柘溪水电站引水隧洞钢筋混凝土衬砌非线性有限元计算研究

水电站无压隧洞设计方案分析论文汇报人：2023-11-25•引言•无压隧洞设计基础•水电站无压隧洞设计方案•水电站无压隧洞设计优化•设计方案的评价和比较•工程实例分析•研究结论与展望01引言研究背景和意义能源需求和供应水电站建设现有研究不足本研究将采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，对无压隧洞的设计方案进行深入分析和研究。

研究目的和方法研究方法研究目的本论文将主要研究无压隧洞的结构设计、水流特性、稳定性分析等方面，并对其设计方案进行优化。

研究内容本文将分为五个部分，引言、文献综述、研究方法、实验研究和结论与展望。

在引言中，我们将介绍研究的背景和意义；在文献综述中，我们将梳理现有的研究成果和不足；在研究方法中，我们将详细介绍本研究的研究方法和实施方案；在实验研究中，我们将对无压隧洞设计方案进行分析和优化；最后在结论与展望中，我们将总结本论文的研究成果和不足，并提出未来研究方向。

论文结构研究内容和结构02无压隧洞设计基础01 02 030102030403水电站无压隧洞设计方案设计方案的选择方案1方案2方案3方法2方法3方法1施工方法的确定材料1选用钢筋混凝土作为衬砌材料，具有较好的抗拉性能和抗震性能，适用于地震区的无压隧洞建设。

材料2材料3衬砌材料的选用04水电站无压隧洞设计优化施工工艺优化施工时间安排施工组织设计030201施工过程的优化材料选择选用高强度、耐腐蚀、轻质的衬砌材料，如喷射混凝土、钢纤维混凝土等。

材料性能提升通过研发新型材料或优化材料配比，提高衬砌材料的性能。

材料维护与更换制定衬砌材料的维护和更换计划，确保隧洞长期稳定运行。

衬砌材料的改进01防水设施设计02防水设施施工03防水设施监测防水设施的设置05设计方案的评价和比较技术经济比较方案1方案2方案3方案2钢衬砌方案在施工过程中会产生较大的噪声和粉尘污染，且运行期间对环境影响也较大。

方案3喷锚支护方案在施工过程中对环境影响较小，但运行期间可能会产生一定的噪声和粉尘污染。

附录A 渗流-应力耦合分析方法第4.0.5规定，对于高压水道，渗流分析应采用应力-渗流耦合方法，即考虑应力场和渗流场的相互影响。

目前岩体应力-渗流耦合分析方法主要有间接耦合方法和直接耦合方法。

对于间接耦合分析方法，渗流场和应力场是分开进行求解，然后通过两场的叠加实现耦合，具体实现方法是先通过求解渗流场得到渗透体积力，然后将渗透体积力以体力形式施加到应力场分析中；对于直接耦合分析方法，渗流场和应力场是耦合求解，建立以应力场和渗流场为未知值的数学模型，通过求得此模型实现直接耦合，分析理论一般采用Biot 固结理论。

（a ）渗流-应力耦合间接分析方法1）渗流场分析通常，假定地下水在岩体中的流动满足达西定律，根据质量守恒或渗流连续性条件，地下水稳定渗流微分方程可表示为：Q x y z HH H K K K x xy y z z ⎛⎫∂∂∂∂∂∂⎛⎫⎛⎫++= ⎪ ⎪⎪∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭ （A.1） 式中：H 为渗流测压管水头（m ），pH z gρ=+；x K 、y K 、z K 分别为x 、y 、z 方向的渗透系数(m/s)；Q 为内源项。

2）渗透体积力计算水在渗流过程中由于水压力的坡降而产生渗流体积力，渗流体积力与水力梯度成正比例，由渗流产生的渗透体力可根据如下公式计算：x w y w z wHf x H f y H f z γγγ⎧∂=-⎪∂⎪∂⎪=-⎨∂⎪⎪∂=-⎪∂⎩（A.2） 式中：x f 、y f 、z f 分别为x 、y 、z 方向的渗透体积力。

3）应力场分析根据弹性力学理论，在小应变条件下，应力场分析中任一单元体满足如下方程： ①平衡方程：000xy x xzx yx y yzy zy zx z z b x y z b x y z b x y z τσττστττσ∂⎧∂∂+++=⎪∂∂∂⎪⎪∂∂∂⎪+++=⎨∂∂∂⎪⎪∂∂∂⎪+++=∂∂∂⎪⎩（A.3） 其中，x xy y z zb f b f b g f ⎧=⎪=⎨⎪=+⎩②几何方程：==x xy y yz z zx u u v x y x v v w y z y w u wz z x εγεγεγ∂∂∂⎧=+⎪∂∂∂⎪∂∂∂⎪=+⎨∂∂∂⎪⎪∂∂∂==+⎪∂∂∂⎩，，， （A.4） ③本构方程：222x x v xy xyy y v yz yz z z v zx zxG G G G G G σελετγσελετγσελετγ=+=⎧⎪=+=⎨⎪=+=⎩，，， （A.5） 式中：x σ，y σ，z σ，xy τ，yz τ，zx τ为应力分量；x b ，y b ，z b 为体积力，包括重力和渗透体积力；x ε，y ε，z ε，xy γ，yz γ，zx γ为应变分量；v ε为体积应变；λ和G 为弹性常数。

马边芭蕉溪水电站引水隧洞及渠道设计信息与工程技术学院农业水利工程专业邓招贵（指导教师：张顺芳工程师）摘要本文是无压引水式水电站引水隧洞及渠道的设计报告,主要包括断面设计和结构设计两大部分。

主要任务是根据已定的流量来选定隧洞和渠道的断面尺寸、糙率、纵坡、水深.设计按照一定的程序，根据相关的地形、地貌、地质、水文等原始资料和大量的设计规范，运用工程类比法、方案比较法和试算法，在同时满足防冲、防淤及施工、技术方面要求的基础上，以明渠恒定流理论作为隧洞、渠道水力设计的基本依据，拟定几个可能的方案，经过技术经济比较，选定经济、安全、美观，便于施工的最优设计方案。

最终确定隧洞的断面为圆拱直墙式，拱顶中心角为120o,渠道为矩形断面，均采用底坡1/500，糙率0。

017，底宽1。

4m的矩形过水断面。

在结构设计中，从安全、经济以及便于施工的角度出发，采用浆砌块石找平，混凝土抹面，取得很好效果。

关键词糙率；水力半径；水头损失The Design of Diversion Tunneland Channel of MaBian Power StationAbstract This article is about the design of diversion tunnel and channel of diversion type hydropower station。

It includes two major parts of the section design and structural design mainly. Design according to certain procedure，according to such firsthand information as relevant topography，landform , geology , hydrology ,etc。

and a large number of design specifications, use the analogy law of the project , scheme comparative law and try algorithms，on the basis of meeting to defending washing, defending the silt, specification requirement。

目录1 计算总说明 (1)1.1 计算目的及要求 (1)1.2 基本资料 (1)1.3 计算原则和假定 (1)1.4 材料参数 (2)1.5 参考书目及资料 (2)2 计算过程 (3)2.1 围岩分担内压 (3)2.2 按初拟配筋计算钢筋应力 (8)2.3 按限裂标准复核钢筋应力 (9)2.4 抗外压计算 (11)3 计算成果及分析 (13)4 附图........................................... 错误！未定义书签。

引水隧洞衬砌结构计算书1 计算总说明1.1 计算目的及要求本算稿采用高压隧洞的透水衬砌方法（公式法）对某水电站引水隧洞进行内力和配筋计算，为施工详图设计阶段引水隧洞衬砌的施工图绘制提供合理的数据依据。

1.2 基本资料引水隧洞布置于XX河左岸，进水口至调压室引水隧洞长全长15541.226 m，为有压隧洞。

引水隧洞建筑物为3级，结构安全级别为Ⅱ级。

沿线山体雄厚，设计洞轴线与主要结构面呈较大角度相交，具备基本的地形地质条件，围岩类别以Ⅲ类为主，局部稳定性差，应及时采取支护措施；少部分洞段属Ⅱ类围岩，基本稳定，Ⅳ~Ⅴ类围岩不稳定。

Ⅱ、Ⅲ1类围岩段，采用马蹄形断面(喷锚支护方式)，Ⅲ2、Ⅳ、Ⅴ类围岩段采用马蹄形或圆形断面（钢筋混凝土衬砌支护方式），本算稿仅针对钢筋混凝土衬砌支护段进行结构计算。

围岩分类及参数详见附页互提资料单。

1.3 计算原则和假定高压隧洞的结构设计采用了透水衬砌方法进行计算，本工程采用公式法进行计算。

公式法：考虑变形协调，计算圆形断面在内水压力作用下围岩、混凝土、钢筋的应力和变形，以及混凝土裂缝开展宽度。

充水过程：初次充水，内水压力达到一定程度后，高压隧洞衬砌体开裂，内水压力以渗透压力，即体积力的形式作用在混凝土衬体和围岩上，使混凝土衬体内、外水压的压差逐渐降低或趋于平衡，从而在钢筋混凝土上产生的应力都较小。

衬砌计算原则：1）高压隧洞透水衬砌计算要求隧洞埋深满足挪威准则，且在地质围岩较差段外水满足渗流稳定。

高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构相关工程问题探究与建议中国***第一工程局作者: ***1综述高压引水隧洞是构成大型水电站、抽水蓄能电站的引水建筑物，其承受工作水头压力大于100m。

构成抽水蓄能电站的引水建筑物由系统的高压引水隧洞组成，具有结构形式多样、承压水头高、引水线路长等特点；国内已建的天荒坪抽水蓄能电站引水隧洞承压水头达700m以上，引水系统隧洞总长度达1000m以上。

在此，本文针对抽水蓄能电站引水系统，把承压水头大于100m的引水隧洞作为高压引水隧洞。

引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构是应用较普遍的衬砌结构形式，对于高压引水隧洞而言，钢筋混凝土衬砌结构也是一种较经济的结构形式，高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构在工程应用中常会遇到不良地质条件的影响，从而引出一些相关的工程问题。

本文针对不良地质条件软弱地质构造的工程危害，从高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构应力分析入手，分析高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌----围岩复合体结构稳定性，探究不良地质条件环境中高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构应用实践中存在的工程问题，并提出相关的建议2高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构的工程应用及其工作特点2.1高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构的工程应用抽水蓄能电站高压引水系统包括：上平段、上弯段、斜（坚）井段、下弯段、下平段、岔管段、钢管段等组成部份。

高压引水隧洞的衬砌形式一般常用有两种：钢筋混凝土衬砌结构形式和钢管回填混凝土衬砌形式；高压引水系统隧洞主要布置于深厚覆盖的山体中，当工程地质条件相对较好时，常采用斜井布置形式，引水隧洞衬砌多采用钢筋混凝土衬砌结构形式，当工程地质条件较差时，一般采用坚井布置形式，或采用斜井钢衬结构形式。

已建的天荒坪抽水蓄能电站及桐柏抽水蓄能电站高压引水系统都处于较完整的新鲜花岗岩岩体中，无较大规模发育的地质构造带，区域工程地质条件较好，因而其高压引水系统隧洞采用斜井钢筋混凝土衬砌结构形式；北京十三陵、江苏宜兴抽水蓄能电站引水系统区域工程地质条件较差，围岩风化程度较强，且有较大的断层等地质构造带通过，北京十三陵抽水蓄能电站高压引水系统采用了斜井钢管衬砌回填混凝土结构形式，江苏宜兴抽水蓄能电站引水系统采用了坚井钢管衬砌回填混凝土结构形式。