一期总干渠7#隧洞为工程背景,在考虑应力场与渗流场耦合作用下,利用ABAQUS有限元程序,建立有限元渗流模型,对隧洞埋深在200m处的含水疏松砂岩地段的围岩开挖过程进行模拟分析,得出引洮7#隧洞在开挖过程中围岩径向变形规律与特征,径向正应力、孔隙压力分布及变化规律,为隧洞的早日贯通及正常运营提供技术支持,对保证工程安全和节省投资具有积极意义.     

水工压力隧洞衬砌配筋的计算

【目的】针对目前水工压力隧洞配筋设计中公式法、边值法和一般有限元法计算结果差异较大,使工程设计人员难以决断的问题,建立更符合压力隧洞实际工作性态的配筋计算方法。【方法】在剖析现有计算方法基本假定的基础上,建立了一套数值模拟方法,即采用katona裂缝单元模拟衬砌中的裂缝,通过特殊的钢筋及跨缝筋单元模拟钢筋与混凝土相互作用及跨缝处作用机制,推求较为真实的衬砌应力、钢筋应力及裂缝宽度,然后根据设计条件确定配筋方案。【结果】采用建立的数值分析方法,对金沙江鲁地拉水电站压力引水隧洞进行对比计算分析,结果显示,当内水压力水头为1.3 MPa(130m)、围岩为Ⅳ类时,采用建议方法得到的配筋方案为5Φ25(4 900mm2),介于边值法20Φ30(28 260mm2)和公式法3Φ16(1 200mm2)之间。【结论】利用所建立的计算方法得到的配筋结果与实际较为吻合,能够帮助设计人员合理确定水工压力隧洞配筋方案。     

基于正交试验土石坝热-流耦合模型参数的敏感性分析

【目的】研究热-流耦合模型参数的敏感性,减小运行期土石坝热-流耦合模型参数校正过程的工作量,为土石坝热-流耦合模型参数选取提供依据。【方法】采用正交试验法,以某水库土石坝为例,基于大坝热-流耦合模型,以坝体与坝基平均温度作为敏感性分析的主要指标,对大坝热-流耦合模型各参数的敏感性进行分析。【结果】渗透率和土体比热容对土石坝温度场影响较敏感,其极差值分别为0.124 5和0.086 2,其余参数的敏感性由强到弱依次为孔隙率(n)、饱和含水率(θs)、导热系数(λ)、残余含水率(θr)和土体密度(ρ),极差值分别为0.046 5,0.029 3,0.026 6,0.014 3和0.011 3,相对于渗透率和土体比热容,这5个参数对于温度场计算结果的影响较小。【结论】在对土石坝温度场进行校正时,应将模型中的渗透率和土体比热容作为重点参数。     

水工压力隧洞钢筋混凝土衬砌配筋模型与方法探讨

【目的】针对当前水工压力隧洞钢筋混凝土衬砌配筋方法不能反映水工压力隧洞衬砌开裂后围岩-混凝土-钢筋的联合受力机制的不足,寻求建立一种新的配筋方法,为水工压力隧洞钢筋混凝土衬砌配筋的设计提供参考。【方法】从水工隧洞的实际性状入手,分析衬砌开裂后围岩-混凝土-钢筋的联合作用,借助于FINAL有限元程序,建立非线性有限元衬砌配筋数值仿真模型,基于莫尔-库伦强度准则进行非线性数值求解,并通过实例与"公式法"计算结果进行比较。【结果】通过算例发现,利用所建立的非线性有限元衬砌配筋数值仿真模型,计算得到围岩-混凝土-钢筋联合作用条件下的衬砌配筋量、钢筋应力、混凝土裂缝宽度,直观展现了衬砌裂缝处钢筋应力的集中现象。计算结果较"公式法"更为直观,配筋结果较"公式法"偏大,更符合实际情况。【结论】所建立的非线性有限元衬砌配筋数值仿真模型能够综合考虑水工压力隧洞衬砌开裂后围岩-混凝土-钢筋的联合作用,并能通过非线性有限元求解,得到任意部位的钢筋应力及混凝土裂缝的分布规律,较以往的方法有明显优越性。     

基于正交试验土石坝热-流耦合模型参数的敏感性分析

【目的】研究热-流耦合模型参数的敏感性，减小运行期土石坝热-流耦合模型参数校正过程的工作量，为土石坝热 流耦合模型参数选取提供依据。【方法】采用正交试验法，以某水库土石坝为例，基于大坝热-流耦合模型，以坝体与坝基平均温度作为敏感性分析的主要指标,对大坝热-流耦合模型各参数的敏感性进行分析。【结果】渗透率和土体比热容对土石坝温度场影响较敏感，其极差值分别为0.124 5和0.086 2,其余参数的敏感性由强到弱依次为孔隙率(n)、饱和含水率(θs)、导热系数(λ)、残余含水率(θr)和土体密度(ρ)，极差值分别为0.046 5,0.029 3,0.026 6,0.014 3和0.011 3，相对于渗透率和土体比热容，这5个参数对于温度场计算结果的影响较小。【结论】在对土石坝温度场进行校正时，应将模型中的渗透率和土体比热容作为重点参数。