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水利工程中压力隧洞型式分析论文
1选择压力隧洞型式的前提
设计压力隧洞的主导思想:是保证能将水压力引起的荷载尽可能大的部分(最好是全部)传递给周围的山岩岩体。高水头隧洞推广采用无承力衬砌型式,在岩石破碎地段建造的混凝土或钢筋混凝土衬砌,旨在用来保证隧洞开挖和运行时岩体的稳定性,并不承受水压力。这种观点是基于对现实情况的考虑——混凝土或钢筋混凝士衬砌不可能承受很大的拉应力,衬砌中裂缝的形成,促使将水压力的主要部分传递给岩体,而衬砌材料则只能为该隧洞段创造有利的水力学条件,并在某种程度上减少其渗流量。在隧洞泄空的情况下,则恰恰相反,裂缝闭合,衬砌结构能承受山岩的压力。在设计时,考虑这一实际情况,就有可能采用更经济的结构。若遇到不可能将水压力的主要部分传递给岩体的情况,则采用预应力钢筋混凝土衬砌或承力钢板衬砌。当压力隧洞接近地面时,在相当坚固的岩石中,必须采用这样的衬的方式,将有可能缩短工期,降低工程造价。
2无衬砌压力隧洞的最小埋深计算分析
压力隧洞的最小埋深指的是,若能将隧洞内的水压力荷载传递到山岩岩体,而不致引起岩石滑移或涌水的危险,则隧洞距地表面的距离,即为压力隧洞的最小埋深。实际上,是指无衬砌压力隧洞的最小允许埋设深度。下面以某埋深不大的压力隧洞附近山岩岩体应力——变形状态的分析成果,作为具体实例进行研究。,水头为160m(P=),穿越一段地形低洼地段。隧洞在地形低洼地段的最小埋深(至隧洞的顶拱)为36m。该洼地是一个山谷隘口,两侧与水平面的坡度分别为26°和46°。山岩岩体由弱泥质密实的层状石灰岩组成,～。岩层隧洞轴线对水平面的倾角为6°,在垂直于隧洞纵轴的平面内,岩层对水平面的倾角为65°。顺层理的岩体变形模量采用E11=7000MPa:垂直于层理的岩体变形模量E⊥=3600MPa,泊桑比V=,由于是空间结构,故利用计算机应用程序以有限元法求解。
计算区域的尺寸(考虑采用的对称条件)选择是沿隧洞轴线400m,水平方向距隧洞轴线200m,高400m(考虑地形情况)。对于有限元法标准的限制条件——各节点的水平位移限制在其下部的水平面内,计算区域包括936个等参数单元和1972个节点。在开挖轮廓附近,利用二次单元随后转移到一次单元。所采用的计算区域的对称性假定,不可能考虑岩体的实际结构。因此,对与对称条件不矛盾的两种极限——岩石具有垂直和水平层理的情况进行了分析。为了进行比较,对变形模量平均值E=5300MPa的各向同性岩体也进行了分析研究。对于最小埋深段的隧洞断面的平面变形条件进行了验算。这一算题是在非线性布置情况下解算的。对于山岩岩体,采用了横向——均质材料的综合性弹塑模型,该模型遵守库仑-摩尔塑性流(破坏)准则,计算中,岩石的有关参数采用以下值,粘着力C=1MPa,内摩擦角40°,抗拉强度极限Rt=2MPa。对于层理接触面,取C=,Φ=31°。
在岩体力学性能各相同性的情况下,埋深最小的
隧洞其未来衬砌顶拱点处没有受到损坏的岩体的计算应力状态为,σmin=-,σmax=-;在岩体各向异性情况下,未来衬砌顶拱点处未损坏岩体的计算应力状态为:岩层呈垂直状时,σmin=-,σm