高壓透水隧洞變形協調與水力傳遞機制研究

《高壓透水隧洞變形協調與水力傳遞機制研究》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：高壓透水隧洞變形協調與水力傳遞機制研究
• 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

透水是高壓水工隧洞的突出特徵，是影響隧洞結構安全與沿線山體穩定的關鍵因素。本項目擬採用理論分析、室內試驗、原型觀測與數值模擬相結合的方法，研究高壓隧洞透水過程中的變形協調與水力傳遞機制。.開展襯砌室內壓水試驗，分析隧洞充水環境下的混凝土裂縫擴展與分布特徵，建立基於圍岩變形能力與隧洞充水環境的混凝土裂縫寬度計算方法，構建襯砌混凝土裂縫模型；分析混凝土裂縫表面粗糙度與迂曲度特徵，研究基於雷射掃描與三維成像技術的混凝土裂縫表面和粗糙度評價基準面生成方法，完善考慮裂縫寬度、表面特徵、布筋環境和水力條件的開裂混凝土襯砌的滲透係數計算方法，揭示開裂混凝土襯砌的水力傳導機制；依託襯砌與圍岩結合面構造接縫單元，組建基於襯砌-接縫單元-圍岩的水工隧洞組合承載模型，研究高壓隧洞水力變化特徵以及襯砌與圍岩間的動態結合狀態，揭示襯砌與圍岩間的變形協調與水力傳遞機制。研究成果可為高壓透水隧洞的安全運行提供重要保證。

結題摘要

本項目針對襯砌混凝土裂縫模型、開裂混凝土襯砌內水外滲水力傳導機制、襯砌與圍岩聯合承載機理等三個方面展開研究。採用塑性損傷模型模擬襯砌裂縫，將開裂破壞這一非連續的脆性結構回響問題通過等效損傷來體現，實現了非連續斷裂的等效連續化。提出透水襯砌滲流-應力-損傷耦合模型，基於ABAQUS軟體平台進行二次開發， 實現材料滲透係數隨損傷的動態更新，完成了隧洞動態充水過程中的襯砌損傷開裂耦合分析過程，探討了襯砌與圍岩有條件聯合承載特性對耦合分析結果的影響。同時，採用cohesive單元模擬水力裂縫，考慮裂縫與岩體水體交換特性，以及岩體彈塑性變形特徵，建立應力-滲流-損傷耦合非連續性模型，探討了水力裂縫起裂與擴展過程中水壓力的分布規律。針對高壓隧洞透水襯砌結構，考慮襯砌與圍岩間的粘結力作用，建立了雙層厚壁圓筒模型，提出了相應的透水襯砌設計方法與實踐步驟，分析了隧洞初次充水期間襯砌與圍岩的有條件聯合承載機理，並重點分析了鋼筋應力、最大裂縫寬度等的演化規律，提出了由開裂點及脫離點控制標示的襯砌鋼筋應力的三段式計算模型，揭示了初次充水過程中襯砌與圍岩脫離前是鋼筋應力峰值點的這一新規律，為工程安全和運行決策提出了強有力的技術支撐。同時，系統研究了滲流與應力數值計算過程中計算模型範圍對計算結果與誤差的影響分析，提出了滲流、應力計算過程中的模型範圍取值方法。