高地温水工隧洞节理围岩温度场及塑性区特性研究

高温效应及其围岩节理结构特征对隧洞稳定的影响是高地温隧洞设计的关键问题。文章基于高地温隧洞现场温度及位移数据,分析高地温隧洞节理围岩温度变化特性。同时采用离散元方法模拟不同高温、不同节理结构特征隧洞围岩温度场、位移场规律及塑性区分布范围。结果表明：相对于完整围岩,节理围岩减少了隧洞围岩变温区的面积,并且节理倾角越靠近水平方向或竖直方向对温度场的影响越大。节理围岩在一定程度上可阻止变形位移量。热力耦合作用下节理围岩塑性区面积仅是地应力作用下塑性区面积的2倍左右,且节理倾角与竖直方向夹角越小,节理围岩的塑性区面积越大。当节理倾角为90°时,节理围岩的塑性区面积最大。     

高地温影响下的水工隧洞围岩应力变形规律分析

针对高地温环境下的水工隧洞,从平面空间角度出发,对不同方位路径、围岩深度、温度变化、地层深度、侧压力系数影响下的隧洞围岩应力变形特征进行研究.结果表明:隧洞开挖面处径向应力为零,离开挖面越远围岩径向应力就越大,隧洞开挖后围岩位移最大值位于拱顶处.围岩深部温度变化会对开挖面位移产生较大影响,对隧洞拱顶及洞底位移的影响尤其...     

高地温水工隧洞围岩喷层结构承载特性研究

为研究水工隧洞在高地温复杂环境下喷层结构的受力特性,以新疆某高地温引水隧洞为依托,采用理论分析和数值模拟的方法,对高地温引水隧洞喷层结构的受力特性进行了研究,并分析了线膨胀系数、围岩不同深度温差以及地应力水平侧压力系数对隧洞喷层结构受力特性的影响。由计算结果可知:在高地温情况下,理论计算的径向压应力最大值为2.07 MPa,环向压应力最大值为35.37 MPa;数值模拟的径向压应力最大值为4.36 MPa,环向压应力最大值为34.37 MPa。通过对比发现:理论计算的径向位移最大值为1.2 mm,环向位移最大值为0.75 mm;数值模拟的径向位移最大值为2.1 mm,环向位移最大值为0.95 mm。数值模拟的结果表明:隧洞围岩喷层结构承受的应力随着线膨胀系数增加会增大;喷层的拱顶与拱底处承受的环向应力随着温差的增加会增大,喷层的拱腰处承受的环向应力随着温差的增加会减小;喷层结构承受的应力随着地应力水平侧压力系数的增加会增大。     

高地温引水隧洞围岩热——应力耦合分析

针对新疆某高地温环境下的圆形隧洞,采用有限元分析程序,分别对不同围岩半径下的温度场分布进行模拟,并以不同围岩半径下围岩与支护接触面处的温度作为围岩合理计算范围取值的参考,结合有关理论分析的结果,确定出围岩最佳计算半径。在此基础上进一步研究隧洞施工期围岩温度、应力和位移场在热—应力耦合作用下的分布问题。研究结果表明,当围岩外部温度为80℃、隧洞内部温度为5℃时,隧洞开挖后考虑温度和应力共同影响下的围岩最佳计算半径为24 m。隧洞围岩温度沿围岩厚度方向呈非线性递增变化。与常温(20℃)情况相比,高地温的存在会使隧洞围岩最大主应力减小,同时也会在隧洞拱顶和底拱处产生拉应力。     

关于修正水工隧洞锚固参数计算方法的探讨

前苏联水工建设中，对水工隧洞采用锚杆支护具有施工简单，时效高，可大大改善作业的安全性，降低临时和永久支护的劳动消耗量和造价等优点。根据使用锚杆支撑的经验和地下水工建筑物计算机设计技术的推广，针对各种工程地质条件和不同尺寸的地下坑道，按照现行建筑法规和临时建筑法规，对水工隧洞锚杆支撑计算进行研究讨论，修正了锚固参数计算方法。     

基于对流-导热耦合模型的寒区水工隧洞围岩温度-应力耦合分析

为研究不同环境条件下水工隧洞围岩瞬态温度-应力耦合场的分布特性及变化规律,以新疆某寒区水工隧洞为依托,基于M-C本构模型,采用有限元仿真计算,对不同自然通风温度和不同风速下水工隧洞洞口及洞中位置围岩温度-应力耦合场进行系统分析.结果表明,隧洞洞中位置的温度高于洞口,自然通风时洞中位置产生的温差大于洞口位置;由温差产生的...     

热-力作用下水工隧洞围岩-支护结构耦合力学特性及相互作用机制

在高海拔寒区,围岩与支护结构的相互作用过程是影响水工隧洞结构稳定的重要因素。为了研究热-力作用下水工隧洞围岩-支护结构相互作用的时空演化规律,以新疆某寒区水工隧洞为依托,基于现场监测资料,采用有限元仿真模拟,计算温度效应下围岩-衬砌相互作用的弹塑性解析解,分析热力作用下隧洞耦合结构温度场和应力场的时空分布特征。结果表明：洞内低温对耦合结构的温度场和应力场影响较大,应实施防寒保温措施,保证在极端天气下,结构沿径向2.7 m内温度不低于0℃;通风前期,温度应力对耦合结构的应力变化起主导作用,21 d后还要考虑衬砌支反力、围岩被动支反力以及围岩外边界约束的共同耦合作用;对流前48 d结构内侧受拉,结构洞腰内侧出现最大拉应力155 kPa, 48 d后结构压应力激增,并且48～60 d内耦合应力增长速率最快。随着温度的降低,-1.95℃为洞顶和洞底的拉应力激增点,洞腰前期拉应力急剧增大,于-3.5℃开始缓慢减小。本次研究揭示了热-力作用下围岩支护结构相互作用的动态全过程,可为寒区隧洞安全施工提供依据。     

高地温对隧洞开挖施工的影响及其处理措施

以新疆布仑口-公格尔水电站发电引水隧洞高地温洞段开挖为例,介绍高地温对隧洞开挖施工的影响及高地温隧洞开挖的处理措施,总结施工管理中的经验,对类似地质条件下隧洞开挖施工有一定的指导意义.     

高地温隧洞温度场三维数值模拟分析

在高地温条件下,温度场是影响引水隧洞结构稳定的重要因素。为了研究不同工况下引水隧洞的温度场特性,以新疆布仑口—公格尔水电站高地温引水隧洞为依托,采用有限元仿真模拟的方法建立三维模型,对不同工况下高地温引水隧洞围岩及衬砌结构的稳态温度场特性进行了模拟计算,并取衬砌结构及围岩不同测点的温度场特性值进行对比分析。结果显示:受洞口及掌子面影响,围岩及衬砌温度随洞深增大可分为平缓段和骤升段两个阶段,且呈非线性变化。衬砌腰拱与顶拱内表面温差随洞深增大逐渐减小,且与工况有关,施工期最大值为1.26℃,运行期最大值为0.22℃。从模拟结果与实测结果的对比分析可知,实测与模拟所得围岩温度场分布特性相同。研究成果可为高地温引水隧洞热力耦合分析及其洞室稳定性提供了理论依据,同时也可为高地温区相关工程提供参考。     

引水隧洞岩体节理塑性区特征规律研究

以某地区引水隧洞的塑性区规律为研究对象,基于摩尔-库仑准则,通过计算推导出岩体塑性区计算公式,并由此对其岩体开挖塑性区进行分析。结果表明,对于门洞形隧洞,会随侧压力系数的变化而变化,且其值越远离中心点,影响越大;同时塑性区会随着节理岩体内部扩展而趋势不规则,且其趋势会越来越明显,因此需要防止其内部扩展。通过软件模型可知,开挖时应做好支护工作,防止因开挖造成应力分布范围的扩大。研究成果对门洞形引水隧道塑性区的研究具有参考价值。     

水工隧洞与废弃矿洞的稳定性相互影响分析

岩体的稳定性对水工隧洞的安全运行有着重要的影响,采用差分法结合非线性岩石力学模型,针对老矿区上部水工隧洞的稳定性进行研究,通过不同的研究方案表明:隧洞开挖过程中岩体能够满足自身的稳定要求,但是由于矿洞的长期风化,岩石强度降低,在不进行任何处理措施情况下,隧洞的开挖导致老矿洞顶部出现较大的应力区和塑性区,且矿洞存在可能坍塌的危险;在隧洞开挖前对矿洞采取相应的加固措施,增强矿洞自身的稳定性,可减小隧洞施工对矿洞的影响,从而保证整个工程的正常运行。     

水温影响下有压水工隧洞结构稳定分析

为解决运行期有压引水隧洞温度荷载和均匀内水压力联合作用下的应力计算问题,采用有限元法分析隧洞运行期水温变化所产生的温度应力对衬砌应力场与应力极值的影响,通过ANSYS Workbench进行有限元分析,计算运行期不同水温影响条件下的应力分布情况,并对比了弹性力学法计算的温度应力极值。计算结果分析表明,在隧洞运行期混凝土水化热基本稳定后,水温为温度应力的主导条件,水温升高会增大衬砌径向拉应力。因此,对于夏季高温地区或高水温地区需调整隧洞衬砌的配筋,以适应水温产生的温度应力对隧洞衬砌结构的影响。     

高地温隧洞喷射混凝土粘结强度及其有限元分析

针对在高地温隧洞中喷射混凝土和岩壁间粘结强度的问题,采用模拟现场试验的方法,对不同温度的岩板喷射混凝土,在恒定的温度下养护28 d龄期,通过钻芯拉拔试验测得喷射混凝土与岩板的粘结强度。再对混凝土岩板进行模拟隧洞过水试验,过水完成后再次测定混凝土与岩板的粘结强度,最后利用大型有限元软件ANSYS对混凝土岩板温度场进行模拟,得出相应的应力分布与试验结果进行对比。结果表明:过水前,喷射混凝土与岩板间的粘结强度随着温度升高而降低;过水后,随着温度逐渐升高,喷射混凝土与岩板的粘结强度降低幅度逐渐增大。     

断裂破碎带围岩松动区隧洞开挖应力变形特性分析

隧洞开挖过程中穿越断裂破碎带时,由于岩体条件差,在施工方式扰动下普遍会引起围岩出现松动圈,甚至坍塌。为厘清隧洞开挖过程中围岩松动圈应力及变形变化规律,以哈密抽水蓄能电站通风兼安全洞为例,建立三维数值计算模型,采用有限差分法,分析了断裂破碎带围岩松动圈隧洞开挖支护过程中围岩径向应力、变形及塑性区变化规律。结果显示顶拱径向应力主要集中在松动圈前端,且下半层的开挖对其应力影响较小;隧洞上、下半层开挖对拱顶径向变形规律一致,均沿开挖深度呈抛物线型分布,且最大值均位于松动圈前端;开挖完成后,不同部位围岩的变形大小关系为拱顶 ＞边墙中心 ＞拱肩;围岩塑性区主要分布在边墙和底板周围,且均为剪切塑性破坏,因此施工过程中还需加强边墙和底板处的支护措施。研究成果可为断裂带围岩坍塌形成松动圈隧洞支护设计提供参考。     

反复温度-应力耦合作用下引水隧洞变形特征

深埋引水隧洞在通过高地温区域时,伴随着开挖卸荷—通风降温—通水运行的全过程,隧洞围岩将经历反复的温度-应力耦合作用,使得围岩的变形破坏更为复杂。对齐热哈塔尔水电站深埋引水隧洞高地温洞段进行三维数值分析,详细研究了围岩在经历开挖、两次降温以及内水压力共同作用的全过程变形特征,比选了衬砌设计方案。结果表明:温度对围岩径向深度5 m范围内影响很大,此范围内围岩在经历反复温度-应力耦合作用后,不仅位移明显增大,而且可能会加重岩体损伤程度,但一定的内水压力有利于围岩稳定;施做二次衬砌能控制围岩变形,使原本隆起的拱脚变为下沉,但是仅通过增加二次衬砌厚度来抑制围岩变形和改善衬砌应力的作用是有限的。     

高地温引水隧洞围岩与喷层结构热力学参数敏感性分析北大核心

以新疆某水电站引水隧洞高地温段为研究对象,以现场监测获得的环向应力、温度数据为基础,对围岩和喷层结构的热力学参数(导热系数、比热、对流系数和线膨胀系数)与喷层环向应力的关系进行了分析,并采用参数敏感性分析法,研究围岩与喷层热力学参数对喷层应力的敏感性。结果表明,围岩和喷层的热力学参数对喷层拱顶环向应力的敏感度排序为:喷层线膨胀系数>喷层导热系数>围岩的导热系数>对流系数>围岩的线膨胀系数>围岩的比热>喷层的比热,拱顶环向应力对喷层线膨胀系数、喷层导热系数、围岩导热系数、对流系数比较敏感,而对围岩线膨胀系数、围岩比热和喷层比热不敏感。     

高地温条件下深埋隧洞围岩温度—应力分析及施工对策

以位于西昆仑山区的齐热哈塔尔水电站引水发电隧洞高地温洞段为例,初步分析了工程区隧洞高地温洞段大地热流背景及其形成机理,针对隧洞围岩的高地温分布特征,建立典型高地温洞段地质模型,利用有限元软件模拟隧洞施工贯通通水后的围岩岩体温度场,并由此来推断热应力对于围岩稳定性的影响。结果表明,围岩温度90℃以上、空气温度50℃以上的高地温洞段,内外温差大于10℃(里低外高),若采用无衬砌和一次支护方案对高地温洞段围岩进行支护,该洞段内大部分区域的最大主拉应力将超过C25混凝土的抗拉强度,易产生整体拉裂破坏;若采用钢筋混凝土衬砌结构方案,则可以通过增加衬砌结构的配筋量来降低其最大主应力值,此时隧洞围岩及衬砌结构均未出现整体拉裂破坏。研究成果能够为保证该高地温隧洞的安全运行提供可靠的设计依据。     

高地温引水隧洞隔热支护结构温度及应力特性分析

以解决高地温特殊环境下引水隧洞支护结构隔热保温问题及优化支护结构设计为目标,研究高地温引水隧洞不同隔热支护结构聚苯乙烯泡沫聚苯板(EPS)、聚苯乙烯泡沫挤塑板(XPS)的温度分布规律及受力特性,以新疆某水电站引水隧洞为研究对象,基于隧洞现场监测试验成果,采用有限元软件对支护结构的温度场和应力场进行模拟。结果表明:采用隔热层能减少温度对围岩和支护结构温度分布的影响;高地温隔热支护结构中隔热选材必须具有良好的保温隔热性能和一定的强度;EPS板两侧温差比XPS板两侧温差大2.11℃;相较XPS复合衬砌和普通混凝土衬砌, EPS复合衬砌内外温差最小,EPS复合支护结构隔热性能最好;三种衬砌结构拱顶处环向应力均最大,相比之下EPS复合衬砌环向应力最小,其值为0.40 MPa,EPS复合支护结构受力特性最好。对比分析结果表明,支护结构隔热选材上EPS板性能优于XPS板。     

某隧洞软弱围岩变形特性测试与分析

全面介绍了某水工隧洞软弱围岩松弛变形测试、围岩表面收敛变形监测及对岩体内部岩石位移变化情况监测所采用的技术方法,通过现场测试取得了较为翔实的资料,经分析围岩波速及其松弛厚度变化特征、围岩变形量、变化过程及持续时间,得出该区隧洞埋深在300 m以下的洞段,Ⅲ、Ⅳ1、Ⅳ2类围岩松动圈厚度一般在1 m左右,围岩的变形量主要发生在开挖后的40~50 h以内,且初期变形速度较快。因此,隧洞支护应在围岩未发生充分变形的情况下进行,分析认为该区隧洞Ⅳ2、Ⅴ类围岩支护时间宜在开挖后数小时内完成,而Ⅳ1类围岩可在开挖后数小时至十几个小时内完成,最长不宜超过1 d。通过探讨隧洞及高压管道围岩变形规律及发展趋势,预测围岩稳定状态,为修正原设计支护类型和参数以及合理选择一次支护时机、优化衬砌类型等提供科学依据。