玛河一级电站引水隧洞围岩稳定及衬砌结构分析研究

论文摘要

随着我国经济的飞速发展和科学技术的日益提高,致使生产和生活对能源的需求与日俱增,尤其是一些基础设施的建设在其中占有重要的地位。最近这些年在工程建设的许多技术领域里,隧洞和地下工程技术得到了很大的发展,并得到了广泛运用,同时也取得了很多的成就。对隧洞围岩及衬砌结构的变形和应力进行准确的模拟,并且对开挖后隧洞围岩稳定及衬砌结构的可靠性也做了一定的研究,都对隧洞工程具有重要的意义。本文详细的介绍了隧洞围岩的稳定性及衬砌结构设计的发展现状与分析理论,用ANSYS软件建立了玛河隧洞的弹塑性数值仿真模型并进行研究,因为隧洞洞室的围岩稳定问题对整个水电站的建设成本和运营效益都有影响,是一个值得研究的问题。本文以玛河一级电站引水隧洞为例,建立了隧洞三维有限元数值仿真模型。主要内容介绍如下：首先,通过对初始应力场的模拟,衬砌时机的确定等工作对隧洞围岩及支护结构进行了三维非线性数值模拟,并对工程典型洞段在不同工况下的围岩变形和应力分布进行了模拟分析,计算结果与隧洞应力变形的一般规律相符合。其次,对不同地质参数、衬砌参数及开挖断面的形状对围岩稳定与衬砌结构的敏感性进行了分析,具体研究了不同参数变化对围岩应力和变形的影响,与对衬砌内力与变形的影响,从不同方面分析了影响围岩稳定与衬砌结构的主要因素。研究方法及成果可供其他隧洞工程设计分析作参考。最后的研究结果表明：隧洞开挖后,围岩出现了不同程度的应力重分布,部分地方出现了一定的拉应力,并出现了塑性破坏区；衬砌支护后,使围岩变形较小,拉应力区范围及数值也有明显减小,经研究分析可知围岩整体都处于稳定状态。研究分析得出变形模量对围岩位移的影响最为显著,摩擦角对围岩洞腰处的切向应力和洞顶处的径向应力影响很大,衬砌形式对衬砌的各项指标影响都较大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 选题意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 围岩压力理论的发展现状
• 1.2.2 围岩稳定性各种分析方法及其研究现状
• 1.3 本文的研究内容与方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 第二章 隧洞工程中结构非线性有限元分析的基本理论
• 2.1 非线性问题的分类
• 2.1.1 材料非线性
• 2.1.2 几何非线性
• 2.1.3 状态变化非线性
• 2.2 岩体的屈服准则
• 2.2.1 Tresca准则
• 2.2.2 Mises屈服准则
• 2.2.3 广义Tresca和Mises准则
• 2.2.4 Mohr—coulomb屈服准则
• 2.2.5 Drucker-prager屈服准则
• 2.3 流动法则和硬化定律
• 2.3.1 流动法则
• 2.3.2 硬化定律
• 2.4 本构关系
• 2.4.1 线弹性模型
• 2.4.2 非线性弹性模型
• 2.4.3 弹塑性模型
• 第三章 玛河隧洞工程典型洞段的数值模拟分析
• 3.1 工程概况
• 3.1.1 地形地貌
• 3.1.2 工程地质条件
• 3.1.3 地震活动
• 3.2 水文
• 3.2.1 流域概况
• 3.2.2 气象
• 3.2.3 水文资料
• 3.2.4 径流
• 3.3 典型洞段弹塑性有限元模型的建立
• 3.3.1 计算参数和计算工况
• 3.3.2 弹塑性模型的建立
• 3.3.3 计算荷载
• 3.4 典型洞段的有限元分析
• 3.4.1 初始应力场的分析
• 3.4.2 围岩和衬砌结构的稳定性分析
• 3.4.3 三维开挖计算结果和分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 玛河隧洞工程参数的敏感性分析
• 4.1 地质参数对结构内力及变形的敏感性分析
• 4.1.1 基本参数
• 4.1.2 不同材料力学参数对应力的敏感性分析
• 4.1.3 不同地质参数对变形的敏感性分析
• 4.1.4 本节小结
• 4.2 衬砌型式和厚度对结构内力及变形的敏感性分析
• 4.2.1 选取参数与建立模型
• 4.2.2 不同衬砌型式对结构内力和变形的敏感性分析
• 4.2.3 不同衬砌厚度对结构内力和变形的敏感性分析
• 4.2.4 本节小结
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 导师评阅表