Skip to main content
SUPERVISOR
Raheb Bagherpour,Abdolreza Kabiri
راحب باقرپور (استاد مشاور) عبدالرضا کبیری سامانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mehrdad Karami
مهرداد کرمی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Effects of pressure fluctuations on hydraulic jacking in pressurized tunnels with low overburden
One of the most common problems in pressurized tunnels is the generation of cracks in the lining of the tunnel and the surrounding rocks as a result of high inner water flow pressures. By increasing the size of the cracks exceeding the allowable value, leakage would be happened from the lining towards the surrounding rock. In tunnel engineering, such phenomenon is a serious hazard, so called as hydraulic jacking which could be resulted in structural failure. There are several hydraulic structures such as water conveying tunnels, penstocks, pipelines and shafts which happened likely the hydraulic jacking phenomenon. In some cases, due to the effects of an earthquake or fast operations valves and gates, transient flow creates inside the above mentioned hydraulics structures, thereby the water flow inside the tunnel imposes high fluctuating forces on the rock surrounding the tunnel, causing high displacements in the rock, leading to rock fracture. Therefore, the effects of transient flow as well as the pressure fluctuations should be considered by design engineers. In the present study a two-dimensional pressurized water tunnel with a concrete lining was modeled, using the finite element method by applying the ABAQUS software. The lining was considered just as a roughening coverage to decrease roughness coefficient and to increase the flow discharge. The mechanical parameters of surrounding rock were assumed as weak as possible compared to the inner tunnel concrete lining. The water flow inside the tunnel was modeled, using acoustic elements that are capable of simulating the hydrodynamic forces. Accordingly, the mechanism of developing the cracks in the surrounding rock as the most probable place to prone this destructive phenomenon is studied applying both steady state and transient pressure conditions considering fluid-structure and rock interactions. Steady state and transient flow analysis were performed using the HAMMER software. The hydraulic loadings resulted from the hydraulic analysis by HAMMER software was transmitted to ABAQUS for structural analyses. The stress analysis of cracked elements of the surrounding rock was carried out based on Mohr-Coulomb fracture criterion. The least values of overburden rock to prevent the failure due to hydraulic jacking were evaluated by imposing the water flow pressure in both steady and transient flow states. Finally, the effects of increasing the height of the overburden on hydraulic jacking phenomenon were investigated considering transient flow conditions. Results indicated that, because of coordinate of surrounding rocks elements, extra overburden on tunnel is not a safe Solution for the eradication of hydraulic jacking phenomenon in rock around tunnel. Keywords: Pressurized tunnel, hydraulic jacking, transient flow pressure, Fluid-structure interaction, overburden.
یکی از مشکلات تونل های تحت‌فشار، ترک خوردگی پوشش و سنگ اطراف آن به دلیل فشار آب داخل است. اگر این ترک خوردگی ها از حد مجاز بیشتر شوند، موجب نفوذ هر چه بیشتر آب به پوشش و سنگ می گردند. این موضوع در تونل های آب بر تحت عنوان شکست هیدرولیکی شناخته می شود و به‌عنوان تهدیدی جدی در این سازه ها مطرح است. این مسأله در تونل های تحت‌فشار بالا، نظیر تونل های انتقال آب به نیروگاه های برق آبی جهت به کار انداختن توربین ها، اهمیت پیدا می کند. گاهی در اثر عواملی مانند زلزله و یا باز و بسته شدن سریع دریچه ها و شیر های تنظیمی، جریان های گذرا در این سازه ایجاد می شود. در این حالت، آب داخل تونل نیروهایی را به‌صورت ضربه ای به جداره های تونل وارد می سازد و باعث جابجایی هایی در سنگ اطراف تونل می شود. در تحقیق حاضر با استفاده از روش اجزای محدود و با بهره گیری از نرم‌افزار Abaqus تونل تحت فشاری دارای پوشش بتنی در حالت دوبعدی مدل‌سازی می شود. این پوشش صرفاً به‌منظور ایجاد مقطع هیدرولیکی مناسب در داخل تونل ایجاد خواهد شد. سنگ اطراف تونل نسبت به پوشش داخلی از پارامتر های مکانیکی ضعیف‌تری برخوردار است. سیال داخل تونل با استفاده از المان های آکوستیک که قابلیت شبیه‌سازی فشار های هیدرودینامیکی را دارند، مدل‌سازی می شود. در نهایت با اعمال فشار در دو حالت پایدار و گذرا و درنظرگرفتن اندرکنش سازه و سیال، به بررسی نحوه ترک خوردگی سنگ اطراف پوشش به‌عنوان مستعدترین مکان جهت بروز این پدیده مخرب پرداخته می شود. برای تحلیل جریان سیال در دو حالت پایدار و گذرا از نرم‌افزار Hammer استفاده می شود. در نهایت بارگذاری های هیدرولیکی پس از تحلیل در این نرم‌افزار، به‌منظور تحلیل تنش به نرم‌افزار Abaqus انتقال داده می شود. جهت بررسی ترک‌خوردگی المان های سنگ اطراف پوشش از معیار شکستگی موهر-کولمب استفاده می شود. با اعمال فشار آب در حالت پایدار به تونل، حداقل میزان روباره جهت ترک نخوردن سنگ مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت. در انتها با تغییر روباره موجود در روی تونل به بررسی تأثیر افزایش ارتفاع روباره بر شکست هیدرولیکی، در صورت بروز جریان های گذرا در داخل تونل پرداخته می شود و نتایج در قالب نمودار هایی ارائه شده است. نتایج نشان می دهد به دلیل مختصات قرار گیری المان های سنگ اطراف تونل، افزایش روباره راهکاری ایمن برای جلوگیری از بروز پدیده مخرب شکست هیدرولیکی نیست. کلمات کلیدی: تونل تحت فشار، شکست هیدرولیکی، فشارهای گذرا، اندرکنش سازه و سیال، روباره.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی