基于流固耦合的水工隧洞堵头力学效应分析

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1、重庆交通大学硕士学位论文基于流固耦合的水工隧洞堵头力学效应分析姓名：汪魁申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：赵明阶20100501摘要虽然水工隧洞堵头的工程量一般不大，但作为水利水电工程的主要控制条件之一，其工期要求都比较紧迫。封堵工作是否能够顺利、及时地完成，对整个后期的工程进度有着极其重要的意义。目前，《水工隧洞设计规范》(SL279——2002)对封堵体设计只给出了一般原则，实际已建工程中都是各自制定设计原则和选取参数，还没有统一的标准。由于堵头对枢纽运行安全极其重要和设计原则不尽合理等多种原因，导

2、致多数堵头设计长度偏于安全，使得本来已是相对短暂的工期更趋紧张，也不必要地增加了工程造价。因此，通过全面分析堵头的力学效应，建立堵头设计的优化方法具有一定的理论意义和工程实用价值。本文在总结国内外导流隧洞封堵设计一般原则的基础上，对堵头设计和稳定性校核进行了深入的理论探讨，并结合金家坝水电枢纽工程，对施工导流洞围岩的渗流场和应力场进行三维有限元数值模拟，研究基于流固耦合模型的堵头的力学效应。主要内容包括：1．)通过对已建水工隧洞堵头设计原则及设计方法的分析，总结现行堵头设计方法存在的问题，分析影响堵头设计及稳定

3、性的因素；2．)结合金家坝水电枢纽工程，利用大型通用有限元软件ANSYSIO．0建立施工导流洞封堵影响区域的围岩和堵头的三维弹塑性有限元模型，研究应力场下围岩和堵头的变形和稳定性；3．)结合金家坝水电枢纽工程，运用三维有限元方法建立堵头运行期导流洞影响区域的渗流场模型，分析渗流场对围岩变形的影响，建立围岩渗流场和应力场的耦合模型；4．)通过分析基于流固耦合模型下围岩的变形，研究堵头和围岩的相互作用以及堵头在挡水过程的力学效应，并利用弹塑性力学方法对堵头进行分析，对堵头设计的主要因素进行定量分析，最终提出堵头设计

4、的优化方法。通过以上工作，总结出的结论和工程经验主要有：1．)堵头总体上呈受压状态，而且拉压应力均较小，不会超过堵头混凝土本身的强度；2．)堵水压力主要由堵头与围岩的粘聚力和接触面的摩擦作用共同承担，且摩擦力的发挥从上游端到下游端逐渐减弱；3．)在堵头尾部由于隧洞内无水压力形成临空面，而堵头本身的弹性变形挤压尾部围岩，形成局部围岩塑性区；4．)考虑围岩附加弹性抗力对堵头侧向约束的有利影响，可以对堵头常规设计方法进行修正，修正的堵头抗滑稳定计算公式在一定程度上能够提高堵头的抗滑稳定性；5．)围岩弹性模量的提高有利

5、于堵头的抗滑稳定，因此，封堵段隧洞的开挖不仅要考虑堵头体型特点，而且要考虑堵头的稳定性，避免在复杂断面形状及地质条件的隧洞进行封堵；6．)提高堵头混凝土的强度等级并不能提高堵头的抗滑稳定性，而堵头混凝土本身的强度已经足够大，因此，提高堵头混凝土的强度等级对于堵头工程的安全性来说没有实际作用；7．)将堵头设计成上游断面大，下游断面下的楔形体是保证围岩发挥附加弹性抗力的必要条件，但是，楔形体的楔角应适当，实际工程中应综合考虑堵头的长度及断面大小选取合理的楔角，楔角并非越大越好。关键词：水工隧洞；堵头；流固耦合；有限

6、元；附加弹性抗力ABSTRACTAlthoughtheamountofhydraulictunnelplugworksingenerallittle，butasoneofthemaincontr01oftheconditions，thedemandsofthcirschedulearemoreurgent．Thereisanextremelyimportantmeaningfortheconstructionofthelatterpartoftheprojectwhethercompletedtheplugwo

7、rksmoothandtimely．Atpresent，((Specificationfordesignofhydraulictunnel))(SL279--2002)givesonlygeneralprinciplesforthedesignofplughowever,therewasn’tonecertainprinciplesfortheconstructionprojects，andinfact,theydevelopedtheirowndesignprinciplesandselectedparame

8、tersforoneproject．Astheplugisveryimportantforthesafeofthehydroprojectandthedesignprinciplesisnotquiterationalandanyotherreasons，thelengthofsomeplugsistoolargetowasting,notonlymakethealreadyrelat