(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210820432.1 (22)申请日 2022.07.13 (71)申请人 中国水利水电科 学研究院 地址 100038 北京市海淀区车公庄西路20 号 申请人 南方电网调峰调频发电有限公司工 程建设管理分公司 　 广西大学 (72)发明人 张强　汪小刚　章鹏　王玉杰　 郑志　郭凯　潘定才　宋春华　 刘立鹏　覃政云　英鹏涛　张琪琦　 黄鹤程　 (74)专利代理 机构 北京北新智诚知识产权代理 有限公司 1 1100 专利代理师 赵郁军(51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程 分析方法 (57)摘要 本发明公开了一种高水头钢筋混凝土衬砌 压力隧洞充水过程分析方法， 该方法基于非连续 介质力学的离散元方法实现， 利用三维离散元无 厚度接触面单元模型模拟高压水流作用下衬砌 开裂及衬砌与围岩分离力学行为， 利用三维离散 元孔隙‑裂隙双重介质渗流应力耦合模型模拟充 水过程中压力隧洞水力耦合行为， 通过逐级充水 加压实现对压力隧洞整个充水过程的模拟。 与现 有方法相比， 本发明不仅可以准确地三维模拟钢 筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程， 而且计算效率 高、 稳定性好， 解决了高水头钢筋混凝土压力隧 洞充水过程三维模拟分析的难题。 本发明提高了 压力隧洞充水过程模拟结果的准确性及模拟效 率， 为高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞衬砌结构 优化设计提供技 术支持。 权利要求书4页 说明书9页 附图6页 CN 115081294 A 2022.09.20 CN 115081294 A 1.一种高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程分析方法， 其特征在于： 它包括如下 步骤： S1、 根据钢筋混凝土衬砌压力隧洞的设计方案， 以及钢筋混凝土衬砌中环向钢筋的纵 向布置间距， 建立压力隧洞三维离 散元无厚度接触面单 元网格模型； 在建立所述压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模型时， 考虑压力隧洞钢筋混 凝土衬砌内密布的钢筋、 钢筋混凝土衬砌出现的裂缝、 衬砌与围岩之间接触状态的变化和 接触面的透水 特性； S2、 建立压力隧洞三维离 散元孔隙 ‑裂隙双重介质渗 流应力耦合模型； 所述压力隧洞的三维离散元孔隙 ‑裂隙双重介质渗流应力耦合模型由力学计算的网格 模型和渗流计算的Knots模型组成， 其中， 力学计算网格模型用于压力隧洞的力学分析， Knots模型用于压力隧洞高压水流在孔隙和 裂隙双重介质中的渗流分析， 并通过这两个模 型实现孔隙 ‑裂隙双重介质的应力渗流耦合分析， 进而模拟 高水头作用下衬砌的开裂特性 及衬砌开裂后压力隧洞的水流 运动特性及水力耦合效应； S3、 设置力学计算本构模型， 施加模型边界条件和地应力条件， 通过离散元迭代计算， 获得压力隧洞的初始地应力场； S4、 模拟压力隧洞开挖， 通过离散元迭代计算， 获得压力隧洞开挖后的二次应力场， 并 导出压力隧洞开挖后的二次应力场； S5、 重新调用步骤S2建立的压力隧洞三维离散元孔隙 ‑裂隙双重介质渗流应力耦合模 型， 模拟压力隧洞开挖， 并导入步骤S4得到的压力隧洞开挖后的二次应力场， 施作钢筋混凝 土衬砌， 具体方法是： S5.1、 重新调用步骤S2建立的压力隧洞三维离散元孔隙 ‑裂隙双重介质渗流应力耦合 模型， 将衬砌内所有单 元的本构模型设置NUL L， 开挖掉衬砌内的围岩； S5.2、 遍历所有单元， 按单元编号依次相应地导入步骤S4得到的压力隧洞开挖后的二 次应力场； S5.3、 根据钢筋混凝土衬砌中环向钢筋的布置位置， 在衬砌中添加环向钢筋， 完成钢筋 混凝土衬砌施作； S6、 根据设计的压力隧洞水头充水压力， 钢筋混凝土衬砌的开裂 阈值， 确定压力隧洞逐 级充水方案； S7、 根据压力隧洞逐级充水方案， 通过压力隧洞三维离散元孔隙 ‑裂隙双重介质渗流应 力耦合模型， 模拟隧洞逐级加压充水过程， 直至最后一级充水加压完成， 保存逐级模拟结 果； S8、 根据保存的逐级充水加压模拟结果， 查询充水过程中衬砌和钢筋的受力、 衬砌裂缝 宽度的变化以及高压水流的渗透过程， 为钢筋混凝 土衬砌的设计提供技 术支持。 2.根据权利要求1所述的高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程分析方法， 其特征 在于： 建立所述压力隧洞三维离 散元无厚度接触面单 元网格模型的具体方法为： S1.1、 根据钢筋混凝土衬砌压力隧洞设计方案中钢筋混凝土衬砌环向钢筋的纵向布置 间距， 确定拟建立的压力隧洞三维几何模型的尺寸， 计算公式如下；权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115081294 A 2式中： L、 W和H分别为拟建立的压力隧洞三维几何模型的长度、 宽度和厚度， D为压力隧 洞的洞径， d为钢筋混凝 土衬砌环向钢筋纵向布置间距； S1.2、 根据已确定的压力隧洞三维几何模型尺寸、 压力隧洞衬砌开裂、 衬砌与围岩接触 面状态的变化、 接触面的透水 特性， 建立压力隧洞三维离 散元几何模型； 在衬砌顶部增设一条无厚度的虚拟裂缝， 用于模拟高水头作用下钢筋混凝土衬砌的开 裂； 在压力隧洞衬砌与围岩间设置一个无厚度接触面， 模拟衬砌开裂后高压水流外渗后引 起衬砌与围岩接触面状态的变化以及沿接触面的透水； S1.3、 通过四面体网格单元剖 分， 建立压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模 型。 3.根据权利要求2所述的高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程分析方法， 其特征 在于： 所述步骤S2建立压力隧洞三维离散元孔隙 ‑裂隙双重介质渗流应力耦合模型的方法 为： S2.1、 遍历步骤S1建立的压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模型的所有节 点， 根据节点 位置关系， 确定每 个节点的属性； 对于任一节点， 若模型中不存在与该节点位置相同的其它节点， 则该节点属于连续性 节点； 若模型中存在与该节点 位置相同的其它节点， 则该节点属于非连续 性节点； S2.2、 根据压力隧洞三维离散元网格模型及其节点属性， 满足高压水流在孔隙和裂隙 双重介质中流动的水流连续 性条件， 建立计算压力隧洞渗 流的Knots模型； S2.2.1、 对于压力隧洞三维离散元网格模型中所有属于网格连续性的节点， 在每一个 节点位置处相应地建立一个Knot， 且这些Knots 的拓扑关系与压力隧洞三维离散元网格模 型中节点的拓扑关系一 致， 以保证高压水流在孔隙基质内的连续 流动； S2.2.2、 对于压力隧洞三维离散元无厚度接触面单元网格模型中所有属于网格非连续 性的节点， 仅在该位置处建立一个Knot， 并且位于该位置处的不同编号的节点共用这一个 Knot； S2.3、 基于压力隧洞三维离散元网格模型及计算渗流的Knots模型， 建立压力隧洞三维 离散元孔隙 ‑裂隙双重介质渗 流应力耦合模型， 并保持模型。 4.根据权利要求1 ‑3之一所述的高水头钢筋混凝土衬砌压力隧洞充水过程分析方法， 其特征在于： 所述压力隧洞初始应力场获得 方法： S3.1、 设置力学计算本构模型， 输入本构模型参数， 其中衬砌和围岩设置为理想弹塑性 本构模型， 虚拟裂缝和衬砌与围岩间的接触面设置为Mohr ‑Coulomb接触本构模型； S3.2、 施加模型边界条件和地应力条件； 所述模型边界条件为： 模型左右侧、 前后侧及底部均为固定位置， 顶部为固定应力边界 条件； 施加的地应力条件为均匀应力场； S3.3、 进行离 散元迭代计算， 当迭代计算完成后， 获得压力隧洞的初始地应力场； 在每一步迭代计算中， 当公式(6)成立时， 迭代计算结束；权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115081294 A 3