复杂水力条件下引水隧洞衬砌稳定性分析

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摘 要：在运用FLUENT模拟分析引水隧洞明满流工况下洞内水流脉动压强、总压、速度及涡量沿水流方向变化情况基础之上，结合实际工程情况，运用理正软件计算引水隧洞的衬砌在不同工况下内力分布情况，进而分析引水隧洞衬砌稳定性，最后提出减小明满流对隧洞衬砌稳定性破坏方面的建议，保证隧洞长期安全运行。

关键词：明满流；引水隧洞；衬砌稳定性分析

中图分类号：TV314 文献标识码：A

0 引言

明满流[1]是非恒定流中的一种特殊流态，该流态在隧洞内夹杂有不稳定气囊，会引起洞内水力要素发生周期性变化，会对隧洞产生空蚀、振动和冲击破坏。明满流产生的脉动压力[2]，关系到隧洞的稳定性分析，隧洞的稳定直接关系到建筑物安全以及能否充分发挥效益。纵观隧洞稳定性分析的发展历程，很多方法都没有从本质上解决问题，对理论模型的本构关系、参数选取和仿真方法等都需做更深一步的研究。如何解决好水工隧洞复杂水力条件下的稳定问题，确保隧洞能长期、安全、稳定的运行，已成为当前工程界十分关注和急需解决的问题。因此，特殊水力条件下隧洞稳定问题的研究对于提高国家水利水电工程、岩土工程建设水平，推动国家的水电事业发展，改善工程所在地区的经济状况有着非常重要的现实意义。

1 衬砌荷载计算

在运用FLUENT模拟分析XX水库引水隧洞，在校核水位2449.99m时流态为明满流，在设计洪水位2447.78m时为无压流，为分析隧洞在不同流态下衬砌稳定性，提取对引水隧洞喇叭形进水口在不同工况下脉动压强、总压，考虑山体围岩压力、弹性抗力、衬砌自重和灌浆压力等按荷载组合，取单位长度1m，对0+000、0+010、0+075、0+175典型截面运用岩土理正软件进行内力和位移分析，其中，围岩压力按围岩压力系数法计算，弹性抗力遵循文克尔假定。除以上提及的主要荷载之外，温度压力、外水压力、施工荷载等在本工程中可以不考虑，且工程区地震基本烈度为Ⅶ度，区域地质构造稳定较好，地震作用也可不考虑。荷载组合按正常运用情况，施工、检修情况，非常运用情况分别进行计算，不同工况下荷载计算如表1所示：

注：（1）表中工况一是指隧洞校核水位2449.99m；工况二是指隧洞设计水位2447.78m；（2）形如a/b中的a表示该截面的最大总压值，b表示该截面的最小总压值；（3）负号表示该处为负压。

2 衬砌稳定性分析

计算参数：根据隧洞的安全级别，承载能力极限状态和正常使用极限状态的结构重要性系数 取为0.9，对应于持久状况，其设计状况系数 取为1.0 。配筋裂缝验算参数：采用对称配筋，混凝土等级为C20，纵筋级别为Ⅲ级，箍筋级别为Ⅰ级，裂缝验算采用的荷载效应组合为短期效应组合，最大允许宽度为0.3mm。通过理正对隧洞进行内力分析并绘制截面最大轴力、剪力和弯矩表如下：

（1）同一工况下，最大轴力、剪力和弯矩变化规律一致的，且与隧洞内水压力大小变化规律一致，内水压力变化越大，引起隧洞衬砌的内力变化越大，影响衬砌稳定的最主要荷载是内水压力。

（2）各截面的最大内力的产生位置是一致的，明满流时，最大轴力出现在隧洞拱顶，最大剪力出现在隧洞底板两侧与直墙的连接处，最大弯矩也出现在底板两侧，使得隧洞在底板两侧时内侧受拉；无压流时，最大轴力出现在隧洞直墙底与底板连接处，最大剪力也是出现在隧洞底板两侧与直墙的连接处，最大弯矩也出现在底板两侧，底板中心附近内侧受拉。

（3）明满流时，沿水流方向，随着内水压力的减小，衬砌的最大内力也是逐渐减小的，在隧洞末端出现负压且增大时，衬砌的最大内力值开始增大；无压流时内力值也是基本稳定的。

（4）对隧洞进行抗剪强度验算：明满流时隧洞进口段底板靠近直墙附近点、局部侧墙段和拱脚处不满足抗剪强度验算，其余各段均满足，隧洞出口侧墙、底板和拱脚均不满足抗剪强度验算。无压流时均满足抗剪强度验算。以上分析可知，在明满流时，隧洞内脉动压力较大，导致总内水压力加大，进而使得衬砌内力值较大，在隧洞抗剪强度验算时局部出现不满足现象，且在隧洞末端负压较大时尤为明显，无压流时，衬砌均满足抗剪强度验算，在末端出现负压较小情况时也是满足要求的。

3 结论

（1）在明满流时，隧洞前段在侧墙、底板与侧墙连接处、拱脚出现抗剪强度不满足要求，隧洞后段在负压作用下侧墙、底板、拱脚不满足抗剪强度验算，应特别注意底板、侧墙及其与顶拱连接的衬砌支护问题。

（2）明满流对隧洞衬砌稳定影响非常大，对隧洞正常运行非常不利，在水工引水隧洞设计当中，应尽量避免明满流出现。同时应采取一定工程措施减小末端的负压值大小，当隧洞末端负压造成的不利影响不能完全避免时，可对上述不满足抗剪强度洞段进行加固处理。

参考文献

[1] 丁振华，许景贤. 导流洞改作发电尾水洞过渡过程中明满流的数学模型[J]. 水利学报，1996（9）：1-10.

[2] 许景贤，丁振华. 导流洞改作水电站尾水洞过渡过程明满流机理[J]. 天津大学学报，1996（5）：19-27