高壓水工輸水隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算分析方法研究

【摘要】隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大型的水利水電工程也越來(lái)越多，同時(shí)大洞徑和深埋深的高壓引水隧洞也逐漸增多。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都非常關(guān)注高壓引水隧洞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究，但是由于深埋高壓引水隧洞的環(huán)境比較復(fù)雜，工作機(jī)理也非常復(fù)雜，至今仍然存在很多沒(méi)有解決的問(wèn)題。其中高壓水工輸水隧洞結(jié)構(gòu)的計(jì)算是一項(xiàng)比較重要的環(huán)節(jié)，本文主要對(duì)高壓水工輸水隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算方法進(jìn)行了具體的分析，希望可以給相關(guān)工作人員提供參考。

【關(guān)鍵詞】高壓；引水隧洞；結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

當(dāng)前，高壓水工輸水隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算分析方法大體主要有三種，分別是結(jié)構(gòu)力學(xué)法、彈性力學(xué)法、以有限元為代表的數(shù)值計(jì)算方法。這三種方法都經(jīng)常應(yīng)用在隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，下面筆者進(jìn)行一一介紹。

1、結(jié)構(gòu)力學(xué)法

傳統(tǒng)的角變位移法和邊值法實(shí)際上都屬于經(jīng)典的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法。由于其理論簡(jiǎn)單且易于掌握，為眾多設(shè)計(jì)單位所歡迎。DL/T5195—2004中，除了對(duì)圓形斷面在均勻水壓力作用下采用厚壁圓筒彈性力學(xué)法進(jìn)行計(jì)算外，還為常用荷載下非圓形隧洞提供了經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)的邊值解法的微分方程與解法過(guò)程。但是，采用邊值法計(jì)算的鋼筋面積往往過(guò)大，且與水工隧洞實(shí)際工作狀態(tài)不相符。此外，用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法算出的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布相差比較大，而用有限元方法求出的應(yīng)力狀況比較均勻。北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院曾對(duì)下葦?shù)槌情T洞形有壓隧洞進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到拱頂與底腳應(yīng)力相差不大、隧洞的實(shí)際應(yīng)力分布要比結(jié)構(gòu)力學(xué)方法得出的結(jié)果均勻的結(jié)論。總之，結(jié)構(gòu)力學(xué)方法適合桿件結(jié)構(gòu)，而深埋洞室結(jié)構(gòu)并不能隨意簡(jiǎn)化為桿件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2、彈性力學(xué)法

彈性力學(xué)的研究對(duì)象應(yīng)該滿足必要的物理假設(shè)，其中包括：①均勻連續(xù)假設(shè)；②線性與完全彈性假設(shè)；③各向同性假設(shè)。彈性力學(xué)理論具有理論嚴(yán)謹(jǐn)、計(jì)算精確的顯著特點(diǎn)。然而，處于巖體內(nèi)的水工隧洞鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)由兩部分組成，即巖體（或稱圍巖）和鋼筋混凝土襯砌。巖體是各級(jí)結(jié)構(gòu)面切割的非均質(zhì)各向異性不連續(xù)的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，巖石本身又是由各種不同含量的礦物質(zhì)所組成，其力學(xué)性態(tài)表現(xiàn)出很大的離散性與模糊性。總之，彈性力學(xué)方法能很好地應(yīng)用于簡(jiǎn)單的彈性結(jié)構(gòu)，對(duì)研究高壓引水隧洞這樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜及圍巖各向異性、不均勻性、彈塑性、流變等問(wèn)題則很難處理。

3、有限元分析法

有限元方法目前已經(jīng)相當(dāng)成熟，是使用最廣泛的一種數(shù)值分析方法，可以用來(lái)求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性等問(wèn)題，是地下工程結(jié)構(gòu)分析中最常用的方法。DL/T5195—2004第11.3.1條中說(shuō)到，“對(duì)于直徑（寬度）不小于10m的1級(jí)隧洞和高壓隧洞，宜采用有限元法計(jì)算”。

3.1 滲流-應(yīng)力耦合有限元法

滲流-應(yīng)力耦合有限元法，根據(jù)對(duì)耦合項(xiàng)處理方法的不同，可分為間接耦合和直接耦合兩種。間接耦合一般分別建立滲流場(chǎng)的連續(xù)性微分方程和結(jié)構(gòu)變形本構(gòu)關(guān)系的平衡微分方程，然后通過(guò)結(jié)構(gòu)體應(yīng)力對(duì)滲流場(chǎng)影響的經(jīng)驗(yàn)公式建立兩者的聯(lián)系，通常采用以下公式：

k=k0e-ασ

式中，k為巖體滲透系數(shù)；k0為初始滲透系數(shù)；α為巖體材料特性和應(yīng)力狀態(tài)對(duì)滲透系數(shù)的綜合影響系數(shù)；σ為巖體的應(yīng)力狀態(tài)。直接耦合根據(jù)耦合模型涉及的所有物理變量，建立與各變量相應(yīng)的剛度矩陣、影響矩陣并形成總耦合矩陣，以及相應(yīng)的耦合荷載向量。滲流-應(yīng)力耦合有限元法，在耦合理論上又可分為多孔介質(zhì)耦合理論、裂隙介質(zhì)耦合理論，而裂隙介質(zhì)耦合理論又可分為單裂隙滲流、裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流應(yīng)力耦合理論。

Cook基于試驗(yàn)研究認(rèn)為，低應(yīng)力狀態(tài)下滲流與裂隙面的開(kāi)度無(wú)關(guān)，但在高應(yīng)力下則關(guān)系密切。國(guó)裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流耦合理論包括等效連續(xù)介質(zhì)模型、雙重介質(zhì)模型、離散裂隙介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)模型3種。

3.2 考慮損傷的滲流-應(yīng)力耦合有限元法

滲流-應(yīng)力-損傷耦合模型是在上述模型基礎(chǔ)之上，引入介質(zhì)斷裂、損傷判斷準(zhǔn)則，嵌入描述介質(zhì)破壞膨脹區(qū)的滲流-損傷耦合描述方程，來(lái)研究工程巖體的滲流-應(yīng)力-損傷耦合行為。有專家通過(guò)三軸壓縮和剪切試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨應(yīng)變的增大，滲透率的增加更明顯。國(guó)內(nèi)的一些專家建立了裂隙巖體滲流場(chǎng)與損傷場(chǎng)耦合分析模型。滲流-應(yīng)力-損傷耦合模型能夠較好地模擬工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜破壞機(jī)理，尤其在高壓引水隧洞內(nèi)水外滲和圍巖穩(wěn)定分析中能夠得到很好的應(yīng)用。

有限元數(shù)值模擬方法還存在以下一些問(wèn)題：①研究對(duì)象是深埋地下的高壓隧洞和圍巖的整體，而地下巖體包含不同階次且隨機(jī)分布的孔隙、裂隙、節(jié)理等，它們既不是連續(xù)介質(zhì)也不是離散介質(zhì)，計(jì)算模型較難選取。②目前尚缺少能夠反映復(fù)雜環(huán)境下高壓水工隧洞工作機(jī)理的本構(gòu)模型。③地下巖體的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)帶有很大的隨機(jī)性和模糊性，計(jì)算參數(shù)較難準(zhǔn)確獲取。④數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際出入較大，有計(jì)算參數(shù)不準(zhǔn)確的原因，但很多學(xué)者與工程人員發(fā)現(xiàn)，更與施工過(guò)程、施工方法有關(guān)，而后者卻未得到足夠重視。⑤現(xiàn)行水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范中還缺少與有限元方法相匹配的安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

4、結(jié)論

鑒于以上問(wèn)題，筆者認(rèn)為應(yīng)加強(qiáng)以下方面的研究探索：①模型的選取可以以巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)資料為依據(jù)，采用離散介質(zhì)方法建立典型裂隙網(wǎng)絡(luò)表征體，計(jì)算巖體的等效滲透張量，應(yīng)用等效連續(xù)介質(zhì)模型研究區(qū)域巖體滲流問(wèn)題。②進(jìn)一步加強(qiáng)能夠反映復(fù)雜環(huán)境下高壓引水隧洞襯砌開(kāi)裂、高壓內(nèi)水外滲發(fā)生劈裂及襯砌開(kāi)裂后鋼筋和混凝土相互作用的本構(gòu)模型的探索。③參數(shù)的選取可適時(shí)引入不確定性分析、回歸分析、反演分析等方法。④數(shù)值模擬中應(yīng)該對(duì)施工過(guò)程、支護(hù)及高壓固結(jié)灌漿等工況的模擬給予充分重視。⑤今后還要繼續(xù)研究理論，結(jié)合實(shí)際的工程現(xiàn)狀，不斷地規(guī)范水工隧洞設(shè)計(jì)，并建立起跟有限元方法更加匹配的安全控制標(biāo)準(zhǔn)，以推動(dòng)高壓引水隧洞破壞機(jī)理的進(jìn)一步研究，為高壓引水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有益參考。

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