本发明涉及一种高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌工作性态分析方法，属于水力发电工程领域。
背景技术：
1、将水流的势能转化为电能的工程就是水力发电工程。常规引水式水电站和抽水蓄能电站的水位落差大，常常建设较长的输水隧洞，称为高压水工隧洞。高压水工隧洞开挖后，为了减小糙率，增大输水能力，需要对其进行衬砌结构施工。钢筋混凝土衬砌是高压水工隧洞的常用衬砌结构型式之一。
2、在隧洞充水运行时，钢筋混凝土衬砌在内水压力作用下，很可能会开裂并发生内水外渗，导致钢筋混凝土衬砌的结构型式和荷载分布均发生巨大变化，进一步导致钢筋混凝土衬砌的工作性态变得异常复杂。为保证高压水工隧洞安全运行、优化钢筋混凝土衬砌结构设计，需要准确、高效地分析钢筋混凝土衬砌的真实工作性态。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种准确、高效的高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌工作性态分析方法。
2、本发明所采用的技术方案是：高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌工作性态分析方法，其特征在于：沿衬砌径向预置无厚度裂缝单元；沿衬砌环向钢筋设置杆单元和无厚度接触单元；沿衬砌与外部围岩之间接触面设置无厚度接触单元；采用间接耦合分析方法，模拟衬砌裂缝、衬砌与外部围岩之间接触面的渗流-应力耦合作用；采用平面应变分析的有限单元法，模拟衬砌浇筑、回填灌浆、固结灌浆、充水运行、放空检修过程，分析衬砌工作性态。
3、所述裂缝单元存在未激活、张开、闭合、滑移四种状态；在衬砌未开裂时，通过节点耦合，使预置的径向裂缝单元处于未激活状态；衬砌开裂后，激活预置的径向裂缝单元，采用无厚度接触单元模拟裂缝张开、闭合、滑移状态。
4、所述杆单元用于模拟衬砌环向钢筋；沿衬砌环向钢筋设置无厚度接触单元，模拟钢筋与衬砌混凝土之间的接触面；钢筋与衬砌混凝土之间的接触单元存在胶结、滑移两种状态。
5、所述衬砌与外部围岩之间的接触单元存在胶结、张开、闭合、滑移四种状态。
6、所述间接耦合分析方法是采用渗流场、应力场的循环迭代计算，间接模拟衬砌裂缝、衬砌与外部围岩之间接触面的渗流-应力耦合作用；采用裂隙层流模型，描述裂缝、接触面开度与渗透系数之间的数学关系。
7、所述平面应变分析的二维有限单元法，通过模拟衬砌浇筑、回填灌浆、固结灌浆、充水运行、放空检修过程，计算衬砌裂缝状态、钢筋应力、衬砌与外部围岩接触单元状态、衬砌混凝土应力，分析衬砌工作性态。
8、本发明的有益效果是：对高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌结构的几何特征和力学行为进行准确模拟，利用预置无厚度裂缝单元模拟衬砌开裂效应，利用杆单元和无厚度接触单元模拟衬砌环向钢筋及其与衬砌混凝土之间的相互作用，利用无厚度接触单元模拟衬砌与外部围岩之间的接触效应，采用间接耦合分析方法，模拟衬砌裂缝、衬砌与外部围岩之间接触面的渗流-应力耦合作用，采用平面应变分析的有限单元法，模拟衬砌浇筑、回填灌浆、固结灌浆、充水运行、放空检修过程，分析衬砌工作性态。本发明可以准确、高效地分析高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌的真实工作性态，为钢筋混凝土衬砌结构优化设计、高压水工隧洞安全运行提供技术支持。
1.一种高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌工作性态分析方法，其特征在于：沿衬砌径向预置无厚度裂缝单元；沿衬砌环向钢筋设置杆单元和无厚度接触单元；沿衬砌与外部围岩之间接触面设置无厚度接触单元；采用间接耦合分析方法，模拟衬砌裂缝、衬砌与外部围岩之间接触面的渗流-应力耦合作用；采用平面应变分析的有限单元法，模拟衬砌浇筑、回填灌浆、固结灌浆、充水运行、放空检修过程，分析衬砌工作性态。
2.根据权利要求1所述的高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌工作性态分析方法，其特征在于：裂缝单元存在未激活、张开、闭合、滑移四种状态；在衬砌未开裂时，通过节点耦合，使预置的径向裂缝单元处于未激活状态；衬砌开裂后，激活预置的径向裂缝单元，采用无厚度接触单元模拟裂缝张开、闭合、滑移状态。
3.根据权利要求1所述的高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌工作性态分析方法，其特征在于：采用杆单元模拟衬砌环向钢筋，采用无厚度接触单元模拟钢筋与衬砌混凝土之间的接触面；钢筋与衬砌混凝土之间的接触单元存在胶结、滑移两种状态。
4.根据权利要求1所述的高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌工作性态分析方法，其特征在于：衬砌与外部围岩之间接触单元存在胶结、张开、闭合、滑移四种状态。
5.根据权利要求1所述的高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌工作性态分析方法，其特征在于：采用渗流场、应力场的循环迭代计算，间接模拟衬砌裂缝、衬砌与外部围岩之间接触面的渗流-应力耦合作用；采用裂隙层流模型，描述裂缝、接触面开度与渗透系数之间的数学关系。
6.根据权利要求1所述的高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌工作性态分析方法，其特征在于：选取典型断面，按照权利要求2-5所述方法，建立平面应变分析的二维有限单元模型；模拟衬砌浇筑、回填灌浆、固结灌浆、充水运行、放空检修过程，计算衬砌裂缝状态、钢筋应力、衬砌与外部围岩接触单元状态、衬砌混凝土应力，分析衬砌工作性态。
