基于流固耦合的水工隧洞堵頭力學效應分析.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、及時地完成，對整個后期的工程進度有著極其重要的意義。目前，《水工隧洞設計規(guī)范》(SL279——2002)對封堵體設計只給出了一般原則，實際已建工程中都是各自制定設計原則和選取參數(shù)，還沒有統(tǒng)一的標準。由于堵頭對樞紐運行安全極其重要和設計原則不盡合理等多種原因，導致多數(shù)堵頭設計長度偏于安全，使得本來已是相對短暫的工期更趨緊張，

2、也不必要地增加了工程造價。因此，通過全面分析堵頭的力學效應，建立堵頭設計的優(yōu)化方法具有一定的理論意義和工程實用價值。
　　 本文在總結國內(nèi)外導流隧洞封堵設計一般原則的基礎上，對堵頭設計和穩(wěn)定性校核進行了深入的理論探討，并結合金家壩水電樞紐工程，對施工導流洞圍巖的滲流場和應力場進行三維有限元數(shù)值模擬，研究基于流固耦合模型的堵頭的力學效應。主要內(nèi)容包括：
　　 1.)通過對已建水工隧洞堵頭設計原則及設計方法的分析，總結現(xiàn)行堵

3、頭設計方法存在的問題，分析影響堵頭設計及穩(wěn)定性的因素；
　　 2.)結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，研究應力場下圍巖和堵頭的變形和穩(wěn)定性；
　　 3.)結合金家壩水電樞紐工程，運用三維有限元方法建立堵頭運行期導流洞影響區(qū)域的滲流場模型，分析滲流場對圍巖變形的影響，建立圍巖滲流場和應力場的耦合模型；
　　 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效應，并利用彈塑性力學方法對堵頭進行分析，對堵頭設計的主要因素進行定量分析，最終提出堵頭設計的優(yōu)化方法。
　　 通過以上工作，總結出的結論和工程經(jīng)驗主要有：
　　 1.)堵頭總體上呈受壓狀態(tài)，而且拉壓應力均較小，不會超過堵頭混凝土本身的強度；
　　 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，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堵頭側向約束的有利影響，可以對堵頭常規(guī)設計方法進行修正，修正的堵頭抗滑穩(wěn)定計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，而且要考慮堵頭的穩(wěn)定性，避免在復雜斷