基于渗流—应力耦合的导流洞封堵期结构安全性研究

论文摘要

随着坝工技术的发展，高坝建设进入快速发展阶段，水工隧洞的建设规模越来越大，同时也带来了一系列技术问题。导流洞在结构设计上通常需满足过流量大、内水压力水头高以及封堵期外水压较高的要求，导流隧洞封堵结构的安全性愈受关注。裂隙岩体渗流-应力耦合理论是最近国内研究的热点问题，研究渗流-应力耦合作用下的水工隧洞安全性对解决实际工程具有重要的指导意义。本文依托大型水电站导流洞工程，基于等效孔隙介质模型，建立了能反映实际工程特性的导流洞三维有限元模型，采用渗流场理论对导流洞封堵期山体的整体渗流场，以及排水孔的模拟方法和排水效应进行研究；采用渗流-应力耦合模型，对导流洞封堵期的围岩稳定性及衬砌结构安全性进行分析；基于三维非线性有限元法，对永久封堵体的受力特征及整体稳定性进行了探讨。主要研究成果有：（1）导流洞封堵期山体主渗方向为沿洞轴线方向从上游向下游渗透，设置防渗帷幕能有效削减坝体下游山体内的压力水头；地下水补给对山体渗流场影响较大；衬砌结构透水性及洞内排水设施对洞周局部范围内的渗流场影响较大，对山体整体渗流场分布影响较小。（2）采用渗流-应力耦合模型能较好的考虑地下水与岩体之间的相互作用，更符合工程实际；考虑地下水作用下，导流洞封堵期围岩拉应力及塑性区主要发生在边墙及底板中部，衬砌结构拉应力主要发生在底板及边墙中部内表面，结果符合一般规律；针对封堵期导流洞高外水压力的特点，在顶拱围岩增设排水孔可加强衬砌外侧的排水，能够有效改善衬砌结构受力状况。（3）在高水头作用下，导流洞封堵体位移以沿洞轴向为主；封堵体在迎水面周边与基岩接触面上存在明显的拉应力区，但整体应力水平不高；封堵体一般失稳破坏模式为封堵体段在上游迎水面附近沿封堵体与基岩交接处的潜在滑动面上形成圆周方向的塑性贯通区；封堵体的整体稳定性可采用极限平衡法、超载法和强度折减系数法等多方法综合评判，确保封堵体在各计算工况下均满足稳定性要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及研究意义
• 1.2 课题研究现状
• 1.3 本文的研究思路和主要工作
• 第二章 岩体渗流-应力耦合分析理论
• 2.1 渗流-应力相互耦合的力学机理
• 2.2 多孔介质中流体渗流规律
• 2.3 孔隙介质的有效应力原理
• 2.4 应力平衡方程和渗流连续方程
• 2.5 有限元离散方程
• 2.6 本章小结
• 第三章 导流洞封堵期渗流场特性研究
• 3.1 枢纽区整体渗流场分布规律
• 3.2 导流洞封堵期周围山体整体渗流场特性研究
• 3.2.1 有限元计算模型及计算条件
• 3.2.2 导流洞封堵期山体整体渗流场分布特性分析
• 3.2.3 衬砌结构的透水性对整体渗流场的影响
• 3.2.4 地下水位变动对整体渗流场的影响
• 3.3 排水孔的模拟及对导流洞局部渗流场的影响
• 3.3.1 排水孔模拟方法
• 3.3.2 工程实例计算模型及计算条件
• 3.3.3 排水孔排水效果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 导流洞封堵期围岩稳定及衬砌结构安全性研究
• 4.1 岩体弹塑性分析理论
• 4.1.1 屈服准则
• 4.1.2 流动法则
• 4.1.3 硬化定律
• 4.2 导流洞封堵期外水荷载作用特点
• 4.3 有限元计算模型及计算条件
• 4.4 导流洞封堵期围岩稳定及衬砌结构安全性分析
• 4.4.1 导流洞封堵期围岩应力分析
• 4.4.2 导流洞封堵期围岩塑性区分析
• 4.4.3 导流洞封堵期衬砌结构安全性分析
• 4.5 排水孔的排水效应对导流洞封堵期结构安全性影响
• 4.5.1 排水孔的排水效应对围岩应力影响
• 4.5.2 排水孔的排水效应对围岩塑性区影响
• 4.5.3 排水孔的排水效应对衬砌结构受力的影响
• 4.6 灌浆区渗透系数对衬砌结构的影响
• 4.7 本章小结
• 第五章 高水头作用下的导流洞永久封堵体结构整体安全性研究
• 5.1 封堵体结构常规设计原则及假定
• 5.2 封堵体结构稳定性计算方法
• 5.2.1 极限平衡法
• 5.2.2 点安全系数法
• 5.2.3 超载法
• 5.2.4 强度折减系数法
• 5.3 工程实例计算模型及计算条件
• 5.3.1 工程实例计算模型
• 5.3.2 材料参数
• 5.3.3 计算荷载及工况
• 5.4 封堵体位移应力场分析
• 5.4.1 封堵体位移场分布特征
• 5.4.2 封堵体应力场分布特征
• 5.5 永久封堵体的整体稳定性研究
• 5.5.1 整体安全稳定安全系数分析
• 5.5.2 封堵体结构在高水头作用下的破坏模式研究
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 研究生期间科研情况说明
• 致谢