抽水蓄能電站鋼筋混凝土襯砌水道滲流

1、附錄A滲流-應(yīng)力耦合分析方法第4.0.5規(guī)定，對(duì)于高壓水道，滲流分析應(yīng)采用應(yīng)力-滲流耦合方法，即考慮應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的相互影響。目前巖體應(yīng)力-滲流耦合分析方法主要有間接耦合方法和直接耦合方法。對(duì)于間接耦合分析方法，滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)是分開進(jìn)行求解，然后通過兩場(chǎng)的疊加實(shí)現(xiàn)耦合,具體實(shí)現(xiàn)方法是先通過求解滲流場(chǎng)得到滲透體積力，然后將滲透體積力以體力形式施加到應(yīng)建立以應(yīng)力場(chǎng)和滲流力場(chǎng)分析中；對(duì)于直接耦合分析方法，滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)是耦合求解，場(chǎng)為未知值的數(shù)學(xué)模型，通過求得此模型實(shí)現(xiàn)直接耦合，分析理論一般采用Biot固結(jié)理論。（a）滲流-應(yīng)力耦合間接分析方法1）滲流場(chǎng)分析通常，假定地下水在巖體中的流動(dòng)滿足達(dá)西定律

2、，根據(jù)質(zhì)量守恒或滲流連續(xù)性條件，地下水穩(wěn)定滲流微分方程可表示為:HHHKXKyKzQ（A.1）XXyyzz式中：H為滲流測(cè)壓管水頭（m），Hz gKx、Ky、Kz 分別為 X、y、z方向的滲透系數(shù)（m/s） ； Q為內(nèi)源項(xiàng)。2）滲透體積力計(jì)算滲流體積力與水力梯度成正比例,(A.2)水在滲流過程中由于水壓力的坡降而產(chǎn)生滲流體積力, 由滲流產(chǎn)生的滲透體力可根據(jù)如下公式計(jì)算：f 上1 xwXf衛(wèi)yf上1 zwz式中：fx、fy、fz分別為X、y、z方向的滲透體積力。3）應(yīng)力場(chǎng)分析根據(jù)彈性力學(xué)理論，在小應(yīng)變條件下，應(yīng)力場(chǎng)分析中任一單元體滿足如下方程:平衡方程:xxyxzbx0xyzyxyyzby0（A

3、.3）xyzzxzyzbz0xyzbxfx其中，byfybzgfz幾何方程：uuvx-xy:xyxvvWy -yz=（A.4）yzyWuWz"zxzzx本構(gòu)方程：x2Gxv，xyGxyy2Gyv，yzGyz（A.5）z2Gzv，zxGzx式中:x， y， z ， xy， yz ?zx為應(yīng)力分量;bx , by, bz為體積力，包括重力和滲透體積力;x , y , z , xy , yz ,zx為應(yīng)變分量;v為體積應(yīng)變;和G為彈性常數(shù)。（b）滲流-應(yīng)力耦合直接分析方法1）平衡方程在三維情況下，根據(jù)以位移和孔隙壓力表示的平衡微分方程為:-G-G-GGvu12xxGvu12yyGvu12z

4、z002Wy2Wx2Wz(A.6)式中：G和分別為剪切模量和泊松比;u為孔隙壓力;W為水的重度;W為位移;為體應(yīng)變,WxWyWz；;x yz2為拉普拉斯算子,2一。式（A.6）z中的三個(gè)方程中包括四個(gè)未知量Wx、Wy、Wz、u，為求解還需要補(bǔ)充一個(gè)連續(xù)性方程。2）連續(xù)性方程根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，體積變形的速率為單位時(shí)間流入單位體積的凈流量，并引入達(dá)西定 律，得到連續(xù)性方程為:(A.7)式中：K為滲透系數(shù)。-G2Wy通過聯(lián)合式（A.6）和式（A.7）可得到如下方程:-G(A.8)-G2Wz2u上述式（A.8 ）便是三維條件下的Biot固結(jié)方程，它包括4個(gè)偏微分方程組，也包含四個(gè)未知量，u、Wx、Wy

5、、Wz，它們都是坐標(biāo)x、y、z和時(shí)間t的函數(shù)。在一定的初始條件和邊界條件下，可解出這四個(gè)變量。 事實(shí)上，在實(shí)際工程應(yīng)用中， 從數(shù)學(xué)上解出上述方程是 困難的。目前實(shí)際工程應(yīng)用中，主要通過數(shù)值分析方法求解Biot固結(jié)方程，常用方法有有限兀法和有限差分法。附錄 B 鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算原則B.1 鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算可采用解析方法和數(shù)值仿真方法， 對(duì)于高壓水道， 襯砌還應(yīng)按 透水結(jié)構(gòu)來考慮，數(shù)值仿真宜采用非連續(xù)介質(zhì)模型或能夠反映襯砌開裂的連續(xù)介質(zhì)模型。B.2 高壓水道鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)采用滲流-應(yīng)力耦合方法時(shí)， 襯砌結(jié)構(gòu)受力分析模型應(yīng)包括圍巖、 襯砌、鋼筋，對(duì)于岔管部位宜采用三維模型進(jìn)行分析，其

6、它部位可采用二維模型進(jìn)行 分析。B.3 襯砌計(jì)算模型應(yīng)能分別計(jì)算靜水頭和動(dòng)水頭作用下的襯砌力學(xué)狀態(tài)， 作用和作用效應(yīng)組 合執(zhí)行水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范 DL/T5195 的規(guī)定， 水頭壓力根據(jù)工程實(shí)際運(yùn)行狀況按體積力 或面力形式施加。B.4 襯砌計(jì)算模型應(yīng)將鋼筋、混凝土作為獨(dú)立單元，并能模擬不同運(yùn)行階段的襯砌裂縫開裂 和閉合的變化狀態(tài)。襯砌開裂可采用預(yù)設(shè)裂縫、損傷力學(xué)或斷裂力學(xué)等方法進(jìn)行分析。B.5 襯砌計(jì)算模型宜在鋼筋混凝土襯砌與圍巖之間設(shè)置接觸面， 用以考慮襯砌和圍巖相互作 用，接觸面宜能賦予相互緊貼、 相互滑動(dòng)和相互脫離等屬性。 接觸面本構(gòu)模型宜采用 Coulomb 摩擦模型及其他經(jīng)過驗(yàn)證的本構(gòu)

7、模型，宜具備以下特點(diǎn)：1）接觸面切應(yīng)力小于發(fā)生滑動(dòng)需要的切向力時(shí)，接觸面處于未滑移的彈性狀態(tài)；2） 接觸面切應(yīng)力超過發(fā)生滑動(dòng)需要的切向力時(shí)，接觸面處于可滑移的塑性狀態(tài)，滑移 過程中剪切力保持不變；3）接觸面拉應(yīng)力超過接觸面抗拉強(qiáng)度，接觸面張開并處于脫離狀態(tài)，不再傳遞切向力 和法向力；4）接觸面兩側(cè)幾何關(guān)系因擠壓由脫離變化為緊貼時(shí)，接觸面?zhèn)髁C(jī)制恢復(fù)。B.6 襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算模型應(yīng)包括襯砌施工期、首次充水期、運(yùn)行期和放空檢修期等計(jì)算工況。B.7 襯砌結(jié)構(gòu)受力計(jì)算參數(shù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、 室內(nèi)試驗(yàn)和工程類比等方法確定， 對(duì)于地質(zhì)條 件復(fù)雜的工程， 還宜采用反演分析方法進(jìn)行復(fù)核和修正。 混凝土軸心抗壓、 軸

8、心強(qiáng)拉強(qiáng)度標(biāo) 準(zhǔn)值fck、ftk應(yīng)按表B.1采用，混凝土受壓或受拉的彈性模量Ec應(yīng)按表B.2采用，混凝土的泊松比c可取為0.167,混凝土的剪切模量 Gc可按表B.2中混凝土彈性模量 Ec的0.4倍采用。 混凝土的重力密度（重度）可由試驗(yàn)確定，當(dāng)無試驗(yàn)資料時(shí)，素混凝土可取24kN/m 3，鋼筋混凝土可取25kN/m3。普通鋼筋強(qiáng)度的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fyk應(yīng)按表B.3采用。表B.1混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值N/mm2強(qiáng)度種類符號(hào)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C10C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60軸心抗壓fck6.710.013.416.720.123.426.829.632.435.538.5軸心抗

9、拉ftk0.91.271.541.782.012.202.392.512.642.742.85表B.2混凝土彈性模量104 N/mm2混凝土強(qiáng)度等級(jí)C10C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60彈性模量Ec1.752.202.552.803.003.153.253.353.453.553.60表B.3普通鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值N/mm2種類HPB235HPB300HPB335HPB400HPB500強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fyk235300335400500B.8計(jì)算結(jié)果應(yīng)給出不同部位襯砌的鋼筋應(yīng)力值、襯砌應(yīng)力狀態(tài)、滲透水壓力演化特征以及裂縫開度。分析精度應(yīng)滿足工程設(shè)計(jì)要求，必要時(shí)對(duì)重點(diǎn)關(guān)注部位

10、進(jìn)行更詳細(xì)的分析。B.9襯砌結(jié)構(gòu)受力分析應(yīng)對(duì)影響鋼筋受力的主要因素進(jìn)行參數(shù)敏感性分析, 鋼筋直徑、鋼筋位置、襯砌厚度、隧洞半徑及巖體參數(shù)。B.10混凝土的多軸強(qiáng)度和本構(gòu)關(guān)系可采用下列方法確定：1制作試件并通過試驗(yàn)測(cè)定。2選擇合理形式的數(shù)學(xué)模型，由試驗(yàn)標(biāo)定其中所需要的參數(shù)值。3采用經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證或工程經(jīng)驗(yàn)證明可行的數(shù)學(xué)模型。B.11混凝土在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的破壞準(zhǔn)則可采用下列方程表達(dá)：oct*fc影響因素宜考慮(B.1)oct*3 c c cos 1.5.3 ct sin 2(B.2)oct 一(B.3)fc1 2 2 2oct= V flf 2f2f3f3fl（ B.4）3、2 f1f2f3/ a=arccos= （ B.5）3. 2 oct式中：oct為按混凝土多軸強(qiáng)度計(jì)算的八面體正應(yīng)力；oct為按混凝土多軸強(qiáng)度計(jì)算的八面體剪應(yīng)力；a、b、d、Ct、cc為參數(shù)值，宜由試驗(yàn)標(biāo)定；無試驗(yàn)依據(jù)時(shí)可按下列數(shù)值取用： a=6.6938、b