CN115081294B - 高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程分析方法,该方法基于非连续介质力学的离散元方法实现,利用三维离散元无厚度接触面单元模型模拟高压水流作用下衬砌开裂及衬砌与围岩分离力学行为,利用三维离散元孔隙‑裂隙双重介质渗流应力耦合模型模拟充水过程中压力隧洞水力耦合行为,通过逐级充水加压实现对压力隧洞整个充水过程的模拟。与现有方法相比,本发明不仅可以准确地三维模拟钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程,而且计算效率高、稳定性好,解决了高水头钢筋混凝土压力隧洞充水过程三维模拟分析的难题。本发明提高了压力隧洞充水过程模拟结果的准确性及模拟效率,为高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞衬砌结构优化设计提供技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力隧洞充水过程分析方法,具体地说,涉及一种高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程分析方法。本发明属于水利水电高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞施工技术领域。
背景技术
高水头压力隧洞作为抽水蓄能电站运行发电的重要引水系统,其设计的合理与否直接关乎到整个工程设计的安全性和经济性。近年来,随着抽水蓄能电站建造技术的发展,高水头压力隧洞衬砌结构型式开始逐步采用钢筋混凝土衬砌设计,相比采用传统的不透水的钢板衬砌设计,不仅施工工期短,而且还同时兼具技术性和经济性的优势。目前已建的多座高水头抽水蓄能电站,如深蓄(水头529m)、清蓄(水头570m)、广蓄二期(水头610m)、惠蓄(水头627m)、天荒坪(水头680m)、阳蓄(水头799m),其压力隧洞均采用了钢筋混凝土衬砌结构型式设计,工程取得了巨大经济效益。
虽然,高水头压力隧洞采用钢筋混凝土衬砌结构型式设计是一种优选的设计方案,但是,从已建工程实践反馈发现,目前对于钢筋混凝土压力隧洞的设计理论和分析方法尚不成熟,给工程设计提出了诸多挑战。
从已建工程的实测数据显示,压力隧洞在充水过程中,当水压力达到某一临界值后,钢筋混凝土衬砌会发生开裂,开裂后由于高压水流外渗会引起衬砌与围岩发生分离,导致衬砌与围岩工作性质由位移连续性变为水力连续性,承载特性也由联合承载转为非联合承载,同时其水流运动特性也呈现为一个由孔隙流(水流在衬砌和围岩中的流动)和裂隙流(水流沿衬砌裂缝及衬砌与围岩间缝隙中的流动)组成的复杂水流运动系统。由此可以看出,在高水头作用下,由于钢筋混凝土会发生开裂,导致压力隧洞的运行工作机制和性状极为复杂。因此,在工程设计时,为确保压力隧洞设计的安全性与合理性,需要进行压力隧洞的充水模拟分析,以便提前掌握压力隧洞的运行工作性状。
目前,在进行压力隧洞充水过程分析时,本领域技术人员多采用等效连续模型模拟衬砌裂缝及透水,并且分析中将衬砌与围岩视为一个整体,而忽略了衬砌开裂后高压水流外渗引起的衬砌与围岩的分离以及高压水流在衬砌与围岩缝隙内的流动,与压力隧洞实际的真实的运行工作机制不符。
为此,本领域有些技术人员通过在有限元模型中插入带孔压的内聚力单元来模拟衬砌与围岩的分离以及高压水流在衬砌裂缝和衬砌与围岩缝隙中的流动特性。虽然,这种方法可以描述压力隧洞的运行工作机制,但是,目前这种方法仅做到二维平面分析,还无法实现三维分析,故在分析中无法考虑钢筋混凝土衬砌内部环向钢筋布置间距对压力隧洞充水状态下的运行性状的影响,由此导致分析结果与压力隧洞实际运行工作性状之间仍然存在较大偏差。
另外,现有压力隧洞充水过程分析方法均采用基于连续介质力学的有限元方法实现的,在处理钢筋混凝土衬砌开裂及衬砌与围岩分离等非连续力学问题时较为复杂,且计算效率低、稳定性差。
发明内容
鉴于上述原因,本发明的目的是提供一种高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程分析方法。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:一种高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程分析方法,它包括如下步骤:
S1、根据钢筋混凝土衬砌压力隧洞的设计方案,以及钢筋混凝土衬砌中环向钢筋的纵向布置间距,建立压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模型;
在建立所述压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模型时,考虑压力隧洞钢筋混凝土衬砌内密布的钢筋、钢筋混凝土衬砌出现的裂缝、衬砌与围岩之间接触状态的变化和接触面的透水特性;
S2、建立压力隧洞三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型;
所述压力隧洞的三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型由力学计算的网格模型和渗流计算的Knots模型组成,其中,力学计算网格模型用于压力隧洞的力学分析,Knots模型用于压力隧洞高压水流在孔隙和裂隙双重介质中的渗流分析,并通过这两个模型实现孔隙-裂隙双重介质的应力渗流耦合分析,进而模拟高水头作用下衬砌的开裂特性及衬砌开裂后压力隧洞的水流运动特性及水力耦合效应;
S3、设置力学计算本构模型,施加模型边界条件和地应力条件,通过离散元迭代计算,获得压力隧洞的初始地应力场;
S4、模拟压力隧洞开挖,通过离散元迭代计算,获得压力隧洞开挖后的二次应力场,并导出压力隧洞开挖后的二次应力场;
S5、重新调用步骤S2建立的压力隧洞三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型,模拟压力隧洞开挖,并导入步骤S4得到的压力隧洞开挖后的二次应力场,施作钢筋混凝土衬砌,具体方法是:
S5.1、重新调用步骤S2建立的压力隧洞三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型,将衬砌内所有单元的本构模型设置NULL,开挖掉衬砌内的围岩;
S5.2、遍历所有单元,按单元编号依次相应地导入步骤S4得到的压力隧洞开挖后的二次应力场;
S5.3、根据钢筋混凝土衬砌中环向钢筋的布置位置,在衬砌中添加环向钢筋,完成钢筋混凝土衬砌施作;
S6、根据设计的压力隧洞水头充水压力,钢筋混凝土衬砌的开裂阈值,确定压力隧洞逐级充水方案;
S7、根据压力隧洞逐级充水方案,通过压力隧洞三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型,模拟隧洞逐级加压充水过程,直至最后一级充水加压完成,保存逐级模拟结果;
S8、根据保存的逐级充水加压模拟结果,查询充水过程中衬砌和钢筋的受力、衬砌裂缝宽度的变化以及高压水流的渗透过程,为钢筋混凝土衬砌的设计提供技术支持。
本发明通过三维离散元网格模型模拟高压水流作用下压力隧洞钢筋混凝土衬砌的开裂及衬砌与围岩分离的力学行为,通过三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型模拟充水过程中压力隧洞的复杂水力耦合行为,通过逐级充水加压实现对压力隧洞整个充水过程的模拟。本发明不仅可以三维准确模拟钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程,获得充水过程中衬砌结构的受力、衬砌的开裂特征及衬砌开裂后裂缝宽度的变化过程和高压水流的渗透演化特征,而且计算效率高、稳定性好,解决了高水头钢筋混凝土压力隧洞充水过程三维模拟分析的难题。本发明可大大提高压力隧洞充水过程模拟结果的准确性以及模拟效率,为高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞衬砌结构优化设计提供理论支撑。
附图说明
图1是本发明高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程分析方法流程图;
图2A是本发明实施例建立的压力隧洞三维几何模型示意图;
图2B为图2A中A的局部放大图;
图3是本发明实施例建立的压力隧洞三维离散元网格模型局部示意图;
图4是本发明实施例建立的压力隧洞三维离散元网格模型中非连续性节点和连续性节点局部示意图;
图5是本发明实施例建立的压力隧洞Knots模型及三维离散元应力耦合模型局部示意图;
图6A-图6D是本发明实施例重新导入压力隧洞三维离散元应力耦合模型及开挖后的二次应力场示意图;
图7是本发明实施例在混凝土衬砌中添加钢筋模型的示意图;
图8是本发明实施例压力隧洞逐级加压充水方案示意图;
其中:1、虚拟裂缝;2、衬砌;3、围岩;4、衬砌与围岩接触面;5、虚拟裂缝部位处网格不连续;6、衬砌与围岩接触面部位处网格不连续;7、网格非连续性节点;8、网格连续性节点;9、建立的位于网格连续性节点的Knots;10、建立的位于网格非连续性节点的Knots;11、钢筋;12、首尾节点重合处。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步阐明本发明,应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
为准确地模拟压力隧洞充水后运行工作性状,反应其实际状况,充分考虑压力隧洞充分后可能出现的混凝土裂缝、高压水流在孔隙和/或裂隙中的渗流,以及钢筋混凝土中钢筋的布置等诸多因素对压力隧洞的影响,本发明基于非连续介质力学的离散元方法,通过三维离散元模型模拟高压水流作用下钢筋混凝土衬砌的开裂及衬砌与围岩分离的力学行为,通过离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型模拟充水过程中压力隧洞复杂的水力耦合行为,通过逐级充水加压模拟压力隧洞整个充水过程,根据充水模拟结果,分析钢筋混凝土衬砌的受力、衬砌裂缝宽度的变化以及高压水流的渗透过程。
如图1所示,本发明提供的高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程分析方法,包括如下步骤:
S1、根据钢筋混凝土衬砌压力隧洞设计方案,以及钢筋混凝土衬砌中环向钢筋的纵向布置间距,建立压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模型。
在建立压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模型时,考虑到压力隧洞的衬砌类型为钢筋混凝土衬砌,其内密布有钢筋,且在高水头作用下钢筋混凝土衬砌会出现开裂以及衬砌与围岩分离的情况,故,本发明建立的压力隧洞模型为三维、离散元模型,且在建模时考虑衬砌与围岩之间接触状态的变化和接触面的透水特性。
建立压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模型的具体方法为:
S1.1、首先,根据钢筋混凝土衬砌压力隧洞设计方案中钢筋混凝土衬砌环向钢筋的纵向布置间距,确定拟建立的压力隧洞三维几何模型的尺寸,计算公式如下;
式中:L、W和H分别为拟建立的压力隧洞三维几何模型的长度、宽度和厚度,D为压力隧洞的洞径(即直径),d为钢筋混凝土衬砌环向钢筋纵向布置间距。
本发明中,为了便于边界条件的施加,在建立模型时,规定压力隧洞模型的长度、宽度和厚度方向分别对应空间笛卡尔坐标系的X方向、Y方向和Z方向,见图2所示。
S1.2、根据已确定的压力隧洞三维几何模型尺寸、压力隧洞衬砌开裂、衬砌与围岩接触面状态的变化、接触面的透水特性,建立压力隧洞三维离散元几何模型。
在压力隧洞实际施工过程中,受施工的影响,压力隧洞衬砌与围岩顶部接触部位常常存在脱空或者回填不密实的情况,因此,在压力隧洞充水过程中,衬砌顶部普遍出现开裂,故,如图2A和图2B所示,本发明在建立压力隧洞三维离散元几何模型时,在衬砌顶部增设一条无厚度的虚拟裂缝1,用于模拟高水头作用下钢筋混凝土衬砌的开裂。同时,为了模拟衬砌开裂后高压水流外渗后引起衬砌2与围岩3接触面状态的变化以及沿接触面的透水,本发明在压力隧洞衬砌与围岩间设置一个无厚度接触面4。
S1.3、通过四面体网格单元剖分,建立压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模型。
如图3所示,本发明通过对压力隧洞三维离散元几何模型进行剖面,获得压力隧洞的三维离散元网格模型。由于建立的压力隧洞三维离散元几何模型中存在虚拟裂缝1及衬砌与围岩接触面4等不连续界面,剖分后形成的网格模型在这些位置处是不连续的,且虚拟裂缝及衬砌与围岩接触面两侧单元的节点在不连续界面处节点位置是相互重叠的但具有不同的节点编号,故,本发明建立的压力隧洞三维离散元网格模型具有如下特点:1)模型网格在虚拟裂缝1部位处及衬砌与围岩间接触面4等界面处是不连续的;2)虚拟裂缝及衬砌与围岩接触面两侧单元的节点在不连续界面处5和6的节点是相互重叠的但具有不同的节点编号,即两侧的单元节点在不连续界面处虽然位置相同,但并非为同一个节点,而是两个单独的节点。
S2、建立压力隧洞三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型。
在实际工程中,混凝土开裂是极为普遍的现象,俗称“无坝不裂”。当钢筋混凝土衬砌开裂后,高压水流会在衬砌的裂缝和衬砌与围岩的孔隙和裂隙中渗流,故,为准确地模拟压力隧洞真实的实际运行性状,考虑高压水流在压力隧洞中孔隙和裂隙中流动的水流连续性,本发明还建立了压力隧洞三维离散元孔隙-裂隙双重介质流应力耦合模型,具体方法为:
S2.1、遍历步骤S1建立的压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模型的所有节点,根据节点位置关系,确定每个节点的属性。
本发明中,对于任一节点,若模型中不存在与该节点位置相同的其它节点,则该节点属于连续性节点;若模型中存在与该节点位置相同的其它节点,则该节点属于非连续性节点。
如图4所示,在建立的压力隧洞三维离散元网格模型中,网格非连续性节点7是位于虚拟裂缝和衬砌与围岩接触面等网格非连续部位,其它位置处的节点均为网格连续性节点8。
S2.2、根据压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模型及其节点属性,满足高压水流在孔隙和裂隙双重介质中流动的水流连续性条件,建立计算压力隧洞渗流的Knots模型。
在高水头作用下,当钢筋混凝土衬砌开裂后,压力隧洞内的高压水流在外渗过程中将呈现为一个由孔隙流(水流在衬砌和围岩中的流动)和裂隙流(水流沿衬砌裂缝及衬砌与围岩间缝隙中的流动)组成的水流运动系统,而且孔隙流和裂隙流两者之间满足水流连续性条件,即两者可以进行交换。为了模拟压力隧洞高压水流在外渗过程中的水流特性及连续性条件,本发明建立了计算压力隧洞渗流的Knots模型,如图5所示,具体方法为:
S2.2.1、对于压力隧洞三维离散元网格模型中所有属于网格连续性的节点,在每一个节点位置处相应地建立一个Knot(参见图5中的标号9),且这些Knots的拓扑关系与压力隧洞三维离散元网格模型中节点的拓扑关系一致,以保证高压水流在孔隙基质内的连续流动;
S2.2.2、对于压力隧洞三维离散元网格模型中所有属于网格非连续性的节点,仅在该位置处建立一个Knot,并且位于该位置处的不同编号的节点共用这一个Knot(参见图5中的标号10),这样不仅可以保证孔隙流和裂隙流两者之间进行交换,而且可以保证高压水流在穿过虚拟裂缝及衬砌与围岩间接触面等非连续部位时保持水流的连续性;
S2.3、基于压力隧洞三维离散元网格模型及计算渗流的Knots模型,建立压力隧洞三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型,并保持模型。
如图5所示,本发明建立的压力隧洞的三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型由力学计算的网格模型和渗流计算的Knots模型组成,其中,力学计算网格模型用于压力隧洞的力学分析,Knots模型用于压力隧洞高压水流在孔隙和裂隙双重介质中的渗流分析,并通过这两个模型实现孔隙-裂隙双重介质的应力渗流耦合分析,进而实现准确模拟高水头作用下衬砌的开裂特性及衬砌开裂后压力隧洞的水流运动特性及水力耦合效应。
S3、设置力学计算本构模型,施加模型边界条件和地应力条件,通过离散元迭代计算,获得压力隧洞的初始地应力场,具体步骤为:
S3.1、设置力学计算本构模型,输入本构模型参数,其中衬砌和围岩设置为理想弹塑性本构模型,虚拟裂缝和衬砌与围岩间的接触面设置为Mohr-Coulomb接触本构模型。
更进一步,Mohr-Coulomb接触本构模型在离散元迭代计算过程中,任一接触面单元的法向接触力和切向接触力由如下公式计算:
式中:Fn为法向接触力,Fs为切向接触力,ΔFn为法向接触力增量,ΔFs为切向接触力增量;
更进一步,Mohr-Coulomb接触本构模型在离散元迭代计算过程中,任一接触面单元的法向接触应力和切向接触应力由如下公式计算:
式中:σn为法向接触应力,σs为切向接触应力,Ac为接触面面积。
更进一步,Mohr-Coulomb接触本构模型在离散元迭代计算过程中,当虚拟裂缝的任一接触面单元的法向拉应力满足公式(4)时,该接触面单元此时将会发生拉裂破坏;
式中:为虚拟裂缝的法向拉应力,/>为衬砌的抗拉强度;当虚拟裂缝所有接触面单元均发生了拉裂破坏时,此外衬砌发生贯通开裂,高压水流将会沿着裂缝发生外渗;
更进一步,Mohr-Coulomb接触本构模型在离散元迭代计算过程中,当衬砌与围岩间接触面的任一接触面单元的应力满足公式(5)时,此时该接触面单元的粘结状态将会发生破坏;
式中:分别为衬砌与围岩间接触面单元的法向应力和切向应力,分别衬砌与围岩间接触面的法向和切向粘结强度;当衬砌与围岩间任一接触面单元的粘结状态发生破坏后,高压水流将会沿着该接触面单元发生流动;
S3.2、施加模型边界条件和地应力条件。
模型边界条件为:模型左右侧、前后侧及底部均为固定位置,顶部为固定应力边界条件;
由于高水头压力隧洞的埋深较大,通常埋深大于300m,在拟建立的压力隧洞模型尺寸范围内地应力变化不大,故,施加的地应力条件为均匀应力场。
S3.3、进行离散元迭代计算,当迭代计算完成后,获得压力隧洞的初始地应力场(参见图6A所示)。
在每一步迭代计算中,当公式(6)成立时,迭代计算结束;
式中,i和j均代表模型坐标轴的3个方向,Δfi为任一节点的第i方向的不平衡节点力;fi为任一节点的第i方向的节点力,abs()为取绝对值函数,n为模型中节点的个数,ε为容差,取1.0e-5。
S4、模拟压力隧洞开挖,通过离散元迭代计算,获得压力隧洞开挖后的二次应力场,并导出压力隧洞开挖后的二次应力场,具体方法为:
S4.1、在获得的压力隧洞初始地应力场模型中,将压力隧洞洞径范围内的所有单元的本构模型设置为NULL;
S4.2、进行离散元迭代计算,迭代计算完成后,获得隧洞开挖后的二次应力场;
在迭代计算过程中,当公式(6)成立时,迭代计算完成;
S4.3、遍历所有单元,按单元编号依次导出每个单元的应力分量,最终导出压力隧洞开挖后的二次应力场(参见图6B所示);
每个单元的应力共有6个分量,分别为Sxx,Sxy,Sxz,Syy,Syz,Szz,其分别代表单元应力在xx、xy、xz、yy、yz、zz、方向的应力分量。
S5、重新调用步骤S2中建立的压力隧洞三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型,模拟压力隧洞开挖,并导入步骤S4得到的压力隧洞开挖后的二次应力场,施作钢筋混凝土衬砌。
S5.1、重新调用步骤S2建立的压力隧洞三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型,将衬砌内所有单元的本构模型设置NULL,开挖掉衬砌内的围岩(参见图6C所示);
S5.2、遍历所有单元,按单元编号依次相应地导入步骤S4得到的压力隧洞开挖后的二次应力场(参见图6D所示)。
由于建立的压力隧洞三维离散元渗流应力耦合模型由用于力学计算的网格模型和用于渗流计算的Knots模型组成,在力学计算过程中应力场的变化将会引起虚拟裂隙及衬砌与围岩接触面的力学开度发生变化,进而影响后续压力隧洞的充水模拟,故,本发明为保证后续压力隧洞充水模拟结果的正确性,通过步骤S3和S4先模拟计算出压力隧洞开挖后的二次应力场,再重新调用步骤S2建立的压力隧洞三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型,将步骤S4模拟计算出的压力隧洞开挖后的二次应力场导入,保留模拟结果,其优点是:避免在进行压力隧洞初始地应力场和开挖二次应力场分析时,对Knots模型渗流计算的影响,使压力隧洞充水过程分析更准确。
在导入压力隧洞二次应力场后,应进行检查,确保导入的应力场分布与步骤S4中压力隧洞开挖后获得的二次应力场分布一致。
S5.3、根据钢筋混凝土衬砌中环向钢筋的布置位置,在衬砌中添加环向钢筋,完成钢筋混凝土衬砌施作。
由于钢筋混凝土衬砌中布设有钢筋,如图7所示,本发明根据钢筋混凝土衬砌中环向钢筋11的布置位置,在模型中采用Cable结构单元模拟环向钢筋,同时为了模拟环向钢筋的约束效果,需将Cable单元首尾节点相互链接12。为考虑环向钢筋纵向布置间距的影响,环向钢筋设置于模型厚度的1/2W位置处,其中,衬砌的厚度为W2,钢筋距离衬砌内表面的距离为D1。
S6、根据设计的压力隧洞水头充水压力,钢筋混凝土衬砌的开裂阈值,确定压力隧洞逐级充水方案。
S6.1、根据压力隧洞的设计水头,确定逐级充水加压的总步数,计算公式如下:
式中,S为逐级充水加压的总步数;pt表示压力隧洞的设计水头压力(MPa),p0为初始充水压力(MPa),取值为0.5MPa,Δp为逐级充水加压幅度(MPa),取值为0.25MPa;
S6.2、根据压力隧洞钢筋混凝土衬砌开裂的阈值,确定衬砌开裂前的最大充水步数,计算公式如下:
式中:Sthreshold为衬砌开裂前的最大充水步数,pthreshold为衬砌开裂阈值,单位为MPa,math.floor()为取变量的最小整数;
S6.3、确定衬砌开裂前的最大充水步数,确定每一级充水加压步的充水时长,计算公式如下:
式中:Tk为第m级充水加压的充水时长,m为逐级充水加压的步数;
S6.4、根据逐级充水加压的总步数及充水时长。
实际中,压力隧洞在充水过程中水压力是缓慢连续上升的,如图8所示,本发明通过逐级等幅度地增加充水压力来模拟实际中压力隧洞连续充水过程,并在每一充水步下,保持充水压力不变,充水一定的时间。
S7、根据压力隧洞逐级充水方案,通过压力隧洞三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型,模拟隧洞逐级加压充水过程,直至最后一级充水加压完成,保存逐级模拟结果,具体方法是:
S7.1、打开crack-flow计算模式,设置渗流计算模型和边界条件;
渗流计算模型采用各项同性渗流模型,渗流计算边界条件为:
1)模型四周为不透水边界;
2)隧洞衬砌内侧为固定孔压边界。
crack-flow计算模式为:仅当虚拟裂缝及衬砌与围岩间的接触面单元的粘结状态发生破坏后,才进行裂隙渗流计算。
S7.2、根据压力隧洞逐级充水方案,施加逐级充水压力,基于离散元孔隙-裂隙渗流应力耦合模型,进行逐级加压充水模拟;
高压水流在虚拟裂缝及衬砌与围岩间接触面渗流,应力耦合按如下公式计算:
式中:q为单宽流量,qi为第i方向的单宽流量,ρw为水的密度,μ为水的粘度,φ为测压管水头,φ=z+p/ρwg,z为海拔高度,p为裂隙水压力,φ,i为第i方向的压力水头梯度,uh为裂隙的水力开度,在每一步下可由下式进行计算:
式中:uh为裂隙的水力开度,uh0法向应力为零时的水力开度,kn为接触面的法向刚度,σn′为作用在接触面上的法向有效应力,可由如下公式计算:
σ′n=σn+p (12)
高压水流在衬砌和围岩内的孔隙渗流按如下公式计算:
qi=-k(p′-ρwxjgj),i (13)
式中:qi为单位截面流量,k为渗透系数;p′为孔隙水压力;ρw为水的密度;g为重力加速度;i,j取1,2,3。
在进行逐级加压充水模拟过程中,每一级充水压力下,任一迭代步骤,先进行裂隙渗流应力耦合计算,然后将裂隙渗流计算结果将作为孔隙渗流的初始边界条件,再进行孔隙渗流应力计算,由此实现了高压水流在孔隙和裂隙内流动时保持了水流连续性;
S7.3、当每一级充水加压模拟完成后,再进行下一级充水压力模拟,直至最后一级充水加压模拟结束后,整个充水压力过程完成,保存模拟结果。
S8、根据保存的逐级充水加压模拟结果,查询充水过程中衬砌和钢筋的受力、衬砌裂缝宽度的变化以及高压水流的渗透过程,为钢筋混凝土衬砌的设计提供技术支持。
与传统的压力隧洞充分分析方法相比,本发明不仅可以三维模拟钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程,而且计算效率高、稳定性好,解决了高水头钢筋混凝土压力隧洞充水过程三维模拟分析的难题。本发明可大大提高压力隧洞充水过程模拟结果的准确性以及模拟效率,可用于高水头大直径钢筋混凝土衬砌压力隧洞衬砌结构优化设计分析。
Claims (5)
1.一种高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程分析方法,其特征在于:它包括如下步骤:
S1、根据钢筋混凝土衬砌压力隧洞的设计方案,以及钢筋混凝土衬砌中环向钢筋的纵向布置间距,建立压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模型;
在建立所述压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模型时,考虑压力隧洞钢筋混凝土衬砌内密布的钢筋、钢筋混凝土衬砌出现的裂缝、衬砌与围岩之间接触状态的变化和接触面的透水特性;
S2、建立压力隧洞三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型;
所述压力隧洞的三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型由力学计算的网格模型和渗流计算的Knots模型组成,其中,力学计算网格模型用于压力隧洞的力学分析,Knots模型用于压力隧洞高压水流在孔隙和裂隙双重介质中的渗流分析,并通过这两个模型实现孔隙-裂隙双重介质的应力渗流耦合分析,进而模拟高水头作用下衬砌的开裂特性及衬砌开裂后压力隧洞的水流运动特性及水力耦合效应;
S2.1、遍历步骤S1建立的压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模型的所有节点,根据节点位置关系,确定每个节点的属性;
对于任一节点,若模型中不存在与该节点位置相同的其它节点,则该节点属于连续性节点;若模型中存在与该节点位置相同的其它节点,则该节点属于非连续性节点;
S2.2、根据压力隧洞三维离散元网格模型及其节点属性,满足高压水流在孔隙和裂隙双重介质中流动的水流连续性条件,建立计算压力隧洞渗流的Knots模型;
S2.2.1、对于压力隧洞三维离散元网格模型中所有属于网格连续性的节点,在每一个节点位置处相应地建立一个Knot,且这些Knots的拓扑关系与压力隧洞三维离散元网格模型中节点的拓扑关系一致,以保证高压水流在孔隙基质内的连续流动;
S2.2.2、对于压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模型中所有属于网格非连续性的节点,仅在该位置处建立一个Knot,并且位于该位置处的不同编号的节点共用这一个Knot;
S2.3、基于压力隧洞三维离散元网格模型及计算渗流的Knots模型,建立压力隧洞三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型,并保持模型;
S3、设置力学计算本构模型,施加模型边界条件和地应力条件,通过离散元迭代计算,获得压力隧洞的初始地应力场;
S4、模拟压力隧洞开挖,通过离散元迭代计算,获得压力隧洞开挖后的二次应力场,并导出压力隧洞开挖后的二次应力场;
S5、重新调用步骤S2建立的压力隧洞三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型,模拟压力隧洞开挖,并导入步骤S4得到的压力隧洞开挖后的二次应力场,施作钢筋混凝土衬砌,具体方法是:
S5.1、重新调用步骤S2建立的压力隧洞三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型,将衬砌内所有单元的本构模型设置NULL,开挖掉衬砌内的围岩;
S5.2、遍历所有单元,按单元编号依次相应地导入步骤S4得到的压力隧洞开挖后的二次应力场;
S5.3、根据钢筋混凝土衬砌中环向钢筋的布置位置,在衬砌中添加环向钢筋,完成钢筋混凝土衬砌施作;
S6、根据设计的压力隧洞水头充水压力,钢筋混凝土衬砌的开裂阈值,确定压力隧洞逐级充水方案;
S6.1、根据压力隧洞的设计水头,确定逐级充水加压的总步数,计算公式如下:
式中,S为逐级充水加压的总步数;pt表示压力隧洞的设计水头压力,单位为MPa;p0为初始充水压力,单位为MPa,取值为0.5MPa;Δp为逐级充水加压幅度,单位为MPa,取值为0.25MPa;
S6.2、根据压力隧洞钢筋混凝土衬砌开裂的阈值,确定衬砌开裂前的最大充水步数,计算公式如下:
式中:Sthreshold为衬砌开裂前的最大充水步数,pthreshold为衬砌开裂阈值,单位为MPa,math.floor()为取变量的最小整数;
S6.3、确定衬砌开裂前的最大充水步数,确定每一级充水加压步的充水时长,计算方式如下:
式中:Tk为第m级充水加压的充水时长,m为逐级充水加压的步数;
S6.4、根据逐级充水加压的总步数及充水时长;
S7、根据压力隧洞逐级充水方案,通过压力隧洞三维离散元孔隙-裂隙双重介质渗流应力耦合模型,模拟隧洞逐级加压充水过程,直至最后一级充水加压完成,保存逐级模拟结果;
S8、根据保存的逐级充水加压模拟结果,查询充水过程中衬砌和钢筋的受力、衬砌裂缝宽度的变化以及高压水流的渗透过程,为钢筋混凝土衬砌的设计提供技术支持。
2.根据权利要求1所述的高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程分析方法,其特征在于:建立所述压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模型的具体方法为:
S1.1、根据钢筋混凝土衬砌压力隧洞设计方案中钢筋混凝土衬砌环向钢筋的纵向布置间距,确定拟建立的压力隧洞三维几何模型的尺寸,计算公式如下;
式中:L、W和H分别为拟建立的压力隧洞三维几何模型的长度、宽度和厚度,D为压力隧洞的洞径,d为钢筋混凝土衬砌环向钢筋纵向布置间距;
S1.2、根据已确定的压力隧洞三维几何模型尺寸、压力隧洞衬砌开裂、衬砌与围岩接触面状态的变化、接触面的透水特性,建立压力隧洞三维离散元几何模型;
在衬砌顶部增设一条无厚度的虚拟裂缝,用于模拟高水头作用下钢筋混凝土衬砌的开裂;在压力隧洞衬砌与围岩间设置一个无厚度接触面,模拟衬砌开裂后高压水流外渗后引起衬砌与围岩接触面状态的变化以及沿接触面的透水;
S1.3、通过四面体网格单元剖分,建立压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模型。
3.根据权利要求1-2之一所述的高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程分析方法,其特征在于:所述压力隧洞初始应力场获得方法:
S3.1、设置力学计算本构模型,输入本构模型参数,其中衬砌和围岩设置为理想弹塑性本构模型,虚拟裂缝和衬砌与围岩间的接触面设置为Mohr-Coulomb接触本构模型;
S3.2、施加模型边界条件和地应力条件;
所述模型边界条件为:模型左右侧、前后侧及底部均为固定位置,顶部为固定应力边界条件;施加的地应力条件为均匀应力场;
S3.3、进行离散元迭代计算,当迭代计算完成后,获得压力隧洞的初始地应力场;
在每一步迭代计算中,当公式(6)成立时,迭代计算结束;
式中,i和j均代表模型坐标轴的3个方向,Δfi为任一节点的第i方向的不平衡节点力;fi为任一节点的第i方向的节点力,abs()为取绝对值函数,n为模型中节点的个数,ε为容差,取1.0e-5。
4.根据权利要求3所述的高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程分析方法,其特征在于:所述压力隧洞开挖后的二次应力场获得方法:
S4.1、在获得的压力隧洞初始地应力场模型中,将压力隧洞洞径范围内的所有单元的本构模型设置为NULL;
S4.2、进行离散元迭代计算,迭代计算完成后,获得隧洞开挖后的二次应力场;
在每一步迭代计算中,当公式(6)成立时,迭代计算完成;
式中,i和j均代表模型坐标轴的3个方向,Δfi为任一节点的第i方向的不平衡节点力;fi为任一节点的第i方向的节点力,abs()为取绝对值函数,n为模型中节点的个数,ε为容差,取1.0e-5;
S4.3、遍历所有单元,按单元编号依次导出每个单元的应力分量,最终导出压力隧洞开挖后的二次应力场;
每个单元的应力共有6个分量,分别为Sxx,Sxy,Sxz,Syy,Syz,Szz,其分别代表单元应力在xx、xy、xz、yy、yz、zz、方向的应力分量。
5.根据权利要求4所述的高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程分析方法,其特征在于:所述步骤S7压力隧洞模拟充水过程方法如下:
S7.1、打开crack-flow计算模式,设置渗流计算模型和边界条件;
渗流计算模型采用各项同性渗流模型,渗流计算边界条件为:渗流计算模型的四周为不透水边界,隧洞衬砌内侧为固定孔压边界;
crack-flow计算模式为:仅当虚拟裂缝及衬砌与围岩间的接触面单元的粘结状态发生破坏后,才进行裂隙渗流计算;
S7.2、根据压力隧洞逐级充水方案,施加逐级充水压力,基于离散元孔隙-裂隙渗流应力耦合模型,进行逐级加压充水模拟;
高压水流在虚拟裂缝及衬砌与围岩间接触面渗流,应力耦合按如下公式计算:
式中:q为单宽流量,qi为第i方向的单宽流量,ρw为水的密度,μ为水的粘度,φ为测压管水头,φ=z+p/ρwg,z为海拔高度,p为裂隙水压力,φ,i为第i方向的压力水头梯度,uh为裂隙的水力开度,在每一步下可由下式进行计算:
式中:uh为裂隙的水力开度,uh0法向应力为零时的水力开度,kn为接触面的法向刚度,σn′为作用在接触面上的法向有效应力,可由如下公式计算:
σ′n=σn+p (12)
式中:σn为法向接触应力;
高压水流在衬砌和围岩内的孔隙渗流按如下公式计算:
qi=-k(p′-ρwxjgj),i (13)
式中:qi为单位截面流量,k为渗透系数;p′为孔隙水压力;ρw为水的密度;g为重力加速度;i,j取1,2,3;
在进行逐级加压充水模拟过程中,每一级充水压力下,任一迭代步骤,先进行裂隙渗流应力耦合计算,然后将裂隙渗流计算结果将作为孔隙渗流的初始边界条件,再进行孔隙渗流应力计算,由此实现了高压水流在孔隙和裂隙内流动时保持了水流连续性;
S7.3、当每一级充水加压模拟完成后,再进行下一级充水压力模拟,直至最后一级充水加压模拟结束后,整个充水压力过程完成,保存模拟结果。
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