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1、四川大学 硕士学位论文 大内径调压井结构及洞室围岩稳定三维有限元分析 姓名：江启升 申请学位级别：硕士 专业：水工结构工程 指导教师：张林 20040501 四 川大学 硕1 : 学位 论 文 大内径调压井结构及洞室围岩稳定 三维有限元分析 水工结构工程专业 研究生:江启升指导教师:张林 近年来，随着许多大流量、 长引水系统水电站的建设， 调压井的内径越来 越大， 结构体形越来越复杂， 遇到不良 地质条件的机会也越来越多。 调压井作 为水电站建筑物的重要组成部分， 其结构的工作性态及洞室围岩稳定是一个十 分重要的问题， 直接影响到工程的安全运行。 调压井结构的常规设计方法是传 统薄壁圆柱筒法，
2、 但这种方法计算时由于带入较多的假定和简化， 对于大内径 调压井，很难反映实际的工作性态。同时调压井埋于地下，属地下结构，大内 径洞室的开挖关系到围岩的稳定。 因此， 利用有限元对调压井的 衬砌工作性态 及围岩的稳定进行研究很有必要。 本文以凉山州安宁河新马水电站的调压井为实例， 对大内径调压井结构及 洞室开挖围岩稳定性等进行分析， 采用传统计算方法及三维有限元方法 ( 借助 A N S Y S 程序) ， 结合该工程调压井的实际问题， 对调压井衬砌在各种工况组合 下的工作性态，以及不同开挖顺序下的调压井围岩稳定等方面进行研究，主要 研究工作如下: ( 1 )用传统的计算方法对调压井进行结构分
3、析，得出调压井的内力分布 状况。内力分布基本上符合常规， 拟定的调压井结构尺寸基本合理，应力及变 形在均在合理的范围之内。 ( 2 )利用线弹性有限元法对调压井衬砌工作特性进行研究，分析了调压 井衬砌在内压、 外压、围岩弹模变化以及考虑衬砌自 重和上部设备重量的影响 等各种条件下应力分布情况。 得出 最高涌浪水位是调压井的控制工况， 调压井 结构的应力分布符合常规， 其值大部分在混凝土的容许拉应力以内， 局部出现 大应力区， 需要加强配筋; 调压井井筒衬砌应力大小与围岩弹模大小密切相关。 四川大学 硕 卜 学位 论文 ( 3 )对调压井衬砌厚度进行优化，在调整井壁厚度后，调压井结构应力 状况有
4、所好转，应力更为均化，说明优化后的井筒尺寸是可行的。 ( 4 )运用弹塑性有限元法研究分析调压井衬砌及围岩的应力和塑性区分 布情况。围岩整体稳定性较好， 底板衬砌在局部有塑性应变区， 主要出 现在门 槽底部的前端，这是由于应力集中而产生的，需要加强配筋。 ( 5 )薄壁圆柱筒理论和有限元法是目前使用较为广泛的两种设计理论， 通过对两者结果的比较可以发现前者计算得出的应力在数值上要大于后者。 这 是因为在薄壁圆柱筒理论中假定井筒是均一的、 独立的一个结构，因而计算受 到局限。 而有限元法能较好地模拟体型、 荷载、 相邻结构的影响及围岩在不同 部位的抗力效应等。因此， 有限元计算结果更为切合实际，
5、建议在大型调压井 设计时应用有限元法进行分析，以策经济安全。 6 ) 在地应力场的作用下，按照选定的两种不同开挖和支护顺序，利用 非线性有限元法分析研究调压井衬砌的应力和塑性分布情况。 得出调压井洞室 开挖不会产生大范围的塑性区， 围岩是稳定的。 分层开挖的应力应变状况略好 于一次性开挖。建议结合施工组织选择合理施工顺序，推荐采用分层法开挖。 关键词:调压井结构分析洞室开挖稳定分析有限元计算 四川大学硕 卜学位 论文 3 D - F E M A n a l y s i s o f S t r u c t u r e o f S u r g e S h a f t w i t h B i g I
6、 n n e r D i a m e t e r a n d S t a b i l i t y o f S u r r o u n d i n g R o c k P o s t g r a d u a t e : J i a n g - g i s h e n g A d v i s o r : Z h a n g L i n H y d r a u l i c S t r u c t u r e E n g i n e e r i n g , D e p a rt m e n t o f H y d r a u l ic E n g i n e e r i n g S i c h u a
7、 n U n i v e r s i t y Wi t h t h e c o n s t r u c t i o n o f m a n y h y d r o p o w e r s t a t i o n w it h b i g d i s c h a r g e a n d l o n g d i v e r s i o n s y s t e m i n r e c e n t y e a r s , t h e r e i s s u r g e s h a ft w i t h b i g g e r i n n e r d i a m e t e r , m o r e c
8、o m p l i c a t e d s t ru c t u r e s a n d h e a v y g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s . A s a n i m p o r t a n t p a rt o f b u i l d in g s i n h y d r o p o w e r s t a t i o n , t h e w o r k i n g b e h a v i o r a n d s t a b i l i t y o f s u r r o u n d i n g r o c k o f s u r g e s
9、 h a ft i s a s t r i k i n g l y i m p o r ta n t p r o b l e m , a n d w i l l i n fl u e n c e d i r e c t l y t h e s a f e o p e r a t i o n o f t h e p r o j e c t . T h e n o r m a l d e s i g n o f s u r g e s h a f t a d o p t s t r a d it i o n a l t h i n - c y l i n d e r m e t h o d , w
10、 h i c h i s b as e d o n m a n y h y p o t h e s e s a n d s i m p l i f i c a t i o n s . A s a r e s u l t , i t h a s d i ff i c u l t i e s i n r e fl e c t i n g t h e a c t u a l w o r k i n g b e h a v i o r o f s u r g e s h a ft w i t h b ig g e r i n n e r d i a m e t e r . Me a n w h i l
11、 e , s u r g e s h a ft i s a n u n d e r g r o u n d s t r u c t u r e b e c a u s e i t s b o d y i s b u r i e d b y s u r r o u n d i n g r o c k , a n d t h e e x c a v a t i o n o f c a v e rn w i t h b i g i n n e r d i a m e t e r w i l l i n fl u e n c e s t a b i l i t y o f s u r r o u n
12、d i n g r o c k . S o i t i s n e c e s s a r y t o r e s e a r c h o n w o r k i n g b e h a v i o r o f s u r g e s h a ft l i n i n g a n d s t a b i l i t y o f s u r r o u n d i n g r o c k w i t h 3 - D F E M. T r a d i t i o n a l c o m p u t i n g m e t h o d c o m b i n e d w i t h 3 - D F
13、E M( b y m e a n s o f A N S Y S s o ft w a r e ) a r e a d o p t e d i n t h i s t h e s i s . T h e s t ru c t u r e o f s u r g e s h a f t w i t h b i g g e r i n n e r d i a m e t e r a n d s t a b i l i t y o f s u r r o u n d in g r o c k a ft e r e x c a v a t i o n a r e a n a l y z e d i n
14、 t h e l i g h t o f s p e c i f i c c o n d it i o n s o f s u r g e s h a ft o f X i m n a h y d r o p o w e r s t a t i o n o n A r m in g R i v e r , L i a n g s h a n S t a t e . T h e a u t h o r h as c o m p l e t e d th e f o l l o w i n g w o r k : ( 1 ) T h e d i s t r i b u t i o n o f i
15、n n e r f o r c e i s a c h i e v e d t h r o u g h a n a l y s i s o f s u r g e s h a ft s t r u c t u r e w i t h t r a d i t i o n a l me t h o d . T h e d i s t r i b u t i o n o f i n n e r f o r c e a c c o r d s w i t h s t a n d a r d a n d t h e d r a ft e d p h y s i c a l d i m e n s i o
16、 n i s r e a s o n a b l e . S t r e s s a n d d i s t o rt i o n i s a l s o i n t h e r e a s o n a b l e s c o p e . ( 2 ) T h r o u g h a n a l y s i s o f s u r g e s h a ft s t r u c t u r e w i t h l i n e a r - e l a s t i c F E M, t h e w o r k i n g b e h a v i o r o f s u r g e s h a ft l i n i n g n u m e r i c a l l y s im u la t e d i n c a s e o f i n t e rn a l 四 川大 学硕 七学 位 论 文 p r e s s u r e , e x t e rn a l p r e s s u r
