基于数值模拟的引水隧洞稳定性研究.pdf
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1、 年第 期水利技术监督信息化:/基于数值模拟的引水隧洞稳定性研究张 林(江西省水投工程咨询集团有限公司 江西 南昌)摘要:引水隧洞施工难度大 容易引起地质灾害 基于数值模拟 分析了引水隧洞埋深和地下水位高度对引水隧洞稳定性的影响 结果表明:随着隧洞埋深的增加和地下水位的升高 隧洞的渗流速度、涌水量、位移、主应力都有明显的增加 并且隧洞对埋深变化的敏感性明显高于地下水位变化 当存在地下水时 隧洞拱顶和墙脚处的应力对水位变化较为敏感 隧洞的拱顶和墙脚更容易发生破坏 研究结果可为隧洞施工提供参考关键词:引水隧洞 数值模拟 隧洞埋深 地下水位中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:张
2、 林(年)男 工程师:我国幅员辽阔 东西、南北跨度较大 这也导致了我国水资源分布不均匀 形成南多北少、东多西少的分布特点 因此 为了满足北部和西部地区的水资源需求 我国组织修建了大量的引水工程比如云南滇中引水工程、南水北调工程等 在这类工程中 引水隧洞的施工难度较大 也更容易引起地质灾害 尤其是在隧洞开挖过程中以及隧洞使用期间产生的一系列渗流问题和围岩稳定性变差等问题 严重威胁了群众的生命财产安全一些学者对引水隧洞建设和使用过程中出现的问题进行研究 结果表明 渗流场和应力场的相互作用是导致引水隧洞出现安全事故的主要因素刘仲秋等以锦屏二级水电站引水隧洞为研究对象采用数值模拟的方法 对隧洞施工和运
3、营期间进行应力 渗流耦合分析 结果表明 水流外渗容易对隧洞的衬砌结构产生不利影响 施工过程中应采取一定的防范措施 李术才等采用流固耦合模型试验的方法 对海底隧道的施工进行研究 揭示了施工过程中围岩中应力以及渗流场的变化规律 为今后类似的工程提供了依据 谢光莹等同样是基于流固耦合模型 研究分析了隧道开挖过程中衬砌的变形和孔隙水压力的变化 纪佑军等以实际工程为基础 先建立了隧道开挖过程中的数学模型 再利用 有限元分析软件对围岩的应力、渗流规律进行模拟 结果表明 在隧道开挖过程中 通过注浆可以有效控制围岩的变形以及地表沉降综上所述 国内外学者对围岩中渗流场和应力场的耦合作用进行了大量的研究 也获得了
4、丰硕的成果 但研究对象大多数为交通隧道 也没有考虑隧洞埋深、地下水位等因素对隧道稳定性的影响对 因此本文运用数值模拟的方法 研究隧洞的埋深、地下水位高度等对渗流、位移以及应力的影响 以期给今后的工程提供参考 模型参数本文以某地区的引水隧洞为例 考虑到渗流 应力的耦合作用 使用有限元分析软件对隧洞的开挖过程进行模拟 该隧洞的结构断面如图 所示 建模过程中为了减少边界效应对计算结果的影响 选定模型的尺寸为 计算过程中 模型的顶部无约束 底部为固定约束 侧面均为法向位移约束该模型中共包括 种土层 自上而下分别为填土层()、黄土层()和砂岩 隧洞位于砂岩层中 砂岩、初衬和底板均采用 力学模型 二衬采用
5、的是弹性模型 并设置为不透水层 具体的力学参数见表 数值模拟结果无论是在隧洞的开挖过程还是在隧洞的运营期间 隧洞的埋深和地下水位的高度对隧洞的稳定性影响最为显著 因此 本文共设置 种工况 来探究隧洞埋深和地下水位对隧洞周围渗流场、位移以及应力分布的影响信息化水利技术监督 年第 期图 引水隧洞结构断面图表 材料基本参数表材料容重/(/)弹性模量/泊松比黏聚力/内摩擦角/()渗透系数/(/)填土 黄土 砂岩 底板 初衬 二衬 隧洞埋深对隧洞稳定性的影响隧洞埋深是指隧洞顶部与地面间的距离 为了探究隧洞埋深对隧洞稳定性的影响 本节模拟分析了 种工况 保持地下水位位于地表不变 仅改变隧洞的埋深为、隧洞埋
6、深对渗流场的影响图 为不同隧洞埋深情况下隧洞开挖面处地下水的流速和涌水量变化图 从图中可以看出 随着隧洞埋深的增加 地下水的渗流速度和涌出量均有增加尤其是当隧洞埋深从 增加到 时 地下水的渗流速度和涌水量剧烈增加 平均流速从/增加到了/涌水量从/增加到了/分别增长了和 而当隧洞埋深从 增加到 时 地下水的平均渗流速度和涌水量分别增长了和 这说明引水隧洞埋深对渗流场的影响较为明显 当埋深超过 后应优化防排水措施 防止突涌事件的发生 隧洞埋深对位移的影响图 给出的是不同隧洞埋深对隧洞衬砌位移的影图 隧洞埋深对地下水流速和涌水量的影响响 共选取了 个观察点 分别是隧洞拱顶、隧洞底板、左边墙和右边墙
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