《基於HM耦合效應的高滲透水壓水工隧洞承載機理研究》是依託武漢大學，由蘇凱擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於HM耦合效應的高滲透水壓水工隧洞承載機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：蘇凱
- 依託單位：武漢大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
水工隧洞內水外滲是影響電站工程效益、隧洞結構安全和沿線山體穩定的重要因素，HM耦合是其突出特徵，高滲透水壓惡化了其運行環境。本課題將以室內襯砌壓水試驗為基礎，探索混凝土裂縫寬度及其分布特徵與襯砌透水性之間的關係，引入裂縫粗糙度影響因子與滲透水流流態判別因子，構建基於HM耦合效應的開裂混凝土襯砌滲透模型；探索室內隧洞模型實驗的載入與控制方法，構建高滲透水壓力條件下的隧洞水力劈裂組合模型，研究高滲透水壓環境下岩體水力劈裂形成與促動機制；引入單元開裂狀態函式與滲透係數突跳因子反映襯砌與圍岩脫離前後接觸部位的應力特性與滲透特性，建立基於襯砌與圍岩有條件聯合承載理論的水工隧洞三維數值計算模型，採用非線性動態仿真分析理論和非線性有限單元分析方法，研究隧洞襯砌與圍岩的有條件聯合承載特性；研究成果對揭示水工隧洞承載機理有重要意義，可為水工隧洞的安全運行提供重要保證。
結題摘要
在高內水壓力作用下襯砌混凝土必然開裂，進而導致水工隧洞內水外滲，這是一類典型的流固（HM）耦合問題，是影響隧洞襯砌結構安全與沿線山體穩定的重要因素。滲流場與結構場的相互作用作為控制高內壓水工隧洞變形與承載機理的關鍵因素，是高滲透水壓水工隧洞承載機理的首要特徵。當前的研究過程中，對於混凝土襯砌與圍岩裂紋的促發與擴展，室內試驗觀測與數值模擬再現是其研究難點，也是眾多相關研究團隊的瓶頸所在。首先，與擴展有限元或者離散元不同，本項目基於傳統開裂非線性有限單元法，採用塑性損傷指標進行水力劈裂深度的判定，採用間接耦合的疊代計算方法，克服了孔隙介質在模擬流固耦合中的難點問題，即通過襯砌混凝土開裂點附近的滲透水壓力的精確疊代控制，在混凝土襯砌內形成了徑向集中裂縫帶，與工程中混凝土襯砌裂縫條數少寬度大的普遍特徵非常吻合；同時，本項目採用等效滲透係數方法以及等效耦合分析思路，分析了考慮耦合前後鋼筋混凝土隧洞的作用機理，採用充水夾層單元模擬了襯砌與圍岩間有條件聯合承載的力學特性與可能脫開造成的高滲透特性，通過疊代分析計算再現了高壓水工隧洞開裂後鋼筋應力數值普遍較小，甚至出現不升反降的客觀規律，為高壓水工隧洞的工程實踐提供了參考與數值分析佐證；聯合國內外相關科研單位(如英國帝國理工學院AMCG研究組)，採用不連續伽遼金計算方法，模擬分析了規則裂縫與不規則裂縫內水流的壓力傳導問題，奠定了高滲透水壓水工隧洞滲透力的精確計算與傳遞基礎，相關研究成果可為國內外相關高壓隧洞的設計與建設提供參考。
