基于流固耦合的岩溶管道对水工隧洞围岩影响的数值分析研究

论文摘要

本文采用数值模拟和理论分析相结合的方法,通过建立完全流固耦合的数值分析模型,较系统的研究了岩溶管道对有压圆形水工隧洞周边围岩在开挖、运行及检修等阶段的应力、应变及位移等的影响。本文的主要研究内容如下:(1)通过查阅国内外的参考文献,总结了岩溶区地下水流的运动规律及进展,并总结了岩溶区水工隧洞研究中的问题,提出了本文的研究课题;(2)系统的介绍了岩溶的发育条件及地貌特征,在此基础上对岩溶含水介质进行了划分,并依此将岩溶水划分为三类,然后分别对其特征进行了介绍;从岩溶水的补给、径流、排泄及其对工程的危害等方面对岩溶地下水系统进行了阐述;并比较了中国南北岩溶的差异;(3)从渗流的基本原理出发,在充分分析岩体介质与地下水相互作用的机理基础上,提出了通过渗透系数的变化实现渗流场—应力场完全耦合的分析方法,并从渗透系数与应力、应变和孔隙度之间的关系出发分别建立了对应的渗流应力耦合的数学模型和有限元离散模型;(4)利用Abaqus有限元分析软件,利用渗透系数与体积应变之间的关系编制了用户子程序,以此建立了基于完全流固耦合的岩溶管道对水工隧洞围岩影响的数值分析模型,并对隧洞周围不存在岩溶管道时进行了计算;(5)通过建立的数值分析模型,分别研究了岩溶管道倾角、管道内水压力、管道与隧洞间的距离及管道大小在有压水工隧洞开挖、运行及检修期间对围岩应力、应变及位移的影响,最后得出了一些有价值的结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文选题依据及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 岩溶地下水水流运动规律研究进展
• 1.2.2 岩体渗流模型研究综述
• 1.2.3 岩溶区地下洞室围岩稳定性研究现状
• 1.2.4 岩溶区有压水工隧洞围岩稳定性研究现状
• 1.3 岩溶区有压水工隧洞围岩稳定性研究中存在的问题
• 1.4 本文研究内容及研究方法
• 1.4.1 本文研究的主要内容
• 1.4.2 本文的主要创新点
• 第二章 岩溶工程地质概述
• 2.1 岩溶的形成及发育条件
• 2.1.1 岩溶形成的基本条件
• 2.1.2 影响岩溶发育的因素
• 2.2 岩溶地貌形态及其发育特征
• 2.2.1 岩溶个体形态及其发育特征
• 2.2.2 岩溶组合形态及其发育特征
• 2.2.3 岩溶地貌的分类及其特征
• 2.3 岩溶含水空隙介质分类及其特征
• 2.3.1 岩溶含水空隙介质的分类
• 2.3.2 孔隙介质的特点
• 2.3.3 裂隙介质的特点
• 2.3.4 岩溶管道介质的特点
• 2.4 岩溶地下水系统概述
• 2.4.1 岩溶多重介质环境
• 2.4.2 岩溶地下水的补给
• 2.4.3 岩溶地下水的分类及特点
• 2.4.4 岩溶地下水的径流及排泄特征
• 2.4.5 中国南北方岩溶地下水的差异
• 2.4.6 岩溶地下水对工程的危害
• 2.5 本章小结
• 第三章 岩体渗流场应力场完全耦合基本理论
• 3.1 渗流的概念及基本理论
• 3.1.1 渗流的概念
• 3.1.2 渗流基本定律
• 3.2 渗流的基本方程
• 3.2.1 渗流连续性方程
• 3.2.2 稳定渗流的基本微分方程
• 3.2.3 渗流场的边值条件
• 3.3 岩体渗流—应力完全耦合理论
• 3.3.1 渗流场和应力场的相互影响
• 3.3.2 渗流—应力完全耦合的力学机理
• 3.3.3 岩体渗透性演化模型
• 3.3.4 岩体渗流—应力完全耦合的有限元离散
• 3.4 本章小结
• 第四章 岩溶管道对水工隧洞围岩影响的数值分析模型
• 4.1 ABAQUS 渗流和变形的耦合分析
• 4.1.1 渗流—应力耦合分析
• 4.1.2 地应力平衡分析
• 4.2 数值模拟的基本假定
• 4.3 计算参数的选取
• 4.3.1 初始计算参数
• 4.3.2 渗透系数与孔隙度
• 4.4 考虑流固耦合时计算范围及边界条件的确定
• 4.4.1 无管道时计算范围及边界条件
• 4.4.2 岩溶管道计算范围的确定
• 4.5 有限元模型及模拟方案
• 4.5.1 有限元模型
• 4.5.2 模拟计算方案
• 4.6 无管道时的计算结果
• 4.6.1 无管道开挖后数值计算结果
• 4.6.2 无管道运行时数值计算结果
• 4.6.3 无管道检修时数值计算结果
• 4.7 本章小结
• 第五章 管道倾角对水工隧洞围岩的影响研究
• 5.1 不同管道倾角下围岩受力特征分析
• 5.1.1 隧洞开挖后围岩受力特征分析
• 5.1.2 隧洞运行期围岩受力特征分析
• 5.1.3 隧洞检修期围岩受力特征分析
• 5.2 不同管道倾角下围岩应变特征分析
• 5.2.1 隧洞开挖后围岩应变特征分析
• 5.2.2 隧洞运行期围岩应变特征分析
• 5.2.3 隧洞检修期围岩应变特征分析
• 5.3 不同管道倾角下围岩位移变化特征分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 管道内水压力大小对水工隧洞围岩的影响研究
• 6.1 不同管道内水压力下围岩受力特征分析
• 6.1.1 隧洞开挖后围岩受力特征分析
• 6.1.2 隧洞运行期围岩受力特征分析
• 6.1.3 隧洞检修期围岩受力特征分析
• 6.2 不同管道内水压力下围岩应变特征分析
• 6.2.1 隧洞开挖后围岩应变特征分析
• 6.2.2 隧洞运行期围岩应变特征分析
• 6.2.3 隧洞检修期围岩应变特征分析
• 6.3 不同管道内水压力下围岩位移变化特征分析
• 6.3.1 管道倾角为45°时围岩位移变化特征分析
• 6.3.2 管道倾角为135°时围岩位移变化特征分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 管隧间距及管道大小对水工隧洞围岩的影响研究
• 7.1 不同管隧间距下水工隧洞围岩受力特征分析
• 7.1.1 隧洞开挖后围岩应力特征分析
• 7.1.2 隧洞运行期围岩受力特征分析
• 7.1.3 隧洞检修期围岩受力特征分析
• 7.2 不同管隧间距下围岩应变特征分析
• 7.2.1 隧洞开挖后围岩应变特征分析
• 7.2.2 隧洞运行期围岩应变特征分析
• 7.2.3 隧洞检修期位移应变特征分析
• 7.3 不同管隧间距对水工隧洞围岩位移变化特征分析
• 7.4 管道大小对水工隧洞围岩变形影响分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论及建议
• 8.1 本文主要结论
• 8.2 本文存在的问题及建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 在学期间发表的论文及参与的科研项目