基于ANSYS的引水隧洞有限元分析.pdf

第10 期2023年10 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)10-0 0 2 7-0 2陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.10October,2023基于ANSYS的引水隧洞有限元分析张羽佳（陕西黄河古贤水利枢纽开发有限公司，陕西西安7 10 0 32）摘要对某供水工程引水隧洞进行研究，通过建立三维有限元模型，对正常运行、检修、施工三种工况下引水隧洞衬砌结构的应力分布情况进行分析。结果表明：最不利的工况为正常运行工况，并选取正常运行工况下环向应力最大值出现部分进行配筋计算。【关键词引水隧洞；有限元；衬砌结构；应力中图分类号TV672+.1【文献标识码B1工程概况某供水工程为I等大（1）型工程，根据相关报告可知，该工程灌溉总面积436.8 2 万亩，年引水量17.2 5亿m，设计最大引水流量147.6 8 m/s，根据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2017）,确定调水工程等别为I等大（1)型，大坝取水口、输水隧洞、输水干渠等主要建筑物级别为1级，分布于各支线的调蓄水库、调蓄池、泵站、输水支管等建筑物按其自身规模确定其建筑物级别，施工导流等临时建筑物为4级。该供水工程主要由干线工程、城镇及工业用水线路工程、灌溉线路工程等组成。其中干线工程主要为1条干洞、3条干渠。干洞全段采用有压输水，隧洞断面形式为圆形，洞径11.0m，采用35cm厚C50钢筋混凝土衬砌。本次选取干洞进行结构有限元分析，为混凝土衬砌配筋设计提供依据。2有限元模型建立选用SOILD186实体单元模拟引水隧道，有限元计算模型见图1，计算模型单元网格见图2。管道内径11m，混凝土厚35cm，模型单元总数30 40 个，节点总数2 16 6 0 个。X轴水平向右为正，Y轴竖直向上为正。图1引水隧洞计算模型3计算参数及工况3.1计算参数引水隧洞混凝土衬砌参数见表1，围岩物理力学参数见表2。表1花衬砌混凝土参数表材料泊松比混凝土0.2表2围岩物理力学参数表变形抗剪（断）强度（岩/岩）围岩重度/模量类别(kN/m)Eo/CPa27.083.2计算工况本文在计算分析过程中，计算工况及荷载组合根据水工隧洞设计规范（SL279-2016）进行选择，结果见表3。根据水工混凝土结构设计规范（SL191-2008），各工况系数选取见表4。表3计算工况及荷载组合作用类别作用计算组合工况围岩衬砌内水地下水灌浆压力自重压力压力压力基本组合正常运行V基本组合检修工况V图2引水隧洞计算模型单元网格弹性模量/MPa3.45 104坚固单位弹性抗系数力系数K/c/MPaf(MPa/cm)1.000.90基本组合 施工工况V容重/(kN/m)250.703VV65收稿日期2023-08-01【作者简介张羽佳（19 9 2-），女，陕西西安人，工程师，主要从事水利水电工程相关工作。27第10 期2023年10 月水工建筑物级别荷载效应组合注：1.结构在使用、施工、检修期的承载力计算，安全系数K应按表中基本组合取值；对地震及校核洪水位的承载力计算，安全系数K应按表中偶然组合取值。2.当荷载效应组合由永久荷载控制时，表列安全系数K应增加0.0 5。3.3计算荷载3.3.1围岩压力进行围岩压力计算时，根据水工建筑物荷载设计规范（SL7 44-2 0 16）相关标准要求进行计算，其中的垂直围岩压力基于公式(1)进行分析，而水平方向的则根据公式(2)确定：(1)qul=0.25,B式中：u为垂直均布压力标准值，kN/m；为岩体重度,kN/m；B 为洞室开挖宽度,m。(2)qm=0.075%RH式中：qm为水平均布压力标准值，kN/m；H 为洞室开挖高度,m。3.3.2内水压力内水压力计算是根据水工建筑物荷载设计规范（SL744-2016）进行分析，由公式（3）确定出衬砌的内水压强标准值：(3)式中：Pa为内水压强标准值，,kN/m；为水的重度，本文计算时采用9.8 kN/m；H 为作用水头，m3.3.3外水压力进行外水压计算时，根据水工建筑物荷载设计规范（SL7 44-2 0 16），由公式（4）确定出衬砌的外水压强标准值：Pet=,YuH(4)式中：Pel为相应的外水压强标准值,kN/m；。为外水压力折减系数，本文在计算分析时采用0.4；H。为作用水头，m。3.3.4灌浆压力回填灌浆压力采用0.3MPa,灌浆作用范围为顶拱12 0。3.4计算结果及分析3.4.11正常运行工况正常运行工况下，引水隧洞径向应力为压应力，最大值2.70MPa,环向应力最大值1.33MPa。引水隧洞径向应力、环向应力分布见图3 图4。钱正常运行葵型然向应力（X轴）单位：MPa坐标系时简：-2:3231最大2.36482.40642.44812:4897253143173.65632.65632.698最小.28.陕西水利Shaanxi WaterResources表4各工况系数选取表正常运行货向应方蒸型然向应力（Y轴年色MIPa1坐标系诗简：13318最大1.1653基本组合偶然组合1.201.00Pu=.H张正营运行拉MPa黛系诗简：-3:3231最大2.36482.40642.4481248972.61472.65632.65632.698最小图3 1正常运行工况径向应力云图No.10October,2023吴正运行型：法向应力（Y轴）位：MPa坐标系时简：1:3318最大0.998881.16530.998880.832440.6660.499550.333110.166670.00022346-0.16622最3.4.2检修工况检修工况下，引水隧洞径向应力最大值0.0 0 0 55MPa,环向应力为压应力，最大值1.8 MPa。引水隧洞径向应力、环向应力分布见图5 图6。B:检修单位MIPa坐标系时简：10.00055301最-0.0101240.0208020.0314790.0421570.0528340.0635120.0741890.084867-0.093344最小B检修餐向应力蒸型然向应力（Y轴单位MPa坐标系时简香-0.5003最大0.64474-0.789180.93362-1.078！1.2225366951141.6558-1.8003最小3.4.3施工工况施工工况下，引水隧洞径向应力最大值0.0 2 5MPa,环向应力最大值0.31MPa。引水隧洞径向应力、环向应力分布见图7 图8。施工泰应力类型：法向应力（X轴单位MPa坐标系时简：0.02503最大0.0125578.36205-0.012389-0.0248630.0373360.0498090.062282-0.074753-0.087228最小施工向应力型然向应力（Y轴）位MIPa经标系时简0.30712最大0.14197-0.023186-0.188340.35350.51865-0.68381-0.848961.0141-1.1793最小0.832440.666H0.499550.333110.166670.00022346-0.16622最小图4正常运行工况环向应力云图B检修茶尚应力开型然向应力（Y轴）年MPa坐标系时简：0.00055301最大-0.0101240.0208020.0314790.0421570.0528340.0635120.0741890.0848670.095544最小图5检修工况径向应力云图检修菜尚应力型然向应力（Y轴）单位MIPa坐标系时简1-0.5003最大0.644740.789180.933621.0781222536691.8003最小图6 检修工况环向应力云图施工菜尚应力翼送向应力（X轴）位MPa坐标系时简：0.02503最大0.0125578.362e5-0.0123890.0248630.0373360.0498090.062282-0.074755-0.087228最小图7 施工工况径向应力云图施工袋尚应力恩彩然向应力（Y轴）车拉MPa坐标系时简：0.30712最大0.141970.0231860.188340.35350.3518650.683810.848961.0141-1.1793最小图8 施工工况环向应力云图7(下转第40 页）XX第10 期2023年10 月87654321图72019年单断沙关系曲线54.543.532.521.510.5图82020年单断沙关系曲线161412(u/)/10864200图92021年单断沙关系曲线16141210864200图102022年单断沙关系曲线陕西水利Shaanxi WaterResources年份综合2 0 142 0 16 2 0 17 2 0 18 2 0 19 2 0 2 0 2 0 2 12 0 2 2斜率K10.998 0.995 1.002 1.046 0.997 1.002 1.052 1.018=0.9965元R-0.999120.511.522.533.5断沙/(kg/m）246810121416断沙/(kg/m）-1.0175R-0.9999246810121416断沙/(kg/m）No.10October,2023表3各年单断沙关系线斜率表从2 0 14年 2 0 2 2 年单断沙关系图分析看，回归方程斜率3456断沙/（kg/m）P1.002R-0.997744.551-1.0518元R0.998578K基本等于1,误差不超过0.0 5。6分析结果经对青泥湾水文站2 0 11年 2 0 2 2 年12 站年单断沙关系分析，实测输沙率的沙量变幅占历年变幅7 0%以上，水位变幅占历年水位变幅8 0%以上，关系呈45单一线，符合河流悬移质泥沙测验规范（GB/T50159）第8.1.4条第1款泥沙实行间测的要求；历年单断沙综合关系线相比较，偏离综合线的最大均值在5%以内，符合水文巡测规范（SL195-2015）第4.2.7 条第c款，输沙率可实行间测的要求；2014年 2 0 2 2 年单断沙关系图回归方程斜率K基本等于1,误差不超过5%，说明单断沙关系稳定为45线，符合水文资料整编规范（SL/T247-2020）第6.7.3条定单一线的规定。由此得出青泥湾站输沙率测验可实行间测（即停测一段时期）的结论。7结语通过分析青泥湾水文站泥沙测验要素，输沙率停测一段时期，很大程度减轻了水文站的工作强度，为下一步开展巡测、编制巡测方案提供了支撑依据，为提升水文巡测能力奠定基础。通过此举分析说明水文要素监测有规律可循，只要善于动手，善于思考，充分运用好规范，就能出成果，简化了工作要求，减轻了工作强度，腾出更多的资源和人力在更多河流和区域开展水文监测，积累更多丰富的水文资料，为防汛抗旱、水资源管理、生态保护方面当好耳目、前哨和参谋。（上接第2 8 页）3.4.4衬砌配筋计算根据计算结果可知，引水隧洞在正常运行工况下最为不利，最不利工况下环向应力最大值1.33MPa。选取最大应力路径进行配筋计算，计算得配筋面积1546 mm，配筋结果为 5业2 0 2 0,As=1570mm。:40.4结语本文对某供水工程引水隧洞应力情况进行研究，采用ANSYS软件建立隧洞三维有限元模型，分析了隧洞在正常运行、检修、施工三种工况下的应力分布情况。根据计算结果，隧洞在正常运行工况下最为不利。根据应力分布结果，引水隧洞配筋面积1546 mm，选配5业2 0 2 0 钢筋。