基于流固耦合的水工隧洞堵头力学效应分析

论文摘要

虽然水工隧洞堵头的工程量一般不大,但作为水利水电工程的主要控制条件之一,其工期要求都比较紧迫。封堵工作是否能够顺利、及时地完成,对整个后期的工程进度有着极其重要的意义。目前,《水工隧洞设计规范》(SL279——2002)对封堵体设计只给出了一般原则,实际已建工程中都是各自制定设计原则和选取参数,还没有统一的标准。由于堵头对枢纽运行安全极其重要和设计原则不尽合理等多种原因,导致多数堵头设计长度偏于安全,使得本来已是相对短暂的工期更趋紧张,也不必要地增加了工程造价。因此,通过全面分析堵头的力学效应,建立堵头设计的优化方法具有一定的理论意义和工程实用价值。本文在总结国内外导流隧洞封堵设计一般原则的基础上,对堵头设计和稳定性校核进行了深入的理论探讨,并结合金家坝水电枢纽工程,对施工导流洞围岩的渗流场和应力场进行三维有限元数值模拟,研究基于流固耦合模型的堵头的力学效应。主要内容包括:1.)通过对已建水工隧洞堵头设计原则及设计方法的分析,总结现行堵头设计方法存在的问题,分析影响堵头设计及稳定性的因素;2.)结合金家坝水电枢纽工程,利用大型通用有限元软件ANSYS10.0建立施工导流洞封堵影响区域的围岩和堵头的三维弹塑性有限元模型,研究应力场下围岩和堵头的变形和稳定性;3.)结合金家坝水电枢纽工程,运用三维有限元方法建立堵头运行期导流洞影响区域的渗流场模型,分析渗流场对围岩变形的影响,建立围岩渗流场和应力场的耦合模型;4.)通过分析基于流固耦合模型下围岩的变形,研究堵头和围岩的相互作用以及堵头在挡水过程的力学效应,并利用弹塑性力学方法对堵头进行分析,对堵头设计的主要因素进行定量分析,最终提出堵头设计的优化方法。通过以上工作,总结出的结论和工程经验主要有:1.)堵头总体上呈受压状态,而且拉压应力均较小,不会超过堵头混凝土本身的强度;2.)堵水压力主要由堵头与围岩的粘聚力和接触面的摩擦作用共同承担,且摩擦力的发挥从上游端到下游端逐渐减弱;3.)在堵头尾部由于隧洞内无水压力形成临空面,而堵头本身的弹性变形挤压尾部围岩,形成局部围岩塑性区;4.)考虑围岩附加弹性抗力对堵头侧向约束的有利影响,可以对堵头常规设计方法进行修正,修正的堵头抗滑稳定计算公式在一定程度上能够提高堵头的抗滑稳定性;5.)围岩弹性模量的提高有利于堵头的抗滑稳定,因此,封堵段隧洞的开挖不仅要考虑堵头体型特点,而且要考虑堵头的稳定性,避免在复杂断面形状及地质条件的隧洞进行封堵;6.)提高堵头混凝土的强度等级并不能提高堵头的抗滑稳定性,而堵头混凝土本身的强度已经足够大,因此,提高堵头混凝土的强度等级对于堵头工程的安全性来说没有实际作用;7.)将堵头设计成上游断面大,下游断面下的楔形体是保证围岩发挥附加弹性抗力的必要条件,但是,楔形体的楔角应适当,实际工程中应综合考虑堵头的长度及断面大小选取合理的楔角,楔角并非越大越好。

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 堵头设计原则及方法
• 1.2.2 堵头及围岩稳定性的评价方法
• 1.2.3 流固耦合理论及应用综述
• 1.3 本文研究内容及研究方法
• 第二章 水工隧洞围岩及堵头三维有限元计算模型
• 2.1 金家坝水电枢纽导流洞工程概况
• 2.1.1 水文气象条件
• 2.1.2 地形地质条件
• 2.1.3 设计与施工方案
• 2.2 导流洞堵头及围岩三维有限元计算模型
• 2.2.1 ANSYS10.0 软件在水工隧洞数值模拟中的应用
• 2.2.2 材料参数选取
• 2.2.3 锚杆支护效果的模拟
• 2.2.4 钢支撑效果的模拟
• 2.2.5 本构模型选取
• 2.2.6 计算范围及结构离散
• 2.3 本章小结
• 第三章 围岩及堵头应力场的弹塑性有限元分析
• 3.1 导流洞围岩初始地应力场有限元分析
• 3.2 导流洞开挖卸荷应力场有限元分析
• 3.2.1 导流洞开挖模拟方法
• 3.2.2 卸荷围岩应力应变分析
• 3.3 堵头挡水运营期围岩及堵头有限元分析
• 3.3.1 围岩应力应变分析
• 3.3.2 堵头应力应变分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 导流洞围岩三维渗流场的有限元分析
• 4.1 渗流场基本方程及数值计算方法
• 4.1.1 含水围岩水荷载特征
• 4.1.2 渗流基本微分方程
• 4.1.3 渗流场的单值性条件
• 4.1.4 有限单元法计算理论
• 4.2 ANSYS 软件计算稳定渗流场的理论基础
• 4.2.1 ANSYS 热分析简介
• 4.2.2 渗流场和稳定场的相似性
• 4.3 导流洞围岩三维渗流场有限元分析
• 4.3.1 三维渗流场有限元分析模型
• 4.3.2 围岩三维渗流场成果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于渗流场—应力场耦合的堵头力学效应分析
• 5.1 裂隙岩体岩体渗流场和应力场耦合的基本理论
• 5.1.1 应力场对渗流场的作用
• 5.1.2 渗流场对应力场的作用
• 5.1.3 裂隙岩体流固耦合模型的建立方法
• 5.1.4 裂隙岩体流固耦合模型分类
• 5.2 渗流场对应力场影响的结构有限元分析
• 5.3 耦合场分析在ANSYS10.0 软件中的实现
• 5.3.1 耦合求解方法
• 5.3.2 耦合求解过程
• 5.4 基于渗流—应力场耦合的围岩及堵头受力分析
• 5.4.1 围岩应力应变分析
• 5.4.2 堵头应力应变分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 堵头优化设计方案
• 6.1 堵头常规设计方法的原则和假定
• 6.2 堵头受力特征分析
• 6.3 考虑围岩附加弹性抗力的堵头抗滑稳定公式的修正
• 6.3.1 堵头常规设计的抗滑稳定公式
• 6.3.2 假定及简化方法
• 6.3.3 常规设计方法的修正
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论及建议
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 本文存在的问题
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论文
• 在学期间参与的科研项目