一种深埋非圆形水工隧洞复合衬砌外水压力计算方法技术

本发明专利技术涉及一种深埋非圆形水工隧洞复合衬砌外水压力计算方法，具体步骤如下：S1.提出基于等效水力半径法的将深埋非圆形水工隧洞等效为圆形水工隧洞的等效半径公式；S2.提出高内外水压作用下深埋非圆形水工隧洞的简化解析求解模型；S3.基于经典的裂缝介质渗流连续性理论以及Darcy定律，得出隧洞复合衬砌任意位置外水压力计算方法，进而得出隧洞复合衬砌外水压力分布规律。本发明专利技术拓展了水工隧洞水压力的计算方法的适用范围，首次提出了基于等效水力半径法的非圆形水工隧洞等效为圆形水工隧洞的等效半径公式，基于简化解析求解模型，能够对高内外水压下深埋非圆形水工隧洞复合衬砌的水压进行计算，进而得出渗流分布的规律。律。律。

【技术实现步骤摘要】
一种深埋非圆形水工隧洞复合衬砌外水压力计算方法


[0001]本专利技术属于地下工程领域，具体涉及了一种深埋非圆形水工隧洞复合衬砌外水压力计算方法。

技术介绍

[0002]为了缓解城镇工业与生活水电供应不足的困难，我国修建了一大批跨流域调水工程和引水发电工程，这些工程往往将深埋长隧洞作为主要的水工建筑物。为了达到工程的施工和使用要求，越来越多的高压水工隧洞被设计为非圆形隧洞，但是围岩和衬砌的稳定性会受到更加严重的威胁。因此，如何确定和控制作用在非圆形隧洞复合衬砌上的水压力成为了一个亟待解决的关键性难题。
[0003]目前，关于深埋水工隧洞衬砌水压力的研究现状如下：
[0004]中国专利申请号：201710637124.4，专利技术名称：一种高水压岩溶隧道衬砌水压力计算方法，提供了一种能够降低隧道的渗漏风险的高水压岩溶隧道衬砌水压力计算方法。
[0005]中国专利申请号：202011267873.0，专利技术名称：一种测量深埋隧洞衬砌外水压力的监测装置及方法，实现了深埋隧洞不同位置的地下水位分布式监测，为深埋隧洞衬砌结构设计与计算提供科学依据。
[0006]中国专利申请号：202111049528.4，专利技术名称：基于隧道排水量的衬砌水压力计算及结构安全预警方法，利用隧道排水量和地下水头关系曲线，解决了传统依靠渗压计无法在隧道全寿命周期内提供结构水压力的测试的问题。
[0007]上述关于深埋水工隧洞衬砌水压力的研究主要通过现场监测、修正折减系数法以及解析解法获得。与现场监测以及基于经验的折减系数法相比，通过理论解析计算得到的衬砌水压力的计算更加简洁，并且可以更准确地揭示隧洞渗流场的变化规律。然而，目前水压力理论分析研究主要针对轴对称的圆形水工隧洞，而对非圆形水工隧洞复合衬砌的水压分布规律的研究还没有被系统地揭示和研究。另外，衬砌水压计算及分布规律只是在内部水压为零的情况下推导出来的，没有充分考虑渗流分布和不同施工运行条件。

技术实现思路

[0008]针对以上问题，本专利技术提供了一种深埋非圆形水工隧洞复合衬砌外水压力计算方法，解决了高内外水压作用下深埋非圆形水工隧洞因其复合衬砌上水压力分布的复杂性和多变性而难以确定这一关键性难题。可为研究人员进一步研究非圆形水工隧洞的水压分布提供重要的理论指导价值。
[0009]本专利技术采用的技术方案是：一种深埋非圆形水工隧洞复合衬砌外水压力计算方法，其具体步骤如下：
[0010]S1.提出基于等效水力半径法的将深埋非圆形水工隧洞等效为圆形水工隧洞的等效半径公式；
[0011]S2.提出高内外水压作用下深埋非圆形水工隧洞的简化解析求解模型；
[0012]S3.基于经典的裂缝介质渗流连续性理论以及Darcy定律，得出隧洞复合衬砌任意位置外水压力计算方法，进而得出隧洞复合衬砌外水压力分布规律。
[0013]在步骤S1中，所述基于等效水力半径法的将深埋非圆形水工隧洞等效为圆形水工隧洞的等效半径公式为：
[0014]对于运行期的深埋非圆形水工隧洞，其内部水压往往较高，此时水力半径可以很好地衡量不同形状隧洞断面渗流能力。因此，与等效面积法或等效周长法相比，等效水力半径法可以更加准确地应用于求解非圆形水工隧洞复合衬砌上的水压力。以马蹄形隧洞断面等效为圆形断面为例，根据上述分析假设，可以推导出等效水力半径法的公式为：
[0015][0016]其中R
EH
为等效水力半径，A为过水断面面积，χ为湿周。
[0017]在步骤S2中，所述的高内外水压作用下深埋非圆形水工隧洞的简化解析求解模型具体如下：
[0018]简化解析求解模型包括等效为圆形的沿径向自内而外排列的水工隧洞、二次衬砌、初期支护、注浆圈以及围岩，其中r0、h0和p0分别是水工隧洞的等效内半径、内水头和内水压力；r
j
、h
j
、p
j
和k
j
(j＝s,p,g)分别是二次衬砌、初期支护和注浆圈的等效外半径、外水头、外水压力和渗透系数；H、p
i
、R和k
r
分别是水工隧洞的外水头、外水压力、等效远水场半径和围岩的渗透系数。
[0019]在步骤S3中，所述的基于经典的裂缝介质渗流连续性理论以及Darcy定律，推导出隧洞复合衬砌外水压力分布规律的具体推导过程如下：
[0020]基于经典的裂缝介质渗流连续性理论以及Darcy定律，复合衬砌某微分单元体上的渗流量dq可用式(2)表示：
[0021][0022]式(2)中：h为水头，r为微分单元体至隧洞中心距离,s是微分单元体外侧所在圆的周长；
[0023]对式(2)两边的q积分并引入边界条件可分别得到通过隧洞各部分的渗流量。根据渗流连续性原理，并经过化简可得
[0024][0025][0026][0027]则，
[0028][0029][0030][0031]式(6)、(7)、(8)中：γ为水的重度。
[0032]基于经典的裂缝介质渗流连续性理论可知，隧洞任意部分水压力P
r
为：
[0033][0034]求解二阶线性常微分方程式(9)，并由边界条件和Darcy定律可得：
[0035][0036]上述过程是在以下基本假设下进行的：
[0037](1)假设围岩、衬砌以及注浆圈为均质、各向同性的材料；
[0038](2)水流的运动规律服从Darcy定律；
[0039](3)隧洞处于稳定渗流状态。
[0040]上述计算方法可计算以下特征的水工隧洞：
[0041]高内外水压力作用下的深埋非圆形水工隧洞自施工期隧洞开挖、初期支护、衬砌、
灌浆以及运行期、蓄水期和检修期全过程中的复合衬砌外水压力。
[0042]步骤S3中所述的边界条件如下：
[0043]求解通过二次衬砌的渗流量时，边界条件为r＝r0,h＝h0；r＝r
s
,h＝h
s
。求解通过初期支护的渗流量时，边界条件为r＝r
s
,h＝h
s
；r＝r
p
,h＝h
p
。求解通过注浆圈的渗流量时，边界条件为r＝r
p
,h＝h
p
；r＝r
g
,h＝h
g
。求解通过围岩的渗流量时，边界条件为r＝r
g
,h＝h
g
；r＝R,h＝H。
[0044]本专利技术的有益效果是：本专利技术拓展了水工隧洞水压力的计算方法的适用范围。首次提出了基于等效水力半径法的非圆形水工隧洞等效为圆形水工隧洞的等效半径公式，基于简化解析求解模型，能够对高内外水压下深埋非圆形水工隧洞复合衬砌的水压行计算，进而得出渗流分布的规律。该方法综合考虑了水工隧洞的蓄水期、运营期和检修期，秉承了初期支护、二次衬砌、注浆圈和围岩相结合的设计理念。可以让研究解析理论的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深埋非圆形水工隧洞复合衬砌外水压力计算方法，其特征在于，具体步骤如下：S1.提出基于等效水力半径法的将深埋非圆形水工隧洞等效为圆形水工隧洞的等效半径公式；S2.提出高内外水压作用下深埋非圆形水工隧洞的简化解析求解模型；S3.基于经典的裂缝介质渗流连续性理论以及Darcy定律，得出隧洞复合衬砌任意位置外水压力计算方法，进而得出隧洞复合衬砌外水压力分布规律。2.根据权利要求1所述的一种深埋非圆形水工隧洞复合衬砌外水压力计算方法，其特征在于，在S1中，所述基于等效水力半径法将深埋非圆形水工隧洞等效为圆形水工隧洞的等效半径公式为：其中R
EH
为等效水力半径，A为过水断面面积，χ为湿周。3.根据权利要求1或2所述的一种深埋非圆形水工隧洞复合衬砌外水压力计算方法，其特征在于，在S2中，所述的高内外水压作用下深埋非圆形水工隧洞的简化解析求解模型具体如下：简化解析求解模型包括等效为圆形的沿径向自内而外排列的水工隧洞、二次衬砌、初期支护、注浆圈以及围岩，其中r0、h0和p0分别是水工隧洞的等效内半径、内水头和内水压力；r
j
、h
j
、p
j
和k
j
(j＝s,p,g)分别是二次衬砌、初期支护和注浆圈的等效外半径、外水头、外...

【专利技术属性】
技术研发人员：段淑倩，姜喜庆，曹备，赵金帅，熊杰程，李晨阳，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：