水工输水隧洞衬砌结构裂缝成因及预防

文章以研究水工输水隧洞衬砌结构的裂缝形成机理及温度裂缝灵敏性为主线,选取沈阳水工输水隧洞衬砌工程为研究载体。依次分析隧洞衬砌的裂缝形式及推断形成机理、分析温度裂缝与通过有限元分析建立模型并长期追踪温度、温度应力变化及对应关系来探讨混凝土温度裂缝的灵敏性,验证了水工输水隧洞衬砌裂缝形成原因的推断正确性。为了防止裂缝的形成,具体温控防裂措施总结如下3点:①在水工输水隧洞衬砌施工期间,分缝分块必须合理,选取低水化热水泥类型来降低温度应力,预防早期裂缝的形成;②在水工输水隧洞衬砌投入使用期间,上述分析温度应力变化受水温影响较大,所以取水时应采取相应措施降低水温周期内变化值,温度维持相对恒定后方可流入输水隧洞中;③对于投入使用的输水隧洞应定期停水检查混凝土衬砌是否有裂缝,对于有裂缝的情况应立即采取合理的措施进行修补,避免带裂缝运行,造成安全隐患。     

基于ANSYS对输水隧洞结构的有限元分析

结合某生态引水工程实例,利用ANSYS建立Ⅴ类围岩输水隧洞的二维有限元模型,研究了隧洞在正常运行工况和检修工况下的应变和应力状态。研究结果表明:在两种工况下衬砌结构均表现为竖向位移;隧洞的底部范围内表现为拉应力,隧洞的两侧表现为压应力,且衬砌结构的最大拉应力超过混凝土的抗拉设计强度,最大压应力未超过混凝土的抗压设计强度。     

盾构输水隧洞双层复合衬砌的联合受力分析

针对城市修建的地下盾构双层衬砌输水隧洞,由于隧洞围岩承载能力低、管片与二衬混凝土间可能存在初始间隙,在高内水压力作用下衬砌混凝土承受的应力过大,导致衬砌易出现拉裂和渗漏。本文通过有限元方法,对盾构双层衬砌输水隧洞进行模拟计算分析。结果表明:若管片、二衬之间不存在间隙,则大大降低二衬混凝土的拉应力及管片的压应力,使两者的受力趋于均匀,确保了管片和二衬混凝土组成的双层衬砌结构的联合受力作用。结果可为双层复合衬砌结构进一步优化提供依据。     

长期服役长隧洞衬砌裂缝分布规律与仿真分析

【目的】由于已建输调水隧洞工程均埋于地下，盲运时间较长，随着服役时间的增长，隧洞衬砌产生裂缝病害，严重影响运行安全，因此研究衬砌裂缝发生的规律极为重要。【方法】对某运行20 a的隧洞素混凝土衬砌裂缝进行现状调查和现场检测，基于现场检测数据分析，揭示该素混凝土衬砌病害发生的部位、类型、裂纹密集程度等规律，并进行初步成因分析。为进一步揭示该隧洞裂缝病害的成因和主控因素，基于Flac^3D软件，开展典型洞段衬砌结构的三维数值仿真分析，得到了初始地应力、衬砌厚度、外水压力等对衬砌工作性态的影响，揭示了裂缝密集程度的主控因素。【结果】结果显示：(1)裂缝是该素混凝土隧洞衬砌中最为广泛的病害；(2)单位隧洞长度下的裂缝密集程度从高到低，依次为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段；(3)衬砌厚度、地应力、外水压力是影响单位隧洞长度下的裂缝密集程度不同的主要因素。【结论】数值模拟计算结果反映了衬砌裂缝密度差异的原因与现场检测结果一致。研究结果为水工隧洞建设与长效运维提供了参考。     

围岩温度对输水洞衬砌混凝土温度与温度应力的影响研究

为了研究围岩温度对隧洞衬砌混凝土温度应力的影响规律,确保长距离输水隧洞的安全运行,以某水电站无压输水洞为研究对象,采用三维有限元温度场与徐变应力场仿真计算平台,对20、40、60、80 ℃围岩温度情况下的输水洞施工期及运行期进行仿真模拟。分析围岩温度对输水洞衬砌混凝土温度场和徐变应力场的影响,并研究了浇筑温度对高围岩温度隧洞衬砌混凝土应力场和损伤程度的影响。结果表明：围岩温度对输水洞衬砌混凝土温度场和温度应力场影响均较大,围岩温度每升高1 ℃,则衬砌混凝土的最高温度平均升高0.5 ℃,最大应力增大约0.033 MPa;浇筑温度每降低1 ℃,则其最大应力值减小约0.07 MPa。衬砌混凝土底板与边墙的交界处以及顶拱与边墙的交界处为隧洞衬砌结构的易损伤部位。降低浇筑温度,可以有效减小衬砌混凝土的损伤量,改善其应力状态,抑制损伤的发展。此研究可为类似高围岩温度隧洞工程提供参考。     

顶山软岩隧洞底板混凝土裂缝分析及处理

输水隧洞分为有压隧洞和无压隧洞，当隧洞衬砌混凝土产生裂缝后，常拌有渗水出现，会严重破坏混凝土结构的安全，影响隧洞的使用寿命；而且裂缝的处理费工费时，增加工程成本并延长工期。因此，软岩隧洞裂缝产生的原因分析及处理的成功经验对工程建设有着积极的作用。     

岩温对输水隧洞衬砌混凝土应力场影响分析

文中以辽宁省观音阁水库输水工程的输水隧洞衬砌施工为例,利用ANSYS大型通用有限元软件,对输水隧洞衬砌混凝土施工和运行期间的温度应力变化进行了重点分析。通过对设计的四种岩温计算方案下的衬砌混凝土的应力值进行对比分析,阐述了岩温变化对输水隧洞衬砌混凝土结构温度应力场的影响。     

富水地区隧洞衬砌开裂的外水 压力原因分析

某无压输水隧洞在富水地区修建,检修时发现混凝土衬砌出现严重裂缝,与围岩之间存在连续脱空。为此,采用三维有限元法,按照渗流场变化历史对隧洞渗流和应力场进行了模拟计算,结果表明,外水压力可能是造成衬砌开裂的原因,并提出了降低衬砌外水压力和拉应力的处理措施建议。现场监测表明本文的计算方案和成果合理。     

衬砌混凝土等级对输水隧洞地震响应的影响研究

我国属于多地震国家,开展输水隧洞等水利工程设施的抗震性能研究具有重要意义。文章以辽宁省柴河供水工程输水隧洞为工程背景,通过ANSYS有限元分析的方法,对衬砌混凝土等级对输水隧洞地震响应的影响进行数值模拟研究,结论显示提高输水隧洞混凝土衬砌的等级,会使地震应力作用下的输水隧洞应力增大,不利于隧洞本身抗震性能的改善。因此,建议采用C25混凝土进行输水隧洞衬砌施工,同时结合外部抗震带等其他工程措施,改善输水隧洞的抗震性能。     

衬砌混凝土等级对输水隧洞地震响应的影响研究

中国属于多地震国家,开展输水隧洞等水利工程设施的抗震性能研究具有重要意义。文章以辽宁省柴河供水工程输水隧洞为工程背景,通过ANSYS有限元分析的方法,对衬砌混凝土等级对输水隧洞地震响应的影响进行数值模拟研究,结论显示提高输水隧洞混凝土衬砌的等级,会使地震应力作用下的输水隧洞应力增大,不利于隧洞本身抗震性能的改善。因此,建议采用C25混凝土进行输水隧洞衬砌施工,同时结合外部抗震带等其他工程措施,改善输水隧洞的抗震性能。     

苗坑水库工程引水隧洞稳定性及应力分析

输水隧洞经常发生的病害主要为衬砌裂缝,因此对隧洞裂缝进行分析对维护衬砌结构的稳定性至关重要。以苗坑水库输水工程为例,结合断裂力学理论以及混凝土断裂准则,建立输水隧洞衬砌结构稳定性的安全评价方法。依据计算模型,分析裂缝位置及角度对衬砌结构安全性以及稳定性的影响,最终确定引水隧洞的稳定性和应力条件,以此为隧洞支护提供建议。     

高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开度计算方法评析

针对在复杂工作条件下的高压水工隧洞衬砌裂缝宽度的计算问题,基于国内外现有主要裂缝计算方法理论基础,通过研究内水压力、隧洞半径、衬砌厚度、保护层厚度、围岩抗力、混凝土抗拉强度以及衬砌配筋率等参数对衬砌裂缝开裂特性和扩展规律的影响,结合某抽水蓄能电站高压水工隧洞工程案例,开展各裂缝计算方法的综合评析。结果表明:(1)对高压水工隧洞衬砌而言,衬砌裂缝宽度主要受内水压力、围岩抗力和钢筋应力参数的影响,其中内水压力的影响最为显著;(2)由于裂缝开展规律不同,基于一般混凝土构件建立的裂缝计算方法不适用于高压水工隧洞,并且计算结果明显与实际情况差别较大;(3)弹性地基梁方法对高压水工隧洞衬砌裂缝宽度计算较为合适。     

ABAQUS在输水隧洞衬砌结构计算中的应用

为研究输水隧洞在地震荷载作用下结构的受力变形规律,文章采用大型有限元软件ABAQUS,对输水隧洞在设计和地震两种工况下的应力及变形规律进行分析研究,得到以下结果:输水隧洞衬砌结构在两种工况下应力最大值均位于边墙与底板的交接位置,在交接处由于结构突变产生了应力集中,结构位移在底板的跨中位置最大,其次是顶拱位置,在边墙两侧呈对称分布;在地震荷载作用下,隧洞结构应力及变形情况均大于设计工况,在底板、边墙及拱顶交接处产生塑性变形并发生破坏,并向周围扩散,在设计中应在底板、边墙及拱顶交接处采取一定的措施来防止结构破坏。结果表明,有限元ABAQUS在隧洞衬砌结构计算中准确性高,设计成果符合工程实际情况。     

顶拱欠厚条件下局部锚索失效对隧洞内衬安全影响分析

输水隧洞衬砌顶拱欠厚和局部预应力锚索失效在实际工程中可能会叠加出现，并对工程运行安全造成影响。以某大型输水隧洞为例，选取两个典型洞段，采用仿真技术研究顶拱欠厚条件下一束和两束锚索失效对应力状态的影响。结果显示：顶拱欠厚和锚索失效会对局部区域产生影响，环向为欠厚范围内，纵向为锚索布设间距内；个别锚索失效不会使洞段环向应力大幅度降低，但可能导致顶拱内侧应力超标；内衬纵向应力在张拉阶段产生，充水影响不大；锚索补张拉会使环向压应力得到有效补偿，但纵向开裂将难以恢复；锚索失效部位外侧应力超标，可能导致混凝土开裂，应做好防渗工作。     

高内压作用下叠合式衬砌结构承载机理原型试验研究

本文针对"外衬管片-自密实混凝土填充层(SCC)-内衬钢管"三层叠合式输水隧洞衬砌结构的承载性能及破坏机理,开展了结构在内外载联合作用下的原型试验。试验以分布式光纤感测技术作为主要测量手段,获得了加载过程中SCC层的裂缝扩展情况、接缝张开变形、螺栓应力与内衬钢管环向应变的发展历程。试验结果表明:在无内压工况下,结构整体呈弹性工作状态;在内压变化工况下,当内压低于0.6 MPa时,结构整体保持弹性,三层衬砌共同承担内压;当内压达到0.6 MPa时,SCC层开裂,内压快速向外衬管片转移,结构整体进入弹塑性阶段;随着内压继续增大,管片接缝螺栓在内压为0.965 MPa时屈服,外衬逐渐失去分担内压能力,结构体系进入破坏阶段,内水压力主要由内衬钢管承担。试验研究成果可为实际工程设计提供指导和参考。     

输水隧洞粘贴碳纤维布加固效用的有限元分析

因碳纤维布具有抗拉强度高和耐久性能强等特点,粘贴碳纤维布进行输水隧洞的补强加固是一种逐步推广应用的有效方法,具有高强高效、施工便捷、运输方便、耐腐蚀、自重轻等优势。以深圳市东江水源工程沙湾隧洞为例,以三维有限元作为计算分析工具,论证碳纤维布在输水隧洞加固中的应用成效。计算分析表明:碳纤维布加固能够改善衬砌混凝土的应力状态,对隧洞衬砌结构的稳定起到了一定的作用;碳纤维布参与承担运行期后续增大的外水压力等荷载后,能够明显的改善衬砌混凝土的受力状态,并能抑制衬砌混凝土进一步开裂。     

输水隧洞长期工作状态下衬砌结构稳定性数值模拟研究

在高应力和内外水压力的联合作用下,输水隧洞衬砌结构保持长期稳定性是当前水利工程设计的重要课题。以辽宁省蒲石河抽水蓄能电站输水隧洞D3洞段为例,利用数值模拟方法对衬砌结构的长期安全性和稳定性进行评价,结果显示在研究洞段的长期运行工况下,衬砌的安全状况处于良好水平。研究结论对输水隧洞长期运行状态下的安全稳定性评价具有借鉴意义。     

不同外水压力下输水隧洞结构及配筋计算要点分析

针对输水隧洞在衬砌结构、配筋计算中不同外水压力对结构内力值及配筋结果的影响,根据《水工隧洞设计规范》(SL 279-2016)推荐的作用在钢筋砼衬砌结构上的外水压力计算方法及外水压力折减系数方法对外水压力进行折减,并采用水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计软件SDCAD对隧洞衬砌结构在不同外水压力作用下的内力及配筋进行计算。计算结果表明:①无压输水隧洞内力及配筋结果由外水压力控制,外水压力越大,结构所受内力越大,对隧洞的选配钢筋要求也越大;②在外水压力作用下隧洞底板与边墙交接位置出现了应力集中,拉应力大于砼抗拉强度,在设计中应采取一定的措施进行补救,防止结构产生拉裂破坏。     

外掺ＭｇＯ对水工隧洞混凝土温度徐变应力的影响

ＭｇＯ外加剂的微膨胀特性可以有效补偿混凝土自身干缩及温度变化带来的收缩应力,进而减 少裂缝的产生,近年来多被应用于水利工程混凝土大坝的建设,但是将其应用于地下工程混凝土衬砌的 研究却比较少见。为了探明外掺ＭｇＯ混凝土在衬砌结构温度应力上的补偿效用和规律,基于ＡＮＳＹＳ的 ＵＰＦｓ二次开发对辽宁省某输水隧洞工程进行了长历时的混凝土温度徐变应力计算,模拟了掺加ＭｇＯ和 不掺加情况下隧洞衬砌混凝土的温度应力情况。仿真计算结果表明,掺加ＭｇＯ对水工隧洞衬砌承受的 拉应力具有一定的补偿作用,能够有效改善衬砌的受力情况。     

水电地下工程病害剖析及风险防治

水电工程建设及运行过程中,受不良地质条件、设计质量、施工质量等因素影响,地下厂房、输水隧洞、压力管道等地下工程,出现了诸如塌方冒顶、围岩开裂变形、喷锚支护结构破坏、混凝土衬砌开裂或脱落、隧洞爆裂、高外水压力危害、高地应力危害等各种类型病害,对地下工程安全、投资及工期造成了重大影响。通过对中国国内水电地下工程出现的病害案例进行剖析,加强对工程前期、建设及运行阶段的病害风险管理,有助于保障地下工程的安全建设与运行。