高边墙地下调压室衬砌结构工作性态研究
|
摘要
地下调压室是一种边界条件和受力情况复杂的大型水电站建筑物。其中矩形截面的调压室受力相对传统圆筒式调压室更为复杂。在设计中,常采用将衬砌、围岩作为整体来考虑,衬砌和围岩协同变形的简化方法。由于调压室衬砌结构与周边岩体属于不同的材料,在实际共同工作中并不是理想中的协同变形,所以在设计中衬砌与围岩间的接触问题、调压室的整体稳定、衬砌结构整体工作性态成为研究的关键。为研究上述问题,结合构皮滩水电站工程,考虑衬砌结构与围岩的共同作用,对调压室衬砌结构及围岩进行非线性分析,本文主要工作有:
1.高边墙地下调压室衬砌结构的受力分析。
2.高边墙地下调压室横向支撑梁对调压室衬砌结构整体受力能力影响分析。
3.采用正交设计试验及方差分析法,对影响衬砌应力因素进行显著性分析。得出了衬砌与围岩间接触面3参数及衬砌厚度对衬砌最大主应力的影响显著性依次为衬砌厚度h—连接弹簧的拉伸强度σ_t—连接弹簧的粘聚力c—连接弹簧的摩擦角φ。
Underground surge-chamber is a hydrostation structure of complicated boundary condition and stress. And the stress of it with Rectangular section is more complicated than with cylindrical section. In the design,the liner and the surrounding rocks are simplified considered as a integrity and deform coordinated. However, the reality is different from the ideality when they work because of the material of them are indifferent, the contact of the liner and the surrounding rocks, the integral safety and the work behavior of the liner are mainly studied in the design. In this paper, based on Goupitan Hydropower Station, the liner structure and the surrounding rocks are nonlinear finite element studied with the consideration of them harmoniously work. Main work is as following.1.Stress analysis of the liner struture of underground surge-chamber with high side wall.2.Study on the impact of the cross bearing beam on the surge-chamber liner stress capability.3. Study on the influence factors of the liner displacement by orthogonal test and range analysis. The three-factor sequence is the thickness of the liner h, tensile-strength of the coupling spring σ_t,the cohesive strength of the coupling spring c and the friction angle of the coupling spring φ.
1.高边墙地下调压室衬砌结构的受力分析。
2.高边墙地下调压室横向支撑梁对调压室衬砌结构整体受力能力影响分析。
3.采用正交设计试验及方差分析法,对影响衬砌应力因素进行显著性分析。得出了衬砌与围岩间接触面3参数及衬砌厚度对衬砌最大主应力的影响显著性依次为衬砌厚度h—连接弹簧的拉伸强度σ_t—连接弹簧的粘聚力c—连接弹簧的摩擦角φ。
Underground surge-chamber is a hydrostation structure of complicated boundary condition and stress. And the stress of it with Rectangular section is more complicated than with cylindrical section. In the design,the liner and the surrounding rocks are simplified considered as a integrity and deform coordinated. However, the reality is different from the ideality when they work because of the material of them are indifferent, the contact of the liner and the surrounding rocks, the integral safety and the work behavior of the liner are mainly studied in the design. In this paper, based on Goupitan Hydropower Station, the liner structure and the surrounding rocks are nonlinear finite element studied with the consideration of them harmoniously work. Main work is as following.1.Stress analysis of the liner struture of underground surge-chamber with high side wall.2.Study on the impact of the cross bearing beam on the surge-chamber liner stress capability.3. Study on the influence factors of the liner displacement by orthogonal test and range analysis. The three-factor sequence is the thickness of the liner h, tensile-strength of the coupling spring σ_t,the cohesive strength of the coupling spring c and the friction angle of the coupling spring φ.
引文
[1] 潘家铮.水工隧洞和调压室—调压室部分[M].北京:水利水电出版社,1992:13～19
[2] 华东水利学院主编.水工设计手册第七卷《水电站建筑物》[M].北京:水利电力出版社,1989.7.52～60
[3] 朱占非等.天生桥水电站调压井群应力分析[J].大连理工大学学报.1993.7:55～57
[4] 刘启钊,彭守拙.水电站调压室[M].北京:水力电力出版社,1995:101～114
[5] 水电地下工程综述[J].水利水电地下建筑物情报网,1986.10
[6] 华东水利学院主编.水工设计手册(7)[M].北京:水力电力出版社,1984.135～142
[7] 徐志英主编.岩石力学[M].北京:水力电力出版社,1986:45～55
[8] E. Hock. E. T. Brown. Underground Excavations in Rock. London, 1980. 110～116
[9] 陈景富.阻抗式调压室结构计算[J].安徽水利科技.1994.1.34～40
[10] J. R. Whitman(ed) The Mathematics Of Finite and Applications Ⅳ[J]. MAFELAP. Academic Press. London, 1979. 25～34
[11] 张璧城.水工建筑物的有限元分析[M].北京:水利电力出版社1991.11:55～68
[12] 天津大学水利系.水力发电(下册)[M].北京:中国工业出版社,1961.10:15～23
[13] 袁金亮,肖明,傅志浩.陡倾角岩体中阻抗式圆形调压井衬砌结构数值分析[J].岩石力学与工程学报.第23卷第8期,2004.4:1296～1300
[14] 肖明,杨建东,赖旭.大型长廊阻抗式尾水调压井结构[J].岩石力学与工程学报.2000,19(4):476～480
[15] 毕思文,王思敬,杨志法.煤矿竖井变形破坏三维数值模拟分析[J].建井技术.第18卷第4期.1997.8
[16] 吕恒林,崔广心.钢筋混凝土井壁与深厚围岩(土)耦合机理的研究[J].煤炭学报,2001.10
[17] (瑞士)A.J施莱斯.压力隧洞和竖井的钢筋混凝土衬砌设计[J].水利水电快报,第19卷第2期,1998.1
[18] 毕思文.竖井变形破坏机理与对策研究[J],地学前缘,第3卷第1-2期,1996.3
[19] 王爱萍,耿晔,李斌等.青海省某水利枢纽工程调压井三岔洞结构受力特性研究[J].岩土工程界,第6卷第6期
[20] 韩菊红,温新丽,马跃先.水电站[M].郑州:黄河水利出版社,2003
[21] 黄炎.工程弹性力学[M].北京:清华大学出版社,1982:400～403
[22] 夏至皋,江理平,唐寿高.弹性力学及其数值方法[M].上海:同济大学出版社,1997:235～238
[23] 徐芝纶.弹性力学简明教程[M].北京:高等教育出版社,1980:80～85
[24] 刘波,韩彦辉(美国)编.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.9:15～21,73～78
[25] 张东日,陶连金,李风仪等.拉格朗日元法及其应用软件FLAC3D[J].矿山压力与顶板管理,1997,(3-4):224～226.
[26] 谢守益,徐卫亚.土体触探静力加载试验的FLAC~(3D)模拟模型选择[J].工程地质学报,1999,7(2):187～192
[27] 王泳嘉,刑纪波.离散单元法同拉格朗日元法及其在岩土力学中的应用[J].岩土力学,1995,16(2):1～14
[28] 梁海波,张明等.快速拉格朗日差分法及其应用[J],红水河,1997,16(2):21～23
[29] Itasca Consulting Group, Inc. Fast Language Analysis of continua in three dimensions[R]. USA: Itasca Consulting Group, Inc., 1997.
[30] 王世泽.水电站建筑物[M].北京:水利电力出版社,1986
[31] 陈琴,苏海东.乌江构皮滩拱坝不同孔口布置方案对大坝应力的影响研究[R].武汉:长江科学院,2002
[32] 张练,丁秀丽,付敬,等.构皮滩水电站地下厂房围岩稳定性与支护措施数值分析[R].武汉:长江科学院,2003
[33] Frantziskonis G, Desai C S Constitutive model with strain softening[J]. Int J. Solid Structure, 1987, 23(6): 733～768
[34] 程桦,孙钧.软弱围岩复合式隧道衬砌力学机理非线性大变形数值分析[J].岩石力学与工程学报,1997,16(4):327～336
[35] 冉星彦.有关水工隧洞衬砌结构计算一些问题的探讨[J].北京水利,1999.1:37～39
[36] Zhou C, Sun L.M, Simulation of RC Structure Collapse Due to Earthquake Loading, 2002
[37] 郭诚谦.有压隧洞考虑灌浆预应力的衬砌设计方法[J].西北水电,1994.2:25～27
[38] 赵长海.灌浆式预应力混凝土衬砌隧洞[J].水利水电技术,1999.12:65～69
[39] 张文倬.水工隧洞灌浆问题[J].红水河,第13卷第3期:51～56
[40] 童伟.大型水电工程地下洞室群工作性态研究[D].南京:河海大学,2006
[41] 陈喜峰.ANSYS在调压井结构中的线性及非线性分析[D].南京:河海大学,2004
[42] Antonio F. Barbosa, Gabriel O. Ribeiro. Analysis of Reinforeed Concrete Structures Using ANSYS Nonliner Concrete Model[J]. 1998
[43] 禹芝文.向家坝地下厂房围岩分析和支护设计研究[D].南京:河海大学,2005:26～33
[44] 蔡正泳,王足献.正交设计在混凝土中的应用[M].北京:中国建筑工业出版社,1985.1:48～60,90～95
[45] 牛长山,徐通模.试验设计与数据处理[M].西安:西安交通大学出版社,1988.6:170～184
[46] 彭美云.概率论与数理统计[M].武汉:武汉大学出版社,2001.2:172～182
[47] 陈希孺.数理统计引论[M].北京:科学出版社,1981:152～163
[48] 吴诩.李永乐.胡庆军.应用数理统计[M].长沙:国防科技大学出版社,1995:202～215
[49] 刘军凤.概率论与数理统计[M].北京:科学技术文献出版社,2004.4:287～300
[50] 余家林.概率论及试验统计[M].北京:高等教育出版社,2001.12:200～210
[51] 俞忠原.试验设计与数据分析[M].哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院出社,1991.:195～201
[52] 方开泰,全辉,陈庆云.实用回归分析[M].北京:科学出版社,1988:221～230
[53] 叶中行,杜之韩,柳金甫等.概率论与数理统计[M].北京:科学出版社,2001:215～219
[54] Robert. W. Previte. Concrete Slump loss[J] ACI journal: Auguest 1977: 188～192
[55] 何晓群,刘文卿.应用回归分析[M].北京:中国人民大学出版社,2001:195～202
[56] (美)赛伯,F.A.C.线性回归分析[M].北京:科学出版社,1987:175～181
[57] 苑诗松.回归分析及其实验设计[M].上海:华东师范出版社,1981:165～174
[58] 王松桂,陈敏,陈立萍.线性统计模型线性回归与方差分析[M].|匕京:高等教育出版社,1999:221～235
[59] 孙树林,吴绍明,裴红军.多层支撑深基坑变形数值模拟正交试验研究[J].岩土力学,2005(11):35～39.
[2] 华东水利学院主编.水工设计手册第七卷《水电站建筑物》[M].北京:水利电力出版社,1989.7.52～60
[3] 朱占非等.天生桥水电站调压井群应力分析[J].大连理工大学学报.1993.7:55～57
[4] 刘启钊,彭守拙.水电站调压室[M].北京:水力电力出版社,1995:101～114
[5] 水电地下工程综述[J].水利水电地下建筑物情报网,1986.10
[6] 华东水利学院主编.水工设计手册(7)[M].北京:水力电力出版社,1984.135～142
[7] 徐志英主编.岩石力学[M].北京:水力电力出版社,1986:45～55
[8] E. Hock. E. T. Brown. Underground Excavations in Rock. London, 1980. 110～116
[9] 陈景富.阻抗式调压室结构计算[J].安徽水利科技.1994.1.34～40
[10] J. R. Whitman(ed) The Mathematics Of Finite and Applications Ⅳ[J]. MAFELAP. Academic Press. London, 1979. 25～34
[11] 张璧城.水工建筑物的有限元分析[M].北京:水利电力出版社1991.11:55～68
[12] 天津大学水利系.水力发电(下册)[M].北京:中国工业出版社,1961.10:15～23
[13] 袁金亮,肖明,傅志浩.陡倾角岩体中阻抗式圆形调压井衬砌结构数值分析[J].岩石力学与工程学报.第23卷第8期,2004.4:1296～1300
[14] 肖明,杨建东,赖旭.大型长廊阻抗式尾水调压井结构[J].岩石力学与工程学报.2000,19(4):476～480
[15] 毕思文,王思敬,杨志法.煤矿竖井变形破坏三维数值模拟分析[J].建井技术.第18卷第4期.1997.8
[16] 吕恒林,崔广心.钢筋混凝土井壁与深厚围岩(土)耦合机理的研究[J].煤炭学报,2001.10
[17] (瑞士)A.J施莱斯.压力隧洞和竖井的钢筋混凝土衬砌设计[J].水利水电快报,第19卷第2期,1998.1
[18] 毕思文.竖井变形破坏机理与对策研究[J],地学前缘,第3卷第1-2期,1996.3
[19] 王爱萍,耿晔,李斌等.青海省某水利枢纽工程调压井三岔洞结构受力特性研究[J].岩土工程界,第6卷第6期
[20] 韩菊红,温新丽,马跃先.水电站[M].郑州:黄河水利出版社,2003
[21] 黄炎.工程弹性力学[M].北京:清华大学出版社,1982:400～403
[22] 夏至皋,江理平,唐寿高.弹性力学及其数值方法[M].上海:同济大学出版社,1997:235～238
[23] 徐芝纶.弹性力学简明教程[M].北京:高等教育出版社,1980:80～85
[24] 刘波,韩彦辉(美国)编.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.9:15～21,73～78
[25] 张东日,陶连金,李风仪等.拉格朗日元法及其应用软件FLAC3D[J].矿山压力与顶板管理,1997,(3-4):224～226.
[26] 谢守益,徐卫亚.土体触探静力加载试验的FLAC~(3D)模拟模型选择[J].工程地质学报,1999,7(2):187～192
[27] 王泳嘉,刑纪波.离散单元法同拉格朗日元法及其在岩土力学中的应用[J].岩土力学,1995,16(2):1～14
[28] 梁海波,张明等.快速拉格朗日差分法及其应用[J],红水河,1997,16(2):21～23
[29] Itasca Consulting Group, Inc. Fast Language Analysis of continua in three dimensions[R]. USA: Itasca Consulting Group, Inc., 1997.
[30] 王世泽.水电站建筑物[M].北京:水利电力出版社,1986
[31] 陈琴,苏海东.乌江构皮滩拱坝不同孔口布置方案对大坝应力的影响研究[R].武汉:长江科学院,2002
[32] 张练,丁秀丽,付敬,等.构皮滩水电站地下厂房围岩稳定性与支护措施数值分析[R].武汉:长江科学院,2003
[33] Frantziskonis G, Desai C S Constitutive model with strain softening[J]. Int J. Solid Structure, 1987, 23(6): 733～768
[34] 程桦,孙钧.软弱围岩复合式隧道衬砌力学机理非线性大变形数值分析[J].岩石力学与工程学报,1997,16(4):327～336
[35] 冉星彦.有关水工隧洞衬砌结构计算一些问题的探讨[J].北京水利,1999.1:37～39
[36] Zhou C, Sun L.M, Simulation of RC Structure Collapse Due to Earthquake Loading, 2002
[37] 郭诚谦.有压隧洞考虑灌浆预应力的衬砌设计方法[J].西北水电,1994.2:25～27
[38] 赵长海.灌浆式预应力混凝土衬砌隧洞[J].水利水电技术,1999.12:65～69
[39] 张文倬.水工隧洞灌浆问题[J].红水河,第13卷第3期:51～56
[40] 童伟.大型水电工程地下洞室群工作性态研究[D].南京:河海大学,2006
[41] 陈喜峰.ANSYS在调压井结构中的线性及非线性分析[D].南京:河海大学,2004
[42] Antonio F. Barbosa, Gabriel O. Ribeiro. Analysis of Reinforeed Concrete Structures Using ANSYS Nonliner Concrete Model[J]. 1998
[43] 禹芝文.向家坝地下厂房围岩分析和支护设计研究[D].南京:河海大学,2005:26～33
[44] 蔡正泳,王足献.正交设计在混凝土中的应用[M].北京:中国建筑工业出版社,1985.1:48～60,90～95
[45] 牛长山,徐通模.试验设计与数据处理[M].西安:西安交通大学出版社,1988.6:170～184
[46] 彭美云.概率论与数理统计[M].武汉:武汉大学出版社,2001.2:172～182
[47] 陈希孺.数理统计引论[M].北京:科学出版社,1981:152～163
[48] 吴诩.李永乐.胡庆军.应用数理统计[M].长沙:国防科技大学出版社,1995:202～215
[49] 刘军凤.概率论与数理统计[M].北京:科学技术文献出版社,2004.4:287～300
[50] 余家林.概率论及试验统计[M].北京:高等教育出版社,2001.12:200～210
[51] 俞忠原.试验设计与数据分析[M].哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院出社,1991.:195～201
[52] 方开泰,全辉,陈庆云.实用回归分析[M].北京:科学出版社,1988:221～230
[53] 叶中行,杜之韩,柳金甫等.概率论与数理统计[M].北京:科学出版社,2001:215～219
[54] Robert. W. Previte. Concrete Slump loss[J] ACI journal: Auguest 1977: 188～192
[55] 何晓群,刘文卿.应用回归分析[M].北京:中国人民大学出版社,2001:195～202
[56] (美)赛伯,F.A.C.线性回归分析[M].北京:科学出版社,1987:175～181
[57] 苑诗松.回归分析及其实验设计[M].上海:华东师范出版社,1981:165～174
[58] 王松桂,陈敏,陈立萍.线性统计模型线性回归与方差分析[M].|匕京:高等教育出版社,1999:221～235
[59] 孙树林,吴绍明,裴红军.多层支撑深基坑变形数值模拟正交试验研究[J].岩土力学,2005(11):35～39.