水电站建筑物调压井体型庞大,荷载及边界条件都较为复杂,同时埋于岩体中属于地下结构范畴。在地下结构两大分析理论即荷载结构法和地层结构法指导下,调压井结构分析可分别采用结构力学方法和空间有限元法。结构力学方法使用弹性薄壁圆柱壳和薄板理论计算调压井井壁与底板,并考虑二者刚性连接,采用地下框架弯矩分配法对井壁和底板进行弯矩分配。这种计算方法引入了较多的简化和假定,无法考虑竖井结构的特殊体型和地下结构荷载等因素的局部变化情况,对围岩的承载能力考虑不足。作为地下结构,调压井洞室开挖会对围岩稳定造成影响。本文以四川福堂电站调压井为工程实例,对调压井结构做出全过程数值分析,在荷载结构理论和地层结构理论指导下研究调压井衬砌工作性态,分析结构力学和有限元计算结果的规律性及其差异,从结构分析理论出发研究导致结果差异性的原因,为调压井结构分析提供参考。本文所做工作如下: 1.考虑实际情况采用四种不同地应力侧压系数,利用空间线弹性有限元法计算调压井洞室开挖后围岩的二次应力场,分析二次应力场计算结果,判别围岩稳定性,得出不同侧压系数下调压井洞室开挖对围岩稳定的影响,并提出相应工程防护措施,为调压井体型选择、布置及施工提供参考。 2.在地层结构理论和荷载结构理论指导下,分别采用三维线弹性有限元方法、结构力学计算方法及弹性力学方法对调压井运行期工况下的衬砌工作形态进行研究,分析不同方法的计算结果及各自规律;将有限元计算结果与弹性力学解答做出比较;对有限元计算结果进行应力转换和内力合成,对比分析有限元和结构力学计算结果,并从结构分析理论出发探讨导致结果差异性的原因。 3.由调压井有限元计算结果反演不同深度的围岩弹性抗力系数,并与传统计算值对比分析,指出传统计算的缺陷。将在完全连续的弹性体模型中得到的位移和用完全不连续的Winkler模型来表达的地基抗力结合,克服二类极端模型的缺点,提出弹性抗力系数k随深度z按幂函数变化的规律,采用最小二乘法估计k规律公式中的参数,得到岩体中弹性抗力系数沿调压井深度变化的计算公式,为地下竖井结构围岩弹性抗力系数的计算提供参考。 4.采用空间线弹性有限元法,对调压井在检修期工况下的衬砌工作性态进行研究,分析外压作用下衬砌计算结果,提出井壁应力变化的规律,为调压井衬砌设计提供参考。