高壓水工輸水隧洞結構計算分析方法研究

【摘要】隨著我國社會經濟的發展，大型的水利水電工程也越來越多，同時大洞徑和深埋深的高壓引水隧洞也逐漸增多。國內外很多學者都非常關注高壓引水隧洞結構的設計研究，但是由于深埋高壓引水隧洞的環境比較復雜，工作機理也非常復雜，至今仍然存在很多沒有解決的問題。其中高壓水工輸水隧洞結構的計算是一項比較重要的環節，本文主要對高壓水工輸水隧洞結構計算方法進行了具體的分析，希望可以給相關工作人員提供參考。

【關鍵詞】高壓；引水隧洞；結構計算方法

當前，高壓水工輸水隧洞結構計算分析方法大體主要有三種，分別是結構力學法、彈性力學法、以有限元為代表的數值計算方法。這三種方法都經常應用在隧洞結構設計中，下面筆者進行一一介紹。

1、結構力學法

傳統的角變位移法和邊值法實際上都屬于經典的結構力學方法。由于其理論簡單且易于掌握，為眾多設計單位所歡迎。DL/T5195—2004中，除了對圓形斷面在均勻水壓力作用下采用厚壁圓筒彈性力學法進行計算外，還為常用荷載下非圓形隧洞提供了經典結構力學的邊值解法的微分方程與解法過程。但是，采用邊值法計算的鋼筋面積往往過大，且與水工隧洞實際工作狀態不相符。此外，用結構力學方法算出的結構應力分布相差比較大，而用有限元方法求出的應力狀況比較均勻。北京勘測設計研究院曾對下葦甸城門洞形有壓隧洞進行現場測試，得到拱頂與底腳應力相差不大、隧洞的實際應力分布要比結構力學方法得出的結果均勻的結論。總之，結構力學方法適合桿件結構，而深埋洞室結構并不能隨意簡化為桿件結構進行分析。

2、彈性力學法

彈性力學的研究對象應該滿足必要的物理假設，其中包括：①均勻連續假設；②線性與完全彈性假設；③各向同性假設。彈性力學理論具有理論嚴謹、計算精確的顯著特點。然而，處于巖體內的水工隧洞鋼筋混凝土襯砌結構由兩部分組成，即巖體（或稱圍巖）和鋼筋混凝土襯砌。巖體是各級結構面切割的非均質各向異性不連續的復合結構體，巖石本身又是由各種不同含量的礦物質所組成，其力學性態表現出很大的離散性與模糊性。總之，彈性力學方法能很好地應用于簡單的彈性結構，對研究高壓引水隧洞這樣結構復雜及圍巖各向異性、不均勻性、彈塑性、流變等問題則很難處理。

3、有限元分析法

有限元方法目前已經相當成熟，是使用最廣泛的一種數值分析方法，可以用來求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性等問題，是地下工程結構分析中最常用的方法。DL/T5195—2004第11.3.1條中說到，“對于直徑（寬度）不小于10m的1級隧洞和高壓隧洞，宜采用有限元法計算”。

3.1 滲流-應力耦合有限元法

滲流-應力耦合有限元法，根據對耦合項處理方法的不同，可分為間接耦合和直接耦合兩種。間接耦合一般分別建立滲流場的連續性微分方程和結構變形本構關系的平衡微分方程，然后通過結構體應力對滲流場影響的經驗公式建立兩者的聯系，通常采用以下公式：

k=k0e-ασ

式中，k為巖體滲透系數；k0為初始滲透系數；α為巖體材料特性和應力狀態對滲透系數的綜合影響系數；σ為巖體的應力狀態。直接耦合根據耦合模型涉及的所有物理變量，建立與各變量相應的剛度矩陣、影響矩陣并形成總耦合矩陣，以及相應的耦合荷載向量。滲流-應力耦合有限元法，在耦合理論上又可分為多孔介質耦合理論、裂隙介質耦合理論，而裂隙介質耦合理論又可分為單裂隙滲流、裂隙網絡滲流應力耦合理論。

Cook基于試驗研究認為，低應力狀態下滲流與裂隙面的開度無關，但在高應力下則關系密切。國裂隙網絡滲流耦合理論包括等效連續介質模型、雙重介質模型、離散裂隙介質網絡模型3種。

3.2 考慮損傷的滲流-應力耦合有限元法

滲流-應力-損傷耦合模型是在上述模型基礎之上，引入介質斷裂、損傷判斷準則，嵌入描述介質破壞膨脹區的滲流-損傷耦合描述方程，來研究工程巖體的滲流-應力-損傷耦合行為。有專家通過三軸壓縮和剪切試驗研究發現，隨應變的增大，滲透率的增加更明顯。國內的一些專家建立了裂隙巖體滲流場與損傷場耦合分析模型。滲流-應力-損傷耦合模型能夠較好地模擬工程結構的復雜破壞機理，尤其在高壓引水隧洞內水外滲和圍巖穩定分析中能夠得到很好的應用。

有限元數值模擬方法還存在以下一些問題：①研究對象是深埋地下的高壓隧洞和圍巖的整體，而地下巖體包含不同階次且隨機分布的孔隙、裂隙、節理等，它們既不是連續介質也不是離散介質，計算模型較難選取。②目前尚缺少能夠反映復雜環境下高壓水工隧洞工作機理的本構模型。③地下巖體的地質力學參數帶有很大的隨機性和模糊性，計算參數較難準確獲取。④數值計算結果與實際出入較大，有計算參數不準確的原因，但很多學者與工程人員發現，更與施工過程、施工方法有關，而后者卻未得到足夠重視。⑤現行水工隧洞設計規范中還缺少與有限元方法相匹配的安全控制標準。

4、結論

鑒于以上問題，筆者認為應加強以下方面的研究探索：①模型的選取可以以巖體結構面統計資料為依據，采用離散介質方法建立典型裂隙網絡表征體，計算巖體的等效滲透張量，應用等效連續介質模型研究區域巖體滲流問題。②進一步加強能夠反映復雜環境下高壓引水隧洞襯砌開裂、高壓內水外滲發生劈裂及襯砌開裂后鋼筋和混凝土相互作用的本構模型的探索。③參數的選取可適時引入不確定性分析、回歸分析、反演分析等方法。④數值模擬中應該對施工過程、支護及高壓固結灌漿等工況的模擬給予充分重視。⑤今后還要繼續研究理論，結合實際的工程現狀，不斷地規范水工隧洞設計，并建立起跟有限元方法更加匹配的安全控制標準，以推動高壓引水隧洞破壞機理的進一步研究，為高壓引水隧洞結構設計提供有益參考。

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