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。     

齐热哈塔尔水电站大深埋长隧洞关键技术难题及对策

齐热哈塔尔水电站工程发电引水隧洞存在隧洞长、埋深大、高地应力、岩爆和高地温等复杂工程地质问题,因此,对隧洞围岩稳定、施工期安全、隧洞支护荷载和衬砌型式等的研究至关重要。通过采用现场围岩变形和地应力释放测试、数值模拟反演分析和衬砌时机试验研究等方法,分析了深埋长隧洞高地应力与岩爆的产生机理、岩爆特征和破坏形式,以及高地温的成因,研究了高地应力、岩爆和高地温对施工、衬砌荷载和衬砌型式的影响。针对上述问题对策如下:对于高地应力围岩洞段,开挖完成后,初期支护采取时间滞后的方式消减高地应力;对于岩爆洞段,采取主动预防措施和强施工支护,确保施工安全,将岩爆发生的可能性及岩爆的危害降到最低;对高地温洞段开挖采取通风、在掌子面和风带口放置冰块、对掌子面和附近岩体喷水等降温措施,而且完善和优化了隧洞一次支护和二次衬砌设计。这些措施保证了引水隧洞的施工和运行安全,对类似地质条件的隧洞工程设计和施工具参考价值。     

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。     

陕西省引汉济渭二期工程引水叉洞施工变形特性研究

在已建引水隧洞旁新建叉洞会引起交叉段围岩和支护结构的应力释放与重分配,使得交叉段附近岩体与支护结构力学行为发生变化,影响已建引水隧洞的安全可靠性。基于引汉济渭二期工程,通过建立黑河引水隧洞与连接洞交叉段三维有限元模型,采用摩尔库伦屈服准则,研究在Ⅲ类围岩条件下,连接洞开挖、引水隧洞正常运行、预留岩塞段开挖及引水隧洞交叉段衬砌拆除等施工过程对引水隧洞位移、应力等影响。结果表明：连接洞前段开挖对引水隧洞的影响变形在0.02 mm以下,影响较小;引水隧洞正常运行时,在距交叉口20 m内范围内,岩塞体最大变形在0.08 mm内,因此预留20 m岩塞可以保证安全;预留岩塞段开挖,交叉口附近15 m范围内衬砌最大下沉变形为0.6 mm,衬砌未出现拉应力,引水隧洞结构安全;交叉段衬砌拆除后,剩余衬砌最大变形小于1.0 mm,引水隧洞衬砌受压,最大压应力在4.0 MPa以内,衬砌结构安全。     

高地应力条件下输水隧洞断面选型及支护设计

在高地应力条件下选择合理的隧洞断面型式以及支护结构,对保证施工期围岩稳定及隧洞长期运行安全具有重要意义。针对滇中引水工程高地应力洞段,通过对比分析不同断面型式下隧洞围岩应力、变形及塑性区分布规律及量值大小,确定了隧洞断面型式为马蹄型,有利于隧洞围岩受力及结构稳定。在综合分析隧洞围岩的应力变形情况及塑性区深度的基础上,结合工程类比法确定了隧洞施工过程的临时支护措施及永久衬砌方案。通过对比支护前后隧洞围岩的变形数值及塑性区分布范围发现:临时支护措施能够有效的控制围岩的变形及减小围岩的塑性破坏范围,经永久衬砌后的隧洞围岩处于稳定状态,无明显的塑性破坏产生。     

国内某高埋深、高地温引水发电隧洞新型衬砌结构计算分析

结合国内某高埋深、高地温输水隧洞衬砌结构配筋问题,运用有限元分析软件,研究了温度和应力耦合作用下围岩和支护结构的受力特性,结果表明低温通水对围岩和支护结构的温度场影响显著,会大幅度地增加配筋面积,为保证输水隧洞安全性和经济性,采取了一种新型衬砌结构,对于降低衬砌温度应力和改善衬砌结构受力有显著作用。     

布仑口水电站高温引水发电隧洞受力特性研究

新疆布仑口-公格尔水电站位于西昆仑山腹地,在强烈的新老地质构造运动作用下引水发电隧洞前段存在高地温现象(实测温度105℃),严重影响隧洞施工和支护结构的耐久性。采用解析方法研究了该隧洞围岩和支护结构的温度分布规律和受力特性。首先采用瞬态和稳态两种方法研究温度分布规律,在此基础上研究了温度和应力耦合作用下围岩和支护结构的受力特性,最后初步设计了衬砌伸缩缝间距。研究表明低温冷水对围岩和支护结构的温度场影响显著,过水瞬时围岩内壁温度发生骤降(ΔT=60℃);运行期支护结构应力近似呈线性分布,而围岩应力却表现出明显的非线性特性。     

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。     

超高地温条件下引水隧洞施工关键技术探讨

娘拥水电站引水隧洞全长15 406 m,马蹄型断面。在1#支洞及该支洞下游主洞开挖过程中遭遇了高地温围岩,最高岩体温度高达86℃,高地温段洞室长度长达400 m。基于高地温隧洞施工实践,从降低洞内环境温度、钻爆开挖控制、初期支护措施等关键因素着手对高地温隧洞施工关键技术进行了探讨。     

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。     

围岩特性与衬砌厚度对隧洞衬砌混凝土温度应力的影响

为探明围岩特性与衬砌厚度对衬砌混凝土温度应力的影响,从而制定合理的温控标准,提出了技术可行、经济合理的温控措施,确保了白鹤滩水电站泄洪洞衬砌混凝土具有较高的抗裂安全性。根据白鹤滩水电站泄洪洞衬砌混凝土的结构和材料特性以及边界条件,利用ANSYS对衬砌施工过程中的温度场和应力场进行三维计算。结果表明:衬砌厚度越大,混凝土温度越高,最高温度出现时间越晚;围岩强度越高,衬砌厚度越大,产生的拉应力就越大;而围岩强度越差,衬砌厚度越大,对应的拉应力相对较小。围岩特性与衬砌厚度共同影响着衬砌混凝土温度和温度应力变化趋势,因此,为确保混凝土抗裂安全性,对不同围岩特性的地段应选择不同的衬砌厚度。研究结果可供类似工程参考。     

新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术研究

本文提出了一种新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术。该项技术根据厚壁圆筒承受内外水压力理论,利用围岩的抗力作用,采用外加预应力法,在围岩和衬砌混凝土之间安装一种圆环形扁千斤顶设备,根据需要利用水或水泥浆通过有限的径向位移对隧洞衬砌混凝土层外部人为地施加某一数值与分布的均布压应力,用以部分或全部抵消内水压力所产生的拉应力。其优点是省去了预应力钢筋,且施工简便。模拟试验证明,利用水或水泥浆施加预应力法是可行的。有限元计算结果表明,在隧洞衬砌混凝土外层间隔施加预应力时,衬砌混凝土中的应力能够满足工程需要。     

基于有条件联合承载机理的导流隧洞衬砌 安全与加固措施研究

针对高边墙的导流隧洞,结合某导流洞工程实例,建立了包含衬砌、围岩和支护结构在内的数值分析模型,采用有限抗拉强度材料反映衬砌与围岩间粘结强度有限的受力特征,分析了封堵期间在外水压力作用下衬砌与围岩的有条件联合承载特性,进而校核了衬砌结构的安全性。结果表明：随着衬砌与围岩粘结强度的降低,衬砌应力数值随之增加,所需最小抗剪厚度也越来越大;当衬砌厚度不满足条件时,可将衬砌内钢筋与外围锚杆绑扎或在衬砌内表面施加锚筋桩加固;相比钢筋与外围锚杆绑扎的加固措施,锚筋桩加固措施更为有效。     

有压引水隧洞温度应力的三维有限元分析

结合有压引水隧洞工程实例,提出基于Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真平台建立围岩和衬砌的整体有限元模 型,模拟对应工况下的材料性质、地质和环境条件。并分析该模型在有、无温度应力的条件下,衬砌的应 力和应变分布情况及相应的极值。研究结果表明:衬砌底部内侧出现拉应力最大值,拉应力较为集中分 布在底部与顶部,衬砌两侧出现压应力最大值。计算结果显示,温度降低产生的拉应力对衬砌结构稳定 性的影响较大,在设计衬砌和配筋时需充分考虑。     

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。     

锦屏电站左岸导流洞衬砌及其与洞壁围岩间相互作用研究

采用非线性有限元法,对锦屏电站左岸导流洞的典型剖面K0 434 m进行了精细模拟,以洞室开挖后的应力场为初始应力场,研究了衬砌结构应力以及衬砌结构与围岩接触截面间的相对变形和应力,预测了衬砌结构与围岩接触截面间拉应力超过允许脱空应力的部位,分析了左右边墙、底板和顶拱所承受的弯矩、剪力,进而按内外侧不对称配筋进行设计,计算了洞室各部位内外侧所需的配筋面积,为今后的衬砌施工设计提供参考.