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水 利 学 报

2021 年 1 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 1 期

文章编号：0559-9350（2021）01-0021-13

水工隧洞钢筋混凝土衬砌水压致裂分析方法研究

周 利 ，苏 凯 ，汪 洋 ，张妍珺 ，朱洪泽 ，伍鹤皋 1
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2
1，2
（1. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；
2. 长江勘测规划设计研究院，湖北 武汉 430010）
摘要：引入具有水力耦合属性的内聚单元模拟衬砌裂缝、衬砌-围岩交界面，以反映缝隙的位移非连续特征以及
内部压力水体的流动特性。结合渗流-应力间接耦合方法，提出了水工隧洞钢筋混凝土衬砌水压致裂算法，探究
了衬砌裂缝发展历程、裂缝宽度演化以及缝隙内部水压力传递特征等，并基于此系统分析了衬砌-围岩有条件联
合承载特性的影响。计算分析表明，隧洞充水加压过程中，衬砌裂缝促发与扩展过程短暂且密不可分，随之缝内
水压力突增、内水外渗效应加剧；衬砌开裂后，缝内水压力沿衬砌径向的降低幅度非常小，量值较为接近于内水
压力。有条件联合承载情况下，衬砌裂缝与衬砌-围岩交界面间隙所形成的水体流动通道可以起到传导水压力的
作用，使得衬砌外水压力分布更为均匀；衬砌裂缝相对稳定，并且呈现数量少、间距大的分布特点，与衬砌压水
试验结果更为吻合。
关键词：水工隧洞；钢筋混凝土衬砌；水压致裂；内聚单元；有条件联合承载
中图分类号：TV313 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200415

1 研究背景

内水压力作用下钢筋混凝土衬砌受拉超过混凝土抗拉强度后，微裂纹萌生，洞内压力水流渗入
并 作 用 于 裂 纹 面 ， 造 成 裂 纹 端 部 局 部 拉 应 力 增 大 ， 进 而 导 致 裂 纹 进 一 步 扩 展 、 贯 通 形 成 宏 观 裂
［2］
缝，即钢筋混凝土衬砌的水压致裂过程 ［1］ 。诸多学者针对此展开了相应的研究工作。杨林德等 基
［3］
于渗透体力，采用负指数公式，分析了衬砌水压致裂过程中的渗流-应力耦合效应。肖明 和 Bian 等 ［1，4］
［5］
分别修正未开裂区、开裂区的材料渗透系数，开展了高压岔管衬砌的水压致裂分析研究。苏凯等 和
［6］
Zhou 等 以等效渗透系数表征裂损衬砌透水特性，提出了高压水道的等效耦合算法。Dadashi 等 ［7-8］ 和
［9］ ［10］
Wu 等 基于塑性损伤理论，建立了钢筋混凝土衬砌渗流-应力-损伤耦合模型。Zareifard 基于广义
有效应力原理，对衬砌水压致裂过程中的水力耦合效应进行了迭代计算分析。Karakouzian 等 ［11］ 和
Karami 等 ［12］ 通过混凝土塑性损伤模型模拟衬砌混凝土开裂过程，分别探讨了隧洞上覆岩体厚度的影
响以及洞内压力水体瞬变效应的影响。然而，上述研究成果大都采用等效连续模型模拟衬砌裂缝，
将混凝土非连续断裂问题等效连续化，并不能直观反映衬砌裂缝形态、缝内水压力特征等。
近年来，非连续力学模型已广泛应用于准脆性材料的断裂模拟中。Zhang 等 ［13］ 通过离散裂缝模型
模拟衬砌裂缝，采用带拉伸截断的 Mohr-Coulomb 准则作为其开裂准则。然而，其计算过程中将混凝
土作为不透水材料处理，忽视了渗流以及缝内水压力的作用。在这一点上，内聚单元模型表现出明
显优势，不仅可以反映材料断裂导致的位移非连续特征，同时可以兼顾裂缝内部的水体流动特性。
胡云进等 ［14-15］ 将其引入至压力隧洞的研究中，为衬砌水压致裂分析提供了新的研究思路。基于此，陈

收稿日期：2020-06-11；网络首发时间：2020-12-18
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20201217.1729.001.html
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基金项目：国家自然科学基金项目（51879207）
作者简介：周利（1992-），博士，工程师，主要从事地下工程研究。E-mail：531940021@qq.com
通讯作者：苏凯（1977-），博士，教授，主要从事水电站压力管道与地下工程研究。E-mail：suker8044@163.com
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