导流隧洞灌浆

关键词:

导流隧洞灌浆(精选三篇)

导流隧洞灌浆 篇1

岩体的种类和特性千差万别,工程条件又很复杂,所以工程岩体的变形破坏方式彼此都不会相同,但它们却服从一个共同的规律:工程岩体如果发生破坏,总是从一处或少数几处开始突破并通过应力场调整和岩体性质改变使破坏或者逐步扩展或者转入相对稳定。这就是杨志法、王思敬等学者从大量的工程实践中得出的突破观点[1,2,3,4],或称为突破现象,据此可认为:

(1)工程岩体的变形破坏取决于它所处的应力状态、强度及其应力~应变关系,仅当某点应力达到或超过该处的相应强度时才产生破坏(点破坏)。考虑到:(a)岩体中各处的应力不可能相同;(b)岩体的物理力学性质(包括强度)不一定各处都完全一致;(c)施工条件的差别等因素,可以得到,如果出现破坏,整个洞体不可能同时破坏而往往从某一处或少数几处符合破坏条件的部位首先产生破坏(点突破)的结论。

(2)一处或少数几处岩体的破坏必然引起岩体物理、力学性质的某种变化和应力分布的调整。并将改变结构面的应力~应变关系,使其强度从峰值降到残余值。

(3)其结果可能引起应力本来低于强度的邻近稳定岩体也发生应力达到或超过强度的新破坏,或者不足以引起邻近岩体的破坏而稳定下来。如果点突破引起邻近点的新破坏,这种逐次破坏发生的过程,实际上就是工程岩体的松动过程,发展到一定程度就会引起某一薄弱区产生塌方。首次塌方对洞室来说也是一种突破,为了与点突破相区别,不妨称作塌方突破。

(4)塌方突破后所发生的变化仍有可能引起新破坏和新塌方。当然也有可能不足以引起新的破坏和塌方而转入相对稳定状态。

不难看出,突破观点强调了岩体逐次破坏现象,“突破口”的概念便于工程实践,针对“突破口”采取加固措施能达到事半功倍的效果。

1突破现象数值模拟实现

按照连续体力学的概念,围岩的破坏是无数个不连续点的集合,然而用有限元法分析连续体力学问题时,则围岩的破坏过程就应当是有限个不连续点的集合。按照突破理论和力学计算可知,围岩点的应力状态是不同的,应力大的点总是先超过强度极限而破坏,因此围岩的破坏必定是逐次渐进的过程。首先按有限元法分析围岩的应力场和强度准则函数场,指定强度准则函数值最小的单元破坏,原来该单元承担的应力将转化到其他未破坏的单元上,应力发生重分布,因此重新计算与该单元有关的刚度矩阵,组装总刚,再次计算围岩的应力场和强度准则函数场,再次记录强度准则函数的最小值,再次指定强度准则函数值最小单元破坏,诸点进行下去,直到破坏n个单元后围岩失稳,或发生过大变形影响正常的使用,这n个破坏单元的几何位置就构成了围岩的破坏轨迹[5,6,7]。上述求解破坏轨迹的方法称为破坏追踪法,从这个破坏轨迹中我们可以找到突破点和突破塌方的位置。

2强度准则

合适的强度准则是模拟突破过程的关键,本文对三维应力状态选用俞茂宏双剪强度准则[8]:

σ2σ1+ασ31+α

g()=σ1-α2(σ2+σ3)-ft(1)

σ2σ1+ασ31+α

g()=12(σ1+σ2)-ασ3-ft(2)

式中:α=ft/fc;σ1、σ2、σ3分别为第1、2、3主应力;ftfc为材料的单轴拉、压强度,当函数值g(·)<0时表示破坏。

对于二维应力状态,采用H.Kupfer和K.H.Gerstle的二轴准则函数:

二轴受压:

g()=σ2c-1+3.65α(1+α)2fcg()=σ1c-ασ2c(3)

二轴一压一拉:

g()=σ1t-(1-0.8σ2fc)ftg()=σ2c-1+3.28α(1+α)2ft(4)

二轴受拉:

g()=σ1t-ftg()=σ2t-ft(5)

式中:角标t为拉应力,c为压应力。

对于一维应力状态时,应用应力最大强度准则:

σ为拉应力时:

g()=σ-ft(6)

σ为压应力时:

g()=σ-fc(7)

3岩石本构关系

本文采用全量型的非线弹性本构关系,在三维应力状态下按N.S.Ottosen (1979年)提出的三维本构模型,而其中的非线性指标按江见鲸(1992年)的分析方法。在一维应力状态下直接按Sargin,M.(1971年)提出的单轴受压的应力应变关系全曲线,在二维应力状态下用Sargin的应力应变全曲线本构模型,其中的非线性指标按H. Kupfer和K.H.Gerstle的二轴强度准则计算,具体计算方法参见文献[9]。

4突破点的处理

由于三轴受力的不同,岩石的破坏表现为多种形式,本文借鉴混凝土的研究成果,将岩石的破坏归结为5种形式[10],即(a)拉断;(b)片状劈裂;(c)柱状破坏;(d)斜剪破坏;(e)挤压流动,如图1所示。对应于这5种破坏形式的三轴、二轴和单轴受力的界限如表1和图2所示(表1中只列出前3种形式,图2中的σoctτoct分别为八面体正应力和剪应力,fc为单轴抗压强度)。当出现斜剪破坏和挤压流动时,该点将失去承载能力,不再参与应力分析;当出现拉断和片状劈裂破坏时,该点降为二维应力状态,继续二维应力状态参与应力分析;当出现柱状破坏时,该点降为一维应力状态,继续以一维应力状态参与应力分析。在二维应力状态下还可以出现进一步的破坏,其破坏形式可以根据该点二维应力状态进行分析,在一维的状态下还可以出现进一步的破坏,其破坏形式只有拉断和压碎破坏,无论哪一种形式,该点都将失去承载能力。

注:表中T为拉应力,C为压应力。

当出现拉断和片状劈裂时,该点在垂直断裂方向上将失去刚度,其余的两个方向刚度构成二维问题的本构关系矩阵,因此需要对弹性矩阵进行修正;当出现柱状破坏时,其一维刚度也存在类似的问题。未破坏状态下的弹性矩阵为:

D=[d11d12d13000d22d23000d33000d4400d550d66](8)

式中:d11=d22=d33=Ec(1-μ)/[(1+μ)(1-2μ)];d12=d13=d23=Ecμ/[(1+μ)(1-2μ)];d44=d55=d66=Ec/[2(1+μ)];μ为泊桑系数。

当出现拉断或片状劈裂时,用弥散裂缝来代替单独的裂缝,裂缝的方向垂直于第一主应力的方向,并将这个点处理为正交异性材料,此时,该样本点在主应力方向为坐标的局部坐标中的弹性矩阵[11,12]为:

Df´=[000000d22´d23´000d33´000d44´00d55´0d66´](9)

式中:d′22=d22-d122/d11=E/(1-μ);d′33=d33-d132/d11=E/(1-μ2);d′23=d23-d112/d11=μE/[(1-μ2)(1-2μ)];dii=η dii=η E/[2(1+μ)] (i=4,5,6);η为抗剪残留系数(0.1~0.5)。

当出现柱状破坏时,可以用两向弥散裂缝来替代两个单独的裂缝,裂缝方向垂直于第一和第二主应力方向,并将这个样本点处理为正交异性材料,此时该样本点在主应力方向为坐标的局部坐标中的弹性矩阵[11,12]为:

D˝=[00000000000d33˝000ηd4400ηd550ηd66](10)

式中:d″33=d′33-d′32d′23/d′22=Ec

当出现斜剪破坏和挤压流动时,单元的刚度矩阵变为零阵。

5算例

一个大型水电工程在左岸布置了3条导流洞。1号和2号导流洞平行布置在厂房外侧,进口位于勘界左侧山坡。轴线方向为S38°E~S11.5°E,进口引渠底板高程为600 m,出口明渠底板高程为578 m。上游段两洞轴线之间相距65 m;下游段相距61 m,5号导流洞进口位于勘界河左岸山坡,轴线方向由S25°E转至S10°E,后段与左岸泄洪洞结合,进水口引渠底板高程为660 m,出口明渠底板高程为639 m。右岸布置了两条导流洞,分别为3号和4号,两条导流洞平行分布,前段轴线方向为S15°W,至中段转为S32°E,后段为S65°E。

电站坝区岩体主要有4条断层,分别为:F1: N15°~30°E,NW56°~82°,宽度13~23 m,延伸长度7 500 m;F3:N14°~50°E,NW80°~90°,宽度2~6 m,延伸长度1 000 m;F5:N18°~25°E,NW60°~80°,宽度1~3 m,延伸长度1 200 m;F15:N30°~42°W,SW55°~70°,宽度为0.5~6 m,延伸长度500 m。根据工程区地形、地貌,地应力实测值的布点范围,计算域取垂直于河流流向长度5 000 m,顺河流向长度3 000 m,垂直高度3 000 m左右。建立区域三维地质模型及有限单元网格图(图3),共剖分单元43 680个,结点46 882个。根据实测点的地应力,利用多元回归法得到分析域的地应力[13]。

导流洞围岩应力与围岩的类型和洞室的开挖密切相关,整个计算通过子模型引入初始地应力场,并对各种围岩类别进行计算。限于篇幅,主要分析第三类围岩中城门洞形导流隧洞的情况。计算流程为:首先取出典型的导流隧洞断面作为子结构,边界条件通过初始应力场的计算进行确定[14],通过“杀死”单元[15]和反转应力释放法[11]模拟洞室的开挖顺序,所谓杀死单元是将单元刚度乘以非常小的数。“反转应力释放法”,即把沿开挖作用面上的初始地应力反向后转换成等价的“释放荷载”,然后施加于开挖作用面进行有限元分析,把由此得到的位移作为由于工程开控卸荷产生的岩体位移,由此得到的应力场与初始地应力场叠加即为开挖后的应力场。开挖完毕后导流洞的应力如图4所示。

为了揭示导流隧洞围岩的破坏过程,找出突破点和突破塌方的位置。根据突破理论,利用破坏追踪的方法进行了破坏过程计算。首先强制强度准则最危险的单元破坏,此处说“强制”破坏是指不管单元破坏与否,人为指定它破坏,强制破坏后对破坏单元的刚度矩阵进行修改。强制破坏的原则是:那一个单元的强度准则最小,则那一个单元先被强制破坏;这个单元坏了,则应力场改变了,准则函数场也改变了,于是,又有一个强度准则最小的单元出现,……。本文只给出了前25个单元的破坏过程(图5)。其准则函数值如图6所示,从图中可以看出,首先是边墙底角因为应力集中而被突破,随着这些单元的破坏,边墙底角的应力集中得到改善;随后是边墙中部部分单元被突破;然后是拱顶发生破坏;由于单元的集中破坏而造成突破塌方的第一个位置是边墙中部,这个部位应是工程首先加固的部位。

6结语

地下工程的围岩破坏是非常复杂的过程,“突破”规律是围岩破坏的基本规律,本文利用破坏追踪的方法可以得到围岩破坏轨迹,再现了围岩松动和破坏的过程,从破坏轨迹可以很容易找到突破点和突破塌方的位置,针对突破塌方的位置采取针对性的工程加固措施,对于地下工程的稳定具有非常重要的作用。

水利工程隧洞回填灌浆技术论文 篇2

【关键词】水利工程;回填灌浆;施工技术;工程实例

1引言

随着国家综合实力的稳步增长,我国的水利工程领域迎来了全新的发展,但同时也面临着诸多的考验,其中水利工程的施工质量就渐渐成为全民关注的焦点问题。由于水利工程中的隧洞施工会受到许多外界因素的影响,导致其在施工方面具有一定的难度,因此隧洞回填灌浆施工技术在整个水利工程的建设中就起到了至关重要的作用,是确保整个水利工程安全和稳定的关键因素之一。

2回填灌浆技术

2.1回填灌浆技术概述

回填灌浆技术主要是指为了增强围岩或建筑结构密实性,在混凝土和围岩或是混凝土和钢结构收缩间产生的空隙中填充浆液。这种技术可以有效增强隧洞的防渗效果及控制围岩压力和变形的扩展,还能加大衬砌的强度,使围岩和衬砌的混凝土成为一体。

2.2回填灌浆的技术要求

①采用“先回填灌浆、再固结灌浆”的方式进行隧洞混凝土衬砌段的灌浆,并且在衬砌混凝土达到设计强度70%后尽早进行回填灌浆,固结灌浆则在该部分的回填灌浆结束7d后进行。若是隧洞工程中含有帷幕灌浆,应当先进行回填灌浆,然后再依次进行固结灌浆和帷幕灌浆的施工。灌浆结束后,应封闭孔口返桨的灌浆孔等待凝固。②必须分区段进行灌注,要分两个次序进行,从较高的一段开始堆进,同一区段的同一次序孔可以在全部或者部分钻孔后灌浆,也可单孔分序进行灌浆。后序孔为顶孔,要先灌一序孔,再灌二序孔,施工时要从低段向高段堆进。③施工时要在双层钢筋衬砌段、钢板衬砌段和施工支洞封堵段预先埋设灌浆管。回填灌浆孔的位置不能与设计孔位相差超过20cm,并且孔深要钻透空腔或者深入围岩10cm。④灌浆压力要控制在设计规定的压力下,且当注浆孔不再吸浆,要立即结束回填灌浆。

2.3不同隧洞回填灌浆处理方案

①Ⅲ类围岩的处理方案:用水泥砂浆密实回填留存的空隙或空腔,且砂浆稠度及水灰比应为0.5或是0.6,在空隙大的部位要注意灌注高流态的混凝土;②Ⅳ类围岩的处理方案与Ⅲ类围岩相似,但需要根据工程的实际情况做具体处理。若是空腔的高度小于0.5m,则需要全部密实回填,而若是空腔的高度大于0.5m,则顶部的回填厚度不能小于0.5m(不包含衬砌混凝土的厚度);③Ⅴ类围岩由于其空腔比较大,容易倒塌,应根据工程的实际情况进行处理:a.浇混凝土前若是回填处理了干砌块石洞段,则用水泥砂浆灌浆处理(酌情调整砂浆稠度);b.若是未在浇混凝土前回填处理干砌块石洞段,采用水泥砂浆回填处理(酌情调整砂浆稠度);同时,为了隧洞的顶部可以形成拱效应,确保隧洞衬砌的安全,若隧洞顶部的空腔超过2m,顶部回填的厚度应不小于2m;若是隧洞的顶部空腔小于2m,顶部则要密实回填。

3回填灌浆施工技术存在的问题及对策

虽然回填灌浆施工技术对在水利工程能够顺利实施有着重大的促进作用,但是在实际应用的过程中还是存在着一些问题,这些问题都限制着回填灌浆施工技术的应用和发展,问题主要有以下三个方面:

3.1技术人员专业技能偏低

全面掌握专业技能是确保回填灌浆施工技术能够得到充分应用的重要因素之一。对于这方面的问题,可以加强技能培训,建立技能考核制度,也可以聘用专业技术人员。此外,还要加强对工作人员的监督与管理。

3.2技术更新速度慢

技术更新慢也是其中问题之一,只有技术、设备和人员的紧密结合才能够发挥出回填灌浆技术的最大作用。但是由于经济等各种因素,我国水利工程团队大多数使用的回填灌浆施工技术不是最先进的。施工团队要积极采取措施更新回填灌浆技术,加大资金投入,用于引进先进的灌浆施工技术。同时国家也应该提供资金支持,帮助水利施工团队能更好的发展。

3.3设备落后

导流隧洞灌浆 篇3

关键词:水库,导流,隧洞

1工程概况

板丛水库位于珠江流域红水河水系蒙江二级支流的摆所河中游上,摆所河为蒙江左源格凸河支流之一,发源于长顺县,水库坝址拟建于贵州省长顺县鼓扬镇上白泥上游约250 m处,距县城42 km。板丛水库是以农田灌溉为主、兼有农村人畜供水等综合利用的水利工程。推荐方案板丛水库正常蓄水位1 081 m,对应库容1 101万m3;最大库容1 315万m3。

2隧洞地质条件

隧洞沿线地层为三叠系边阳组钙质砂岩夹砂质页岩,砂岩为硬岩,页岩为软岩,软岩约占32%,山体表层分布少量第四系崩(坡)积层,岩层产状85°~101°∠20°~46°。隧洞轴线走向与岩层走向基本平行。隧洞沿线未发现断裂构造,地质构造主要为褶皱单斜构造,岩层层面为主要结构面,泥质、钙质胶结。

根据隧洞沿线地质条件,本隧洞洞身围岩分三段进行工程地质条件评价如下。

第一段(桩号G0-025~G0+015.80 m),洞身岩石以弱-微风化岩为主,洞顶岩石以弱风化岩为主,或洞顶微风化岩厚度不足1倍洞径,地下水无活动-轻微。弱风化岩石破碎-较破碎为主,部分较完整-完整性差,互层、中厚层结构,部分厚层结构;微风化岩岩体较完整-完整性差,互层-中厚层状结构。洞轴线与岩层走向近平行,对隧洞围岩稳定极为不利。本段综合评价为Ⅴ类围岩。

第二段(桩号G0+015.80~G0+204 m),洞身、洞顶岩石为微风化岩,互层、中厚层状结构为主,部分厚层、薄层结构,岩体较完整,少量完整性差,地下水头高20~40 m,活动中等,隧洞轴线与岩层走向近平行,对隧洞围岩稳定极为不利。本段综合评价为IV类围岩,局部为III类。

第三段(桩号G0+204~G0+285 m),洞身岩石以微-弱风化岩为主,洞顶微风化岩厚度不足1倍洞径或以弱风化岩为主,地下水无活动-轻微。微风化岩岩体较完整-完整性差,互层-中厚层状结构;弱风化岩石破碎-较破碎为主,部分较完整-完整性差,互层、中厚层结构,部分厚层结构。洞轴线与岩层走向近平行,对隧洞围岩稳定极为不利。本段综合评价为V类围岩。

3导流隧洞形式选择

本工程施工选用断流围堰+隧洞导流方式,在右坝肩布置导流隧洞。为了充分利用已有泄水建筑物,减小溢洪道的泄流规模,从而减少溢洪道的投资,故采用将导流隧洞后期改造为泄洪隧洞,与溢洪道一道承担泄洪任务。故本工程隧洞按导流流量控制断面尺寸和洞型。

(1)洞型选择。

由于本工程导流设计流量为Q=144 m3/s(P=20%,10月-4月),导流流量较大,所需导流隧洞洞径较大,根据受力条件、施工及检修方便,隧洞选用城门洞形。

(2)洞径选择。

初步拟定3个洞径,直径分别为4 m×5 m,5 m×6 m,6 m×7 m。分别计算其过流能力,然后通过调洪演算,得出施工导流下的各工况水位,确定围堰高程以及坝体临时度汛高程。通过比较隧洞工程量与围堰工程量以及坝体临时度汛高程填筑工期等因素比较确定洞径。3种洞径施工导流特征水位如表1。

从工程造价来看(表2),虽然隧洞洞径4 m×5 m时隧洞及围堰总投资最低,但由于此时坝体施工期临时度汛水位较高(为1 078.14 m),大坝无法在一个枯水期内达到所需坝体临时度汛高程,需要对坝体做过水保护。而隧洞洞径5 m×6 m时,经估算施工强度,大坝可以在一个枯水期填筑到临时度汛高程。随着洞径的增加,当洞径6 m×7 m时,隧洞增加的工程投资大于围堰减少的投资,也不经济。因此本工程推荐选用5 m×6 m洞径。

注:围堰土石料土含量30%,石方70%。

4泄洪隧洞设计

泄洪隧洞前期作为施工导流洞,导流洞进口在导流任务结束后用临时闸门进行封堵,并浇注C15混凝土封堵。导流洞全长297.00 m,纵坡i=0.02,在进口0+045.50 mm以后洞段作为泄洪隧洞永久建筑物。

泄洪隧洞总长285.00 m,利用导流隧洞长239.50 m,采用龙抬头形式与导流洞衔接,泄洪隧洞进口底板高程1 058.00 m,进口采用有压短管,后接无压洞身。闸室内布置平板事故闸门和弧形闸门各一扇,平板事故闸门孔口尺寸为4.0 m×5.0 m,弧形工作闸门孔口尺寸为3.6 m×5.0 m,中间压板段斜率为1∶6。闸室段后接无压隧洞,洞型为城门洞型,尺寸为5.0 m×6.0 m。

4.1泄洪隧洞水力计算

4.1.1流量计算

考虑到闸门全开时,e/H<0.2,故泄洪隧洞泄流能力按照孔口自由出流进行计算,计算公式为:

Q=μBe2g(Η-εe)μ=11+ζi(ϖϖi)+2gliCi2Ri(ϖϖi)2

式中:Q为流量,m3/s;H为由闸孔底板算起的上游库水深,m;ε为有压短管出口的工作闸门的垂直收缩系数,取ε=0.805;eB分别为闸孔开启高度和水流收缩断面处的底宽,取e=3.6 m,B=5.0 m;μ为流量系数;ζi为隧洞第i段上的局部能量损失系数,与之相应的流速所在的断面面积为ωi;li为隧洞第i段的长度,与之相应的断面面积、水力半径和谢才系数分别为ωiRiCi

泄洪隧洞水位、流量关系见表3。

4.1.2洞内水面线计算

(1)“龙抬头”末端(反弧)断面水深。

根据溢洪道设计规范253-2000,A3.1-3。

起始断面水深(表4):

h1=qφ2g(Η0-h1cosθ)

式中:φ为流速系数;取0.95;q1为“龙抬头”末端断面单宽流量;H0为起始计算断面总水头;θ为泄槽底坡坡角。

(2)洞内水面线形式判别。

分别计算洞内正常水深计算h0、临界水深hk,见表5,由于h1<h0<hk,故判断洞内水面线形式为c2型壅水曲线。

(3)洞内水面线计算。

用分段求和法求水面曲线,最后求得各断面水深(表6)。

计算得隧洞末端水深为3.77 m(含掺气),洞内净空面积比例均大于25%,且水面线没有超出直墙范围,满足规范要求。

(4)消能防冲计算。

本工程为底流消能,消能计方法采用《溢洪道设计规范(SL253-2000)》中有关公式计算。校核洪水标准下消力池的水力计算结果如表7所示,根据计算结果初步选定消力池长45 m,深4.5 m。

4.1隧洞结构计算

隧洞支护结构按新奥法理论进行设计,以适时构筑柔性、薄壁、能与围岩密贴的支护结构来保护围岩的天然承载力,变围岩本身为支护结构,使围岩与支护结构共同形成坚固的支承环。

按新奥法设计,隧洞支护结构形式采用由初期支护和二次衬砌组成的复合式衬砌。

根据不同地段的不同地质条件,对相应洞段采用不同的衬砌方式。Ⅳ类围岩支护采用系统锚杆加150 mm厚网喷混凝土,衬砌采用400 mm厚模筑钢筋混凝土。Ⅴ类围岩支护采用超前注浆小导管 L=4.5 m,环向间距0.4 m,纵向间距2 m,钢拱架,纵向间距1.0 m,系统锚杆加200 mm厚网喷混凝土,衬砌采用450 mm厚模筑钢筋混凝土。

5结论

综上所述,文章通过对板丛水库施工期导流、运行期泄洪放空隧洞布置、结构设计进行介绍,我们对该工程有了初步的了解。但由于每一个水利工程隧洞受所实施的工程状况、环境、地质、围岩等不同情况的影响,则其具体的布置、结构设计也会有所不同,所以在具体的工程环境下,应结合具体的情况,合理布置水工建筑物,并通过合理设计计算结构尺寸,达到设计目的,使项目发挥最大经济效益。

参考文献

[1]SL279-2002,水工隧洞设计规范[S].

注:本文为网友上传,旨在传播知识,不代表本站观点,与本站立场无关。若有侵权等问题请及时与本网联系,我们将在第一时间删除处理。E-MAIL:66553826@qq.com

上一篇:王军民同志在全省安全生产电视会议上的讲话 下一篇:水利水电施工中的施工导流和围堰技术应用研究