高内压作用下混凝土衬砌渗流-应力-开裂分析

金俊超; 景来红; 宋志宇; 苏凯; 杨风威; 刘光昆

doi:10.11779/CJGE20240664

高内压作用下混凝土衬砌渗流-应力-开裂分析 English Version

1.
黄河勘测规划设计研究院有限公司, 450003, 中国
2.
水资源工程与调度全国重点实验室（武汉大学）, 武汉, 430072, 中国

基金项目: 中国博士后科学基金(2022M721299);

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出版历程
- 收稿日期: 2024-07-09
- 网络出版日期: 2025-03-27

Seepage-stress-cracking analysis of concrete lining under high internal pressure

摘要

摘要: 高内压作用下衬砌混凝土开裂引发的内水外渗问题，是当前压力隧洞运行中频繁遇到的困难之一。本文引入内聚单元模拟裂缝的非连续拓展，改进软件ABAQUS内置接触模拟衬砌-围岩交界面，研究建立了高压隧洞混凝土衬砌渗流-应力-开裂分析方法。进一步，对物理模型试验及工程监测数据进行了仿真模拟，并探讨了连续/非连续分析方法各自的特点。结果表明：混凝土衬砌在高内水压下，不可避免发生开裂，且裂缝分布呈现少而疏的特征；在裂缝处形成稳定渗流通道后，衬砌内外壁渗透压差迅速下降，围岩成为承担水荷载的主体；钢筋应力在整个加载过程中表现出缓慢增大-迅速增加-急剧下降-维持较小值的变化历程。连续介质分析模型与非连续分析方法的计算结果整体规律一致，但在需要精确描述裂缝非连续拓展过程时，须采用渗流-应力-开裂非连续分析方法，连续介质分析方法无法模拟上述特征。
- 高压隧洞 /
- 混凝土衬砌 /
- 内聚单元 /
- 裂缝拓展 /
- 内水外渗
Abstract: The issue of internal water leakage induced by concrete lining cracking under high internal pressure is a frequent challenge in the operation of pressure tunnels. This paper develops a novel seepage-stress-cracking analysis method of concrete lining under high internal pressure. It incorporates the cohesive element to model the discontinuous propagation of cracks within the lining. Additionally, the built-in contact simulation in the software ABAQUS is improved to represent the interface between the lining and surrounding rock. Furthermore, the model is validated by comparison with physical model experiment and engineering monitoring data. Finally, compared with the results of the traditional continuum method, a systematic analysis of the characteristics of the continuum/discontinuous analysis methods is carried out. The results indicate that under high internal pressure, cracking in the concrete lining is inevitable, and the distribution of cracks is characterized by being sparse and infrequent. Once stable seepage channels form at the cracks, the pressure difference between the inner and outer walls of the lining rapidly decreases, with the surrounding rock becoming the main bearer of the hydraulic load. The steel reinforcement stress exhibits a progression of slowly increasing, rapidly rising, sharply descending, and then maintaining a low value throughout the loading process. The overall trends from the continuous analysis model and the discontinuous analysis method are consistent; however, when precise description of the crack propagation process is required, the seepage-stress-cracking discontinuous analysis method must be used, as the continuous medium analysis method cannot simulate these characteristics.
- High pressure tunnel /
- concrete lining /
- cohesive element /
- crack expansion /
- leakage

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施引文献(57)

期刊类型引用(25)

1.	张志哺. 干湿-冻融循环下公路切坡玄武岩力学特性及损伤机制研究. 公路. 2025(03): 41-49 . 百度学术
2.	黄彦华，李明旭，武世岩，杨超. 基于连续-离散耦合方法的边坡稳定性模拟研究. 中南大学学报(自然科学版). 2025(04): 1502-1513 . 百度学术
3.	张科，李娜. 干湿循环作用下岩桥破裂演化及前兆异常定量识别研究. 工程地质学报. 2024(01): 64-73 . 百度学术
4.	刘帅，杨更社，潘振兴. 冻融环境下“三段式”岩质边坡锁固段损伤破坏及灾变机制研究. 岩石力学与工程学报. 2024(11): 2781-2795 . 百度学术
5.	黎俊华. 基于极限平衡法的边坡稳定性分析. 采矿技术. 2023(01): 39-44 . 百度学术
6.	王建明，崔新男，陈忠辉，陈冲. 露天矿含后缘裂隙岩质边坡岩体卸荷断裂机理与稳定性研究. 岩土工程学报. 2023(02): 345-353 . 本站查看
7.	郭朋瑜，闫兴田，吉锋，易林立. 四川茂县新磨村滑坡启动机制物理模拟试验研究. 工程地质学报. 2023(01): 154-164 . 百度学术
8.	林之岳，黎俊华，王道林. 基于爆破振速演变规律的采场安全分析. 黄金. 2023(03): 5-11 . 百度学术
9.	冷先伦，王川，盛谦，宋文军，陈健，张占荣，陈菲. 基于透明相似模型试验的主控裂隙边坡变形破坏演化机制研究. 岩土力学. 2023(05): 1283-1294+1308 . 百度学术
10.	冉孟坤，韦港荣，熊春发，卢超波，秦梓航. 广西某高速公路基于切线角理论的隧道变形监测预警应用研究. 四川地质学报. 2023(02): 302-306+312 . 百度学术
11.	刘先林，范杰，朱觉文，李明智，朱星. 单轴压缩下岩桥脆性断裂的临界慢化特征. 水利水电技术(中英文). 2022(03): 166-175 . 百度学术
12.	朱星，唐垚. 锁固段边坡模型破坏前兆特征. 地球科学. 2022(06): 1957-1968 . 百度学术
13.	杨泓全，范杰，黄成年，刘先林，朱星. 中部锁固岩桥脆性断裂特征试验研究. 科学技术与工程. 2022(15): 6255-6263 . 百度学术
14.	杨奎斌，朱彦鹏. 考虑后缘裂缝影响的均质土坡滑动面形式及搜索研究. 应用基础与工程科学学报. 2022(05): 1216-1227 . 百度学术
15.	王闯，董金玉，刘汉东，黄志全，赵亚文，杨兴隆. 三段式锁固型岩质边坡动力响应特性及破坏机制振动台模型试验研究. 地球科学. 2022(12): 4428-4441 . 百度学术
16.	郑强强，徐颖，胡浩，钱佳威，宗琦，谢平. 单轴荷载作用下砂岩的破裂与速度结构层析成像. 岩土工程学报. 2021(06): 1069-1077 . 本站查看
17.	陈永峰，张海东，赵广臣. 不同加载速率下端部节理岩桥变形破坏及裂隙扩展试验研究. 长江科学院院报. 2021(07): 66-72 . 百度学术
18.	张海东，陈永峰，赵广臣，张清华. 单轴压缩下预制端部节理岩桥变形破坏及裂隙扩展机制研究. 煤矿安全. 2021(09): 78-84 . 百度学术
19.	范杰，朱星，霍冬冬，胡桔维，刘俊峰. 基于数字图像相关和声发射的岩质锁固段破坏试验研究. 科学技术与工程. 2021(36): 15581-15590 . 百度学术
20.	李巧刚，张树东，吴斌. 矿区大型滑坡体力学机理及地质演化模式研究. 煤炭科学技术. 2020(03): 214-220 . 百度学术
21.	乔趁，李长洪，王宇，颜丙乾. 冻融循环作用下中部锁固岩桥破坏试验研究. 岩石力学与工程学报. 2020(06): 1094-1103 . 百度学术
22.	王建明，陈忠辉，周子涵，陈帅，孙小欢. 不同卸荷速率下节理岩桥变形破坏及裂隙扩展演化试验研究. 矿业科学学报. 2020(04): 382-392 . 百度学术
23.	袁新华. 单轴压缩下中部锁固岩桥变形破坏模式及演化机制研究. 中国安全生产科学技术. 2020(09): 116-121 . 百度学术
24.	李冬冬，刘汉东. 风脉寺滑坡前缘阻滑体不同产状稳定性研究. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2018(06): 8-12 . 百度学术
25.	姜彤，雷家华. 基于图像相关分析的锁固型滑坡模型试验方法. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2018(06): 41-45 . 百度学术