Page 34 - 水利学报2021年第52卷第1期

体现在：有条件联合承载条件下，衬砌裂缝宽度并未出现明显变化，裂缝处于相对稳定状态；而在
完全联合承载条件下，由于后继裂缝产生，混凝土应力进一步释放，3 裂缝宽度在内压增大的过程中
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呈现波动增大的态势，此后由于衬砌已经充分开裂，但与围岩仍未脱离，裂缝宽度在围岩的带动作
用下呈现持续增大的态势。从限裂的角度来看，充分考虑衬砌-围岩有条件联合承载特性可以使得裂
缝数量减少、裂缝宽度量值小并且处于相对稳定状态，更能发挥透水衬砌的优势。

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3 裂缝出现 3 裂缝出现
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（a） 有条件联合承载 （b） 完全联合承载
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图 12 衬砌裂缝宽度演化特征（3 裂缝位置）

Du/mm

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图 13 衬砌裂缝形态（3 裂缝）
采用等效连续模型并不能直观反映衬砌裂缝形态，而采用内聚单元可以弥补这一缺陷。0.81 MPa
内压作用下，3 裂缝的几何形态如图 13 所示，图 13 中， Du 为衬砌内聚单元顶面、底面的相对法向位
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移，以顶面的相对法向位移为正，底面的相对法向位移为负。从图 13 可以看出，衬砌裂缝形态具有
良好的对称性（以 Du = 0 为对称面），并且呈现内宽外窄的特征。
5.3 缝内水压力演化特征对比 由于衬砌厚度有限、裂缝分布随机性大、缝内水压力测量技术不成

熟等因素，目前关于衬砌裂缝内部水压力演化特征的研究成果仍旧较少。通过开裂内聚单元中面节
点孔隙水压力即可得到缝内水压力演化特征（图 14）。从图 14 可以看出，衬砌未开裂时，内聚单元中
面节点孔隙压力基本呈线性增大的态势。0.46 MPa 内压下衬砌开裂，缝内水压力陡增，反映出了脆
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性材料开裂，其渗透特性突跳的特点 。此后，随着充水加压过程的进行，缝内水压力持续增大，并
且较为接近于内压量值。通过对比可以看出，两种情况下缝内水压力演化特征较为类似，原因在于
衬砌开裂后，裂缝宽度显著增大，裂缝过流能力可以得到保障，同时衬砌厚度有限，缝内水压力沿
衬砌径向的降低幅度非常小。
5.4 衬砌外水压力分布特征对比 采用内聚单元模拟衬砌-围岩交界面时，即衬砌-围岩有条件联合
承载条件下，衬砌裂缝与衬砌-围岩交界面间隙将形成明显的水体流动通道，衬砌裂缝可以将水压力
传递至衬砌外壁，而交界面间隙则可以沿着衬砌环向向外传递水压力，此时缝隙内部水体流动特征

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