布侖口高溫隧洞圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力數(shù)值仿真研究.pdf

1、新疆布侖口引水發(fā)電洞高地溫段揭示的圍巖鉆孔溫度高達(dá)82℃以上，而引水的溫度則低至5℃，在如此高溫降、高溫差條件下圍巖的溫度應(yīng)力特征、隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、隧洞運(yùn)行期的穩(wěn)定等都是亟需解決的工程問(wèn)題，也是亟待研究的科學(xué)問(wèn)題。
　　本文首先在前人工作的基礎(chǔ)上，論證了由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)反演得到的參數(shù)，并應(yīng)用到本文所建立的ANSYS數(shù)值仿真模型中進(jìn)行分析;模擬了高溫隧洞典型斷面的圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)特征;分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度與內(nèi)力變化的關(guān)系

2、;研究了幾個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響規(guī)律;得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):
　　1.通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果以及理論分析的對(duì)比，認(rèn)為本文數(shù)值仿真在高溫隧洞中的研究成果與熱力學(xué)基本規(guī)律相符，也較為符合工程實(shí)際，可應(yīng)用于工程研究及設(shè)計(jì)。
　　2.本文高溫隧洞仿真研究表明，熱力耦合結(jié)果的最大拉應(yīng)力值比純溫度及無(wú)溫度仿真結(jié)果疊加值略大5％～10％，其安全系數(shù)更高;由于溫度作用異常，使高溫隧洞圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)粘結(jié)面的熱力學(xué)變化與常溫時(shí)完全不同，故數(shù)

3、值仿真中應(yīng)考慮兩者間的粘結(jié)接觸作用。
　　3.本文通過(guò)分析幾個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)高溫隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響，得到規(guī)律如下:
　?、僭龃笾ёo(hù)結(jié)構(gòu)厚度對(duì)其內(nèi)力改善不明顯;支護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)的變化僅影響其內(nèi)部的應(yīng)力梯度;線膨脹系數(shù)與彈性模量的改變只能影響應(yīng)力值的大小，無(wú)法改變其應(yīng)力狀態(tài);支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的粘結(jié)情況對(duì)其與圍巖的共同作用至關(guān)重要。
　　②初始巖溫增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力增量增大;隧洞埋深增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的拉應(yīng)力減小，壓應(yīng)力則

4、增大。
　?、垡疁囟仍礁?，支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度越高，溫度場(chǎng)穩(wěn)定越快，其內(nèi)部拉應(yīng)力減小也越快;內(nèi)水壓力提高，其內(nèi)部拉應(yīng)力增大，不利于高溫隧洞穩(wěn)定性。
　　4.具體對(duì)于布侖口高溫隧洞Ⅲ類圍巖洞段典型斷面的熱力邊界與特定的工況條件，通過(guò)本文的數(shù)值仿真研究，得到如下結(jié)論:
　?、俑邷厮矶瓷疃萊處圍巖的溫度TR在溫度場(chǎng)穩(wěn)定期的分布規(guī)律為式:TR=K×(l)n(R)+T0。高溫隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)溫度在支護(hù)期為45℃，過(guò)水一年后降至8

5、℃;支護(hù)結(jié)構(gòu)的環(huán)向最大拉應(yīng)力達(dá)2.6MP，壓應(yīng)力達(dá)4.0MPa。
　?、谥ёo(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度及應(yīng)力之間存在兩點(diǎn)重要關(guān)系:一是支護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度降低導(dǎo)致其內(nèi)部拉應(yīng)力增大;二是支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度梯度引起了其應(yīng)力梯度。
　?、墼摱炊卧O(shè)計(jì)所采用的支護(hù)方式為厚層襯砌方案，而基于上文3.①的結(jié)論以及保證支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度足夠的原則，本文建議為施作一次噴錨支護(hù)措施，支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度宜為10～15cm，并采用C30聚酯纖維噴射混凝土以提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗拉能力。