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[期刊] 清华大学学报(自然科学版)
[作者]
王如宾 王新越 张文全 徐卫亚 陆进彬 向天兵
为揭示复杂地质条件下富水区深埋隧洞围岩-灌浆圈-衬砌复合系统的外水压力作用规律，该文自行研制适用于深埋隧洞的大型高外水压力物理模型试验测试系统，选取滇中引水工程昆明段松林隧洞TSLT-005与TSLT-006(TSLT-005、 TSLT-006为断层编号)交叉断层典型洞段为研究对象，开展含交叉断层深埋隧洞衬砌外水压力物理模型试验，揭示不同隧洞埋深、不同地下水位及不同排水条件下，衬砌的外水压力变化规律，并给出各工况下的外水压力折减系数建议取值范围。结果表明：隧洞埋深和地下水位对衬砌结构的外水压力影响明显，随着隧洞埋深的增大，受高地应力影响，围岩与灌浆圈自身的孔隙度与渗透性下降，对地下水渗流势能起到较好的削弱作用，导致衬砌的外水压力整体呈降低趋势；随着地下水位升高，衬砌全环的外水压力呈增大趋势，且由于岩体中细颗粒会被高水压冲散，因此形成较为连通发育的渗流通道，渗压增速也会随地下水位的升高而增大；设置衬砌排水孔可有效降低隧洞拱肩及其以上部位的外水压力，当隧洞围岩存在交叉断层分布时，断层带影响的衬砌部位外水压力降低效果受到一定削弱，且对衬砌的外水压力分布影响较为明显，在高地下水位工况下，需重点关注“断层带”对围岩衬砌结构整体的影响范围；当衬砌结构不排水时，600 m埋深的外水压力折减系数约为200 m埋深的92%,设置排水孔后，600 m埋深的外水压力折减系数约为200 m埋深的85%;当隧洞围岩存在交叉断层时，在不排水情况下，衬砌最不利点的外水压力折减系数建议取值0.95以上，在排水条件下，衬砌处的外水压力折减系数建议放宽至0.82;最后，利用有限元数值模拟方法对衬砌的外水压力物理模型试验结果进行验证，在衬砌不排水工况下，误差约为9.3%,在衬砌排水工况下，误差约为7.8%,表明高外水压力作用物理模型装置和试验结果基本上合理可行。该研究为富水区深埋隧洞工程的设计施工及运行安全提供科学参考。
[期刊] 西北农林科技大学学报(自然科学版)
[作者]
王亚红 李宗利 于志秋
以文克尔弹性地基梁理论为基础,建立了隧洞衬砌静力分析的杆系结构力学模型,使其可考虑底部为弹性转动约束的情况,并对该模型进行了实例验证。研究结果表明,考虑弹性转动可使拱顶及边墙顶部截面受拉边缘处的应力增加。
关键词：
隧洞衬砌 静力分析 力学模型 弹性转动
[期刊] 西北农林科技大学学报(自然科学版)
[作者]
刘波 李宁 郭晓刚
【目的】针对当前水工压力隧洞钢筋混凝土衬砌配筋方法不能反映水工压力隧洞衬砌开裂后围岩-混凝土-钢筋的联合受力机制的不足,寻求建立一种新的配筋方法,为水工压力隧洞钢筋混凝土衬砌配筋的设计提供参考。【方法】从水工隧洞的实际性状入手,分析衬砌开裂后围岩-混凝土-钢筋的联合作用,借助于FINAL有限元程序,建立非线性有限元衬砌配筋数值仿真模型,基于莫尔-库伦强度准则进行非线性数值求解,并通过实例与"公式法"计算结果进行比较。【结果】通过算例发现,利用所建立的非线性有限元衬砌配筋数值仿真模型,计算得到围岩-混凝土-钢筋联合作用条件下的衬砌配筋量、钢筋应力、混凝土裂缝宽度,直观展现了衬砌裂缝处钢筋应力的集...
[期刊] 西北农林科技大学学报(自然科学版)
[作者]
何敏 户莹 李宁 刘波
【目的】针对目前水工压力隧洞配筋设计中公式法、边值法和一般有限元法计算结果差异较大,使工程设计人员难以决断的问题,建立更符合压力隧洞实际工作性态的配筋计算方法。【方法】在剖析现有计算方法基本假定的基础上,建立了一套数值模拟方法,即采用katona裂缝单元模拟衬砌中的裂缝,通过特殊的钢筋及跨缝筋单元模拟钢筋与混凝土相互作用及跨缝处作用机制,推求较为真实的衬砌应力、钢筋应力及裂缝宽度,然后根据设计条件确定配筋方案。【结果】采用建立的数值分析方法,对金沙江鲁地拉水电站压力引水隧洞进行对比计算分析,结果显示,当内水压力水头为1.3 MPa(130m)、围岩为Ⅳ类时,采用建议方法得到的配筋方案为5Φ25(4 900mm2),介于边值法20Φ30(28 260mm2)和公式法3Φ16(1 200mm2)之间。【结论】利用所建立的计算方法得到的配筋结果与实际较为吻合,能够帮助设计人员合理确定水工压力隧洞配筋方案。
关键词：
压力隧洞 衬砌 配筋计算 裂缝
[期刊] 西北农林科技大学学报(自然科学版)
[作者]
张承客 李宁 胡海霞
【目的】针对地下圆形洞室承受非静水初始压力作用下的平面应变问题,分析围岩的塑性区范围,为评价围岩稳定性和洞室支护结构的设计提供依据。【方法】对洞室围岩弹塑性边界两侧分别采用复变函数理论和滑移线场理论得出弹性区和塑性区应力组合表达式,根据弹塑性边界上应力相等得到边界方程;通过有限元算例将本研究方法的结果与卡斯特纳等方法的分析结果进行比较,并分析静水压力的变化情况。【结果】弹塑性边界为近似椭圆形,长轴与最大初始应力方向垂直;本研究方法与有限元分析结果更为接近,能够很好地反映洞室围岩塑性区范围;在静水压力下的分析结果与卡斯特纳公式所得塑性区半径一致。【结论】在非静水压力下塑性区全部包围洞室时,本研究...
[期刊] 清华大学学报(自然科学版)
[作者]
王克忠 李胜 曹立 张如九 庞智勇 王彦兵 刘耀儒
深埋隧洞强岩爆灾害是制约隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)安全高效掘进的关键因素之一，主动防控已成为控制岩爆风险的重要技术手段。该文针对滇中引水工程香炉山深埋隧洞TBM段施工期可能面临的硬岩岩爆问题，在考虑施工因素的情况下，开展超前应力解除爆破和超前导洞数值仿真研究，分析了岩爆主动防控作用机制及不同施工参数下的应力和能量释放效果。结果表明：超前主动防控通过预先集中掌子面前方岩体应力，实现TBM二次开挖时的应力“削峰”,避免能量突然聚集，从而降低岩爆风险；超前应力解除爆破适合局部针对围岩的应力释放，相较于增大外插角，增加超前爆破孔数量对减弱岩爆风险效果更加明显；超前导洞整体应力和能量释放效果更佳，影响范围更大，且增大超前导洞的洞径和长度有助于进一步降低岩爆风险。主动防控方法及具体施工参数需依据实际的岩爆风险等级和现场条件进行确定。
[期刊] 清华大学学报(自然科学版)
[作者]
刘晓丽 孙欢 董勤喜 熊炎林 KUMAR Nawnit 苏岩 周建军
秦岭深埋长距离引水隧洞极硬岩强度达到300MPa以上,已成为制约隧洞掘进机(tunneling boring machine,TBM)高效施工的主要难题.针对秦岭引水隧洞极硬岩掘进施工问题,该文提出了基于TBM掘进隧洞的热能机械耦合破岩方法,开展了有关微波、等离子体、火焰矩、水射流和钻孔劈裂的破岩试验以及数值计算和搭载设计,提出了5类辅助TBM破岩方法的适用性和搭载设计.研究结果表明:秦岭深埋引水隧洞岭南TBM掌子面岩体高含量石英吸收微波能力差、黑色极性矿物颗粒小,岩体微波劣化效应不显著,必须通过钻孔植入黑色极性矿物,增强岩体微波劣化效应;等离子体破岩方法采用超高电场密度能够产生显著的电力作用和热能破岩效果,可以将刀盘滚刀作为电极进行设计;火焰矩切割技术简单、易操作,但必须采取人工降温和热屏蔽措施;超高压水射流和钻孔超强劈裂破岩方法适用于掌子面岩体强度大于400MPa,TBM掘进每日进尺小于1m的工况.
[期刊] 清华大学学报(自然科学版)
[作者]
崔靖奇 吴顺川 程海勇 王涛 姜关照 浦仕江 任子健
围岩位移监测值具有复杂性和非线性动态变化特征，且以往优化算法结合单一回归模型的静态一次学习无法表现真实场景下的实际应用，而自相关性使围岩位移预测作为时序问题更具现实意义，但单一模型的泛化性能易受历史监测数据的干扰，导致测试应用预测不准确。该文提出一种结合监测时序数据预处理的围岩位移时序动态预测方法，首先，将截取后的稳定监测数据利用3次样条插值等距化，并通过变分模态分解(variational mode decomposition, VMD)信号处理，将监测数据分解为趋势项与随机项位移分量；其次，Adaboost集成多个长短期记忆神经网络(long short-term memory network, LSTM)构建时序预测集成优化模型，并在一次训练学习后单步动态预测；再次，分别对滇中引水工程段围岩位移分量进行预测，并与传统时序预测模型进行对比；最后，通过FLAC 3D数值模拟工程段得到围岩位移时序完整数据，验证集成优化模型的应用表现。结果表明：集成优化模型在各分量与累计位移均有良好表现，且与传统模型相比，受变形速率波动影响较小。
[期刊] 清华大学学报(自然科学版)
[作者]
陈念 张强 汪小刚 王玉杰 王鹏 王丹
外水压力是深埋隧洞建设中面临的一个关键问题，由于深埋隧洞埋深大、地下水位高、地层间水力联系规律复杂，因此给深埋隧洞外水压力确定提出巨大挑战。厘清隧洞全生命周期地下水的水力联系规律，是准确评价深埋隧洞外水压力和隧洞建设影响地下水环境的关键。该文采用数值模拟法研究不同地层类型对隧洞开挖后地下水演化规律的影响，在此基础上，提出一种深埋隧洞地下水分层水力联系地表深孔监测技术，并应用于滇中引水工程蔡家村隧洞。数值模拟结果显示：隧洞上方存在隔水地层对开挖后地下水水力联系有显著影响。工程实践应用不仅验证了该技术的可行性，还证实了深埋隧洞地下水水力联系存在分层现象。该文提出的深埋隧洞地下水分层水力联系地表深孔监测技术为深埋隧洞高外水压力的取值研究提供了有效手段。
[期刊] 西北农林科技大学学报(自然科学版)
[作者]
张志强 李宁 陈方方 Swoboda Gunter
【目的】研究不同级别围岩中软弱夹层对地下洞室围岩稳定性以及支护结构安全性的影响。【方法】利用奥地利大型岩土工程分析系统FINAL,通过建立软弱夹层分布于地下洞室拱顶、肩部以及侧墙时的不同有限元分析模型,分析不同级别(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级)围岩下软弱夹层对地下洞室围岩位移场、应力场、塑性区及喷层应力的影响。【结果】Ⅱ、Ⅲ级围岩中,顶拱软弱夹层使拱顶位移增加约85%,侧墙位移减小30%~35%;Ⅳ级围岩中,拱顶位移增加约120%,侧墙位移增加约10%;各级围岩中,顶拱软弱夹层使围岩拉应力区面积增大4.0~5.0倍;Ⅱ、Ⅳ级围岩中,拱顶软弱夹层对围岩塑性区的影响较小,Ⅲ级围岩中塑性区面积约为无软弱夹层时的2...
[期刊] 西北农林科技大学学报(自然科学版)
[作者]
张茹 王正中 陈涛 李甲林 郭利霞
【目的】科学指导冻土地区大U形混凝土衬砌渠道的设计建设。【方法】针对大U形混凝土衬砌渠道的冻胀机理和冻胀破坏特点,通过适当的假设,建立了大U形混凝土衬砌渠道非对称冻胀破坏的力学模型。【结果】只需选取最大冻结力一个参变量,即可求解渠道衬砌板上的冻胀力,并结合混凝土板抗裂条件,给出内力、胀裂部位、冻胀抗裂板厚及抗冻胀破坏验算等一系列计算方法。【结论】工程实例计算表明,该模型安全合理、简单实用,可为大U形混凝土衬砌渠道防冻胀设计提供科学依据,并为建立其他形式的渠道冻胀破坏力学模型提供参考。
[期刊] 西北农林科技大学学报(自然科学版)
[作者]
芦琴 刘计良 王正中 陈立杰 韩彦宝 刘旭东
【目的】探讨弧形坡脚梯形渠道衬砌结构冻胀破坏的力学模型,以科学指导衬砌体的设计与建设。【方法】通过对弧形坡脚梯形渠道砼衬砌冻胀破坏机理及破坏特征的分析,指出了弧形坡脚梯形渠道砼衬砌整体结构的计算简图,是在法向冻胀力、切向冻结力和重力共同作用下的近似薄壳拱形结构,基于此建立了该砼衬砌整体结构冻胀破坏的力学模型。【结果】求出了冻胀控制内力及最大拉应力的计算公式,并结合砼板抗裂条件,给出了胀裂部位、衬砌板厚及抗冻胀破坏验算的一系列计算方法。【结论】弧形坡脚梯形渠道砼衬砌结构较梯形渠道法向冻胀力数值小、分布均匀、恢复力大,整体适应变形及抗冻胀能力强,从而优于梯形断面,为弧形坡脚梯形渠道防冻胀设计提供了...
[期刊] 清华大学学报(自然科学版)
[作者]
刘康 刘昭伟 陈永灿 马芳平 王皓冉 黄会宝 谢辉
在运行期内，引水隧洞结构安全的影响因素较多且会随时间发生变化，因此，需要对引水隧洞结构安全进行分析评价。该文建立了一个动态Bayes网络(dynamic Bayesian network,DBN)模型评估引水隧洞的结构安全。首先，通过文献调研和专家咨询，确定引水隧洞结构安全的影响因素；然后，基于模糊层次分析法进行专家咨询，确定条件概率表(conditional probability table,CPT);最后，利用智能机器人巡检结果获得先验概率，并根据隧洞寿命的指数分布假设确定指标的转移概率。将模型应用于中国大渡河流域某水电站引水隧洞的结构安全评价，前向推理结果表明：引水隧洞整体风险较低，约在40 a后风险值增加至0.800,需要采取修补措施。反向传播结果显示：在不同的安全期，引水隧洞需关注不同的安全指标。该模型的评价结果与工程判断一致，表明模型具有较好的准确性和实用性。
[期刊] 沈阳农业大学学报
[作者]
贾宏伟 翟东汉 何武全 郭彦芬 霍轶珍
为了确定模袋混凝土全断面衬砌渠道的糙率系数,在内蒙河套灌区永兰分干渠(11+814)和什巴分干渠(9+903)开展了模袋混凝土全断面衬砌渠道糙率系数的原型观测试验研究,得出了不同水深和流量条件下的渠道糙率系数,并建立了渠道观测断面水力测量误差与糙率系数计算误差之间的函数关系,计算分析了永兰分干渠和什巴分干渠观测试验产生的糙率系数计算误差。试验结果表明:永兰分干渠原型观测的糙率系数最小值为0.0188,最大值为0.0198,平均值为0.0193;什巴分干渠原型观测的糙率系数最小值为0.0204,最大值为0.0216,平均值为0.0210;永兰分干渠原型观测的糙率系数最大误差为6.253%,什巴分干渠原型观测的糙率系数最大误差为3.178%;渠道流量观测误差对糙率系数误差的影响较小,糙率系数测定误差主要来源于水深的测量误差,且水深观测误差随着渠道流量的增大而减小,其中永兰分干渠流量观测最大误差为0.231%,水深测量最大误差为6.022%;什巴分干渠流量观测最大误差为0.155%,水深测量最大误差为3.022%。模袋混凝土全断面衬砌渠道糙率系数范围为0.0188～0.0216,平均值为0.0202,原型观测糙率系数的最大误差为6.253%,试验结果基本合理可靠,实际工程应用中可根据设计渠道的具体情况进行选用。
[期刊] 湖南农业大学学报(自然科学版)
[作者]
罗海峰 吴明亮 翁伟 沈宇峰 张利峰
油菜机械化收获作业时茎秆的物理特性对收获质量有较大影响,研究油菜茎秆生长过程中的模型特性可以为收获作业提供原始数据,对田间油菜茎秆直径进行测量,通过直径变化来间接表达其生长模型特性。结果表明:不同分枝部位茎秆直径大小变化是按指数函数递减,其变化模型为y=77.74e–1.011 3x(R2=0.986 2),且茎秆部位的改变对其直径大小的影响极显著;主茎秆直径随离地高度的增加呈线性降低,变化规律为y=–0.9817x+34.35(R2=0.987 1),且变化幅度90%处在0~2 mm内。
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油菜 茎秆 模型
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