渗流场-隧洞结构 稳定分析 - 河海大学

A Free sample background from www.,powerpointbackgrounds,.com,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Slide,*,渗流场影响下的隧洞结构稳定分析,杜小凯,河 海 大 学,2006年 5月,1 工作背景,水工隧洞设计规范存在以下一些问题,围岩弹性抗力取值,隧洞设计方法协调问题,水压在衬砌外缘的分布,衬砌和钢筋内力的计算,支护抗力计算公式,修正,隧洞设计方法协调问题,问,题,以索风营工程为依托，针对上述隧洞设计存在的问题,，首先对隧洞内水外渗、渗流场进行了研究。,2 裂隙岩体渗流场,裂,隙,岩,体,渗,流,的,模,型,等效连续介质模型,裂隙网络模型,双重介质模型,2.1,经,典,模,型,等,效,连,续,介,质,模,型,双,重,介,质,网,络,裂,隙,应用孔隙介质渗透理论、操作性好,不是所有的裂隙岩体可以等效,REV、,等效水力参数难确定,不能很好刻画裂隙渗透特性,大规模裂隙分布稀疏、,研究区域看为非连续介质,明确全部有效裂隙的集合参数,假设两个重叠的连续,系统，裂隙网络、岩,块系统,物质交换系数难以,确定，影响拟真性,模型说明：,等效连续介质模型应用较广；裂隙网络模型、双重介质模型，需要详尽的地质勘测资料如：各裂隙的分布情况、产状等，较难应用。,2.2 采用的模型：,分区同时考虑结构面和岩块的渗透，将较大结构面按准平面连续介质模型考虑（,双向渗透,），微细裂隙和岩块按等效连续介质模型处理。,2.3 控制方程（稳态）,岩,块,部,分,结,构,面,部,分,2.4 算例,图2 算例模型,洞径为,10,m,、,衬砌厚,1,m,，,外边,界取为,30,倍的洞径，设衬砌有,两条缝隙，恰和外部两组结构,面（六条）中的两条相交，且,两组结构面分别与,x,轴方向（,逆时针）成60,、300,，结构面,宽1,m、,间距80,m，,内边界水头,100,m,外边界水头0,m。,岩块渗,透系数为,1,E-7m/s,（,各向同性），,结构面的渗透系数取为（,1,E-4m/s,顺结构面方向、垂直结构面方向,取为,1,E-7m/s,），,衬砌渗透系数,取为,1,E-10m/s,。,如右图所示：,2.5 算例结果,图3 水头分布,fig 3 The distribution of water head,对整个区域用四节点等参元剖分，采用商用软件,GeoStudio,(SEEP/W),进行了计算。水头分布如图,3,所示，由于结构面渗透系数较大，岩块渗透系数很小。结构面为主要渗水通道，故结构面附近水头梯度变化较小，整个水头变化向四周渐进变化至,0,水头，图中的黑箭头很好地刻画了结构面的渗透特性。,3 渗流应力耦合及对衬砌作用影响,3.1 控制方程：,式中：,K,为渗透矩阵；,H,为地下水水头向量；,Q,为渗流补给源；,S,为地下水储水矩阵；,Kn,为岩体的刚度矩阵；,u,为岩体位移向量；,R,为荷载向量；,为节点水压力变化量；,A,为水压力作用面积；,为应力向量；,G,为应力矩阵；,f()，g(),为应力,的函数。,四自由度全耦合法：基本思想是将渗流场与应力场,作为同一场进行分析,建立以位移表示的平衡微分方,程和以渗流水压力表示的渗流方程,将两方程联立,建立同时以、为未知量的基本方程.,大型稀疏非线性非对称方程组(,)=,(,),非对称性：波阵法转化为对称的来求解,方程非线性：耦合初流量法,河海大学：王媛 教授,3.2 本构模型,选用线性扩展,Drucker,-,Prager,本构模型：,摩擦角，粘聚力,，单轴压缩屈服应力值，,k,控制屈服面与,PAI,平面交线的形状，依赖中间主应力值。,如下图,3.3 算例简图,结构面：顺延结构面渗透系数取为 ，垂直结构面,岩体：各向同性渗透，渗透系数取为,衬砌：各向同性渗透，渗透系数取为,裂纹：各向同性渗透，渗透系数取为,3.4 结果比较,（内水外渗计算结果与衬砌完好近似不透水，受内水压力计算结果对比）,3.4.1 孔压分布比较,图6 有裂缝内水外渗,图7 衬砌完好,图6 孔压内边界（）；图7 衬砌完好，受内水均布压力,3.4.2,衬砌上应力分布比较,图8有裂缝内水外渗,图9衬砌完好,图16有裂缝内水外渗,图17衬砌完好,初步算例结果说明，考虑由于衬砌开裂，高强内水外渗，,改变原有流场分布（地下水），内水外渗情况衬砌结构,的应力小于衬砌完好情况下应力值。,结 语,1,岩体的水力学及力学性质主要由结构面（裂隙、节理）决定，结构面的性质对渗透性质有重要的影响。,2,同时考虑了岩块（包括微小裂隙）、结构面的渗透特性，采用有限单元法处理,方法简单、理论成熟，且在计算结果上也较为精确。,3 在衬砌结构稳定性分析中，应同时考虑原有地下水、后继地下水渗流场对衬砌结构的影响（利与弊）。,谢 谢 各 位,