基于流固耦合的水工隧洞堵頭力學(xué)效應(yīng)分析.pdf

1、雖然水工隧洞堵頭的工程量一般不大，但作為水利水電工程的主要控制條件之一，其工期要求都比較緊迫。封堵工作是否能夠順利、及時(shí)地完成，對(duì)整個(gè)后期的工程進(jìn)度有著極其重要的意義。目前，《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL279——2002)對(duì)封堵體設(shè)計(jì)只給出了一般原則，實(shí)際已建工程中都是各自制定設(shè)計(jì)原則和選取參數(shù)，還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。由于堵頭對(duì)樞紐運(yùn)行安全極其重要和設(shè)計(jì)原則不盡合理等多種原因，導(dǎo)致多數(shù)堵頭設(shè)計(jì)長(zhǎng)度偏于安全，使得本來已是相對(duì)短暫的工期更趨緊張，

2、也不必要地增加了工程造價(jià)。因此，通過全面分析堵頭的力學(xué)效應(yīng)，建立堵頭設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法具有一定的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。
　　 本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外導(dǎo)流隧洞封堵設(shè)計(jì)一般原則的基礎(chǔ)上，對(duì)堵頭設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性校核進(jìn)行了深入的理論探討，并結(jié)合金家壩水電樞紐工程，對(duì)施工導(dǎo)流洞圍巖的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，研究基于流固耦合模型的堵頭的力學(xué)效應(yīng)。主要內(nèi)容包括：
　　 1.)通過對(duì)已建水工隧洞堵頭設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)方法的分析，總結(jié)現(xiàn)行堵

3、頭設(shè)計(jì)方法存在的問題，分析影響堵頭設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性的因素；
　　 2.)結(jié)合金家壩水電樞紐工程，利用大型通用有限元軟件ANSYS10.0建立施工導(dǎo)流洞封堵影響區(qū)域的圍巖和堵頭的三維彈塑性有限元模型，研究應(yīng)力場(chǎng)下圍巖和堵頭的變形和穩(wěn)定性；
　　 3.)結(jié)合金家壩水電樞紐工程，運(yùn)用三維有限元方法建立堵頭運(yùn)行期導(dǎo)流洞影響區(qū)域的滲流場(chǎng)模型，分析滲流場(chǎng)對(duì)圍巖變形的影響，建立圍巖滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合模型；
　　 4.)通過分析基

4、于流固耦合模型下圍巖的變形，研究堵頭和圍巖的相互作用以及堵頭在擋水過程的力學(xué)效應(yīng)，并利用彈塑性力學(xué)方法對(duì)堵頭進(jìn)行分析，對(duì)堵頭設(shè)計(jì)的主要因素進(jìn)行定量分析，最終提出堵頭設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法。
　　 通過以上工作，總結(jié)出的結(jié)論和工程經(jīng)驗(yàn)主要有：
　　 1.)堵頭總體上呈受壓狀態(tài)，而且拉壓應(yīng)力均較小，不會(huì)超過堵頭混凝土本身的強(qiáng)度；
　　 2.)堵水壓力主要由堵頭與圍巖的粘聚力和接觸面的摩擦作用共同承擔(dān)，且摩擦力的發(fā)揮從上游端到

5、下游端逐漸減弱：
　　 3.)在堵頭尾部由于隧洞內(nèi)無水壓力形成臨空面，而堵頭本身的彈性變形擠壓尾部圍巖，形成局部圍巖塑性區(qū)；
　　 4.)考慮圍巖附加彈性抗力對(duì)堵頭側(cè)向約束的有利影響，可以對(duì)堵頭常規(guī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行修正，修正的堵頭抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式在一定程度上能夠提高堵頭的抗滑穩(wěn)定性；
　　 5.)圍巖彈性模量的提高有利于堵頭的抗滑穩(wěn)定，因此，封堵段隧洞的開挖不僅要考慮堵頭體型特點(diǎn)，而且要考慮堵頭的穩(wěn)定性，避免在復(fù)雜斷