基于HM耦合效应的高渗透水压水工隧洞承载机理研究

水工隧洞内水外渗是影响电站工程效益、隧洞结构安全和沿线山体稳定的重要因素，HM耦合是其突出特征，高渗透水压恶化了其运行环境。本课题将以室内衬砌压水试验为基础，探索混凝土裂缝宽度及其分布特征与衬砌透水性之间的关系，引入裂缝粗糙度影响因子与渗透水流流态判别因子，构建基于HM耦合效应的开裂混凝土衬砌渗透模型；探索室内隧洞模型实验的加载与控制方法，构建高渗透水压力条件下的隧洞水力劈裂组合模型，研究高渗透水压环境下岩体水力劈裂形成与促动机制；引入单元开裂状态函数与渗透系数突跳因子反映衬砌与围岩脱离前后接触部位的应力特性与渗透特性，建立基于衬砌与围岩有条件联合承载理论的水工隧洞三维数值计算模型，采用非线性动态仿真分析理论和非线性有限单元分析方法，研究隧洞衬砌与围岩的有条件联合承载特性；研究成果对揭示水工隧洞承载机理有重要意义，可为水工隧洞的安全运行提供重要保证。

在高内水压力作用下衬砌混凝土必然开裂，进而导致水工隧洞内水外渗，这是一类典型的流固（HM）耦合问题，是影响隧洞衬砌结构安全与沿线山体稳定的重要因素。渗流场与结构场的相互作用作为控制高内压水工隧洞变形与承载机理的关键因素，是高渗透水压水工隧洞承载机理的首要特征。当前的研究过程中，对于混凝土衬砌与围岩裂纹的促发与扩展，室内试验观测与数值模拟再现是其研究难点，也是众多相关研究团队的瓶颈所在。首先，与扩展有限元或者离散元不同，本项目基于传统开裂非线性有限单元法，采用塑性损伤指标进行水力劈裂深度的判定，采用间接耦合的迭代计算方法，克服了孔隙介质在模拟流固耦合中的难点问题，即通过衬砌混凝土开裂点附近的渗透水压力的精确迭代控制，在混凝土衬砌内形成了径向集中裂缝带，与工程中混凝土衬砌裂缝条数少宽度大的普遍特征非常吻合；同时，本项目采用等效渗透系数方法以及等效耦合分析思路，分析了考虑耦合前后钢筋混凝土隧洞的作用机理，采用充水夹层单元模拟了衬砌与围岩间有条件联合承载的力学特性与可能脱开造成的高渗透特性，通过迭代分析计算再现了高压水工隧洞开裂后钢筋应力数值普遍较小，甚至出现不升反降的客观规律，为高压水工隧洞的工程实践提供了参考与数值分析佐证；联合国内外相关科研单位(如英国帝国理工学院AMCG研究组)，采用不连续伽辽金计算方法，模拟分析了规则裂缝与不规则裂缝内水流的压力传导问题，奠定了高渗透水压水工隧洞渗透力的精确计算与传递基础，相关研究成果可为国内外相关高压隧洞的设计与建设提供参考。