高压水工输水隧洞结构计算分析方法研究

【摘要】随着我国社会经济的发展，大型的水利水电工程也越来越多，同时大洞径和深埋深的高压引水隧洞也逐渐增多。国内外很多学者都非常关注高压引水隧洞结构的设计研究，但是由于深埋高压引水隧洞的环境比較复杂，工作机理也非常复杂，至今仍然存在很多没有解决的问题。其中高压水工输水隧洞结构的计算是一项比较重要的环节，本文主要对高压水工输水隧洞结构计算方法进行了具体的分析，希望可以给相关工作人员提供参考。

【关键词】高压；引水隧洞；结构计算方法

当前，高压水工输水隧洞结构计算分析方法大体主要有三种，分别是结构力学法、弹性力学法、以有限元为代表的数值计算方法。这三种方法都经常应用在隧洞结构设计中，下面笔者进行一一介绍。

1、结构力学法

传统的角变位移法和边值法实际上都属于经典的结构力学方法。由于其理论简单且易于掌握，为众多设计单位所欢迎。DL/T5195—2004中，除了对圆形断面在均匀水压力作用下采用厚壁圆筒弹性力学法进行计算外，还为常用荷载下非圆形隧洞提供了经典结构力学的边值解法的微分方程与解法过程。但是，采用边值法计算的钢筋面积往往过大，且与水工隧洞实际工作状态不相符。此外，用结构力学方法算出的结构应力分布相差比较大，而用有限元方法求出的应力状况比较均匀。北京勘测设计研究院曾对下苇甸城门洞形有压隧洞进行现场测试，得到拱顶与底脚应力相差不大、隧洞的实际应力分布要比结构力学方法得出的结果均匀的结论。总之，结构力学方法适合杆件结构，而深埋洞室结构并不能随意简化为杆件结构进行分析。

2、弹性力学法

弹性力学的研究对象应该满足必要的物理假设，其中包括：①均匀连续假设；②线性与完全弹性假设；③各向同性假设。弹性力学理论具有理论严谨、计算精确的显著特点。然而，处于岩体内的水工隧洞钢筋混凝土衬砌结构由两部分组成，即岩体（或称围岩）和钢筋混凝土衬砌。岩体是各级结构面切割的非均质各向异性不连续的复合结构体，岩石本身又是由各种不同含量的矿物质所组成，其力学性态表现出很大的离散性与模糊性。总之，弹性力学方法能很好地应用于简单的弹性结构，对研究高压引水隧洞这样结构复杂及围岩各向异性、不均匀性、弹塑性、流变等问题则很难处理。

3、有限元分析法

有限元方法目前已经相当成熟，是使用最广泛的一种数值分析方法，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题，是地下工程结构分析中最常用的方法。DL/T5195—2004第11.3.1条中说到，“对于直径（宽度）不小于10m的1级隧洞和高压隧洞，宜采用有限元法计算”。

3.1 渗流-应力耦合有限元法

渗流-应力耦合有限元法，根据对耦合项处理方法的不同，可分为间接耦合和直接耦合两种。间接耦合一般分别建立渗流场的连续性微分方程和结构变形本构关系的平衡微分方程，然后通过结构体应力对渗流场影响的经验公式建立两者的联系，通常采用以下公式：

k=k0e-ασ

式中，k为岩体渗透系数；k0为初始渗透系数；α为岩体材料特性和应力状态对渗透系数的综合影响系数；σ为岩体的应力状态。直接耦合根据耦合模型涉及的所有物理变量，建立与各变量相应的刚度矩阵、影响矩阵并形成总耦合矩阵，以及相应的耦合荷载向量。渗流-应力耦合有限元法，在耦合理论上又可分为多孔介质耦合理论、裂隙介质耦合理论，而裂隙介质耦合理论又可分为单裂隙渗流、裂隙网络渗流应力耦合理论。

Cook基于试验研究认为，低应力状态下渗流与裂隙面的开度无关，但在高应力下则关系密切。国裂隙网络渗流耦合理论包括等效连续介质模型、双重介质模型、离散裂隙介质网络模型3种。

3.2 考虑损伤的渗流-应力耦合有限元法

渗流-应力-损伤耦合模型是在上述模型基础之上，引入介质断裂、损伤判断准则，嵌入描述介质破坏膨胀区的渗流-损伤耦合描述方程，来研究工程岩体的渗流-应力-损伤耦合行为。有专家通过三轴压缩和剪切试验研究发现，随应变的增大，渗透率的增加更明显。国内的一些专家建立了裂隙岩体渗流场与损伤场耦合分析模型。渗流-应力-损伤耦合模型能够较好地模拟工程结构的复杂破坏机理，尤其在高压引水隧洞内水外渗和围岩稳定分析中能够得到很好的应用。

有限元数值模拟方法还存在以下一些问题：①研究对象是深埋地下的高压隧洞和围岩的整体，而地下岩体包含不同阶次且随机分布的孔隙、裂隙、节理等，它们既不是连续介质也不是离散介质，计算模型较难选取。②目前尚缺少能够反映复杂环境下高压水工隧洞工作机理的本构模型。③地下岩体的地质力学参数带有很大的随机性和模糊性，计算参数较难准确获取。④数值计算结果与实际出入较大，有计算参数不准确的原因，但很多学者与工程人员发现，更与施工过程、施工方法有关，而后者却未得到足够重视。⑤现行水工隧洞设计规范中还缺少与有限元方法相匹配的安全控制标准。

4、结论

鉴于以上问题，笔者认为应加强以下方面的研究探索：①模型的选取可以以岩体结构面统计资料为依据，采用离散介质方法建立典型裂隙网络表征体，计算岩体的等效渗透张量，应用等效连续介质模型研究区域岩体渗流问题。②进一步加强能够反映复杂环境下高压引水隧洞衬砌开裂、高压内水外渗发生劈裂及衬砌开裂后钢筋和混凝土相互作用的本构模型的探索。③参数的选取可适时引入不确定性分析、回归分析、反演分析等方法。④数值模拟中应该对施工过程、支护及高压固结灌浆等工况的模拟给予充分重视。⑤今后还要继续研究理论，结合实际的工程现状，不断地规范水工隧洞设计，并建立起跟有限元方法更加匹配的安全控制标准，以推动高压引水隧洞破坏机理的进一步研究，为高压引水隧洞结构设计提供有益参考。

参考文献：

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