考虑时序性超静水压力与过流应力的引水洞稳定分析方法与流程

本发明属于结构稳定性评价领域，具体涉及一种考虑时序性超静水压力与过流应力的引水洞稳定分析方法。

背景技术：

1、引水洞是指水利枢纽中具有引水发电、灌溉农田或供水等作用的地下隧洞。一方面，当引水洞与工作闸门连接时，洞身全断面不时被水流充满，此时隧洞内壁承受较大间断性过流应力，这种时而有时而无的明满流交替现象，极易引起震动、空蚀等不利流态，造成引水洞破坏。另一方面，受季节、旱汛期影响，引水洞所在位置超静水压力随水头的变化而增减。特别地，当短时降水来临，洞身周围降水迅速累计引起超静水压力急剧变化，这种时序性洞身外力变化与内部间断性应力耦合对引水洞的服役安全性提出了严峻的挑战。然而现有设计与施工过程很少将引水洞内部压力变化与时序性超静水压力的波动考虑在内，这要么导致乐观估计引水洞的承压能力，要么设计保守，造成材料的浪费。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决上述问题，提供一种考虑时序性超静水压力与间断性过流应力耦合的引水洞的服役分析方法。本发明将水利枢纽运转过程中的间断性内部压力与洞身外部时序性超静水压力耦合计算出动态荷载的安全范围，据此评价引水洞的服役性，同时也为设计及施工提供参考。

2、本发明的技术方案是考虑时序性超静水压力与过流应力的引水洞稳定分析方法，包括以下步骤：

3、步骤1：根据引水洞的设计方案以及引水洞的水文地质勘查数据，计算目标洞段时序性降水导致的超静水压力的变化范围；

4、步骤1.1：取引水洞上覆代表性岩石块体进行力学参数试验；

5、步骤1.2：依据引水洞的设计方案以及引水洞项目前期水文地质勘查数据，确定目标洞身埋深与时序性水头变化情况；

6、步骤1.3：获得洞身周围地应力大小，计算时序性静水压力的变化范围；

7、步骤2：建立承受内、外动态载荷的引水洞力学模型；

8、步骤2.1：为保证强度要求，并尽可能轻量化施工、节省材料，合理选用引水洞本构模型即引水洞力学模型；

9、步骤2.2：对引水洞本构模型设置内、外载荷，内部载荷为过流时的间断性荷载，外部载荷为引水洞上覆应力与时序性超静水压力组成的动态荷载；

10、步骤3：构建弹塑性结构临界屈服的应力方程；

11、步骤4：根据引水洞实际工作状态，在不考虑加载历史的条件下，建立引水洞结构承载上大于弹性而小于极限的非失效外载荷所满足的物理方程；

12、步骤5：构建结构内、外受非恒定荷载作用的线弹性状态下的应力场方程；

13、步骤6：依据结构内、外同时受非恒定荷载作用的应力场，得到引水洞内、外非恒定应力场波动影响下，结构塑性变形情况下的应力关系方程；

14、步骤7：确定结构稳定性的力学准则，将步骤4-6得到的物理方程、应力场方程、应力关系方程代入步骤3的应力方程，得到引水洞稳定的力学准则方程；

15、步骤8：根据时序性超静水压力的范围，利用步骤7得到的力学准则方程，求解引水洞内压变化的安全值。

16、步骤9：根据步骤8的计算结果，分析得到引水洞设计及施工所需满足力学要求及改良建议。

17、进一步地，步骤1中，引水洞身埋深深度为h，富水期地下水水头超过引水洞中心的高度为hw，水头最大超静水压力为

18、 pw,d =pmax =ρ水 gh

19、式中 pw,d表示超静水压力， pmax为最大超静水压力， ρ水表示水密度， g为重力加速度；

20、短水期时水头下落至引水洞洞身以下，洞身所受到的超静水压力

21、 pw,d =0；

22、因此，水位波动下超静水压力 pw,d的动态范围为0 - pmax。

23、优选地，步骤2中，所述引水洞力学模型选用理想弹塑性本构模型，引水洞内部承受间断性的水流压力 ps.d，洞身外部承受周围岩土环境施加的挤压力 pe,s和时序性超静水压力 pw,d，洞身外部所受合力 ph,d为 pe,s与 pw,d之和。

24、优选地，所述步骤2.1中，将引水洞洞身视为弹塑性材料。

25、进一步地，步骤3中，所述弹塑性结构临界屈服的应力方程为

26、

27、式中 σr、 σθ分别表示结构某一点处的最大、最小主应力， φ、 c分别为有压引水洞结构的内聚力、内摩擦角； r和 θ分别表示极坐标下的极轴距和极角。

28、进一步地，步骤4中，所述引水洞结构承载非失效外载荷的物理方程为

29、

30、式中 σeij表示变化的外荷载产生的纯弹性应力场， epij为塑性应变率， vpi表示速度场， σpij表示塑性应力场，υ为体元变量， γ为上覆代表性岩体的容重； v表示引水洞体体积， dv体积微元。

31、进一步地，步骤5中，引水洞结构内、外受非恒定荷载作用的线弹性状态下的应力场方程为

32、

33、式中表示引水洞内径，表示引水洞外径，表示径向弹性正应力。

34、进一步地，步骤6中，引水洞结构塑性状态下的应力关系方程为

35、

36、式中表示径向塑性正应力，表示周向塑性正应力。

37、优选地，步骤7中，所述引水洞稳定的力学准则方程为

38、。

39、进一步地，步骤8中，引水洞内压变化的安全值范围为0~ ps,d。

40、相比现有技术，本发明的有益效果包括：

41、1）本发明将引水洞运行过程中的间断性内部压力与洞身外部时序性超静水压力耦合，建立承受内、外动态载荷的引水洞力学模型，构建弹塑性结构临界屈服的应力方程以及引水洞结构内、外受非恒定荷载作用的线弹性状态下的应力场方程，进而得到引水洞稳定的力学准则方程，计算得到动态荷载的安全范围，据此评价引水洞的服役安全性，考虑了旱、汛期或短时降水导致超静水压力的变化对洞身不利影响，降低了引水洞破坏的潜在风险。

42、2）本发明考虑了有压引水洞工作时过流断面不稳定造成的间断载荷，能避免洞身震动、空蚀等不利流态所造成的引水洞破坏。

43、3）引水洞稳定性的力学判断准则方程涉及材料属性、结构尺寸以及水文地质条件等多种因素，构建的模型与实际水利工程项目符合性好，对水利枢纽的选址、设计施工以及后期生产都具有重要的指导意义。