基于ANSYS运用现代岩体力学模型分析西沟电站引水隧洞概要.docx
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基于ANSYS运用现代岩体力学模型分析西沟电站引水隧洞概要
文章编号:
100722284(20100420140203
基于ANSYS运用现代岩体力学模型
分析西沟电站引水隧洞
杜星龙1,纪冬丽2,杜 庶2
(1.小浪底水利水电工程公司,河南洛阳454681;2.黄河勘测规划设计有限公司,郑州450008
摘 要:
以ANSYS软件为平台运用现代岩体力学模型即围岩-衬砌之间的作用进行了有限元仿真分析,,建议将锚杆预留端头与混凝土衬砌中的钢筋焊接或绑扎在一起,,。
并通过此工程实例计算结果可以得出结论,。
关键词:
力学模型;有限元; 中图分类号:
.+.:
A
UtilizingModernRockMechanicalModeltoAnalyzetheDerivationTunneloftheXigouPowerPlantwithANSYS
DUXing2long1,JIDong2li2,DUShu2
(1.XiaolangdiWaterConservancyandHydroelectricEngineeringCorporation,Luoyang454681,HenanProvince,China;
2.YellowRiverSurveying,PlanningandDesignCo.,Ltd,Zhengzhou450008,China
Abstract:
TheadjacentformationstructurecombinedactionmodelhascarriedoutthefiniteelementsimulationanalysisbyusingtheANSYSsoftwareastheplatformutilizationmodernrockmechanicalmodelbetweenthewestditchhydroelectricpowerstationderiva2tiontunneladjacentformationandtheliningworkfunction。
Theinterfacepointisobtainedthroughthecomputationresults。
Itisveryeasytobedestructed,suggestedorboundintheanchorrodreservationandconcretelining’ssteelbarweldingwhenthesameplace,necessityincreasessome,simultaneouslycarriesonthestabilizinggrouttotheadjacentformation.Andtheconclusioncanbedrawnthroughthisprojectexample。
Thislawcanbeusedinanytunneltoextracttheadjacentformationandthesupportandprotec2tionstructurestressandthedisplacementcondition.
Keywords:
mechanicalmodel;finiteelement;simulation;tunnel;liningwork
收稿日期:
2009210204
作者简介:
杜星龙(19782,男,技术人员。
为了安全经济地运行隧洞,那么对隧洞衬砌与围岩之间的相互作用进行系统研究,这对隧洞工程的设计、施工具有十分重要的意义。
对于隧洞的衬砌计算,一般多采用数值分析方法,数值方法目前主要有有限差分法、边界元法和有限单元法[1]。
有限单元法
[2,3]
是对近似计算的归纳和总结。
它既吸收了
有限差分法不离散处理的内核,又继承了变分计算中选择试探函数,并对区域进行积分的合理作法,充分考虑了单元对节点参数的贡献。
有限单元法在模拟曲线边界和各向异性围岩介质方面比有限差分法具有较大的灵活性。
本文利用Ansys有限元分析软件对水工隧洞结构进行数值模拟,通过建立衬砌与围岩相互作用的有限元计算模型,对一实
际隧洞工程进行了深入研究,获得了一些重要的工程结论。
1 西沟电站引水隧洞工程概况
小浪底西沟电站位于小浪底枢纽北侧西沟水库下游、桥沟河右岸支沟内。
电站把北岸灌溉洞作为电站引水发电洞的主洞而直接从小浪底水库取水,从而使北岸灌溉洞在满足“灌溉”要求的同时,兼顾发电。
根据小浪底工程总体规划,西沟电站引水发电系统途经水库库区,西沟水库原系天然沟道。
本次拟进行库区范围内引水发电系统混凝土岔管段,第一隧洞,引水隧洞段共约400余m洞段的施工,开挖基本断面尺寸为4.0m,断面为圆形断面,上半拱外扩10cm,采取锚喷支护,锚杆长度1m,采用C30钢筋混凝土为衬砌材料,隧洞围岩为Ⅳ级,属于深埋隧洞,隧洞仰拱下承受水压,水压为0.2MPa,隧洞围岩的物理力学指标和衬砌材料物理力学指标见表1。
41中国农村水利水电・2010年第4期
表1 围岩及C30钢筋混凝土物理力学指标
名称
容重γ/
(kN・m-3
弹性抗力
系数K/
(MPa・m-1
弹性
模量E/
GPa
泊松比
ν
内摩擦角
φ/
(°
凝聚力C/MPa
Ⅳ级围岩223001.50.32290.35C30混凝土25300.2542.4
2 建立模型
2.1 模型选择
由于隧洞地层开挖后容易变形、塌落或有水涌入,所以除了在极为稳固的地层中且没有地下水的地方外,大都要在坑道中修建支护结构,目前,隧洞设计主要采用以下两种模型。
传统的结构力学模型:
它是将支护结构和围岩分开考虑,支护结构是承载主体,围岩作为载荷的来源和支护结构的弹性支撑,故又称为荷载-结构模型[4]。
采用这种模型时,认为隧洞支护结构与围岩的互相作用是通过弹性支撑对结构施加约束来体现的,而围岩承载能力则在确定围岩压力与弹性支撑的约束能力时接地考虑。
围岩承载能力越高,
压力就越小,
支护结。
现代岩体力学模型:
它将支护结构和围岩视为一体,作为共同承载的隧道结构体系,故又称为围岩-结构共同作用模型[5]。
这种模型中,围岩是直接的承载单元,支护结构只是用来约束和限制围岩的变形,这一点刚好与第一种模型相反。
这种模型主要用于由于围岩变形而引起的压力,压力值必须通过支护结构与围岩共同作用而求得。
围岩-结构共同作用模型是目前隧洞结构体系设计中力求采用的或正在发展的模型,因为它符合当前施工技术水平,采用快速和超速的支护技术可以限制围岩的变形,从而阻止围岩松动压力的产生。
这种模型还可以考虑各种几何形状、围岩特征和支护材料的非线性特征、开挖面空间效应所形成的三维状态及地质中不连续面等。
根据以上分析本文运用围岩-结构共同作用模型对西沟电站引水隧洞研究。
2.2 模型的建立
本次有限元计算采用通用有限元软件ANSYS进行求解,根据隧洞的几何特点,计算分析按平面应变问题对待,对混凝土衬砌采用ANSYS软件中的单元beam3进行模拟分析,其采用弹性本构模型;对基岩采用Combin14弹簧单元(也称为地层弹簧进行模拟隧道结构与围岩之间的互相作用,进行隧洞结构受力分析时,用地层弹簧来模拟围岩和结构之间的互相作用,在隧洞顶90°范围内,其变形背向地层,不受围岩的约束而自由变形,这个区域称为“脱离区”[7],不需要添加弹簧单元,而隧洞两侧及底部,结构产生的是朝向地层的变形,并受到围岩约束阻止其变形,因而围岩对衬砌产生弹性抗力,需要添加弹簧单元;采用Drucker-Prager屈服准则[8];对1.0m锚杆采用linkl杆单元模拟,按弹性考虑,锚杆单元在系统中与岩体单元的节点耦合。
隧洞衬砌和锚杆有限元模型见图1
。
图1 隧洞衬砌和锚杆有限元模型
2.3 边界条件
(1给弹簧单元施加约束:
在X和Y
2节点施加重力加速度,,0
:
根据《水工隧洞设计规范SL27922002》计算出埋深隧洞围岩的垂直均布力和水平均布力,计算结果见表2,对于竖向和水平的分布荷载,其等效节点力分别近似取节点两相邻单元水平或垂直投影长度的一般衬砌计算宽度这一面积范围内的分布荷载的总和。
表2 荷载计算表
荷载种类
围岩压力
垂直均布力/
(N・m-2
水平均布力/
(N・m-2
结构自重
水压/(N・m-2
荷载值570008900
通过ANSYS添加
重力加速度
200000 (4施加水压力:
隧洞仰拱下承受水压,水压为0.2MPa,按照径向方向再置换为等效节点力,分解为水平和竖向方向上的力进行加载,选中模型中节点15、16、17、18、12施加水压力。
3 计算结果
3.1 结构变形图
从初次分析隧洞衬砌支护结构变形图2可以看出,弹簧3、4、8、9是受拉的,因为用来模拟隧洞结构与围岩之间互相作用的地层弹簧只能承受压力,所以,要将这四根弹簧去掉[9],在进行计算直到最终计算出的结构变形图无受拉弹簧为止。
经过第二次计算,结构变形图3中显示无弹簧受拉,那么就符合要求。
3.2 内力计算结果
西沟电站引水隧洞内力计算结果如图4、5、6。
根据图示可以看出,西沟电站引水隧洞最大剪力232.152kN,最大轴力16.959kN,最大弯矩101.685kN・m。
4 结 语
由以上计算结果可以看出:
垂直位移特点:
顶拱上部围岩体的垂直位移总体呈现向下141
基于ANSYS运用现代岩体力学模型分析西沟电站引水隧洞 杜星龙 纪冬丽 杜 庶
图2
初次计算结构变形图
图3
最终结构变形图
图4 结构剪力图
变位特点,且由上而下呈递增趋势;底拱下部围岩的垂直位移也呈现向下变位特点,且由上而下呈递减趋势;垂直位移的最大值均位于围岩两侧边角处;
最大剪力、轴力、弯矩都是在该隧洞上拱和下拱的交接处,此处最容易遭到破坏,考虑围岩和混凝土衬砌联合承载(围岩
-结构共同作用模型,为充分发挥围岩的承载能力,必须加强
围岩与衬砌之间的连接,如将锚杆预留端头与混凝土衬砌中的钢筋焊接或绑扎在一起,必要时增加一些短插筋,同时建议对围岩进行固结灌浆等。
用Ansys
有限元软件能够较清楚地直接计算出各部分构
图5 结构轴力图
图6 结构弯矩图
件的应力情况,直观显示出结构的应力分布状态。
运用围岩-结构共同作用模型这种新型的现代岩体力学模型对西沟水电站引水隧洞进行分析,可以看出对于这种模型只要解决围岩初始应力场和表示材料非线性特性的各种参数及其变化情况[10],原则上任何情况下的隧洞都可以用此法求出围岩与支护结构的应力和位移状态。
□
参考文献:
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中国水利水电
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241基于ANSYS运用现代岩体力学模型分析西沟电站引水隧洞 杜星龙 纪冬丽 杜 庶
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